微處理器程序設(shè)計(jì)-以51單片機(jī)為例 課件 項(xiàng)目3 智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控 任務(wù).32

項(xiàng)目三智慧工廠環(huán)境智能監(jiān)控

馮蓉珍

《微處理器程序設(shè)計(jì)》教學(xué)目標(biāo)和技能要求任務(wù)目標(biāo)

通過(guò)本任務(wù)的設(shè)計(jì)和制作，介紹繼電器、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行器和微處理器之間的接口和編程應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生利用微處理器的IO口功能控制執(zhí)行器工作，從而控制一些大電流的執(zhí)行器設(shè)備。教學(xué)目標(biāo)和技能要求知識(shí)準(zhǔn)備

關(guān)于“直流電機(jī)”與其驅(qū)動(dòng)芯片的工作原理在項(xiàng)目一“任務(wù)五智慧校園門(mén)禁智能控制”中有詳細(xì)分析。下面講解PWM調(diào)節(jié)電機(jī)速度的工作原理。

利用PWM脈寬調(diào)制器控制電機(jī)的原理為：通過(guò)調(diào)制器給電機(jī)提供一個(gè)具有一定頻率的脈沖寬度可調(diào)的脈沖電。脈沖寬度越大即占空比越大，提供給電機(jī)的平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速就高。反之脈沖寬度越小，則占空比越小，提供給電機(jī)的平均電壓越小電機(jī)轉(zhuǎn)速就低。PWM不管是高電平還是低電平時(shí)電機(jī)都是轉(zhuǎn)動(dòng)的，電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于平均電壓。直流電機(jī)教學(xué)目標(biāo)和技能要求知識(shí)準(zhǔn)備

步進(jìn)電機(jī)有三線式、四線式、五線式和六線式，但其控制方式均相同，都要以脈沖信號(hào)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。假設(shè)每旋轉(zhuǎn)一圈需要200個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)勵(lì)磁，可以計(jì)算出每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)能使步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)1.8°，其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖的個(gè)數(shù)成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)由勵(lì)磁脈沖產(chǎn)生的順序來(lái)控制。步進(jìn)電機(jī)教學(xué)目標(biāo)和技能要求知識(shí)準(zhǔn)備

繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”，故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器如圖3-18所示：5、6引腳連接電源，3、4引腳為常閉觸點(diǎn)，1、2引腳為敞開(kāi)觸點(diǎn)。

繼電器教學(xué)目標(biāo)和技能要求知識(shí)準(zhǔn)備

當(dāng)線圈5、6引腳連接上電源后，因電磁感應(yīng)，使得彈簧網(wǎng)往上，動(dòng)觸點(diǎn)向上接觸1、2引腳，如果1號(hào)引腳連接了電源，則2號(hào)被接通后也連通電源，2號(hào)引腳連接外部設(shè)備電源。繼電器線圈通電后，和2號(hào)引腳連接的外部設(shè)備通電。繼電器任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施子任務(wù)一“直截了當(dāng)”的直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)本任務(wù)利用三個(gè)按鍵結(jié)合外部中斷技術(shù)、PWM技術(shù)分別控制直流電機(jī)的啟動(dòng)/停止和速度，并在仿真電路中控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。

1、硬件電路設(shè)計(jì)圖3-19硬件電路圖任務(wù)實(shí)施2、軟件編程

首先定義K3和直流電機(jī)和單片機(jī)連接的管腳。k1、k2連接在單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷端口上，因此，不需要定義此兩個(gè)開(kāi)關(guān)。sbitdc1=P1^0;sbitdc2=P1^1;sbitk3=P3^4;pwm的高電平用pwmon表示，低電平用pwmoff表示，如下進(jìn)行定義unsignedcharpwmon,pwmoff;定義位變量dir表示運(yùn)轉(zhuǎn)方向，dir為1，表示正轉(zhuǎn)；dir為0，表示反轉(zhuǎn)；定義位變量start_en表示是否允許電機(jī)啟動(dòng)，start_en為1表示電機(jī)啟動(dòng)，start_en為0表示電機(jī)停止。定義位變量label_k3表示k3按鍵剛才的狀態(tài)，記憶k3按鍵的狀態(tài)。任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施//外部中斷0控制電機(jī)啟動(dòng)和停止voidmyint0()interrupt0{

