《单片机原理与应用系统设计》第10章1

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1、第10章单片机应用系统设计选题 10 1基于单片机的温度检测系统设计10 2基于单片机控制的智能充电器设计10 3基于单片机的红外通信系统设计10 4主从式多机通信系统设计10 5CAN总线站点设计与通信实验10 6利用单片机和GSM模块实现短消息通信10 7基于单片机的安全计算机结构设计与实验10 8基于单片机的步进电机控制系统设计10 9基于单片机的无刷直流电机调速器设计10 10简易MP3播放器设计 10 1基于单片机的温度检测系统设计 温度检测通常可利用温度传感器和单片机来实现 常用的温度传感器有热电偶 热敏电阻以及集成温度传感器等 热电偶通常用于工业炉等高温环境 热敏电阻的阻值随温度

2、变化而变化 测量其电阻值即可得到环境温度 集成温度传感器内部集成有感温元件 补偿和放大电路等 具有误差小 体积小 使用方便等优点 如AD590 DS18B20等 本例使用PIC单片机 测温型热敏电阻或集成温度传感器DS18B20设计一个温度检测系统 以掌握温度传感器在单片机系统中的使用方法 10 1温度检测 系统组成 温度检测系统由温度敏感电路 PIC单片机及显示和报警电路组成 本例采用两种温度敏感电路来实现温度测量 一种是使用热敏电阻 利用它和555芯片组成振荡电路 其振荡频率随着热敏电阻的阻值的变化而变化 利用单片机测量出振荡器输出信号的频率 再通过查表或计算即可得到温度 另一种是采用单总

3、线集成数字温度传感器DS18B20直接测得温度 利用单片机构造适当的时序 以从DS18B20中取得数据 温度的测量值用数码管显示 并在超过限定温度时用蜂鸣器报警 系统组成结构见下图 10 1温度检测 系统组成 温度检测系统结构框图 10 1温度检测 设计要求 选用PIC16C54型单片机进行设计 在调试过程中采用可重复编程的PIC16F54型单片机 程序定型后采用PIC16C54型单片机 方法一 自行设计温度敏感电路 该电路主要由负温度系数的测温型热敏电阻和555器件组成 建议选用标称阻值为5 10K B值为3470的负温度系数热敏电阻 方法二 选用单总线器件DS18B20设计温度敏感电路 温

4、度的测量范围为 10 120 测量精度为0 5 温度用四位数码管实时显示 在温度超过100 时利用蜂鸣器发出警报 10 1温度检测 设计提示 负温度系数的测温型热敏电阻的电阻 温度特性为 其中 T0是热敏电阻在绝对温度下的阻值 RT0是热敏电阻在绝对温度下的阻值 即标称阻值 B称为热敏电阻的热敏指数 在购买热敏电阻时 必须要明确标称阻值和B值这两个指标 检测温度有直接法和间接法 直接法通过采样热敏电阻上的电压和电流 计算其电阻 查表得到温度 这种方法需要A D转换电路 间接法是指将热敏电阻作为振荡电路的一个元件 振荡输出随阻值变化而变化 CPU检测到这种变化 据此可检测出温度 比如 将热敏电阻

5、和555器件组成多谐振荡器 其输出频率就与热敏电阻的阻值对应 由此可检测出温度值 使用频率法测量温度时 为了防止电源电压波动引起的干扰 可采用测量波形的占空比来代替测量波形的频率 10 1温度检测 设计提示 采用DS18B20设计时 应参考其数据手册 了解单总线器件的使用方法 DS18B20内部集成有补偿电路和A D转换器等 它输出的温度数据直接就是数字量 因此具有模块化 精度高等优点 其缺点是成本较高 同时利用单总线读取数据需要较长的时间 在对成本和实时性要求不高的场合 可优先采用DS18B20进行设计 单总线器件与单片机接口时只占用单片机的一位I O口 而且具有信号传输距离远的优点 但单片

