基于能力培養(yǎng)的單片機課程設(shè)計*

胡發(fā)煥，鄭大騰，郭猷敏

（井岡山大學機電工程學院，江西 吉安 343009）

0 引言

“單片機原理及應用”是電氣工程、測控技術(shù)與儀器、機械電子工程等電控類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，是從事機電、自動化設(shè)計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的理論知識，同時具有很強的實踐性和工程性，強調(diào)理論教學和實踐教學的高度結(jié)合［1-4］。但在傳統(tǒng)的單片機教學過程中，實踐環(huán)節(jié)卻沒有得到應有的重視，與培養(yǎng)大學生實踐和創(chuàng)新能力的要求差距較大［5-8］。單片機課程設(shè)計是整個課程教學的重要實踐環(huán)節(jié)，它將單片機原理、模擬電路、數(shù)字電路、自動控制原理等相關(guān)課程的知識緊密結(jié)合起來，為提高課程設(shè)計效果需要根據(jù)教師提出的要求，設(shè)計完成一個實際項目的設(shè)計過程。劉恒［9］采用現(xiàn)成的實驗箱形式完成實驗，主要訓練學生的軟件編程能力，難以培養(yǎng)學生的電路設(shè)計能力。依據(jù)老師布置的項目，學生自己設(shè)計硬件電路、選擇電子元器件、設(shè)計PCB 板、焊接元件、編寫程序、聯(lián)機調(diào)試等一系列過程，完成一個單片機應用的小系統(tǒng)。課程設(shè)計實驗環(huán)節(jié)是以學生為主體，以培養(yǎng)學生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力為目標［10］。

教師在單片機課程設(shè)計選題時，應該結(jié)合學生的自身需求，同時拓展學生的知識面，王一［11］采用的主控芯片在拓展學生知識面上有所欠缺。大學生在學習期間，常參加各類學科競賽，通過學科競賽可以檢驗和提高學生的理論基礎(chǔ)和實踐創(chuàng)新能力。在電類學科競賽中常會考查學生對閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計能力，控制系統(tǒng)的執(zhí)行器通常是電機類。因此，本文以基于單片機的直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計為單片機的課程設(shè)計題目，在主控芯片上選用性能更高的單片機，以達到更好地培養(yǎng)學生的專業(yè)綜合設(shè)計能力和促進學生參加學科競賽的目標。

1 課程設(shè)計目標

通過單片機課程設(shè)計，學生應掌握以下的知識點：（1）掌握單片機編程的基本知識；（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；（4）掌握直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計方法；（5）掌握一種電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向檢測傳感器的使用方法。通過單片機的課程設(shè)計，讓學生能夠舉一反三，達到培養(yǎng)學生的綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力的目標。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 整體設(shè)計方案

直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，要求電機能夠快速地啟動、停止和頻繁正反轉(zhuǎn)，且電機的實際轉(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 直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)

直流電機調(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)電機的磁場強度［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 脈沖高電平時間；t 為PWM 周期；ρ 為兩者之比為占空比，當ρ ＝0 時Ud＝0，ρ ＝1 時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 個開關(guān)管構(gòu)成H 橋控制電路，當VT1 和VT3 導通時，VT2 和VT4截止，電機正轉(zhuǎn)；當VT2 和VT4 導通時，VT1和VT3 截止，電機反轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。同時通過轉(zhuǎn)速檢測傳感器，獲得電機的轉(zhuǎn)速，以達到閉環(huán)控制的目標。為更好地實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制，本文的單片機采用某公司C8051F310 單片機［13］，該單片機較教材選用的80C51 單片機功能強，其特點：該系統(tǒng)資源豐富，帶內(nèi)部晶振，有21 個外部輸入的12 位ADC和2 個10 位DAC，29 個I／O 端口，15 個向量中斷源，可編程的16 位計數(shù)器定時器陣列，4 個通用16 位計數(shù)器／定時器，5 個捕捉比較模塊，可輸出16 位PWM 脈沖。選用該單片機除了其強大功能，還可以訓練學生學習更高級別單片機，擴充學生知識面。

