《单片机应用技术》课件-项目5：电机驱动与传感器应用

直流电机PWM调速原理与控制单片机应用技术目

录02直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统01直流电动机的PWM调速原理01直流电动机的PWM调速原理PART01直流电动机的PWM调速原理01核心调速：通过单片机输出的电信号控制电机的转速。脉冲宽度调制（PWM）调速法工作原理通过单片机输出一系列周期性的脉冲信号，改变脉冲信号中高电平与低电平的占空比，进而调节电机两端的平均电压，最终实现转速控制。直流电动机的PWM调速原理01核心调速：通过单片机输出的电信号控制电机的转速。占空比增大高电平持续时间延长，电机获得的平均电压升高，转速随之加快；占空比减小平均电压降低，转速减缓。直流电动机的PWM调速原理01核心调速：通过单片机输出的电信号控制电机的转速。51单片机直流电机指挥官特点可以很好地适配直流电机的运行特性。响应速度快调速范围宽能耗低02直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统PART02直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统02在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。T型H型T型由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，只用在低压小功率直流电动机驱动。直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统021.电动机控制电路模块H型电动机驱动电路的工作原理：P0.0脚输出高电平，P0.1脚输出低电平时通过光电耦合器后仍然输出为高电平，使Q4管导通Q1处于导通状态，Q2管的基极的电位被强行拉低，Q2管处于截止状态单片机的P0.1脚输出低电平，Q8处于截止状态Q7处于导通状态电动机形成回路，正常工作当P0.0脚输出低电平，而P0.1脚输出高电平直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统021.电动机控制电路模块三极管的状态与上述相反，电机同样处于正常工作状态。H型电动机驱动电路的工作原理：当P0.0脚和P0.1同时为高电平或低电平由于Q4与Q8和Q3与Q7的工作状态相同，同时处于导通或截止，使电机两断电位相同，无法使电机形成闭和回路，电机不工作。直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统021.电动机控制电路模块H型电动机驱动电路的工作原理：电路中在驱动功率管的发射极各添加了一个小电感，目的是为了使电机驱动电压更加稳定，得到较为平滑的驱动电压，增加刹车时动作的准确性，减少电机的在起动和停止的瞬间产生过大的电压对功率管的冲击。直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统021.电动机控制电路模块H型电动机驱动电路的工作原理：优点电路的原理简单、易控制、功耗低、带负载能力强、刹车的精度很高而且价格低廉。在驱动电路的控制信号输入断采用了光电隔离技术，减小H型电机驱动电路对单片机的干扰，实现模拟电路与数字电路的隔离。直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统021.电动机控制电路模块H型电动机驱动电路的工作原理：通过PWM调节脉宽的方法，实现了对驱动电机的轻松调速。直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统021.电动机控制电路模块H型电动机驱动电路的工作原理：功率管为中功率管，设计为灵活替换方式，可根据需要调整功率管的型号。直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统022.软件模块部分速度控制通过改变加在电机两端的电压来实现的，可以是连续改变也可以是断续改变。脉宽调速：脉宽的变化可以通过硬件或软件来实现。方案一硬件实现是通过改变振荡电路中RC参数来调整充放电时间。若用硬件电路来实现，在稳定性方面得不到保证。方案二用软件的作法是通过设置高电平及低电平的保持时间来达到PWM的脉宽调制目的。指标更高、调整更可靠、更方便、更准确。直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统022.软件模块部分脉冲频率脉冲频率对电机转机也有影响，脉冲频率高连续性好，但带负载能力差，频率低则反之。脉冲频率在15━20HZ效果最佳直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统022.软件模块部分脉冲调速调节加在电机两端的平均功率，通过计算可发现电机的速度与脉宽成正比。软件编程的考虑是设置脉宽这个变量。在P0.0，P0.1的输出控制信号来产生20HZ可调脉宽方波直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统022.软件模块部分51单片机的实验程序如下所示：小结

直流电机PWM调速原理与控制01直流电动机的PWM调速原理02直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统谢谢观看！步进电机工作原理与驱动控制单片机应用技术目

