单片机原理与应用_08单片机应用系统的设计

1、8.1 8.1 多路巡回检测系统设计多路巡回检测系统设计8.2 8.2 单片机控制系统执行机构接口技术单片机控制系统执行机构接口技术8.3 RS-232C8.3 RS-232C总线标准与接口电路总线标准与接口电路8.4 8.4 单片机控制系统设计单片机控制系统设计 第八章第八章 单片机应用系统的设计单片机应用系统的设计 8.18.1多路巡回检测系统设计多路巡回检测系统设计 在单片机多路巡回检测系统中包含两个方面的含义。其一是在在单片机多路巡回检测系统中包含两个方面的含义。其一是在指定的时间检测外部信号的有或无，包括开关信号和模拟信号；其指定的时间检测外部信号的有或无，包括开关信号和模拟信号；其

2、二是对模拟信号进行量化采集与处理。本节主要介绍多路模拟信号二是对模拟信号进行量化采集与处理。本节主要介绍多路模拟信号的巡回采集和量化处理。的巡回采集和量化处理。8.1.1 8.1.1 多路巡回检测系统多路巡回检测系统8.1.2 8.1.2 集成化多路模拟输入数据集成化多路模拟输入数据 采采 集集 系系 统统 MN7150MN71508.1.3 8.1.3 多路巡回检测系统设计多路巡回检测系统设计8.1.18.1.1多路巡回检测系统多路巡回检测系统 多路巡回检测系统用来对多路模拟信号进行巡回采集，其结果送单多路巡回检测系统用来对多路模拟信号进行巡回采集，其结果送单片机或其它计算机处理。常用的结构

3、形式有三种，一种是共享采样保持片机或其它计算机处理。常用的结构形式有三种，一种是共享采样保持和和A/DA/D转换电路，另一种是共享转换电路，另一种是共享A/DA/D转换电路，第三种是并行转换结构。转换电路，第三种是并行转换结构。 1 1共享采样保持和共享采样保持和A/DA/D转换电路转换电路 共享采样保持和共享采样保持和A/DA/D转换电路是指多路模拟信号共用一套采样保持转换电路是指多路模拟信号共用一套采样保持器和器和A/DA/D转换电路，其逻辑结构如图转换电路，其逻辑结构如图8.18.1所示。所示。 图图8.1 8.1 共享共享S/HS/H和和A/DA/D结构结构多路开关IN0IN1.INn

4、1主机S/HA/DI/O控制逻辑 多路模拟量信号在主机的控制下依次或者有选择地通过多路开关，送多路模拟量信号在主机的控制下依次或者有选择地通过多路开关，送入采样保持器和入采样保持器和A/DA/D转换器，转换结果再经转换器，转换结果再经I/OI/O接口电路送主机。这种结接口电路送主机。这种结构电路简单，使用器件少，成本低。构电路简单，使用器件少，成本低。 2 2共享共享A/DA/D转换电路转换电路 为了提高多路巡回检测系统的采集速度，可以在每一路模拟信号为了提高多路巡回检测系统的采集速度，可以在每一路模拟信号的输入端设置一个采样保持器。采样保持器输出的信号经多路开关的输入端设置一个采样保持器。采

5、样保持器输出的信号经多路开关送送A/DA/D转换器，转换结果再经转换器，转换结果再经I/OI/O接口电路送主机，其逻辑结构如图接口电路送主机，其逻辑结构如图8.28.2所示。所示。 这种结构为每一路模拟量输入端增添了一个采样保持器，使硬件这种结构为每一路模拟量输入端增添了一个采样保持器，使硬件成本增加，但提高了速度，因而应用较广。成本增加，但提高了速度，因而应用较广。图图8.2 8.2 共享共享A/DA/D结构结构IN1S/H多路开关主机A/DI/O.INn-1S/HIN0S/H.控制逻辑3 3并行转换结构并行转换结构 并行转换结构是在每一路模拟信号输入端都设有采样保持器和并行转换结构是在每一

6、路模拟信号输入端都设有采样保持器和A/DA/D转换器，转换器，在主机的控制下可对多路模拟信号同时采样，进行在主机的控制下可对多路模拟信号同时采样，进行A/DA/D转换，然后由主机依次转换，然后由主机依次读取。这种结构使用的器件多，成本高，但一致性好，适合于多点实时检测读取。这种结构使用的器件多，成本高，但一致性好，适合于多点实时检测系统。系统。 对于采样频率高的实时处理系统，还可在每一路中设置一个微处理器。由对于采样频率高的实时处理系统，还可在每一路中设置一个微处理器。由各路中的微处理器控制本路中的数据采集，并进行预处理，然后传送给主机。各路中的微处理器控制本路中的数据采集，并进行预处理，然后

7、传送给主机。这种结构常称为分布式数据采集系统。这种结构常称为分布式数据采集系统。 图图8.3 8.3 并行转换结构并行转换结构控制逻辑主机IN0IN1INn-1S/HA/DI/O接口.S/HA/DI/O接口S/HA/DI/O接口8.1.28.1.2集成化多路模拟输入数据集成化多路模拟输入数据采采 集集 系系 统统 MN7150MN7150 随着大规模集成电路的发展，多路模拟信号输入通道的集随着大规模集成电路的发展，多路模拟信号输入通道的集成化程度也在不断地提高。于是把输入通道中的多路转换开关、成化程度也在不断地提高。于是把输入通道中的多路转换开关、放大器、采样保持器以及放大器、采样保持器以及A