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

（1）單片機端口分配。

在學科競賽中用到的輪式機器人大多是兩輪機器人，因此本文設(shè)計控制2 個直流電機，即輪式機器人的左右輪。單片機采用內(nèi)部晶振，每個電機分配1 個電機轉(zhuǎn)速控制端口（PWM輸出端口）、1 個電機轉(zhuǎn)向控制端口、1個獲取電機轉(zhuǎn)速反饋端口和1 個獲取電機轉(zhuǎn)向反饋端口，每個電機需用4 個端口，2 個電機共需8 個I／O端口。顯示屏需4 個I／O 端口。按鍵需5 個I／O 端口，端口分配如圖3 所示。具體分配是左右輪電機的PWM輸出端口分別是P1.0 和P1.1；左右輪電機的轉(zhuǎn)向控制端口分別為P1.4和P1.5；反饋左右輪電機速度端口分別為P1.2 和P1.3；反饋左右輪電機轉(zhuǎn)向端口分別為P1.6 和P1.7，通過P1 的8 個端口實現(xiàn)對2 個電機的閉環(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 單片機端口分配

（2）電機驅(qū)動電路及分析

單片機輸出的PWM 信號不能直接驅(qū)動電機，需經(jīng)過電機驅(qū)動電路才能控制電機的正常工作。本文采用圖2 的H橋方式實現(xiàn)電機的控制。H橋的4 個開關(guān)管選用場效應管，它具有損耗小、工作電流大的優(yōu)勢。采用2個半橋驅(qū)動器IR2104 芯片控4 個開關(guān)管［14］，其驅(qū)動電路如圖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)動端，HO 的邏輯電平與IN 同相；LO 的邏輯電平與IN 反相，任何時刻HO和LO只有一個輸出邏輯高電平。VB 是高橋臂浮動電源輸入端，VS高橋臂浮動電源回流端，2 個IR2104 控制一個電機。以左輪電機為例，2 個IR2104 控制4 個場效應管，PWM_L和DIR_L 分別為電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向控制輸入端。當DIR_L為邏輯高電平1 時，U8 的HO輸出邏輯高電平，LO 輸出邏輯低電平，V2 飽和導通，V3 截止。PWM_L是PWM信號，當PWM_L是高電平1 時，V1 飽和導通，V4 截止，電機無電流流過；當PWM_L 是低電平0 時，V1 截止，V4 飽和導通，這時V2 和V4 飽和導通，V1 和V3 截止，電機正向轉(zhuǎn)動，改變PWM_L 的占空比則改變電機的轉(zhuǎn)速。同理分析可以得到，當DIR_L為低電平0 時，電機反向轉(zhuǎn)動，改變PWM_L 的占空比則改變電機的轉(zhuǎn)速。在向?qū)W生分析電路時，應講解二極管D6 ～D9 的作用：因場效管的門極和源極之間有結(jié)電容，在場效應導通和截止時結(jié)電容存在充放電過程，在門極電阻并聯(lián)二極管，使得充放電時間常數(shù)不一樣。充電時，電流經(jīng)過門極電阻，放電時電流經(jīng)過二極管，放電時間小于充電時間，使場效應管截止時間小于導通時間，確保一個場效應管導通時，另一半橋臂的場效應管提前截止。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，可達高于VCC 電壓6 ～8 V，可以確保高橋臂V1、V2 飽和導通時門極的高電壓。在課程設(shè)計的分析過程中，應向?qū)W生講解自舉電路的工作原理和場效應門極二極管的作用，這也是分析整個電路的一個重點。

圖4 電機驅(qū)動電路

（3）邏輯電路及分析

在電機驅(qū)動電路中，存在一個缺陷，當控制電機轉(zhuǎn)向的DIR_ L輸出高電平1 時，V2 保持飽和導通，V1 保持截止。由于DIR_A 不是PWM 波形不能形成充放電，此時U8 的自舉電路工作狀態(tài)受到嚴重影響，測試發(fā)現(xiàn)此時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，本文在驅(qū)動電路前加入邏輯電路，以左電機邏輯電路為例，運算電路如圖5 （a）所示，實現(xiàn)電路如圖5 （b）所示。從單片機輸出的L_PWM、L_DIR分別為左電機速度信號和電機轉(zhuǎn)向信號，邏輯電路運算分別為：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 送給電機驅(qū)動電路。當轉(zhuǎn)向信號L_DIR 為高電平1 時，PWM_L ＝L_ PWM，DIR_L ＝0。此時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 保持飽和導通，因V2 截止，所以自舉電路的電壓對V2 沒有影響。當L_DIR 為低電平0 時，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 保持飽和導通，V1 保持截止，因V1 截止，所以自舉電路的電壓對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正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，保持飽和導通的不是高橋臂而是低橋臂，低橋臂飽和導通時門極電壓不需要比VCC的電壓高，因此克服了驅(qū)動電路的缺陷。本文的邏輯電路也是學生需要理解的一個重點。

