基于能力培養(yǎng)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)*

胡發(fā)煥，鄭大騰，郭猷敏

（井岡山大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 吉安 343009）

0 引言

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是電氣工程、測(cè)控技術(shù)與儀器、機(jī)械電子工程等電控類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，是從事機(jī)電、自動(dòng)化設(shè)計(jì)人才必須掌握的一門專業(yè)課程。該課程不僅要求掌握相應(yīng)的理論知識(shí)，同時(shí)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的高度結(jié)合［1-4］。但在傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)過程中，實(shí)踐環(huán)節(jié)卻沒有得到應(yīng)有的重視，與培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的要求差距較大［5-8］。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是整個(gè)課程教學(xué)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，它將單片機(jī)原理、模擬電路、數(shù)字電路、自動(dòng)控制原理等相關(guān)課程的知識(shí)緊密結(jié)合起來，為提高課程設(shè)計(jì)效果需要根據(jù)教師提出的要求，設(shè)計(jì)完成一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程。劉恒［9］采用現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)箱形式完成實(shí)驗(yàn)，主要訓(xùn)練學(xué)生的軟件編程能力，難以培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力。依據(jù)老師布置的項(xiàng)目，學(xué)生自己設(shè)計(jì)硬件電路、選擇電子元器件、設(shè)計(jì)PCB 板、焊接元件、編寫程序、聯(lián)機(jī)調(diào)試等一系列過程，完成一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用的小系統(tǒng)。課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)［10］。

教師在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)選題時(shí)，應(yīng)該結(jié)合學(xué)生的自身需求，同時(shí)拓展學(xué)生的知識(shí)面，王一［11］采用的主控芯片在拓展學(xué)生知識(shí)面上有所欠缺。大學(xué)生在學(xué)習(xí)期間，常參加各類學(xué)科競(jìng)賽，通過學(xué)科競(jìng)賽可以檢驗(yàn)和提高學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐創(chuàng)新能力。在電類學(xué)科競(jìng)賽中常會(huì)考查學(xué)生對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，控制系統(tǒng)的執(zhí)行器通常是電機(jī)類。因此，本文以基于單片機(jī)的直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單片機(jī)的課程設(shè)計(jì)題目，在主控芯片上選用性能更高的單片機(jī)，以達(dá)到更好地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)綜合設(shè)計(jì)能力和促進(jìn)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽的目標(biāo)。

1 課程設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生應(yīng)掌握以下的知識(shí)點(diǎn)：（1）掌握單片機(jī)編程的基本知識(shí)；（2）掌握閉環(huán)控制經(jīng)典控制方法，即比例-積分-微分（PID）控制算法；（3）掌握脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)的相關(guān)知識(shí)；（4）掌握直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法；（5）掌握一種電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向檢測(cè)傳感器的使用方法。通過單片機(jī)的課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能夠舉一反三，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，要求電機(jī)能夠快速地啟動(dòng)、停止和頻繁正反轉(zhuǎn)，且電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)速一致，因此必須具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其原理如圖1 所示。

圖1 直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)

直流電機(jī)調(diào)速方案主要有3 種：調(diào)節(jié)電樞電壓、調(diào)節(jié)電樞的串聯(lián)阻抗和調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度［12］。其中調(diào)節(jié)電樞電壓用得最廣，本文即采用這種方式。電樞電壓采用PWM 方式調(diào)節(jié)，這種方式調(diào)節(jié)范圍寬（可在0 ～100%之間來連續(xù)調(diào)節(jié)）且效率高。它是根據(jù)窄脈沖面積等效的原理，通過改變高電平的比例（占空比），將固定的直流電壓變換成所需要的直流電壓，從而改變電機(jī)的電樞電壓：

式中：Ud為電樞電壓；Us為電源電壓；ton為PWM 脈沖高電平時(shí)間；t 為PWM 周期；ρ 為兩者之比為占空比，當(dāng)ρ ＝0 時(shí)Ud＝0，ρ ＝1 時(shí)Ud＝Us。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖中，VT1 ～VT4為4 個(gè)開關(guān)管構(gòu)成H 橋控制電路，當(dāng)VT1 和VT3 導(dǎo)通時(shí)，VT2 和VT4截止，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)VT2 和VT4 導(dǎo)通時(shí)，VT1和VT3 截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同時(shí)通過轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器，獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到閉環(huán)控制的目標(biāo)。為更好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制，本文的單片機(jī)采用某公司C8051F310 單片機(jī)［13］，該單片機(jī)較教材選用的80C51 單片機(jī)功能強(qiáng)，其特點(diǎn)：該系統(tǒng)資源豐富，帶內(nèi)部晶振，有21 個(gè)外部輸入的12 位ADC和2 個(gè)10 位DAC，29 個(gè)I／O 端口，15 個(gè)向量中斷源，可編程的16 位計(jì)數(shù)器定時(shí)器陣列，4 個(gè)通用16 位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器，5 個(gè)捕捉比較模塊，可輸出16 位PWM 脈沖。選用該單片機(jī)除了其強(qiáng)大功能，還可以訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)更高級(jí)別單片機(jī)，擴(kuò)充學(xué)生知識(shí)面。