8、/DA/D转换器集成在一块芯片中，构成一转换器集成在一块芯片中，构成一个完整的多路模拟信号采集系统。下面以个完整的多路模拟信号采集系统。下面以MN1750MN1750为例，说明集为例，说明集成化多路模拟输入数据采集系统的组成、性能和使用。成化多路模拟输入数据采集系统的组成、性能和使用。1 1MN1750MN1750内部组成内部组成 MN1750MN1750是一种功能比较齐全的是一种功能比较齐全的1212位数据采集系统，有位数据采集系统，有6262个引脚，个引脚，内部组成内部组成如图如图8.48.4所示，包含一个有所示，包含一个有35V35V过压保护的多路开关的通道过压保护的多路开关的通道地址锁

9、存器地址锁存器/ /计数器，一个输入阻抗高达计数器，一个输入阻抗高达10108 8、增益可设定为、增益可设定为1100011000的测量放大器，一个带保持电容器、最大采样时间为的测量放大器，一个带保持电容器、最大采样时间为10s10s的高速采样的高速采样保持器，一个保持器，一个10V10V参考电压，一个参考电压，一个1212位位A/DA/D转换器，转换器，3 3个个4 4位三态输出位三态输出缓冲器以及定时控制逻辑电路等。缓冲器以及定时控制逻辑电路等。MN1750MN1750可提供两种模拟信号输入形可提供两种模拟信号输入形式，一种是式，一种是MN1750-8MN1750-8，提供，提供8 8路差

10、动输入通道；另一种是路差动输入通道；另一种是MN1750-16MN1750-16，提供提供1616路单端输入通道。两种器件的信号输入路单端输入通道。两种器件的信号输入/ /输出率不低于输出率不低于5000050000通通道道/ /秒。秒。 Status.多路开关Ch0Ch1Ch15AmpInputGainSettingRaesistorExternalHoldCapaciter放大T/HT/HOutBipolarInputMuxEnable定时控制逻辑A1 A2 A4 A8LoadClear多路开关地址锁存器/计数器A1A2A4A8MuxAddressOutputStrobeR DelayMu

11、xAddress Input+10VREF+10VREF Out+15V Supply-15V Supply+5V SupplyAnalog Signal GNDAnalog Power GNDDigital GNDMSBBit14三态缓冲器Bit58三态缓冲器Offset AdjustGain AdjustEnable14Enable58三态缓冲器Bit912Enable912LSB12位A/D转换器图图8.4 MN17508.4 MN1750内部组成内部组成 在实际使用时，通过外接电阻可使放大器的增益设定在在实际使用时，通过外接电阻可使放大器的增益设定在1 110001000范围之内，采集

12、信号的量程在范围之内，采集信号的量程在10mV10mV到到10V10V之间可变。模拟信号之间可变。模拟信号的选择由送入多路开关地址锁存器中的地址决定。该地址锁存器又的选择由送入多路开关地址锁存器中的地址决定。该地址锁存器又具有计数功能，在顺序采集时可自动指示下一输入通道。输出分为具有计数功能，在顺序采集时可自动指示下一输入通道。输出分为三组，每组三组，每组4 4位，由三个三态输出缓冲器控制。位，由三个三态输出缓冲器控制。2 2引脚功能引脚功能 MN1750MN1750共有共有6262个引脚，排列成矩形，顶视有点处为个引脚，排列成矩形，顶视有点处为1 1，逆时针，逆时针排序，其定义如书中表排序，

13、其定义如书中表8.18.1所示，功能如下：所示，功能如下： （1 1）数字信号引脚功能）数字信号引脚功能Mux EnableMux Enable：内部多路开关允许。为：内部多路开关允许。为1 1时，允许内部多路开关工作；时，允许内部多路开关工作；为为0 0时，禁止内部多路开关工作。时，禁止内部多路开关工作。 Status(E.O.C) Status(E.O.C) ：转换结束信号。为：转换结束信号。为0 0时，表示正在进行信号采样；时，表示正在进行信号采样；为为1 1时，表示正在进行时，表示正在进行A/DA/D转换；由转换；由1 1变为变为0 0时，表示转换结束。时，表示转换结束。Strobe

14、Strobe ：启动信号，低电平有效。当：启动信号，低电平有效。当Strobe Strobe 由由1 1变为变为0 0时，其下降沿时，其下降沿更新通道地址，启动信号采样与转换。更新通道地址，启动信号采样与转换。Mux Address InputMux Address Input：在随机寻址方式下输入通道地址。：在随机寻址方式下输入通道地址。Mux Address OutMux Address Out：多路开关地址锁存器：多路开关地址锁存器/ /计数器输出，表示正在进行计数器输出，表示正在进行采集的通道地址。采集的通道地址。loadload：寻址方式选择。：寻址方式选择。0 0表示随机寻址方式，

15、表示随机寻址方式，1 1表示顺序寻址方式。表示顺序寻址方式。clearclear：清：清0 0信号，低电平有效，使多路开关地址锁存器信号，低电平有效，使多路开关地址锁存器/ /计数器清计数器清0 0，强制选择强制选择Ch0Ch0。Enable(Bit9Enable(Bit912) 12) ：数据输出允许，低电平有效，使：数据输出允许，低电平有效，使Bit9Bit91212经三经三态缓冲器输出。态缓冲器输出。Enable(Bit5Enable(Bit58) 8) ：数据输出允许，低电平有效，使：数据输出允许，低电平有效，使Bit5Bit58 8经三态经三态缓冲器输出。缓冲器输出。Enable(B