start_en=!start_en;}//外部中斷1控制電機(jī)方向取反voidmyint1()interrupt2{

dir=!dir;}任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施

主函數(shù)中先對(duì)中斷寄存器和變量進(jìn)行初始化。在while循環(huán)中做兩件事，第一件事讀取k3速度調(diào)節(jié)按鍵狀態(tài)更新速度值，第二件事根據(jù)start_en和dir以及pwmon、pwmoff的值控制電機(jī)按要求運(yùn)轉(zhuǎn)。voidmain(){EA=1;//開(kāi)中斷EX0=1;//允許外部中斷0EX1=1;//允許外部中斷0IT0=1;//外部中斷0觸發(fā)方式為電平跳變IT1=1;//外部中斷1觸發(fā)方式為電平跳變dir=0;//運(yùn)轉(zhuǎn)方向start_en=0;//電機(jī)停止任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施pwmon=50;//電機(jī)中等速度pwmoff=50;label_k3=1;//k3按鍵初始狀態(tài)為松開(kāi)狀態(tài)

while(1){

//讀取k3按鍵，更新速度值if(!k3&&label_k3){ label_k3=0; pwmon+=25;//速度取值0，25，50，75，100五檔，第一檔停止，第五檔全速

pwmoff-=25;

任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施

if(pwmon>100){//速度超過(guò)100，回到0，從低檔開(kāi)始pwmon=0;pwmoff=100; } } label_k3=k3;//記住k3的狀態(tài)

任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施

//根據(jù)啟/停，方向和速度控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)if(start_en){//允許運(yùn)轉(zhuǎn) if(dir){//正向轉(zhuǎn)動(dòng) dc1=1;dc2=0; delay(pwmon);//按照pwm_on的速度運(yùn)轉(zhuǎn) dc1=0; delay(pwmoff); }

任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施

else{//反向轉(zhuǎn)動(dòng) dc1=0;dc2=1; delay(pwmon);//按照pwm_on的速度運(yùn)轉(zhuǎn) dc2=0; delay(pwmoff); } } else{ //停止

dc1=0;dc2=0; }}}任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施3、仿真調(diào)試

編譯調(diào)試后，下載hex文件到51單片機(jī)中，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，點(diǎn)擊k1、k2、k3按鈕，觀察電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。4、開(kāi)發(fā)板運(yùn)行

按圖3-20連接電機(jī)和開(kāi)發(fā)板。P1.0連接J46的IN1，直流電機(jī)的兩個(gè)引腳分別連接J47的+5V和O1，k1、k2、k3分別連接P3.2、P3.3、P3.4。k2在仿真圖中用來(lái)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向，而在開(kāi)發(fā)板中，受開(kāi)發(fā)板上硬件設(shè)計(jì)限制，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向只能通過(guò)交換連接電機(jī)的兩根導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，圖中連接k2的導(dǎo)線可以去掉。

程序下載到51單片機(jī)中，按下k1、k3按鈕，觀察電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)二奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施圖3-20開(kāi)發(fā)板連線圖

任務(wù)實(shí)施子任務(wù)二“步步驚心”的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

本任務(wù)利用三個(gè)按鍵結(jié)合外部中斷技術(shù)、PWM技術(shù)分別控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)/停止和速度，并在仿真電路中控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。

1、硬件電路設(shè)計(jì)