圖2 數(shù)字化閉環(huán)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)硬件框圖

2.3 電路設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī)端口分配。

在學(xué)科競(jìng)賽中用到的輪式機(jī)器人大多是兩輪機(jī)器人，因此本文設(shè)計(jì)控制2 個(gè)直流電機(jī)，即輪式機(jī)器人的左右輪。單片機(jī)采用內(nèi)部晶振，每個(gè)電機(jī)分配1 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制端口（PWM輸出端口）、1 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制端口、1個(gè)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋端口和1 個(gè)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)向反饋端口，每個(gè)電機(jī)需用4 個(gè)端口，2 個(gè)電機(jī)共需8 個(gè)I／O端口。顯示屏需4 個(gè)I／O 端口。按鍵需5 個(gè)I／O 端口，端口分配如圖3 所示。具體分配是左右輪電機(jī)的PWM輸出端口分別是P1.0 和P1.1；左右輪電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制端口分別為P1.4和P1.5；反饋?zhàn)笥逸嗠姍C(jī)速度端口分別為P1.2 和P1.3；反饋?zhàn)笥逸嗠姍C(jī)轉(zhuǎn)向端口分別為P1.6 和P1.7，通過P1 的8 個(gè)端口實(shí)現(xiàn)對(duì)2 個(gè)電機(jī)的閉環(huán)控制。顯示屏采用SPI通信方式，占用P0.0 ～0.2 端口和C2CK 端口。按鍵用P2.2 ～2.6 端口。

圖3 單片機(jī)端口分配

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及分析

單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路才能控制電機(jī)的正常工作。本文采用圖2 的H橋方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。H橋的4 個(gè)開關(guān)管選用場(chǎng)效應(yīng)管，它具有損耗小、工作電流大的優(yōu)勢(shì)。采用2個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器IR2104 芯片控4 個(gè)開關(guān)管［14］，其驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。IR2104 的SD為使能端，高電平有效；IN為脈沖信號(hào)輸入端，可輸入TTL 電平；HO、LO 為控制輸出端，分別為高、低橋臂的門極驅(qū)動(dòng)端，HO 的邏輯電平與IN 同相；LO 的邏輯電平與IN 反相，任何時(shí)刻HO和LO只有一個(gè)輸出邏輯高電平。VB 是高橋臂浮動(dòng)電源輸入端，VS高橋臂浮動(dòng)電源回流端，2 個(gè)IR2104 控制一個(gè)電機(jī)。以左輪電機(jī)為例，2 個(gè)IR2104 控制4 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，PWM_L和DIR_L 分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制輸入端。當(dāng)DIR_L為邏輯高電平1 時(shí)，U8 的HO輸出邏輯高電平，LO 輸出邏輯低電平，V2 飽和導(dǎo)通，V3 截止。PWM_L是PWM信號(hào)，當(dāng)PWM_L是高電平1 時(shí)，V1 飽和導(dǎo)通，V4 截止，電機(jī)無電流流過；當(dāng)PWM_L 是低電平0 時(shí)，V1 截止，V4 飽和導(dǎo)通，這時(shí)V2 和V4 飽和導(dǎo)通，V1 和V3 截止，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，改變PWM_L 的占空比則改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。同理分析可以得到，當(dāng)DIR_L為低電平0 時(shí)，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，改變PWM_L 的占空比則改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在向?qū)W生分析電路時(shí)，應(yīng)講解二極管D6 ～D9 的作用：因場(chǎng)效管的門極和源極之間有結(jié)電容，在場(chǎng)效應(yīng)導(dǎo)通和截止時(shí)結(jié)電容存在充放電過程，在門極電阻并聯(lián)二極管，使得充放電時(shí)間常數(shù)不一樣。充電時(shí)，電流經(jīng)過門極電阻，放電時(shí)電流經(jīng)過二極管，放電時(shí)間小于充電時(shí)間，使場(chǎng)效應(yīng)管截止時(shí)間小于導(dǎo)通時(shí)間，確保一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，另一半橋臂的場(chǎng)效應(yīng)管提前截止。D4、C14 和D5、C13 通過充放電構(gòu)成自舉電路，依靠自舉電路，HO 輸出邏輯高電平時(shí)，可達(dá)高于VCC 電壓6 ～8 V，可以確保高橋臂V1、V2 飽和導(dǎo)通時(shí)門極的高電壓。在課程設(shè)計(jì)的分析過程中，應(yīng)向?qū)W生講解自舉電路的工作原理和場(chǎng)效應(yīng)門極二極管的作用，這也是分析整個(gè)電路的一個(gè)重點(diǎn)。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