6、机对它的读写要占用较长的时间 在集总式设计场合 中央处理器要采集大量数据 因此不能在每路信号的读写上都花费大量时间 此时 可以用FPGA或CPLD等器件专门进行多路信号的串并转换工作 并通过中断方式与CPU交换数据 10 2基于单片机控制的智能充电器设计 充电电池广泛应用于工业生产和日常生活中 其充放电过程对电池的安全使用 寿命等具有重要影响 传统的模拟电路充电器一般以恒流或恒压方式对电池充电 难以满足电池对充电过程的特殊要求 容易造成电池因过充 过热 记忆效应等而缩短寿命 甚至引起安全事故 本例设计基于单片机的智能充电器 通过对充电过程进行精确的检测和控制 最大限度地发挥充电电池的作用 10

7、 2智能充电器 系统组成 智能充电器主要由单片机电路和功率模块组成 其功率模块包括充电和放电电路 此外还包括温度检测电路和显示电路 单片机电路是智能充电器的核心 它检测充电电压 充电电流及电池温度等信息 并按照设定的充电曲线 输出指令给功率放大电路 以控制电池的充电过程 在必要时还可以显示有关数据 以便用户了解电池的充电状态 功率放大电路则根据单片机发出的充电指令 向电池提供相应大小的充电电流 系统组成结构见下图 10 2智能充电器 系统组成 智能充电器系统结构框图 10 2智能充电器 设计要求 针对某24V 10AH的铅酸蓄电池设计智能充电器 要求采用脉冲法对电池充电 即在一个充电周期内 有

8、90 的时间充电 5 的时间停止充电 5 的时间放电 每个充电周期为100ms 该方法充电速度快 充电效率高 整个充电过程分为3个阶段 当电池电压小于20V时为预充阶段 以500mA电流对电池充电 这有利于保护电池 当电池电压处于20V 25V之间时为快充阶段 以2A 1A电流对电池快速充电 充电电流随着电池容量的增加而逐渐减小 当电池电压大于25V为涓充阶段 此时电池已经充饱 以100mA电流对电池充电 所述脉冲充电法的原理见下图 脉冲电流充电法原理示意图 10 2智能充电器 设计要求 当电池表面温度高于50 时 停止充电 并进行过热指示或报警 充电状态指示功能 利用发光管指示出预充 快充和

9、涓充等阶段 用数码管显示充电电压和电流 分别精确到0 1V和0 01A 10 2智能充电器 设计要求 10 2智能充电器 设计提示 单片机选用集成有A D转换器的51型或PIC型单片机 如ADuC814 ADuC812 PIC16C73等 电池电压和充电电流信号经采样后 送入单片机的A D管脚 进行A D转换 根据电压的大小决定充电方式 充放电的功率电路可选用下图所示的基于MOSFET管的开关型电路 当功率管Q1导通 Q2截止时对电池充电 Q1工作于PWM方式 通过调节占空比来控制平均充电电流的大小 PWM的频率可取为20 50kHz 当功率管Q1截止 Q2导通时电池放电 用放电电阻或PWM方

10、式控制放电电流的大小 10 2智能充电器 设计提示 基于MOSFET的功率模块电路图 用单片机产生控制用的PWM信号 经光电耦合器隔离 驱动后 控制MOSFET管 脉冲法充电过程中还需要对电池放电 放电电流值应通过实验确定 其基本要求是 在5 的放电时间完成后 如果既不充电也不放电 那么电池电压应相对维持稳定 既不上升也不下降 如果完成后电压还上升 说明反向放电过多 反之 说明反向放电电流不足 据此可调整反向放电电流的大小 单片机检测电池电压的采样时间点 选择在每个控制周期反向放电完成的瞬间 单片机通常还可完成对电池表面温度的检测 显示及超温报警 10 2智能充电器 设计提示 红外无线通信具有

11、结构简单 成本低廉 抗干扰能力强 通信可靠性高 适合批量生产等优点 是近距离 尤其是室内非接触式数据传送的优选方式 在家用电器遥控 密码锁遥控 转速测量等方面获得广泛应用 本实验利用单片机 红外发射管和红外接收管设计红外通信电路 实现基于红外光的半双工通信 10 3基于单片机的红外通信系统设计 10 3红外通信 系统组成 红外通信系统主要由单片机 红外发射管 红外接收管 脉冲振荡器 键盘及数码管等组成 单片机对本地信号进行采集 编码并转换成一定波特率的串行信号 经红外调制后向外发射 同时对接收到的红外信号进行解调 解码以及显示 本例设计的红外通信电路同时具有红外发送与接收功能 利用两块电路可以

