发布时间：2014-11-12 来源：人大经济论坛

摘 要:单片机系统设计是一门实践性和应用性都很强的课程。为了充分激发学生的创造力,使学生熟悉单片机应用系统的研制和开发过程,掌握单片机的设计原理和开发步骤,我们开设了单片机系统设计综合实践课程。本文阐述了此综合实践课程的实施方案,给出了典型的设计范例。经过几年的教学实践,本课程取得了良好的教学效果。 关键词:单片机系统;综合实践课程;实践教学 Abstract: Single-chip system design is a practical application and have a strong curriculum. In order to fully stimulate the creativity of students so that students are familiar with single-chip application system and development process, to master the single-chip design and development of the principle, we created an integrated single-chip system design practice courses. This article describes the practice of integrated curriculum implementation plan, gives a typical example of the design. After several years of teaching practice, this course has been a good teaching results. Key words: single-chip system; the practice of integrated curriculum; teaching practice 1 前言 单片机系统设计是一门实践性、应用性很强的课程。传统的单片机系统设计实验教学,具有:①实验应用机会少;②缺乏具体的实验教学内容和完善的考试、考核方法;③验证性多,创新性少;④实验教学内容与实践应用脱节的弊端[1]。这样的教学模式和方法,很难让学生完全掌握单片机系统设计的基本原理和开发方法, 更不用说培养学生的创新能力。因此,为了培养和训练学生具备独立设计简单的单片机应用系统、编写系统控制程序的能力和技能,激发学生的创造力,我校在学生完成了《单片机系统设计》的理论课和汇编程序设计、七段数码显示、键盘扫描、AD转换、串行通讯等实验教学后,特开设了为期2周的综合实践教学环节。此教学环节让学生完成一个单片机系统的设计、开发、调试的完整过程,整个综合实践教学环节完成后,学生对单片机系统的学习和应用兴趣更浓了,而且具备了自行设计、开发简单的单片机系统的能力。 2 任务与要求 利用伟福Lab6000系列单片机仿真实验系统构成简单实用的单片机系统,要求如下: (1)充分应用MCS-51系列微处理器和伟福Lab6000系列单片机仿真实验系统所提供的硬件资源,自由选题实现一个简单实用的单片机系统。 (2)要求具备必需的人机接口。 (3)可以选用汇编或C51语言进行控制程序开发。 设计的系统性能如下: (1)系统运行稳定,具有一定的抗干扰和故障自测能力。 (2)系统设计安全可靠,具有出错报警和应急关闭能力。 (3)系统精度达到一般民用品的基本要求。 (4)人机接口界面友好、直观、操作简单。 另外,我们提供了一些选题供学生拓展思路,主要有: (1)出租车计价器。 (2)温度控制系统。 (3)可编程交通灯系统。 (4)PWM电机调 速系统。 (5)数字温度计。 (6)数字频率计。 3 设计范例 3.1 PWM电机调速系统 PWM电机调速系统如图1所示,系统包含电机驱动电路和测速电路,两者构成闭环系统。电机驱动采用脉宽PWM调压电路,测速电路的核心部件是霍尔元件。 图1 PWM直流电机调速系统原理图[2] 霍尔元件是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。在外磁场的作用下,当磁感应强度超过霍尔元件导通阈值BOP时,霍尔元件输出管导通,输出低电平。若外加磁场的B值降低到BRP时,输出管截止,输出高电平。在直流电机的转盘上粘贴着一枚小磁铁,霍尔元件安装在转盘附近,每当磁铁靠近霍尔元件时霍尔元件导通,输出低电平,远离时霍尔元件截至,输出高电平。这样,直流电机转动一圈,霍尔元件就会输出一个脉冲,通过这个原理能够测出电机的转速。 PWM是单片机系统中常用的模拟量输出方法,通过外接的转换电路,可以将脉冲的占空比转化成电压。直流电机的转速和驱动电压呈近似线形关系,改变脉冲的占空比,就可以改变直流电机的转速。 系统结构图如图2,闭环工作时,测速电路测得的转速和给定的转速相减获得差值e,根据差值e运用PID增量控制算法获得控制量,即占空比,通过MCS- 51的口线输出给定占空比的脉冲,再通过转换电路转化成电压来驱动直流电机。系统控制算法采用增量型PID控制算法,如果k时刻电机当前转速是y(k), 给定转速是r(k),PID控制器输入信号为e(k),输出信号为u(k),则离散的PID递推算法如下: 图2 PWM直流电机调速系统结构图 3.2 数字温度计数字温度计的核心电路温度传感器调理电路如图3所示,温度传感器采用负温度系数的热敏电阻(NTC),NTC的阻值随着温度的上升而非线性下降,具体温度-阻值特性为 (4) 式中,RT 、 RT0是温度分别为T、T0 时的电阻值;B为负温度系数热敏电阻的材料常数[3]。 固定电阻和NTC组成的电阻桥输出电压随NTC阻值的变化而变化,这种变化经过差动放大器的放大后送给AD转换器转换成数字量,具体转换遵循以下公式: (1) 电桥输出电压u (5) (2) 差动放大器输出电压 u'(一般R7=R8,R9=R10) 图3 数字温度计原理图[2] 一般情况下,会事先根据NTC的温度-阻值特性计算出一张温度-阻值对应表。根据AD转换的数字值逆运算获得当前NTC的阻值,再根据NTC的温度特性表运用分段查表和表项间线性运算就可以获得当前温度值,把当前温度在输出设备(如七段数码管、LCD)上显示出来就构成了完整的数字温度计。本范例也可在其他温度测量的系统中应用。 3.3 出租车计价器 出租车计价器是一个较实用的设计范例,它的结构如图4。出租车计价器包含里程测量电路、实时时钟电路和人机接口。 出租车计价器里程测量的核心部件是霍尔元件,具体电路和图1的测速电路一样。在轮胎的转轴上粘贴了6个小磁铁,轮胎转动一圈,霍尔元件就会输出6个脉冲,对脉冲进行计数就可以获得轮胎转动的圈数,圈数乘以轮胎的周长就可以获得车辆行驶的里程数。