录02步进电机的工作原理01步进电机的概述03步进电机的驱动控制01步进电机的概述PART01步进电机的概述01步进电动机一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。脉冲数量：决定旋转的总角度脉冲频率：决定了电动机旋转的速度改变绕组通电顺序：改变电机旋转的方向步进电机的概述01步进电动机在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。应用范围在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。步进电机分类永磁式(PM)反应式(VR)混合式(HB)步进电机的概述01永磁式步进永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。步进电机的概述01混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点两相五相两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。步进电机的概述01步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件，通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、频率和数量，可以实现对步进电机的转向、速度和旋转角度的控制。配合以直线运动执行机构或齿轮箱装置，更可以实现更加复杂、精密的线性运动控制要求。步进电机的概述01步进电机组成步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在定子齿槽上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。02步进电机的工作原理PART02步进电机的工作原理02步进电机固定部分（定子）活动部分（转子）缠绕了线圈的齿轮状突起永磁体或可变磁阻铁芯当给一个或多个定子相位通电，线圈中通过的电流会产生磁场，而转子会与该磁场对齐；依次给不同的相位施加电压，转子将旋转特定的角度并最终到达需要的位置。步进电机的工作原理02工作过程线圈A通电并产生磁场，转子与该磁场对齐；线圈B通电后，转子顺时针旋转60°以与新的磁场对齐；线圈C通电后出现同样的情况。步进电动机步进电机的工作原理02一种特殊的同步电动机通过给驱动线圈通以脉冲电流，使转子按照一定的步长角度移动。步进电机的转子由残余极对组成，每个极对的极角称为步角。输入一个脉冲信号，转子就转动一个步角；输入多个脉冲信号，转子按脉冲数旋转一个固定的角度。03步进电机的驱动控制PART03步进电机的驱动控制03步进电机转动和脉冲数的关系步进电机不能直接使用直流电进行控制，需要由脉冲信号驱动其转动。步进电机的转动距离正比于施加到驱动器上的脉冲信号数（脉冲数）。步进电机的驱动控制03步进电机的转速与施加到驱动器上的脉冲信号频率成比例关系。电机的转速与脉冲频率的关系步进电机的驱动控制03ULN2003ADRV8834如果要进行高精度的控制不仅需要步进电机精度高，驱动器也需要足够好，在很多工程领域都会用到专门的驱动器来实现更多元的控制效果。总线驱动步进电机通常都会使用相关驱动芯片来进行控制。步进电机的驱动控制0351单片机控制程序的案例：步进电机的驱动控制03步进电机精准运转驱动芯片的稳定放大绕组通电的有序时序控制程序的逻辑闭环每个环节都紧密衔接、相互支撑，一处衔接不畅，便会导致电机抖动、定位偏差。小结

高精度的控制效果，更源于对细节的极致打磨。几微秒的延时微调通电顺序的反复校验接线规范的严格把控没有“差不多”，只有“刚刚好”谢谢观看！DS18B20数字温度传感器单总线通信单片机应用技术目

录02DS18B20数字温度传感器的工作原理01DS18B20数字温度传感器的概述04驱动函数的开发03单总线通信协议01DS18B20数字温度传感器的概述PART01DS18B20数字温度传感器的概述01DS18B20DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃可编程为9位～12位A/D转换精度测温分辨率可达0.0625℃工作电源可在远端引入，可采用寄生电源方式产生；DS18B20数字温度传感器的概述01DS18B20多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。适用于远距离多点温度检测系统DS18B20数字温度传感器的概述01DS18B20内部结构64位ROM内容是64位序列号，可以DS18B20的地址序列码，作用是使每个DS18B20都各不相同，以此实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20数字温度传感器的概述01DS18B20内部结构9字节暂存器温度传感器上限触发TH高温报警器下限触发TL低温报警器高速暂存器8位CRC产生器DS18B20数字温度传感器的概述01DS18B20的管脚排列DQ：数字信号输入／输出端GND：电源地VDD：外接供电电源输入端ROM中的64位序列号出厂前被光刻好，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。DS18B20数字温度传感器的概述01DS18B20的管脚排列64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）ROM的作用使每一个DS18B20都各不相同，这样可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。02DS18B20数字温度传感器的工作原理PART02DS18B20数字温度传感器的工作原理02DS18B20采用基于振荡器频率差的测温原理核心逻辑利用两个振荡器的频率--温度特性差异，将温度变化转化为可计数的脉冲差异”，内部包含两个核心振荡器，其频率与温度的关联是测温的关键。DS18B20数字温度传感器的工作原理02低温度系数振荡器（LTC）振荡频率受温度影响极小，能产生固定频率的脉冲信号，核心作用是设定一个固定的“计数窗口时间”，相当于测温系统的“标准计时器”，为温度判断提供稳定的时间基准；高温度系数振荡器（HTC）振荡频率随温度变化显著，核心特性是温度升高，振荡频率加快；温度降低，振荡频率减慢，相当于测温系统的“温度敏感脉搏”，温度不同，固定时间内的“脉搏次数”就不同，其输出脉冲用于被计数，直接关联温度高低。DS18B20数字温度传感器的工作原理02测温过程核心步骤：“用标准秒表计时，看沙漏流完期间秒表走了多少格”测温前将-55℃对应的基数置入减法计数器1和温度寄存器；计数门开启减法计数器1对高温度系数振荡器的“温度敏感脉冲”进行计数；同时减法计数器2对低温度系数振荡器的“标准脉冲”计数，直到减法计数器2计数完成，就关闭计数门；DS18B20数字温度传感器的工作原理02斜率累加器用于补偿测温非线性误差，通过修正计数结果提升测量精度。计数结束减法计数器1的计数结果直接对应温度高低。温度越高，HTC频率越快固定窗口时间内的脉冲数越多，减法计数器1的计数次数越多，温度寄存器最终数值越大；温度越低，HTC频率越慢脉冲数越少，计数次数越少，温度寄存器数值越小（对应实际温度越低），此时寄存器中的数值即为被测温度；03单总线通信协议PART03单总线通信协议03DS18B20核心通信方式所有数据传输均通过DQ引脚完成，通信过程严格遵循“复位-应答-ROM指令-功能指令-数据传输”的时序规范，任何时序偏差都会导致通信失败。单总线通信协议031.复位与应答时序主机拉低DQ引脚至少480μs（复位脉冲）；主机释放DQ引脚，等待传感器响应；传感器在主机释放总线后15~60μs内拉低DQ引脚15~60μs（存在脉冲），表示传感器在线；传感器释放DQ引脚，主机检测到存在脉冲后，完成复位应答流程。主机需先发送复位脉冲，传感器响应存在脉冲后，方可进行后续通信。复位函数关键代码单总线通信协议032.ROM指令与功能指令复位应答完成后，主机需先发送ROM指令（8位），再发送功能指令（8位），传感器根据指令执行对应操作。常用ROM指令SkipROM（0xCC）：跳过ROM地址匹配，直接访问所有传感器，适用于单设备场景；ReadROM（0x33）：读取传感器64位ROM序列号，适用于单设备场景地址确认；MatchROM（0x55）：匹配指定ROM地址，仅选中的传感器响应后续功能指令，适用于多设备场景；SearchROM（0xF0）：扫描总线上所有传感器的ROM序列号，用于多设备地址识别。单总线通信协议032.ROM指令与功能指令复位应答完成后，主机需先发送ROM指令（8位），再发送功能指令（8位），传感器根据指令执行对应操作。常用功能指令ConvertT（0x44）：启动温度转换，转换完成后温度数据存入高速暂存器；ReadScratchpad（0xBE）：读取高速暂存器数据；WriteScratchpad（0x4E）：写入TH、TL和配置寄存器数据；CopyScratchpad（0x48）：将高速暂存器中的TH、TL和配置寄存器数据复制到非挥发存储器，掉电保存。单总线通信协议033.温度数据格式与转换温度转换完成后，结果以16位补码形式存储在高速暂存器的第0字节和第1字节，单位为摄氏度。符号位S=0时为正值S=1时为负值数据位12位分辨率时所有位有效9位分辨率时低3位无效实际温度=（16位补码数据）×0.0625℃04驱动函数的开发PART04驱动函数的开发041.延时函数单总线对时间非常敏感，必须使用经过校准的延时函数驱动函数的开发042.初始化函数发送复位脉冲并检测存在脉冲驱动函数的开发043.写字节函数(Write_DS18B20)发送8位数据，低位先行驱动函数的开发044.读字节函数(Read_DS18B20)读取8位数据，低位先出驱动函数的开发045.温度读取完整函数(Read_T)这通常是在.c中封装好的高层函数，供main调用谢谢观看！项目引导：智能设备语音交互控制单片机应用技术目