（3）邏輯電路及分析

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，存在一個(gè)缺陷，當(dāng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的DIR_ L輸出高電平1 時(shí)，V2 保持飽和導(dǎo)通，V1 保持截止。由于DIR_A 不是PWM 波形不能形成充放電，此時(shí)U8 的自舉電路工作狀態(tài)受到嚴(yán)重影響，測(cè)試發(fā)現(xiàn)此時(shí)U8 的HO電壓比VCC 電壓高出約3V，即V2 不能工作在飽和狀態(tài)，發(fā)熱明顯加大，影響其正常工作。為了克服上述的缺點(diǎn)，本文在驅(qū)動(dòng)電路前加入邏輯電路，以左電機(jī)邏輯電路為例，運(yùn)算電路如圖5 （a）所示，實(shí)現(xiàn)電路如圖5 （b）所示。從單片機(jī)輸出的L_PWM、L_DIR分別為左電機(jī)速度信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)，邏輯電路運(yùn)算分別為：PWM_L ＝L_PWM·L_DIR 和DIR_L ＝L_PWM·L_DIR。邏輯電路輸出的PWM_L 和DIR_L 送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)轉(zhuǎn)向信號(hào)L_DIR 為高電平1 時(shí)，PWM_L ＝L_ PWM，DIR_L ＝0。此時(shí)PWM_ L 端輸出PWM波形，U7 的自舉電路能正常工作；而U8 的HO ＝0，LO ＝1，V2 保持截止，V3 保持飽和導(dǎo)通，因V2 截止，所以自舉電路的電壓對(duì)V2 沒有影響。當(dāng)L_DIR 為低電平0 時(shí)，PWM_L ＝0，DIR_L ＝L_PWM。DIR_L端輸出PWM波形，U8 的自舉電路能夠正常工作；U7 的HO＝0，LO ＝1，V4 保持飽和導(dǎo)通，V1 保持截止，因V1 截止，所以自舉電路的電壓對(duì)V1 沒有影響。

圖5 邏輯電路

從上述分析可知，經(jīng)過邏輯電路后不論電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，保持飽和導(dǎo)通的不是高橋臂而是低橋臂，低橋臂飽和導(dǎo)通時(shí)門極電壓不需要比VCC的電壓高，因此克服了驅(qū)動(dòng)電路的缺陷。本文的邏輯電路也是學(xué)生需要理解的一個(gè)重點(diǎn)。

（4）電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋電路

電機(jī)的閉環(huán)控制需要通過傳感器獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速并反饋給單片機(jī)，確保電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和單片機(jī)的給定轉(zhuǎn)速一致。本文的轉(zhuǎn)速傳感器采用HEDS-5540增量式編碼器，它安裝在電機(jī)的尾部，與電機(jī)合為一體。該編碼器是1024 線編碼器，直接輸出兩相TTL 的數(shù)字脈沖信號(hào)，兩相信號(hào)之間有90°的相位差。本文用其中任何一相作為電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，送給單片機(jī)的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)測(cè)速。

（5）電機(jī)轉(zhuǎn)向反饋電路

要對(duì)電機(jī)閉環(huán)控制，必須將電機(jī)的轉(zhuǎn)向反饋給單片機(jī)，確保電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)向和給定轉(zhuǎn)向一致。本文的轉(zhuǎn)向檢測(cè)電路采用兩路邊沿D觸發(fā)器74LS74 實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向檢測(cè)，檢測(cè)電路如圖6 所示。為便于檢測(cè)，本文將復(fù)位端CLR1、CLR2 和置位端SET1、SET2 接高電平。將2 個(gè)編碼器送來的四路脈沖信號(hào)分別輸入CLK1、D1和CLK2、D2，其中CLK 為2 個(gè)D 觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，上升沿有效；D 為數(shù)據(jù)輸入端，Q 為觸發(fā)器的輸出信號(hào)端，其輸值為時(shí)鐘信號(hào)上升沿對(duì)應(yīng)的輸入端D 的值，即：RQ＝RD·RCLK↑。編碼器傳輸過來的AB 兩路脈沖方波的頻率相同，但相位相差90°。鑒向過程如圖7 所示，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，A相超前B相90°，觸發(fā)信號(hào)的上升沿對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)是高電平，此時(shí)輸出端Q 為高電平1；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，A 相滯后B相90°，觸發(fā)信號(hào)的上升沿對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)是低電平，此時(shí)輸出端Q 為低電平0。通過電機(jī)轉(zhuǎn)向反饋電路，單片機(jī)可獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)向反饋電路

