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1、单片机原理及应用综合实验（课程设计）指导书(VER2.0)（使用专业：电气工程及其自动化）第一部分 概述1.1 系统设计的一般原则微型计算机控制系统设计时，一般应做以下考虑： （1）确定设计任务，对设计方案进行调研，包括查阅资料、分析研究、确定系统的技术指标。 （2）系统方案设计，包括芯片的选择、综合考虑软件硬件的分工与分配。 （3）系统的软件硬件设计。（4）系统调试。1.2 软硬件设计的内容1 单片机硬件设计包含以下内容：（1）存储器扩展：程序存储器和数据存储器的扩展； （2）接口扩展：并行I/O口扩展，串行I/O口扩展，模拟量接口扩展；（3）定时器/计数器的扩展；（4）中断源的扩展；另外，
2、在单片机外部电路接口较多时，必须考虑其驱动能力（P2，P0），因为驱动能力不足，会影响系统工作的可靠性。2 硬件测试单片机硬件原理设计（方案）完成后，即可进行电路板的设计制作，安装元器件后，编制简单的测试程序，借助单片机仿真开发装置，对硬件进行必要的测试，检查硬件是否能正常工作。通常通过测试程序检查地址线（片选线、选通线）、控制线（读写控制、输入输出控制、时钟信号等）、数据总线（通过测试程序发送特定的数据，如AA、55，检查地址线顺序是否连接正确）、外围芯片等是否正常。3 软件设计和调试单片机系统的软件是根据系统功能要求设计的，详细分析系统要求，可靠地实现各种功能。系统的软件设计和硬件设计可以
3、同时进行。在软件调试过程中，对照设计要求，在单片机仿真开发装置上对软件的各个部分进行调试修改。4 系统调试检验软硬件设计的正确性，有时需重复几次，直至满足设计要求。第二部分 参考方案介绍2.1 通用控制器单片机系统部分的方案2.1.1 设计内容介绍及实现方案（1） 设计要求微控制器：MCS-51系列Intel8031、ATMEL89C51/89C52程序设计容量不大于8K，预留外部数据存储器空间2K；16点输入（两个字节），16点输出（两个字节），8个模拟量输入通道，1个模拟量输出通道，定时/计数器不少于2个，可提供2个以上的外部中断源接口。参考资料：集成电路手册查阅相关芯片的管脚定义和芯片功
4、能（2） 设计方案根据设计要求，可选以下主要外围芯片：1）程序设计容量不大于8K： 可选 一片2764，27128，27256，27512，或者2片2732，4片2716；2）外部数据存储器空间2K： 可选 一片6116，6264；3）8个模拟量输入通道 ： 可选 一片ADC0809；4）1个模拟量输出通道 ： 可选 一片ADC0832；5）16点输入（开关量）： 可选 一片8155，或者2片74LS244；6）16点输出（开关量）： 可选一片8155，或者2片74LS273；7）由于单片机内部具有2个定时/计数器2个，可提供2个的外部中断源，这一部分可以不用扩展；若采用8155实现I/O口扩
5、展，还可提供2个14位定时/计数器。在分配芯片地址时，可用线选法和译码器译码法，由于系统中外围芯片较多，最好采用译码器译码法，译码器可采用74LS138，74LS139，74LS154。另外，在设计时，必须考虑地址总线和数据总线的驱动能力（P2，P0），必要时，要加接总线驱动器，P0加接双向总线驱动器74LS245，P2加接单向总线驱动器74LS244。（3） 设计方案A、参考方案一（图1）采用74LS244/245及74LS273构造输入输出口，模拟量输入输出采用ADC0809、ADC0832，设计适当的存储器（程序存储器、数据存储器）。单片机晶振复位88xP2P0ALE74LS373EPR
6、0MRAMPSENRSTRDWRy译码器产生RAM、273、244、0809、0832的片选信号（x+y=8）74LS24474LS24474LS27374LS27308090832片选1+片选2+电平转换电平转换输入设备：如：开关、按钮、限位开关片选0片选3+片选4+驱动电路驱动电路输出设备：继电器、接触器、电磁铁等片选5逻辑电路START、OE，ALEA0,A1,A2IN0-IN7EOC接中断变送器或转换电路 传感器片选6转换电路 执行器图1 参考方案一B、参考方案二（图2）采用8155构造输入输出口，模拟量输入输出采用ADC0809、ADC0832，设计适当的存储器（程序存储器、数据存储
7、器）。参考资料：微机控制系统及应用教材，武自芳等编，西安交通大学出版社。单片机基础教材，李光第，北航出版社。2.1.2 通用控制器输入口电平转换电路及输出口驱动电路的设计 单片机系统采用单一5V直流电源工作，单片机所处理的信息满足TTL电平规则，而在实际应用中，被控对象的执行装置的工作电压和检测装置的检测信号为非TTL电平信息，所以，必须将检测信号的非TTL电平信息（如限位器，位置信号等）转化为TTL电平信息，才能被计算机处理，同时，计算机产生的控制信息（TTL电平信息），必须经过驱动电路，将控制信息（TTL电平信息）转化为执行装置的所需工作电压，这样才可驱动执行装置动作（如继电器，接触器，电
