任务1-2 微控制器对电气设备的控制

任务1-2微控制器对电气设备的控制

本节学习要点行业背景

1.ST700组件式直流微机综合保护装置

2.徐州地铁变电所里控制信号屏上的测控装置相关知识1.微控制器知识介绍2.微控制器的数据存储3.微控制器控制电气设备的基本思路4.微控制器工作原理5.ArduinoUno微控制器板引脚介绍6.数字信号与模拟信号7.微控制器如何处理模拟信号任务实施1.LED灯闪烁2.按键控制LED灯3.调光灯电路实现4.感光灯电路实现思考与练习行业背景图1-2-1变电所的进线柜1.ST700组件式直流微机综合保护装置如图1-2-1所示是城市轨道交通供电实训室的进线柜，柜里的设备是一台断路器，断路器的控制部分叫作ST700组件式直流微机综合保护装置，通过这台设备，我们就可以对这台断路器进行实时的就地或远程的监视与控制。ST700组件式直流微机综合保护装置主要技术特点如下：（1）采用组件式设计思想，电源板、继电器板、CPU板、信号采集板各为独立的模块，可靠性高、通用性强。（2）采用多CPU结构，保护、测量、通信、面板显示功能各用一个独立的CPU来完成，使各CPU的负荷率降到最低。（3）装置采用了代表业界先进技术的ARMCortex‐M3内核的32位处理器，处理性能强、功耗低、实时性高。（4）采用14位高精度A/D转换器，支持8路信号同步采样。（5）提供友好的中文人机界面，操作简便，液晶背光可调节，可设置密码保护。（6）支持对所有模拟量、开关量、操作命令的录波功能，录波通道可选择，波形可在装置液晶上显示，同时录波数据可通过通信接口实现远方上传。2.徐州地铁变电所里控制信号屏上的测控装置徐州地铁2号线车辆段变电所里控制信号屏上的测控装置采用的是南瑞继保的PCS-9705系列测控装置，此装置主要用于变电站间隔层数据采集和信号的测量与控制。PCS-9705系列测控装置使用了TI公司32位高性能的嵌入式双核处理器，逻辑运算和管理功能使用ARM内核，同时使用高速数字信号处理器DSP内核负责所有的保护运算。每周波采样80个点，每个采样间隔内可以实现采样数据的并行处理，确保保护装置具有很高的可靠性和安全性。PCS-9705系列测控装置采用智能模块组合而成，整个装置中除了几种特殊模块的位置不能变化之外，其他的交流电流、交流电压和直流电流等模拟量输入模块，开关量输入与输出模块等开关量模块都可以根据装置的剩余插槽位置进行灵活配置。如图1-2-2所示为徐州地铁变电所里控制信号屏上的测控装置实物。

图1-2-2徐州地铁变电所里控制信号屏上的测控装置相关知识

1.微控制器知识介绍

1）微控制器的定义单片机（Single-ChipMicrocomputer）是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上，相当于一个微型的计算机。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机，它在工业控制领域广泛应用。2）51单片机51单片机是对所有兼容Intel8051指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8004单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8004单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。51单片机实物如图1-2-3所示。aa）为ATMEL公司生产的AT89C51单片机。b）为国产的STC单片机，属于51系列。c）为贴片封装的单片机。图1-2-3几款C51单片机实物a）b）c）3）AVR单片机AVR单片机是Atmel公司1997年推出的RISC（精简指令系统计算机）单片机。RISC是相对于CISC（复杂指令系统计算机）而言的。RISC并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。AVR单片机实物如图1-2-4所示。a图1-2-4AVR单片机实物3）单片机的应用单片机在使用时，要添加一些外围元件，如输入端加按键，输出端加LED灯等，组成应用系统，如图1-2-5所示。图1-2-5单片机应用系统组成

4）Arduino微控制器模块Arduino是一个微控制器板和集成开发环境（“IDE”）的总称。Arduino微控制器模块的特点是其硬件电路和软件平台都是开源的，Arduino的外围资源非常丰富，使用方便，且简单易学，费用低。I/O端口功能强，具有A/D转换等电路。ArduinoUno是一款基于ATmega328P的微控制器板。它有14个数字输入/输出引脚（其中6个可用作PWM输出），6个模拟输入，16MHz晶振时钟，USB连接，电源插孔，ICSP接头和复位按钮。只需要通过USB数据线连接电脑就能供电、程序下载和数据通讯。ArduinoUno微控制器板实物如图1-2-6所示。图1-2-6ArduinoUno微控制器板2.微控制器的数据存储

1）存储器结构微控制器的存储器由数据存储器和程序存储器两部分组成。数据存储器又叫作随机存取存储器（RAM），主要是存储过程数据，相当于计算机的内存。程序存储器又叫作只读存储器（ROM），主要是存储用户编写的程序，相当于计算机的硬盘。微控制器的存储结构如图1-2-7所示。图1-2-7微控制器的存储结构

