《单片机原理与应用系统设计第10章单片机应用系统设计选题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理与应用系统设计第10章单片机应用系统设计选题（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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 10.5 CAN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
2、用于工业炉等高温环境；热敏电阻的阻值随温度变化而变化，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，
3、再通过查表或计算即可得到温度。另一种是采用单总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510K、B值为3470的负温度系数热敏电阻。
4、方法二：选用单总线器件DS18B20设计温度敏感电路。 温度的测量范围为-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
5、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
6、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
7、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。,10.2 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
8、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20V25V之间时为快充阶段，以2A1A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
9、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
10、电电流的大小，PWM的频率可取为2050kHz。当功率管Q1截止、Q2导通时电池放电，用放电电阻或PWM方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
11、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
12、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
13、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
14、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，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O
15、UT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，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
16、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13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。,