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)向鑒相示圖

（6）按鍵及OLED顯示電路

為調(diào)節(jié)及顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制電路中設(shè)計(jì)了按鍵及OLED顯示電路，控制引腳分配（圖3）。按鍵共有5 個(gè)“運(yùn)行”“停止”“調(diào)速”“速度＋”“速度-”。通過這些按鍵可以啟動(dòng)、停止和調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。OLED 顯示屏是采用SPI通信方式通信，用于顯示電機(jī)的設(shè)置轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過兩個(gè)速度的比較，可以直觀地得到電機(jī)控制的效果。

3 軟件設(shè)計(jì)和性能測(cè)試

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖8 所示，在電機(jī)運(yùn)行過程中，可以隨時(shí)改變電機(jī)速度。按功能不同，子程序包括了初始化設(shè)置子程序、PID 轉(zhuǎn)速控制程序、按鍵和顯示子程序等。

圖8 主程序流程

3.2 數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，是電類專業(yè)學(xué)生要求掌握的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，也是本課程設(shè)計(jì)的一個(gè)教學(xué)重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)通過對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和顯示，能夠讓學(xué)生對(duì)PID 控制器的設(shè)計(jì)及其效果有一個(gè)直觀的理解。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，采用離散化設(shè)計(jì)方法，得到數(shù)字PID控制器，它分為位置式PID和增量式PID，本文的控制對(duì)象為電機(jī)，故采用增量式數(shù)字PID控制器［15］，其控制方式如式（2）所示，控制程序的流程如圖9 所示。因?yàn)镻WM 的占空比最大為1，因此，本文采用限幅式PID控制方式，即u（k）≤Umax。

圖9 增量式PID子程序流程

3.3 系統(tǒng)性能測(cè)試

本文測(cè)試的電機(jī)是Faulhaber 2342L012CR 直流伺服減速電機(jī)，是在學(xué)科競(jìng)賽中常用的一款電機(jī)，其主要參數(shù)：額定電壓12 V，額定功率17 W，直流阻抗1.9 Ω，轉(zhuǎn)子電感65 μH，機(jī)械時(shí)間常數(shù)6 ms，原始轉(zhuǎn)速7 680 r／min，減速后轉(zhuǎn)速120 r／min，連續(xù)轉(zhuǎn)矩1.7 N·m。兩輪機(jī)器人小車的實(shí)物如圖10 所示。

圖10 兩輪機(jī)器人實(shí)物

本課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制方式為閉環(huán)控制，為檢測(cè)控制效果，采用開環(huán)和閉環(huán)兩種方式進(jìn)行了測(cè)試比較，測(cè)試的結(jié)果如表1 所示。從表中可得出，本課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠良好運(yùn)行，閉環(huán)控制方式的靜差率和調(diào)節(jié)時(shí)間比開環(huán)控制都有大幅度降低，其控制效果明顯優(yōu)于開環(huán)控制方式。

表1 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能測(cè)試

4 結(jié)束語

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是單片機(jī)課程教學(xué)的一個(gè)重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，本課程設(shè)計(jì)涉及的知識(shí)點(diǎn)廣，主要包含了的單片機(jī)基本編程、定時(shí)器脈寬調(diào)制、單片機(jī)中斷編程、數(shù)字PID編程、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、OLED 顯示器驅(qū)動(dòng)、數(shù)字編碼器應(yīng)用、電機(jī)鑒向電路等知識(shí)點(diǎn)。尤其在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為了使截止橋臂快于導(dǎo)通橋臂而設(shè)置門極二極管D6 ～D9；為了克服半橋驅(qū)動(dòng)器IR2104 高橋臂長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通時(shí)輸出電壓低的問題而設(shè)計(jì)的邏輯電路，都是解決實(shí)際設(shè)計(jì)電路的措施，通過學(xué)習(xí)這些實(shí)際案例可以很大地拓展學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)和電路設(shè)計(jì)能力。因此，本文的設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)案例。