录02LD3320语音识别模块01语音交互控制的核心逻辑03案例分析语音交互的智能分类垃圾桶01语音交互控制的核心逻辑PART01语音交互控制的核心逻辑01语音采集模块语音识别模块执行控制模块语音交互控制系统语音识别模块捕捉用户语音信号并转化为电信号语音采集模块电信号转化为单片机可识别的数字指令执行控制模块根据指令驱动外设动作灯光开关电机转动音量调节语音交互控制的核心逻辑01语音输入信号处理指令输出动作执行核心难点语音识别的准确性；指令解析的稳定性。02LD3320语音识别模块PART02LD3320语音识别模块02无需联网，内置识别算法，响应速度快、稳定性强，虽词汇量有限，但完全满足中小型智能设备的需求。需联网依托云端服务器识别，识别精度高、词汇量广，但对网络依赖强、延迟较高；离线语音识别模块在线语音识别模块离线语音识别模块LD3320LD3320语音识别模块021.LD3320语音识别模块的基本认知LD3320国产非特定人语音识别芯片核心优势无需外接存储器即可完成语音识别任务模块功能模块内置麦克风接口、ADC转换器及DSP处理单元，支持最高80个词条的离线识别，识别率在安静环境下可达95%以上。工作电压范围3.3V-5V，适合嵌入式设备集成LD3320语音识别模块021.LD3320语音识别模块的基本认知LD3320模块特点LD3320能直接与51、STM32等单片机通过串口通信，接线和编程都较为简便。LD3320内置语音采集单元和信号处理电路，无需额外搭配麦克风，大大简化系统设计。LD3320语音识别模块022.LD3320语音识别模块的工作原理非特定人语音识别技术，可在不需要用户录音训练的情况下进行语音识别。声音分帧静音切除声学特征提取模式匹配将连续的语音信号切割成一个个短小的帧，每一帧表示一瞬间的声音信号。移动窗函数在语音开始识别之前，需要把首尾端的静音切除，降低对后续步骤造成的干扰。VAD对声音进行分析，提取出反映语音特征的数据；需对波形进行变换。傅里叶变换将提取出的特征与预定义的模型进行比较，找到最相似的模型作为识别结果。通过对大量语音数据进行分析LD3320语音识别模块023.LD3320语音识别模块的特点非特定人语音识别技术不需要用户进行录音训练，即可实现语音识别功能。动态编辑关键词语列表识别的关键词语列表可以动态编辑，用户可以根据需要随时更