16、it1Enable(Bit14)4)：数据输出允许，低电平有效，使：数据输出允许，低电平有效，使Bit1Bit14 4经三态缓经三态缓冲器输出。冲器输出。（2 2）模拟信号引脚功能）模拟信号引脚功能R DelayR Delay：当内部放大器设置为高增益时，外接电阻增大采样保持器：当内部放大器设置为高增益时，外接电阻增大采样保持器的时间。的时间。Gain AdjustGain Adjust：增益调节，用来外接：增益调节，用来外接20k20k的增益调节电位器。的增益调节电位器。Offset AdjustOffset Adjust：偏移量调节，用来外接：偏移量调节，用来外接20K20K的偏移量调节电

17、位器。的偏移量调节电位器。Bipolar InputBipolar Input：单：单/ /双极性工作方式选择。若选择单极性工作（双极性工作方式选择。若选择单极性工作（0+10V0+10V）方式，该引脚联接方式，该引脚联接T/H OutputT/H Output端；若选择双极性工作（端；若选择双极性工作（10V10V）方式，该引脚）方式，该引脚联接联接+10V Referece Out+10V Referece Out端。端。 +10V Referece Out+10V Referece Out：与：与Bipolar InputBipolar Input配合使用，若选择双极性工作配合使用，若选

18、择双极性工作（10V10V）方式，该相脚联接到）方式，该相脚联接到Bipolar InputBipolar Input端；若选择单极性工作端；若选择单极性工作（0+10V0+10V）方式，该引脚断开；若用来驱动外部负载，应加缓冲器）方式，该引脚断开；若用来驱动外部负载，应加缓冲器/ /驱动器。驱动器。 External Hold CapacitorExternal Hold Capacitor：外接聚炳烯或聚四氟乙烯保持电容，以改善：外接聚炳烯或聚四氟乙烯保持电容，以改善T/HT/H的下降率。的下降率。 Track/Hold OutputTrack/Hold Output：采样保持器输出。与：

19、采样保持器输出。与Bipolar InputBipolar Input配合使用，若选配合使用，若选择单极性工作（择单极性工作（0+10V0+10V）方式，该引脚联接到）方式，该引脚联接到Bipolar InputBipolar Input端。端。 Gain Setting ResistorGain Setting Resistor：外接增益控制电阻或电位器（：外接增益控制电阻或电位器（R=20k/R=20k/（G-G-1 1），该两引脚断开时，），该两引脚断开时，G=1G=1。 Instru Amp InputInstru Amp Input：用于扩展外部多路开关。对于：用于扩展外部多路开关。

20、对于MN1750-16MN1750-16，常把，常把Instru Amp(-) InputInstru Amp(-) Input接到模拟信号的公共端。接到模拟信号的公共端。 3 3工作方式工作方式 为了满足不同的工作需要，为了满足不同的工作需要，MN1750MN1750备用三种工作方式，即随机备用三种工作方式，即随机寻址方式、顺序寻址方式和顺序寻址连续转换方式。寻址方式、顺序寻址方式和顺序寻址连续转换方式。（1 1）随机寻址方式）随机寻址方式 随机寻址方式是指通道地址随机给出。当随机寻址方式是指通道地址随机给出。当 引脚设置为低电引脚设置为低电平时选择随机寻址方式，平时选择随机寻址方式，4 4

21、位地址码由位地址码由Mux Address InputMux Address Input的的A A8 8、A A4 4、A A2 2、A A1 1输入，经译码选中多路开关中的某一路。输入，经译码选中多路开关中的某一路。 的下降沿启动的下降沿启动一次采样与转换周期。在这种方式下，由于一次采样与转换周期。在这种方式下，由于 作用于控制逻辑作用于控制逻辑电路，而不是直接驱动地址锁存器，故需输入地址在电路，而不是直接驱动地址锁存器，故需输入地址在 下降沿下降沿之后保持之后保持50ns50ns。 LoadStrobe+Strobe+Strobe+（2 2）顺序寻址方式）顺序寻址方式 顺序寻址方式是由地址

22、锁存器顺序寻址方式是由地址锁存器/ /计数器依次计数提供通道地址。计数器依次计数提供通道地址。 当当 引脚设置为高电平时选择顺序寻址方式。内部地址锁存器引脚设置为高电平时选择顺序寻址方式。内部地址锁存器/ /计数计数器处于计数状态，每转换完一次计数器加器处于计数状态，每转换完一次计数器加1 1，指示下一通道地址。在这，指示下一通道地址。在这种工作方式下，种工作方式下， 使通道地址加使通道地址加1 1，并启动一次采样与转换周期。初，并启动一次采样与转换周期。初始地址可随机输入，也可由清始地址可随机输入，也可由清0 0开始，也可由随机寻址方式转入顺序寻开始，也可由随机寻址方式转入顺序寻址方式。址方

23、式。（3 3）顺序寻址连续转换方式）顺序寻址连续转换方式 顺序寻址连续转换方式是把顺序寻址连续转换方式是把 输出馈接到输出馈接到 引脚。在顺序引脚。在顺序寻址方式下由转换结束标志去启动下一通道的采样与转换，依次实现顺寻址方式下由转换结束标志去启动下一通道的采样与转换，依次实现顺序寻址连续转换。序寻址连续转换。 LoadStrobe+Strobe+Strobe+8.1.3 8.1.3 多路巡回检测系统设计多路巡回检测系统设计1. 1. 多路模拟信号输入电路多路模拟信号输入电路 在设计一个多路巡回检测系统时主要考虑的问题有两个，一个巡回在设计一个多路巡回检测系统时主要考虑的问题有两个，一个巡回检测

