第9章 单片机应用系统设计实例

第9章单片机应用系统设计实例主要内容标准状态气体流量测量系统电热恒温箱控制系统小功率直流伺服系统智能小车图像循迹系统9.1标准状态气体流量测量系统9.1.1系统需求分析及总体设计测量系统不仅要测得当地状态下的瞬时流量和累计流量，而且还需对这些流量进行温度、压力补偿，求得标准状态下的瞬时流量和累计流量。如图所示为标准状态气体流量测量系统结构框图。流量传感器温度传感器压力传感器隔离整形A/D转换器单片机LED显示键盘E2PROM看门狗打印机9.1.2系统硬件设计VCCVCCDVCCVCCT04N25SCLK1MCLKIN2MCLKOUT3POL4SYNC5RESET6AGND8AVDD9AIN110AIN211AIN3/D112AIN4/D013REFIN(+)14REFIN(-)15AIN516AIN617STANDBY18CS19RDY20DOUT21DIN22DVDD23DGND24AD7731+Vin2TEMP3GND4Vout6AD780VCCP1.0P1.3CCSCCSP_SENSORT_SENSORR19R20F_SENSORP1.1P1.2C9R12R13R14R15R16R17R18C4C5C6C7C8C10CX2Q1Q2Q31.输入单元2.CPU单元VCCVCCK32K11K21K22K12K31VCCMR9CLK8Q713Q612Q511Q410Q36Q25A1B2Q14Q0374LS164C1MR9CLK8Q713Q612Q511Q410Q36Q25A1B2Q14Q0374LS164MR9CLK8Q713Q612Q511Q410Q36Q25A1B2Q14Q0374LS164abfcgdeabcdefgdpdpLA5011abfcgdeabcdefgdpdpLA5011abfcgdeabcdefgdpdpLA5011RXDTXDINT0VCCVin1GND2Vout3LM317CS1SO2WP3VSS4SI5SCK6RESET/RESET7VCC8X5045EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1089C51P1.1P1.0P1.4P1.2P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7T0RXDTXDINT0P2.4P2.3BUSYP2.0T1RDWRP2.2P2.112345678910111213141516GP16CONNECTERIO0IO1IO2IO3IO4IO5IO6IO7+5V+5VGNDGNDBUSYRDWRCSVCCCSP2.4P2.3P2.0P2.2P2.1R5L1R10L6R9L5R8L4R7L3R6L2VCCP1.5P1.6P1.7T1P2.5P2.6P2.5P2.6R1R2R3R4R11C2C3CX13.显示、按键单元9.1.3系统软件设计思想系统的软件主要由主程序、温度和压力采样程序、中断程序、键扫描程序、键处理程序和显示程序等组成。主程序主要由初始化程序和一个主循环程序组成。初始化程序包括相关硬件和变量的初始化。主循环程序不停地采集温度、压力及流量，并进行补偿计算，根据键扫描的结果进行相应的显示、打印及参数编辑等工作，并在一个循环周期内对看门狗计数器清零复位。流量的测量采用测周法，在中断程序中进行。安排一个定时器作定时时基，一个定时器负责捕捉流量脉冲的周期信号（两个下降沿）。在一个周期内定时时基计数值乘以定时时间即为流量脉冲的周期。9.2电热恒温箱控制系统9.2.1系统需求分析及总体设计系统要求调温范围+3～+60℃，升温速度0.5℃/min，温度控制精度为±0.5℃，温度设定用2位十进制数拨盘，温度显示为3位LED数码管，控制算法采用PID，驱动控制方式采用PWM控制。如图所示为电热恒温箱控制系统结构框图。放大及AD转换调功输出单片机LED显示十进制数拨盘E2PROM看门狗温度传感器9.2.2系统硬件设计为降低成本，系统采用AT89C2051作控制器核心；由压控振荡器74LS629构成V/F变换器，作为低成本、高精度的A/D变换电路；控制输出为继电器开关量控制，并带有报警输出；采用串行口扩展3位LED八段数码显示器和E2PROM存储器X5045，测量数据及控制参数存储在X5045中，掉电不会丢失；温度设定扩展了2位十进制数拨盘。1.输入、输出、CPU单元VCCVCCVCCVCCCS1SO2WP3VSS4SI5SCK6RESET/RESET7VCC8X5045VCCP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RXDTXDR4C2C3C4CXRTR9R8R7R10R11R12R1332476ACA3140R14IN2SN3CX14CX25EN61Y774LS629R15X15X24RESET1P3711INT06INT17T08T19P1012P1113P1214P1315P1416P1517P1618P1719TXD3RXD289C2051P3.7RXDTXDR6VCCRGLAMP+-~~JGX-10FSSRBELL~220VVCCR5Q22.显示、设定单元MR9CLK8Q713Q612Q511Q410Q36Q25A1B2Q14Q0374LS164C1MR9CLK8Q713Q612Q511Q410Q36Q25A1B2Q14Q0374LS164MR9CLK8Q713Q612Q511Q410Q36Q25A1B2Q14Q0374LS164abfcgdeabcdefgdpdpLA5011abfcgdeabcdefgdpdpLA5011abfcgdeabcdefgdpdpLA5011RXDTXDP3.7VCCVin1GND2Vout3LM317R1R288421ABCD1088421ABCD1VCCP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7Q1VCCR3RWDR9.2.3系统软件设计思想系统的软件主要由主程序、显示程序、控制算法程序、温度采样及PWM输出中断程序等组成。