12、实现两点之间的红外半双工通信 系统组成结构见下图 10 3红外通信 系统组成 红外通信系统结构框图 10 3红外通信 设计要求 设计基于单片机的红外通信板 利用两块相同的红外通信板实现无线通信 用键盘输入数据并控制发送 用数码管显示发送和接收的数据 红外载波频率选为37 9kHz 采用幅度键控调制方式 ASK 即 有无红外信号分别对应数字信号的低电平和高电平 数据位的宽度为5ms 通信距离达到6m 自动识别接收到的是本地信号还是异地信号 10 3红外通信 设计提示 定义传送一个字符的异步串行通信协议如下图所示 每次传送一个字符 起始位0表示字符的开始 数据位的第1位定义为地址信息 以后的7位为

13、数据信息 最后1位为校验信息 然后用停止位1表示字符的结束 数据通信协议定义 10 3红外通信 设计提示 当需要传送更多的信息时 可以将一定量的信息组合成一帧信息来进行传送 每帧信息由帧开始字符 信息字符串 CRC校验字符和帧结束字符组成 如果在信息字符串中有帧开始字符或帧结束字符 需要利用字符转义方法进行处理 此外 为了提高通信的可靠性 还可设置帧序列号 应答机制和重发机制等措施 单片机接收到信号后 可通过地址信息判断是否为本地发送的信号 如果发现是本地发送的信号 可以将之与发送数据进行对比 来判断发送是否成功 这相当于是一种自检方法 接收到的本地数据应直接丢弃 如果发现是异地发送来的信号

14、则进行显示 10 3红外通信 设计提示 红外线的频率 市场上常用的红外管发射的红外线的峰值波长是880nm 下面两个表格分别给出了一种红外发射管和接收管的典型参数 使用时应参照手册中更为详尽的说明 红外发射管QED523主要参数 红外接收管QSD723主要参数 10 3红外通信 设计提示 常用的红外载波频率是37 9kHz 红外接收管可采用带有解调功能的KSM 603LM 当接收到37 9kHz波长为880nm的红外光时 其OUT端输出低电平 否则OUT端一直是高电平 KSM 603LM从接收到红外光到输出低电平 约需要1ms的时间 故每位数据比特的宽度不能太小 由单片机自行设计调制解调器时

15、可根据需要选用其它载波频率 可以用8脚单片机PIC12C508来产生37 9kHz的脉冲 该单片机体积小 且内部集成有复位和看门狗电路 仅需外接一个晶振和一个电阻 即可产生所需的载波脉冲 比555简单 方便 且有价格优势 由于采用晶体振荡器 其输出频率的精度比阻容式高出几个数量级 且波形的占空比可通过软件灵活调整 10 4主从式多机通信系统设计 MCS 51单片机的串口具有多机通信机制 利用该机制 可以实现简单的多机通信 本例即利用多个MCS 51单片机 实现简单的主从式多机通信 10 4多机通信 系统组成 本主从式多机通信系统由1台主机和3台从机构成 主机和从机都称为通信站点 也简称为站点或

16、节点 各个通信站点主要由AT89C51单片机和总线驱动器MAX485组成 并可扩展拨码开关 键盘和数码管等 单片机实现信号的发送 接收及相应的分析处理 可用拨码开关设置站点的地址 在串行通信系统中 通常采用差分信号进行物理信号的传输 这可以增强抗干扰能力 提高可靠性和增大传输距离 MAX485芯片可以实现电平信号和差分信号之间的转换 本系统的组成结构见下图 10 4多机通信 系统组成 主从式多机通信系统结构框图 10 4多机通信 设计要求 完成主从式多机通信系统的原理设计和电路板制作 用拨码开关配置各站点地址 其中站点0是主机 站点1 3为从机 通信波特率设置为9600bps 实现主机向从机的数据传输 通过主机键盘依次输入要通信的从机地址和数据 启动发送 从机接收到数据后通过数码管显示 实现从机向主机的数据传输 各从机依次通过键盘输入要发送的数据 启动发送 主机接收后 显示从机地址和数据 实现从机到从机的数据传输 通过一台从机的键盘依次输入要通信的目标从机地址 主机中转数据请求以及待发送的数据 然后启动发送 经主机中转后 目标从机应能正确接收并显示 10 4多机通信 设计提示 MCS