24、的的路数，二是数据采集的精度。对于不同的精度要求，可选用不检测的的路数，二是数据采集的精度。对于不同的精度要求，可选用不同的同的A/DA/D转换器，譬如转换器，譬如8 8位、位、1010位、位、1212位甚至位甚至1616位等。当检测路数较多时位等。当检测路数较多时可选用不同的多路转换开关，甚至还可以使用多路开关级联，以致构成可选用不同的多路转换开关，甚至还可以使用多路开关级联，以致构成6464路、路、128128路或路或256256路的模拟输入转换开关，以满足多路巡回检测的需要。路的模拟输入转换开关，以满足多路巡回检测的需要。例如图例如图8.58.5所示是由两个所示是由两个8 8路输入、一路

25、输出的多路开关与路输入、一路输出的多路开关与ADC 0809ADC 0809构成构成的的8 8位多路数据采集系统的硬件联接示意图。两个多路开关提供位多路数据采集系统的硬件联接示意图。两个多路开关提供1616路输入路输入通道，再加上通道，再加上ADC 0809ADC 0809的另外的另外6 6路输入，一共可构成路输入，一共可构成2222路的模拟输入多路路的模拟输入多路采集系统。采集系统。 2 2用用MN7150MN7150构成多路巡回检测系统构成多路巡回检测系统 由于由于MN1750MN1750内部设有内部设有1212位的位的A/DA/D转换电路、转换电路、1616路通道转换开关，路通道转换开关

26、，因此用来构成多路巡回检测系统极为方便。因此用来构成多路巡回检测系统极为方便。图图8.68.6所示是由一块所示是由一块MN1750MN1750构成的构成的1616路单极性路单极性/8/8路双极性巡回检测系统。中央处理器选路双极性巡回检测系统。中央处理器选用用80C5180C51单片机，单片机，EPROM 27256EPROM 27256用来存放系统程序，用来存放系统程序，RAM62128RAM62128用来存用来存放采集到的数据，放采集到的数据，Mux Address InputMux Address Input由由P1.3P1.3P1.3P1.3提供，提供， 由由 P1.4P1.4产生，由产

27、生，由 P1.5P1.5产生，产生， 由由P1.6P1.6产生。转换结束标志产生。转换结束标志 可由可由CPUCPU检测，也可作为中断请求信号送检测，也可作为中断请求信号送80C5180C51的的 。 LoadClearStrobeStatusINT0 A0 A1362128D0 D7 WE OEA0 A1427256D0 D7 OECE74LS373G74LS13911. Bit41 Bit125Enable1-4Enable5-8Enable9-12Mux ADD InputLoadClearStrobeBipolar InputT/H OutputCh0Ch1Ch15.StatusMux

28、 Enable4+5VP2.6P2.0P0口PSENWERDP1.3P1.0P1.4P1.5P1.6P1.7P3.2P2.7ALE80C51CE4EA图8.6 由MN7150构成多路巡回检测系统 采用顺序寻址方式程序设计如下：采用顺序寻址方式程序设计如下： 发Strobe,启动转换 ORG 2000H MOVR7，#10H；设置计数初值 MOVR0，#40H；缓冲区起始地址送R0 MOVP1，#0E0H；选择随机寻址方式，地址为0000B START：CLRP1.6 SETBP1.6；WAIT：JNBP1.7，WAIT；等待转换结束 MOVDPTR，#7FFFH MOVXA，DPTR；读高4位

29、 MOVR0，A INCR0 MOVDPTR，#3FFFH MOVXA，DPTR；读低8位 MOVR0，A INCR0 DECR7 MOVP1，#0F1H；转为顺序寻址方式 START1：CLRP1.6 SETBP1.6； WAIT1：JNBP1.7，WAIT1 MOVDPTR，#7FFFH MOVXA，DPTR MOVR0，A INCR0 MOVDPTR，#3FFFH MOVXA，DPTR MOVR0，A INCR0 DJNZR7，START1 END 执行机构接口是指联接在输出通道的外部，用来对计算机输出执行机构接口是指联接在输出通道的外部，用来对计算机输出的控制信号进行电压或电流变换，以

30、驱动受控部件。在工业控制中，的控制信号进行电压或电流变换，以驱动受控部件。在工业控制中，常用的控制设备有继电器、步进电机、直流电机等。这些设备工作常用的控制设备有继电器、步进电机、直流电机等。这些设备工作时，不但要求一定的电压，而且还要求一定的驱动电流。为了解决时，不但要求一定的电压，而且还要求一定的驱动电流。为了解决这一问题，就要配置相应的电路，这就是执行机构接口电路。这一问题，就要配置相应的电路，这就是执行机构接口电路。8.2 8.2 单片机控制系统执行机构接口技术单片机控制系统执行机构接口技术8.2.1 8.2.1 继电器接口电路继电器接口电路8.2.2 8.2.2 步进电机驱动控制电路

31、步进电机驱动控制电路8.2.3 8.2.3 直流电机驱动控制电路直流电机驱动控制电路 继电器是工业控制和电信通讯中经常使用的一种器件，其组成原理继电器是工业控制和电信通讯中经常使用的一种器件，其组成原理如图如图8.78.7所示，由电磁线圈和触点开关构成。当控制电流流过线圈时产生所示，由电磁线圈和触点开关构成。当控制电流流过线圈时产生磁场，使触点开关磁场，使触点开关K K吸合或者断开，以控制外界的高电压或者大电流。由吸合或者断开，以控制外界的高电压或者大电流。由于继电器线圈是一种感性负载，因此电路电流断开时会产生很高的反冲于继电器线圈是一种感性负载，因此电路电流断开时会产生很高的反冲电压。为了保