2）存储器的数据存储方式如图1-2-8所示，在计算机里，数据的存储是以字节为单位进行存储的。每个字节包含8位二进制数，这8位二进制数从右至左按照从低位到高位的的顺序依次排列，从00000000到11111111按照十进制数数的计数方法就是0到255。在存储器里，每个存储单元都有一个唯一的编号，称之为地址。地址数据也是二进制数，为了书写的方便，地址常常用十六进制数表示。希望同学们对二进制数及十六进制数以及它们之间的相互转换要非常熟悉，这样才能对下面要学习的数据通信的知识有更好的理解。图1-2-8微控制器的存储数据的方式3.微控制器控制电气设备的基本思路

1）传统的电气控制电路微控制器在工业领域的应用源于其对电气设备中控制电路部分的改造。在传统的控制电路中，控制器件与执行器件是串连在一个回路上的，如图1-2-9所示。这样的电路结构虽然控制起来非常方便，但是带来的问题是控制电路越来越复杂，如果想对电路进行升级改造就会麻烦。计算机的出现，为传统电气控制的改造提供了新的思路。人们用微控制器作为核心部件对传统的控制电路进行改造，获得成功，使得电气控制电路变得更加灵活，可靠，并向着自动化、智能化的方向飞速发展。图1-2-9开关控制LED灯电路图2）微控制器的控制思路微控制器控制电路与传统电气控制电路的最大不同就是在微控制器控制电路中，控制器件与执行器件完全隔离开来，它们之间没有直接的电气联系。如图1-2-10所示。

图1-2-10微控制器控制电路在微控制器控制电路中，控制器件被接入微控制器的输入端组成输入回路。微控制器输入回路的作用是采集数据信号，作为控制电路的动作条件。而执行器件则被接入微控制器的输出端组成输出回路。微控制器输出回路的作用则是根据输入回路的条件，让执行器动作。在微控制器控制电路中，核心部件微控制器的作用：一是将控制器件与执行器件分别接在微控制器的输入端和输出端，使输入回路与输出回路形成两个相互独立的电气回路，器件之间实现电气隔离。二是采集输入回路的控制信号，根据控制功能进行运算，然后将运算结果传送给输出回路，使执行器动作，微控制器在这里起到传递信号的作用。微处理器工作过程如图1-2-11所示。

这里的“设备”指的是电气设备，这里的“数据”是电信号。电信号分为数字信号和模拟信号，数字信号也叫开关量，只有开关两种状态；模拟信号是连续变化的信号。从信号处理的角度，微处理器在电气控制领域主要是起到如下的作用：处理数字信号（开关量），处理模拟信号以及串口通信。图1-2-11微处理器工作过程除此之外，微控制器还可以将输出信号返送回输入端与输入信号进行比较，然后再对输出端的设备进行控制，有了这种功能，我们就说电气设备具有了自动控制或者是智能控制的功能。其控制过程如图1-2-12所示。图1-2-12Arduino模块控制功能示意图从本质上说，微控制器的功能是通过向特殊存储器单元存入0或1二进制数来实现的。微控制器模块的每个引脚可以看做是微控制器模块里某个特殊存储器某个位的映射（对应关系）。如图1-2-13所示。图1-2-13特殊存储器与微控制器模块引脚的对应关系示意图4.微控制器工作原理1）引脚（D2）与特殊存储器的关系2）引脚（D2）设置为数字输入功能微处理器会从引脚（D2）实时读取外部的数据，并存入特殊存储器对应的位单元里。如果读取的是高电平，则在位存储单元里存入数据“1”；如果读取的是低电平，则在位存储单元里存入数据“0”。这就是数据输入引脚的数据采集功能。3）引脚（D2）设置为数字输出功能微处理器会向引脚（D2）对应的特殊存储器位单元里写入数据“1”或“数据“0”。如果写入数据“1”，则在引脚（D2）输出高电平；如果写入数据“0”，则在引脚（D2）输出低电平。如图1-2-14所示是特殊存储器引脚输出的等效电路，D是发光二极管，当有正向电流流过时，发光二极管就会点亮。R是限流电阻，防止二极管因电流过大被烧坏。图1-2-14D2引脚等效电路在微控制器模块内部，对存储器而言，0和1是表示二进制数。要想使某引脚呈现低电平或高电平，只需向此存储器写入相应的二进制数0或1即可。如图1-2-15所示。0所对应的引脚为低电平，发光二极管截止不发光，1所对应的引脚为高电平，发光二极管导通发光。图1-2-15装入8位二进制数对连接的发光二极管来说，0和1表示亮与灭。从上述可归纳出：0和1在特殊存储器内表示二进制的数，0和1输出接口处表示电平的高低，0和1又代表发光二极管的亮与灭。4）微控制器基本工作原理微控制器通过执行程序中的指令，实现各种控制功能。如果某引脚设置为数字输入功能，微控制器便从该引脚读取外部的数字量数据。如果某引脚设置为数字输出功能，微控制器向特殊存储器各位内存入0或1，就能在输出端口获得相应的输出信号。也就是说，如果把输入/输出端口的引脚看成是一个个智能开关的话，这些开关就会按照人们的意愿（通过存入0或1来告诉微控制器模块）自动开与关，从而自动控制所连接的各电气设备。当然微控制器不仅可以处理数字信号，还可以处理模拟信号，只需要在输入端加入模数转换模块，在输出端加入数模转换模块即可。5.ArduinoUno微控制器板引脚介绍ArduinoUno微控制器板就是一款典型的计算机控制数据采集模块，可以方便地对各类器件进行控制。如图2-14所示。我们从下面的引脚图可以看到，它有齐全的数字量输入输出引脚与模拟量输入输出引脚。具有地说，输入引脚具有处理数字量信号（开关量信号）和模拟量信号的功能，可以直接采集从传感器传入的电信号。输出引脚则具有数字量信号（开关量信号）输出和模拟量信号输出的功能，可以直接控制电气设备。除此之外，它还具有完善的串口通信功能，方便数据的传输，实现远程控制电气设备的功能。如图所示为ArduinoUno引脚图。如图1-2-16所示，为ArduinoUno微控制器板的实物引脚图。有些引脚具有复用功能。本教材中演示与实验中使用的微控制器就是ArduinoUno微控制器板，以下将ArduinoUno微控制器板也称为“微处理器”。串口输入输出数字输入输出