主程序主要由初始化程序和一个主循环程序组成。初始化程序包括相关硬件和变量的初始化。主循环在采样周期未到时循环复位看门狗计数器，在采样周期到时，则在完成控制算法计算后再刷新显示和复位看门狗计数器。用定时中断来计量采用周期，在采用周期到达后采集和温度成正比的脉冲信号，并根据PID控制算法计算出的控制值处理输出PWM，控制电热丝的通断。9.3小功率直流伺服系统9.3.1系统需求分析及总体设计系统采用单片机和专用的运动控制单元及直流电动机驱动芯片构成小功率数字直流伺服系统，其电动机角度检测采用相对式光电脉冲编码器，控制算法采用PID控制算法，控制方式采用PWM控制。如图所示为小功率数字直流伺服系统结构框图。运动控制单元I/O口单片机RS232PWM和转向驱动单元相对式光电脉冲编码器9.3.2系统硬件设计运动控制单元采用美国国家半导体公司生产的专用芯片LM629，它是全数字式控制的专用运动控制处理器。位置反馈采用相对式光电脉冲编码器，有2路相对编码信号输入和1路零位信号输入；输出控制采用PWM方式，控制信号包括PWM控制信号和PWM方向信号。VCCVCCCS1SO2WP3VSS4SI5SCK6RESET/RESET7VCC8X5045EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1089C51P1.1P1.0P1.3P1.2R1C2C1CXD011D110D29D38D47D56D65D74WR15RD13CS12PS16HI17PWM_M19PWM_S18CLK26A2B3RST27IN1LM629PWM5DIR3BRAKE4VOUT12BS11VS6GND7BS211VOUT210THO9LMD18200DCMOTORC8C9+55V4N25NC1GND2OSC3VCC46MOSCVCCAW0VBBY+VRCSSZA+12VR6R5VCC4N25R4R3VCCR1IN13T1IN11R1OUT12T1OUT14C1+1C1-3VCC16V+2V-6GND15MAX232INT0R2C7VCCVCCC4C5C6C3123RS232WRRDWRRDP1.1P1.0P1.3P1.2INT0INT1INT1BELLVCCR7QT0T09.3.3系统软件设计思想由于系统采用了专用的运动控制处理器LM629，因此，软件编制的工作量和复杂程度就相对较小。CPU的主要工作就是接收指令、转送指令、状态查询反馈、故障诊断等。主要由初试化程序和一个主循环程序组成。初始化程序包括相关硬件和变量的初始化。主循环主要实现通过RS232接收指令和控制参数，并将相关参数存储在X5045中，然后将这些指令和参数发送给LM629，LM629在这些指令和参数的控制下自动控制直流电动机的运转。CPU发送完指令和数据后，就通过LM629和LMD18200查询系统的运行状态和故障，如有故障就通过蜂鸣器报警。9.4智能小车图像循迹系统9.1.1系统需求分析及总体设计要求智能小车能在白底黑线的跑道上自主循迹，在弯道多、有上下坡的跑道上高速行驶。系统用摄像头获取车模前方赛道图形，通过主控芯片采集图像信号，通过图像处理提取引导线，并根据引导线的位置信息，对舵机和电机施以适当的控制。系统的总体框图如图所示。图像传感器模块C8051F121控制器速度/里程检测模块I/OI/O电机驱动模块直流电机PWM按键LED数码管舵机PWM9.4.2系统硬件设计32cm16cm104cm21cm112cmC1.摄像头的安装位置摄像头的安装位置应谨慎选取。安装位置太低，会导致视域不够广阔，影响寻线的有效范围；安装位置太高，引导线会变得过窄而无法被检测到，赛车系统也会因重心变高而稳定性变差。根据控制需要，摄像头高度在20cm左右为宜。2.数字摄像头为了降低电路功耗，简化电源设计，系统采用数字摄像头OV7620。行场同步时钟的时序图如图所示。OV7620水平同步、像素同步和数据的关系HREFPCLKY7:0/UV7:0ValidDataHorizontalTiming12639640OV7620垂直同步和水平同步的关系VSYNCHREF3.图像采集图像数据的采集与处理，其特点就是数据量大，实时性要求高，为此处理器采用美国Cygnal公司生产的以51为内核的C8051F121芯片。OV7620的默认输出是YUV格式，其中Y表示亮度，UV表示色度，它们共同表示一个彩色象素。由于本系统只需要识别白色底板和黑色引导线，故只需处理亮度信号Y。为了保证系统采集图像信号的实时性，本系统把VSYNC和HREF分别接单片机的两个外部中断请求引脚，把Y0到Y7分别接到单片机的一组数据口P0.0到P0.7。采集时先捕捉场中断，后捕捉行中断，在行中断中读取P0口即可完成图像数据采集。电路及接口如图所示。CHSYNC/BW42Y0/CBAR41Y1/PROG40Y2/G2X39Y3/RAW38Y4/CS137Y5/SHARP36Y6/CS235Y7/CSO34PCLK/OUTX233DOVDD32DOGND31AGND6VrEQ5FREX4AGCEN/RAMINT3RESET2SVDD1SGND48MID47SIO-046SIO-145AVDD44AGND43UV7/B819UV6/BPCLR20UV5/M