32、护输出电路，须在电磁线圈两端并联一个阻尼二极管。电压。为了保护输出电路，须在电磁线圈两端并联一个阻尼二极管。 按照触点开关按照触点开关K K的结构，继电器可分为两类，一类是常开继电器，输的结构，继电器可分为两类，一类是常开继电器，输入端有控制电流输入时，开关吸合。另一类是常闭继电器，输入端有控入端有控制电流输入时，开关吸合。另一类是常闭继电器，输入端有控制电流输入时，开关断开。在实际产品中，也有把两种开关制作在同一制电流输入时，开关断开。在实际产品中，也有把两种开关制作在同一继电器中，控制电流输入时，一个开关吸合，另一个开关断开。继电器中，控制电流输入时，一个开关吸合，另一个开关断开。 为了防

33、止电磁线圈对整个系统的干扰，常需配置光电隔离器。为了防止电磁线圈对整个系统的干扰，常需配置光电隔离器。图图8.88.8所示是单片机控制继电器的接口原理图，通过所示是单片机控制继电器的接口原理图，通过P1P1口输出控制信号（低电口输出控制信号（低电平），经驱动器平），经驱动器74067406送光电耦合器，然后再经驱动电路送继电器的输入送光电耦合器，然后再经驱动电路送继电器的输入端，控制触点开关的吸合或者断开。端，控制触点开关的吸合或者断开。8.2.1 8.2.1 继电器接口电路继电器接口电路K输入输出图8.7 继电器示意图7406图8.8 继电器控制电路+12V+5V+12V+5V80C51P1

34、.0P1.5 步进电机的种类很多，有三相、四相及五相等，性能各不相同。步进电机的种类很多，有三相、四相及五相等，性能各不相同。但是，工作原理基本相同。下面仅以三相步进电机为例说明其工作原但是，工作原理基本相同。下面仅以三相步进电机为例说明其工作原理和驱动电路。理和驱动电路。1 1三相步进电机工作原理三相步进电机工作原理 在三相步进电机的转子上均匀地分布着在三相步进电机的转子上均匀地分布着4040个齿，齿间夹角为个齿，齿间夹角为9 9(360(360/40)/40)；定子上有；定子上有6 6个大齿，相距个大齿，相距180180的两个大齿为一相，因的两个大齿为一相，因此共有此共有A A、B B、C

35、 C三相。每个大齿上有若干个与转子上一样的小齿，定子三相。每个大齿上有若干个与转子上一样的小齿，定子的每一相都有励磁绕组。三相步进电相的运行方式有两种，一种是三的每一相都有励磁绕组。三相步进电相的运行方式有两种，一种是三相三拍，另一种是三相六拍。相三拍，另一种是三相六拍。8.2.2 8.2.2 步进电机驱动控制电路步进电机驱动控制电路 (1) (1) 三相三拍运行方式三相三拍运行方式 三相三拍运行方式是指定子上三相三拍运行方式是指定子上A A、B B、C C三相绕组依次分别通入脉冲电流（即三相绕组依次分别通入脉冲电流（即一相通电，另外两相不通电），从而驱动转子转动。譬如先是一相通电，另外两相不

36、通电），从而驱动转子转动。譬如先是A A相通电，相通电，B B相、相、C C相不通电，下一脉冲到来时相不通电，下一脉冲到来时B B相通电，相通电，C C相、相、A A相不通电，就使转子旋转一步。如相不通电，就使转子旋转一步。如果使果使A A、B B、C C三相绕组按三相绕组按ABCAABCA的顺序依次通电，则步进电机不断地按顺时的顺序依次通电，则步进电机不断地按顺时针的方向旋转。每通电一次旋转针的方向旋转。每通电一次旋转3 3，每通电三次走完一个齿距，因此称为三相，每通电三次走完一个齿距，因此称为三相三拍。每一次通电转动的固定角称为步距角，常用三拍。每一次通电转动的固定角称为步距角，常用表示。

37、显然三相三拍运行表示。显然三相三拍运行时，步距角时，步距角=3=3。如果某一次通电后，下一控制脉冲停发，则转子齿与某相。如果某一次通电后，下一控制脉冲停发，则转子齿与某相对齐后停止旋转，这种状态称为定位状态。对齐后停止旋转，这种状态称为定位状态。 一般把电机顺时针旋转称为正转。三相绕组按上述顺序通电时，电机正转；一般把电机顺时针旋转称为正转。三相绕组按上述顺序通电时，电机正转；如果通电顺序改为如果通电顺序改为ACBAACBA，称为倒序通电，电机逆时针旋转，称为反转。，称为倒序通电，电机逆时针旋转，称为反转。显然只要改变三相绕组的通电顺序，就能控制电机正转或者反转。显然只要改变三相绕组的通电顺序