（高低电平）

模拟输入[0,1023][0,255]模拟输出（b）ArduinoUno微控制器板的实物引脚图（a）ArduinoUno电气引脚图图1-2-16ArduinoUno微控制器板的引脚6.数字信号与模拟信号微控制器对电气设备的监视与控制，无论其处理的数据有多少，主要有两类数据：一类是数字量数据，也称作数字信号；一类是模拟量数据，也称为模拟信号。数字信号是指只有两种可能的状态，即打开或关闭。或者也可以表示为高或低，1或0和5V或0V。模拟信号是指一个连续变化的数值量，如电压量和电流量。而计算机能够处理的只是数字信号，所以计算机在处理模拟量的时候，要先将其进行模数的转换，这个过程就叫作数字化。如0-5V的模拟电压值在计算机里可以用0到1023之间的数字变化表示。这样微控制器就能够读取传感器的模拟值。数字信号与模拟信号的比较如图1-2-17所示。图1-2-17数字信号与模拟信号的比较1）微控制器对数字量输入信号的获取如图1-2-18所示是一个常用的数字量输入测试电路，电路由一个10k电阻串联一个按键S组成。用万用表测试电路a点的电压，按下按键S，a点为低电位（万用表电压指示0V），松开按键S，a点为高电位（万用表电压指示5V）。如果将a点接入微控制器的D2引脚，且将D2引脚设置为数字量输入端口，微控制器里的CPU就会实时侦测D2引脚的电位状态，并将此状态记录下来，作为输出端器件响应的条件。这样就方便地实现了数字量的输入。图1-2-18数字量输入电路测试

2）微控制器对模拟量输入信号的获取如图1-2-19所示是一个常用的模拟量输入测试电路，电路由一个10k的电位器组成。将万用表的电压档接在电位器的可调端子上，旋动电位器，可以看到a点电位从0到5v的变化。将a点接入微控制器的模拟输入端，微控制器将会得到一个可调的模拟量输入信号。图1-2-19模拟量输入电路的测试3）模拟量输入输出信号的理解模拟量输入电量直接控制模拟量输出电量的电路如图1-2-20所示。在电源与地之间串联一个可变电阻电阻，调节电阻电阻即可改变发光二极管电路的电压，将能调整LED的亮度。模拟量输入模拟量输出图1-2-20模拟量输入电量直接控制模拟量输出电量7.微控制器如何处理模拟信号

1）微控制器对模拟输入信号的处理与数字信号的高低电平仅有高（HIGH，5V）、低（LOW，0V）两种电压状态不同，模拟信号的电压可以在0~5V之间变化，为了能较为精准的获取返回的电压信号，微控制器将其切分成210共1024级（A/D转换精度值210），每级对应0~1023范围内的一电压v模拟数值。这种连续的数值变化可供我们获取诸如角度、温度、光线强度、声音强度等连续变化的传感器数值。2）微控制器对模拟输出信号的处理