（4）電機轉(zhuǎn)速反饋電路

電機的閉環(huán)控制需要通過傳感器獲得電機的實際轉(zhuǎn)速并反饋給單片機，確保電機的實際轉(zhuǎn)速和單片機的給定轉(zhuǎn)速一致。本文的轉(zhuǎn)速傳感器采用HEDS-5540增量式編碼器，它安裝在電機的尾部，與電機合為一體。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，兩相信號之間有90°的相位差。本文用其中任何一相作為電機的轉(zhuǎn)速反饋信號，送給單片機的計數(shù)器實現(xiàn)測速。

（5）電機轉(zhuǎn)向反饋電路

要對電機閉環(huán)控制，必須將電機的轉(zhuǎn)向反饋給單片機，確保電機的實際轉(zhuǎn)向和給定轉(zhuǎn)向一致。本文的轉(zhuǎn)向檢測電路采用兩路邊沿D觸發(fā)器74LS74 實現(xiàn)對兩個電機的轉(zhuǎn)向檢測，檢測電路如圖6 所示。為便于檢測，本文將復位端CLR1、CLR2 和置位端SET1、SET2 接高電平。將2 個編碼器送來的四路脈沖信號分別輸入CLK1、D1和CLK2、D2，其中CLK 為2 個D 觸發(fā)器的時鐘信號，上升沿有效；D 為數(shù)據(jù)輸入端，Q 為觸發(fā)器的輸出信號端，其輸值為時鐘信號上升沿對應的輸入端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，當電機正轉(zhuǎn)時，A相超前B相90°，觸發(fā)信號的上升沿對應的輸入信號是高電平，此時輸出端Q 為高電平1；當電機反轉(zhuǎn)時，A 相滯后B相90°，觸發(fā)信號的上升沿對應的輸入信號是低電平，此時輸出端Q 為低電平0。通過電機轉(zhuǎn)向反饋電路，單片機可獲得電機的轉(zhuǎn)向。

圖6 電機轉(zhuǎn)向反饋電路

圖7 電機轉(zhuǎn)向鑒相示圖

（6）按鍵及OLED顯示電路

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

3 軟件設(shè)計和性能測試

3.1 主程序設(shè)計

主程序流程如圖8 所示，在電機運行過程中，可以隨時改變電機速度。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

PID控制器廣泛應用于自動控制領(lǐng)域，是電類專業(yè)學生要求掌握的一個知識點，也是本課程設(shè)計的一個教學重點。本設(shè)計通過對電機的轉(zhuǎn)速控制和顯示，能夠讓學生對PID 控制器的設(shè)計及其效果有一個直觀的理解。在微機控制系統(tǒng)中，采用離散化設(shè)計方法，得到數(shù)字PID控制器，它分為位置式PID和增量式PID，本文的控制對象為電機，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。因為PWM 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)性能測試

本文測試的電機是Faulhaber 2342L012CR 直流伺服減速電機，是在學科競賽中常用的一款電機，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，機械時間常數(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。兩輪機器人小車的實物如圖10 所示。

圖10 兩輪機器人實物

本課程設(shè)計實驗平臺的控制方式為閉環(huán)控制，為檢測控制效果，采用開環(huán)和閉環(huán)兩種方式進行了測試比較，測試的結(jié)果如表1 所示。從表中可得出，本課程設(shè)計的實驗平臺能夠良好運行，閉環(huán)控制方式的靜差率和調(diào)節(jié)時間比開環(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 綜合實驗平臺性能測試

4 結(jié)束語

單片機課程設(shè)計是單片機課程教學的一個重要實踐教學環(huán)節(jié)，本課程設(shè)計涉及的知識點廣，主要包含了的單片機基本編程、定時器脈寬調(diào)制、單片機中斷編程、數(shù)字PID編程、直流電機驅(qū)動電路設(shè)計、OLED 顯示器驅(qū)動、數(shù)字編碼器應用、電機鑒向電路等知識點。尤其在電機驅(qū)動電路為了使截止橋臂快于導通橋臂而設(shè)置門極二極管D6 ～D9；為了克服半橋驅(qū)動器IR2104 高橋臂長時間導通時輸出電壓低的問題而設(shè)計的邏輯電路，都是解決實際設(shè)計電路的措施，通過學習這些實際案例可以很大地拓展學生的知識點和電路設(shè)計能力。因此，本文的設(shè)計是一個很好的單片機綜合設(shè)計案例。