38、，就能控制电机正转或者反转。 三相三拍各相绕组的电流波形三相三拍各相绕组的电流波形如图如图8.98.9所示。图中每所示。图中每2 2个时钟周期输出一个个时钟周期输出一个电流脉冲，这种方式为单相通电方式。也可采用双相通电方式，其顺序为电流脉冲，这种方式为单相通电方式。也可采用双相通电方式，其顺序为ABBCCAABABBCCAAB或或ACCBBAACACCBBAAC。双相通电，电机输出功率增大。双相通电，电机输出功率增大。ABC图8.9 三相三拍波形图AC图8.10 三相六拍波形图B(2) (2) 三相六拍运行方式三相六拍运行方式 三相六拍运行方式是使三相六拍运行方式是使定子的定子的A A、B B

39、、C C三相绕组按三相绕组按AABBBCCCAAAABBBCCCAA的的顺序依次通电，步进电机顺顺序依次通电，步进电机顺时针旋转，即正转，步距角时针旋转，即正转，步距角仅为仅为1.51.5。如果使三相绕组。如果使三相绕组倒序通电，即倒序通电，即AACCCBBBAAAACCCBBBAA，步进电机逆时针旋转，即反步进电机逆时针旋转，即反转。三相六拍各绕组电流波转。三相六拍各绕组电流波形如图形如图8.108.10所示，走完一个所示，走完一个齿距，需要六拍。齿距，需要六拍。图8.9(2) 2 2驱动控制电路驱动控制电路 步进电机的驱动控制电路主要用来为步进电机提供步进电机的驱动控制电路主要用来为步进电

40、机提供图图8.9(2)8.9(2)或图或图8.108.10所示所示的电流。在使用计算机控制之后，可由计算机来提供。图的电流。在使用计算机控制之后，可由计算机来提供。图8.118.11所示是单片机与步所示是单片机与步进电机的联接，由进电机的联接，由P1.0P1.0 P1.2P1.2输出上述波形信号，经放大后送光电耦合器，再送输出上述波形信号，经放大后送光电耦合器，再送功率驱动器，由功率驱动器向步进电机提供一定的驱动电流。在实际应用中，只功率驱动器，由功率驱动器向步进电机提供一定的驱动电流。在实际应用中，只要单片机依次向要单片机依次向P1P1口输出如口输出如表表8.28.2和和表表8.38.3所示

41、的代码，就可以得到如图所示的代码，就可以得到如图8.98.9和图和图8.108.10所示的波形信号。表所示的波形信号。表8.28.2和表和表8.38.3所示代码称为步进电机驱动代码。所示代码称为步进电机驱动代码。 单片机输出波形信号脉冲的宽度可由延时子程序来确定。改变延时时间，单片机输出波形信号脉冲的宽度可由延时子程序来确定。改变延时时间，就可以改变驱动脉冲的频率，也就改变了步进电机的转速。显然，方便，灵活。就可以改变驱动脉冲的频率，也就改变了步进电机的转速。显然，方便，灵活。图8.11 单片机驱动控制逻辑电路步进电机80C51放大光电耦合放大光电耦合放大光电耦合功率驱动器P1.0P1.2P1

42、.2 单片机向单片机向P1P1口输出驱动代码由程序进行。在实际编程中，表口输出驱动代码由程序进行。在实际编程中，表8.28.2或表或表8.38.3所示代码存入存储器，构成控制表。只要所示代码存入存储器，构成控制表。只要CPUCPU执行传送指令，把表中的执行传送指令，把表中的数据依次取出，送数据依次取出，送P1P1口就可以了。每输出一个代码，步进电机旋转一步，口就可以了。每输出一个代码，步进电机旋转一步，连续循环输出，步进电机连续运行；倒序输出，步进电机反向运行；停止连续循环输出，步进电机连续运行；倒序输出，步进电机反向运行；停止输出，步进电机停止运行。改变数据输出的速度，可改变输出脉冲的频率，

43、输出，步进电机停止运行。改变数据输出的速度，可改变输出脉冲的频率，即改变了步进电机运行的速度。若设即改变了步进电机运行的速度。若设R0R0为控制表指针，为控制表指针，R1R1用来计数，正向用来计数，正向驱动子程序如下：驱动子程序如下： 拍相1231 拍相1234561ABC100010001100 ABC100110010011001101100表8.2 三相三拍驱动代码 表8.3 三相六拍驱动代码 ORG MOVP1，#00H；P1口清0START1：MOVR0，表首地址；R0控制表首地址 MOVR1，#06H LOOP1：MOVP1，R0；输出驱动代码 ACALLDEL；调用延时子程序 I

44、NCR0 DJNZR1，LOOP1 RET END 反向驱动子程序如下：反向驱动子程序如下： ORG MOVP1，#00H START2：MOVR0，表首地址+5；R0表首地址+5 MOVR1，#06H LOOP2：MOVP1，R0；输出驱动代码 ACALLDEL；调用延时子程序 DEC R0 DJNZR1，LOOP2 RET END 步进电机功率驱动电路的设计方式有多种，图步进电机功率驱动电路的设计方式有多种，图8.128.12所示仅所示仅是其中的一种，由晶体管是其中的一种，由晶体管T T1 1和和T T2 2构成功率驱动器。构成功率驱动器。 图8.12 步进电机驱动电路7407LALBLC

45、P1.0P1.1P1.280C5115T1光电耦合T2T1光电耦合T2T1光电耦合T2+24V15158.2.38.2.3直流电机驱动控制电路直流电机驱动控制电路 直流电机具有优良的调整特性，即调整平滑，方便，范围广，且过直流电机具有优良的调整特性，即调整平滑，方便，范围广，且过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现无极快速启动、制动、调速载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现无极快速启动、制动、调速和反转，能满足生产过程自动控制中的许多特殊要求。因此，在许多宽和反转，能满足生产过程自动控制中的许多特殊要求。因此，在许多宽调整场合中占有特殊的地位。调整场合中占有特殊的地位。1 1直流电机调整控