数字量调节电压变化又称为PWM变频技术。模拟信号输出的电压值在0~5V变化，但微控制器的输出端口都是数字端口，仅能輸出高（5V）和低（0V）两种电压值，所以微控制器无法输出真正的模拟信号，而是模仿出模拟电压。微控制器程序内建的模拟输出是通过PWM（Pulsewidthmodulation）脉冲宽度调制的方法，用高低电平不断切换的数字脉冲信号来模拟模拟信号。在讲解PWM之前要先了解两个概念:脉冲周期及占空比。脉冲周期：相邻两次脉冲之间的时间间隔，周期的倒数即脉冲频率。占空比：在一次脉冲周期内高电平持续时间与脉冲周期的比值。PWM实际是通过高低电平的快速切换来实现模拟信号的输出效果的，如图1-2-21所示。在一个脉冲周期内，若占空比为50%,则相当于灯全亮半个周期，之后灯熄灭半个周期。微控制器的PWM信号脉冲周期仅有0.002s，即每秒500个脉冲周期，由于人眼的视觉残留效果，呈现出的视觉效果相当于50%的亮度。而此时PWM等效输出电压V=5V×50%=2.5V。PWM信号脉冲的数值为0-255。

图1-2-21PWM信号脉冲与输出电压的关系结论：模拟输入——利用A/D转换，将0-5V模拟电压转换为0-1024数字量输入。模拟输出——利用PWM技术，将0-255数字量转换为0-5V模拟电压输出。

任务实施

1.LED灯闪烁任务要求：在数字量输出引脚D8输出高低电平。高电平为5V,低电平为0V。1）电路搭建数字量输出电路如图1-2-22所示。图1-2-22数字量输入电路2）程序编写数字量输出程序如图1-2-23所示，此程序的功能是D8端口连接的LED灯循环亮1秒，灭1秒。微控制器程序运行的机制是：微控制器上电后，会按照用户编写的功能块从上到下依次执行。首先是执行功能块1，数字输出8脚输出高电位，然后是执行功能块2，程序延时1秒，再下面执行功能块3，数字输出8脚输出低电位，最后是执行功能块4，延时1秒。注意，执行完最后一个功能块后，微控制器就会回过头来再从功能块1开始重复执行这四个功能块，一直重复，直到给微控制器断电为止。这就是程序的顺序结构，也是程序的最基本的结构。功能块1功能块2功能块3功能块4图1-2-23数字量输出程序2.按键控制LED灯任务要求：按下按钮，指示灯亮起；释放按钮，指示灯熄灭。1）电路搭建数字量输入输出电路如图1-2-24所示。图1-2-24数字量输入输出电路D2作为数字量输入端口，在微处理器工作期间，CPU实时检测D2引脚的电位状态。当按下按键S，a点电位为0，CPU就能够检测到D2引脚电位为低电位。如果松开按键S，a点电位为5V，CPU就能够检测到D2引脚电位为高电位。而这个数字量的状态是可以人为改变的，所以可以作为执行器件的动作条件使用。D8作为数字量输出端口，CPU可以随意设置D8端口的电位状态。如设置D8=1，则D8端口为高电位5V，相当于接电源正极，LED灯亮。如设置D8=0，则D8端口将为低电位0V，相当于接电源负极，LED灯灭。D8端口接LED灯，让我们形象地看到D8端口作为数字量输出端口，如何输出高电平，低电平的。当然D8端口并不是只能点亮LED灯，如果在D8端口接入继电器，它就能够驱动更大的电气器件，如接触器等，变电所几乎所有的变电设备都是由接触器控制的。2）程序编写数字量输入、输出程序如图1-2-25所示。

图1-2-25数字量输入、输出程序图1-2-25中功能块可以简化如图1-2-26所示。

图1-2-26功能块的简化图1-2-26的程序中用到了程序分支结构。在程序设计中，有时需要根据某些条件是否成立来决定语句流程的走向，这种结构被称为条件结构。条件结构也称为“选择结构”或“分支结构”。程序分支结构如图1-2-27所示，如果（条件），执行（语句1），否则（语句2）。与顺序结构不同，语句是有选择的执行。程序分支结构让程序实现了与传感器更丰富的动态交互，使控制更加灵活。

图1-2-27程序的条件结构3.调光灯电路实现任务要求：调节电位器R2，LED灯的亮度随之改变。1）硬件连接硬件连接电路如图1-2-28所示。图1-2-28调光灯电路连接

微控制器可以采集模拟量信号，比如电、光、声、温度等，它们可以通过传感器将这些非电量转换成0-5V的电压值。

2）程序编写功能块如图1-2-29所示。

图1-2-29调光灯程序将鼠标放在模拟输出功能块上，可以看到下面有一行说明文字“设置指定管脚的值（0~255）”，如图1-2-30所示。

此模块为模拟输出模块，模块位置在“输入/输出”栏，模块功能是向指定的端口输出PWM信号。ArduinoUNO板微