三個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)K1、K2、K3分別控制步進(jìn)電機(jī)的啟/停、運(yùn)轉(zhuǎn)方向和速度。K1、K2分別連接到微處理器的外部中斷0和外部中斷1的管腳P3.2、P3.3上，K3連接到P3.4端口。仿真圖中，步進(jìn)電機(jī)直接連接到P1.0到P1.3端口。在開(kāi)發(fā)板上，步進(jìn)電機(jī)和微處理器之間還需要加一驅(qū)動(dòng)芯片TC1508S，微處理器輸出電流不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)到，需要利用驅(qū)動(dòng)芯片放大電流后驅(qū)動(dòng)電機(jī)。任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施開(kāi)發(fā)板上步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施步進(jìn)電機(jī)和開(kāi)發(fā)板連接如圖任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器圖3-23開(kāi)發(fā)板上步進(jìn)電機(jī)引腳圖任務(wù)實(shí)施2、軟件編程定義連接步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)管腳。sbitMOTOA=P1^0;sbitMOTOB=P1^1;sbitMOTOC=P1^2;sbitMOTOD=P1^3;定義外部中斷0控制電機(jī)啟動(dòng)停止，外部中斷1控制電機(jī)的方向。K3控制電機(jī)的速度，速度通過(guò)延時(shí)時(shí)間參數(shù)speed來(lái)控制。定義speed初始值為2000。定義電機(jī)啟停位變量run_en和方向位變量dir。intspeed=2000;bitrun_en,dir,k3_label;任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施兩個(gè)外部中斷函數(shù)分別改變電機(jī)啟停和運(yùn)轉(zhuǎn)方向。代碼如下：//改變電機(jī)的啟動(dòng)、停止voidmyint0()interrupt0{ run_en=!run_en;}//改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向voidmyint1()interrupt2{ dir=!dir;}任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施主函數(shù)代碼如下，其中首先對(duì)一些寄存器、變量進(jìn)行初始化。在while（1）循環(huán)中先讀取調(diào)速按鍵k3的狀態(tài)修改speed的值進(jìn)行調(diào)速，然后根據(jù)電機(jī)是否啟動(dòng)以及運(yùn)轉(zhuǎn)方向和速度控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。voidmain(){EA=1;EX0=1;EX1=1;IT0=1;IT1=1;run_en=0;dir=0;k3_label=1;//按鍵初始狀態(tài)為松開(kāi)任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施while(1){//讀取調(diào)速按鍵k3的狀態(tài)，修改speed的值if(k3==0&&k3_label==1){speed+=1000; if(speed>=5000){ speed=1000; }}k3_label=k3;任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施

//根據(jù)電機(jī)啟動(dòng)停止和運(yùn)轉(zhuǎn)方向，speed的值控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)if(run_en){//電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)if(dir){//正轉(zhuǎn)

MOTOA=1;MOTOB=0;MOTOC=1;MOTOD=1;delay(speed);//按speed的速度延時(shí)MOTOA=1;MOTOB=1;MOTOC=1;MOTOD=0;delay(speed);MOTOA=0;MOTOB=1;MOTOC=1;MOTOD=1;delay(speed);

MOTOA=1;MOTOB=1;MOTOC=0;MOTOD=1;delay(speed); //上述4種狀態(tài)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一步。

}任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施else{//反轉(zhuǎn)，步序?yàn)檎D(zhuǎn)的步序倒序

MOTOA=1;MOTOB=1;MOTOC=0;MOTOD=1;delay(speed);MOTOA=0;MOTOB=1;MOTOC=1;MOTOD=1;delay(speed);MOTOA=1;MOTOB=1;MOTOC=1;MOTOD=0;delay(speed);MOTOA=1;MOTOB=0;MOTOC=1;MOTOD=1;delay(speed);}}任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施//停止運(yùn)轉(zhuǎn)else{MOTOA=1;MOTOB=1;MOTOC=1;MOTOD=1;}}}3、仿真調(diào)試

將編譯后生成的hex文件下載到51單片機(jī)中，按下仿真軟件啟動(dòng)按鈕，按下啟動(dòng)按鈕K1，電機(jī)按照初始設(shè)定方向運(yùn)轉(zhuǎn)，按下方向按鍵K2，電機(jī)反轉(zhuǎn)，按下K3按鍵，改變延時(shí)速度，即改變電源運(yùn)轉(zhuǎn)速度。任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器任務(wù)實(shí)施

任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器圖3-24仿真運(yùn)行效果圖任務(wù)實(shí)施4、開(kāi)發(fā)板運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)和開(kāi)發(fā)板連線如圖任務(wù)3.2奇妙的執(zhí)行器圖3-25步進(jìn)電機(jī)和開(kāi)發(fā)板連線圖

任務(wù)實(shí)施能力拓展

按下開(kāi)關(guān)k1，使得單片機(jī)的某一個(gè)IO口控制繼電器導(dǎo)通，使得外部設(shè)備直接連接5V電源，通過(guò)繼電器直接給外設(shè)通電。1、硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路圖如圖任務(wù)