46、制原理直流电机调整控制原理 直流电机可采用电压调速和脉宽调速。电压调速是通过升高或者降直流电机可采用电压调速和脉宽调速。电压调速是通过升高或者降低电枢电压来调整电机的转速。脉宽调整是通过改变电枢通电的时间来低电枢电压来调整电机的转速。脉宽调整是通过改变电枢通电的时间来调整电机的转速。对于小型直流电机常采用脉宽调速，其通电时间长转调整电机的转速。对于小型直流电机常采用脉宽调速，其通电时间长转速升高，通电时间短转速降低，控制曲线速升高，通电时间短转速降低，控制曲线如图如图8.138.13所示。改变通电的方所示。改变通电的方向，可改变电机转动的方向。向，可改变电机转动的方向。t脉冲信号转速最大值Vm

47、ax最小值Vmin平均值Vd图8.13 脉宽调速控制曲线 设设t t为通电时间，为通电时间，为脉冲周期，则为脉冲周期，则 称为占空比。改变称为占空比。改变占空比，即可调整小型直流电机的转速。用占空比，即可调整小型直流电机的转速。用V Vmaxmax表示直流电机全通表示直流电机全通电时的最大转速，电时的最大转速，V Vd d表示平均转速，则：表示平均转速，则： 平均转速平均转速V Vd dVmaxVmaxD D 平均转速平均转速V Vd d与占空比的函数曲线如图与占空比的函数曲线如图8.148.14所示，近似于直线关所示，近似于直线关系。系。 tD图8.14 占空比与平均速度的关系VdVmaxD

48、图8.13(2) 图8.15 直流电机驱动控制电路 7406 80C51P1.0P1.1&+5VK1+5VK2K3+5VK4+5V+24V74LS0474LS002 2驱动控制电路驱动控制电路 小型直流电机驱动控制电路主要用来提供小型直流电机驱动控制电路主要用来提供如图如图8.13(2)8.13(2)所示占空比所示占空比的可调脉冲信号和换向控制。在控制精度要求不高的情况下，可用继的可调脉冲信号和换向控制。在控制精度要求不高的情况下，可用继电器来实现，其电路联接如图电器来实现，其电路联接如图8.158.15所示。单片机由所示。单片机由P1.0P1.0和和P1.1P1.1输出控输出控制脉冲信号，控

49、制状态制脉冲信号，控制状态如表如表8.48.4所示，可实现正转、反转、滑行和刹车。所示，可实现正转、反转、滑行和刹车。 P 1 . 1 P 1 . 0 K1 K2 K3 K4 状 态 1 0 1 0 0 1 正 转 0 1 0 1 1 0 反 转 1 1 0 1 0 1 刹 车 0 0 0 0 0 0 滑 行 控制直流电机正转的程序如下：控制直流电机正转的程序如下： LOOP： MOVA，#02H MOVP1，A；输出高电平 ACALLDELY1；调用延时子程序1 MOVA，#00H MOVP1，A；输出低电平 ACALLDELY2；调用延时子程序2 AJMPLOOP 改变延时子程序改变延时子

50、程序1 1的延时时间，可改变正脉冲宽度，改变延时子程序的延时时间，可改变正脉冲宽度，改变延时子程序2 2的延时时间，可改变低电平的宽度和脉冲周期，这样可控制电机的转速。的延时时间，可改变低电平的宽度和脉冲周期，这样可控制电机的转速。 在对控制响应要求较高时，可用晶体管开关电路控制电流的通断。在对控制响应要求较高时，可用晶体管开关电路控制电流的通断。 表8.4 直流电机控制状态表8.3 RS-232C8.3 RS-232C总线标准与接口电路总线标准与接口电路8.3.1 RS-232C8.3.1 RS-232C总线标准总线标准8.3.2 8.3.2 接口电路接口电路8.3.1 RS-232C8.3

51、.1 RS-232C总线标准总线标准 RS-232C RS-232C总线标准是美国电子工业协会（总线标准是美国电子工业协会（EIAEIA）19621962年公布，年公布，19691969年最后一次修订而成的标准，主要用于串行异步通讯。用年最后一次修订而成的标准，主要用于串行异步通讯。用RS-RS-232C232C总线传送数据，简单，可靠，又可提高设备的通用性。总线传送数据，简单，可靠，又可提高设备的通用性。 RS-232CRS-232C总线标准定义了总线标准定义了2525个信号，采用个信号，采用2525针插座联接，其引针插座联接，其引脚序号与作用脚序号与作用如表如表8.58.5所示。所示。 序

52、号作 用序号作 用*1保护地14（辅信道）发送数据*2发送数据*15发送信号定时（DCE为源）*3接收数据16（辅信道）接收数据*4请求发送（RTS）17接收信号定时（DCE为源）*5允许发送（CTS或清除发送）18未定义*6数传机（DCE）准备好（DSR）19（辅信道）请求发送（RTS）*7信号地（公共地线）*20数据终端准备好（DTR）*8接收线信号检测*21信号质量检测*9（保留供数传机测试）*22振铃指示10（保留供数传机测试）*23数据信号速率选择（DTE/DCE为源）11未定义*24发送信号定时（DTE为源）12（辅信道）接收信号检测25未定义13（辅信道）允许发送（CTS） *