8、磁阀等）。同时，为了防止干扰，提高系统可靠性，在电路中采取光电隔离措施。图2 参考方案二1 输入电平转换电路的设计（1） 基于直流输入信号的电平转换电路。（图3）开关（1）去计算机输入点图3 直流输入电路（2）VCC（2） 基于交流输入信号的电平转换电路。（图4）图4 交流输入信号的电平转换电路2 输出驱动电路的设计本设计输出口驱动电路可为继电器输出形式，或固态继电器输出形式，或晶体管输出形式，或晶闸管（可控硅）输出形式。（1） 继电器输出形式（图5（1）、（2）PA0815512VKAD单片机系统负载（指示灯，继电器，接触器，电磁铁线圈电源PA08155Y0112VKA0D0Y02PA1Y1
9、112VKA1D1Y12图5（1）继电器输出形式PA08155VccOPTD负载（指示灯，继电器，接触器，电磁铁线圈直流电源R1R2R3T1图5（2）继电器输出形式 图6 晶体管输出形式晶闸管（可控硅）输出形式和固态继电器输出形式可参考有关计算机控制技术方面的资料，在此不再介绍。有关控制器输入口电平转换电路及输出口驱动电路设计原理可参考以下资料中关于可编程序控制器输入输出口的相关内容：参考资料建筑电气控制技术，王俭编，建筑工业出版社，1996。MCS-51系列单片机应用系统设计、系统配置与接口技术，何立民编，北京航空航天大学出版社，19902.1.3 电源设计通用控制器电源设计有以下几个：（1
10、）单片机系统工作电源：+5V，功率设计为10W；（2）根据要求提供给外部的24V，0.5A；（3）电平转换及驱动电路所需的直流电源，根据所选元件而定，功率设计为15W20W；应注意，在绘图时，若系统中有多个直流电源且不共地，图纸中各个电源的地符号应不同；如有两个24V直流电源且不共地，则一个电源的地符号为，另一个电源的地符号为，若多个直流电源且共地，则地符号应相同。一种电源设计参考方案（图7）：选用三端集成稳压器：7805，7824。变压交流电源220VACFUSE整流滤波稳压7805直流电源5V图7参考资料 模拟电子技术教材2.1.4 采用通用控制器实现电机的控制设计步骤：（1）根据课题要求
11、，确定控制方案，完成输入输出点的分配；（2）根据课题要求，画出软件流程图；（3）根据流程图编制程序；（4）调试程序，使其能实现课题所要求的功能。1 电机转速的测量与显示电动机发电机放大电路nUA/D转换0-5V0809的IN0单片机系统（1）、测速发电机图8电机转速的测量原理： 若电机的转速在0-3000转/分，假定A/D转换为理想线形，则转速与数字量（0809为8位）的对应关系如下：转速0809电压输入0809数字量输出0000000000（00H）325062500011111（1FH）75012500111111（3FH）15002501111111（7FH）3000511111111（
12、FFH）在计算机中，事先已经建立了转速数值与数字量之间的关系（建立一个表），若要显示实际的转速，可以通过 查表的方法得知数字量对应得转速，如由7FH可以从转速表中通过程序查得转速为1500转/分，这样可以通过数码显示器显示该数值。由于建立转速表较长，比较麻烦，有时采用下列方法：建立一个较小的表，表中只存储个别特征电的值，然后在程序中通过插值法（插值关系事先已知），求得采样数据所对应得实际值。电动机n发射 接收整形单片机应用系统接单片机计数器输入端（2）光电码盘码盘（b）（a） VccR码盘发射管接收管方波输出VccR码盘发射管接收管 方波输出 （d）（c）图9原理： 码盘上一周均匀地开有n个小
13、孔（图9-b），当发射管的发射光被码盘的孔间隔遮挡时（图9-c），接收管截止（图9-c），通过整形后，该电路输出低电平0，当发射管的发射光从码盘上的孔透过时（图9-d），接收管导通，通过整形后，该电路输出高电平1；当码盘随电机主轴转动时，在该电路的输出端就会产生连续的方波，每转动一转，则产生n个周期的方波。当电机转速高时，则方波的周期小，当电机转速低时，则方波的周期长。若在一单位时间内测量到M个周期方波，则M/n为该单位时间内电机的转速，将该值转化为一分钟的转速，即为电机的转速，将它送到显示器显示。（3）旋转编码器原理同光电码盘，请参阅电梯控制技术教材，梁延东编，中国建工出版社，1996:P153-160参考资料电梯控制技术教材，梁延东编，中国建工出版社，1996:P153-160（4）数码管静态显示静态显示时，需在方案一二上增加显示驱动元件，以方案二为例:WR片选174LS27374LS273片选4WR74LS273片选2WR74LS273片选3WRD0-D7（P0.0-P0.7）图10 需要硬件较多，需要片选线相应增加，所以需要解决每个锁存器的地址问题，必要时采用低位地址线译码，如A1、A0，然后，与高位地址线译码输出线相或，由此决定每个锁存器的地址。优点：编程简单。（5）、数码管动态显示