53、主信道表8.5 RS-232C总线信号8.3.28.3.2接口电路接口电路1 1电平转换电路电平转换电路 RS-232CRS-232C标准是按负逻辑定义的，它的标准是按负逻辑定义的，它的1 1电平在电平在-5V-15V-5V-15V之间（常用之间（常用- -12V12V表示），它的表示），它的0 0电平在电平在+5V+15V+5V+15V之间（常用之间（常用+12V+12V表示）。这样在与单表示）。这样在与单片机、微型计算机以及片机、微型计算机以及82518251等串行通讯接口联接时，需要进行电平转换。等串行通讯接口联接时，需要进行电平转换。常用驱换电路有常用驱换电路有MC1488MC1488

54、和和MC1489MC1489等。等。（1 1）MC1488MC1488 MC1488 MC1488是是RS-232CRS-232C标准接口中常用的一种电平转换驱动器，也称为发标准接口中常用的一种电平转换驱动器，也称为发送器。它将送器。它将TTLTTL电平信号转换成电平信号转换成RS-232CRS-232C标准电平信号，然后发送到外部标准电平信号，然后发送到外部通讯线路中去。其逻辑结构通讯线路中去。其逻辑结构如图如图8.168.16所示，在一块芯片中有所示，在一块芯片中有4 4个转换驱动个转换驱动器，可供器，可供4 4路路RS-232CRS-232C信道使用。信道使用。9131211235461

55、081+电源-电源147TTL输入RS-232输出图8.16 MC1488逻辑符号图131210954211+电源1436871TTL输出RS-232输入图8.17 MC1489逻辑符号图（2 2）MC1489MC1489 MC1489 MC1489是是RS-232CRS-232C标准接口中常用的另一种电平转换电路，称标准接口中常用的另一种电平转换电路，称为接收器，它将为接收器，它将RS-232CRS-232C标准接口电平信号转换成标准接口电平信号转换成TTLTTL电平信号，电平信号，输入给单片机。其逻辑结构如图输入给单片机。其逻辑结构如图8.178.17所示，在一块芯片中有所示，在一块芯片中

56、有4 4个转个转换接收器，可供换接收器，可供4 4路路RS-232CRS-232C信道使用。信道使用。2 2与单片机的联接与单片机的联接 单片机与单片机与RS-232CRS-232C标准接口电路的联接如图标准接口电路的联接如图8.188.18所示。单片机输出的所示。单片机输出的TTLTTL电平信号送电平信号送MC1488MC1488，转换成，转换成12V12V的的RS-232CRS-232C标准电平，然后送入标准电平，然后送入RS-RS-232C232C信道。信号接收时，由信道。信号接收时，由MC1489MC1489接收接收RS-232CRS-232C信道输入的信道输入的12V12V信号，并信

57、号，并转换成转换成TTLTTL电平送入单片机。为了提高抗干扰能力，可在接收端并联一个小电平送入单片机。为了提高抗干扰能力，可在接收端并联一个小旁路电容，以消除高频干扰信号。旁路电容，以消除高频干扰信号。 80C51P3.0P3.1MC1488发送数据串行输出MC1489串行输入接收数据RS-232C信道图8.18 RS-232C标准接口电路与8031单片机的联接 完整的完整的RS-232CRS-232C标准接口有标准接口有2525条信号线，其中条信号线，其中1515条组成主信道通讯，条组成主信道通讯，其余为未定义或供辅信道使用。其余为未定义或供辅信道使用。 RS-232CRS-232C信号线上

58、的总负载容量一般不超过信号线上的总负载容量一般不超过2500pF2500pF，这就限制了，这就限制了RS-RS-232C232C信号线路的最大长度。例如，若采用电容量约为信号线路的最大长度。例如，若采用电容量约为150pF/m150pF/m的多芯电缆的多芯电缆时，最大通信线路不应超过时，最大通信线路不应超过15m15m，最大数据传输率不应超过，最大数据传输率不应超过2 210104 4bpsbps。为了提高通信线路的长度，除了为了提高通信线路的长度，除了RS-232CRS-232C之外，还有之外，还有RS-422/423RS-422/423，是用两，是用两条线路之间的电压来表示信号，因此可传送

59、差分信号，这样就提高了线条线路之间的电压来表示信号，因此可传送差分信号，这样就提高了线路的抗干扰能力和数据传送速度，使传送速率超过路的抗干扰能力和数据传送速度，使传送速率超过2 2104bps104bps。三种标准。三种标准接口信号线路的连接使用，接口信号线路的连接使用，如图如图8.198.19所示。所示。此外，近年来又出现了此外，近年来又出现了RS-449RS-449、RS-485RS-485等总线标准。等总线标准。 TTLRS-232C图8.19 RS-232、422和423的联接TTLMC1488MC1489单端公共地非平衡式差分传送无公共地TTLTTL+-RS-423平衡式差分传送TT

60、L-+RS-422TTL8.4 8.4 单片机控制系统设计单片机控制系统设计8.4.1 8.4.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述8.4.2 8.4.2 单片机控制系统设规程单片机控制系统设规程 8.4.3 8.4.3 温度控制温度控制8.4.4 8.4.4 速度控制速度控制8.4.5 8.4.5 定时控制定时控制8.4.6 8.4.6 定位控制定位控制8.4.1 8.4.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述输出通道及执行机构信号/数据采集及输入通道 工业控制对象外围设备 计算机传感器执行机构输入通道输出通道计算机系统图8.20 计算机控制系统框图 计算机控制系统的基本组成如图计算机