单片机应用技术：案例实践高效

一、单片机控制直流电机

1.基本原理

主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。通过单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括LED数码显示部分。数码显示部分由4个8位数码管显示模块组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和LM298直流电机驱动模块组成。

2.总体设计框图

系统组成：直流电机PWM调速方案如图9.4所示：

图9.4　直流电机PWM调速方案

方案说明：直流电机PWM调速系统以STC89C52单片机为控制核心，由命令输入模块、数码管显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到数码管显示模块去显示。

3.硬件设计

系统采用STC89C52控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。

4.PWM

（1）PWM简介。

PWM（脉冲宽度调制）是按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

（2）PWM占空比。

如图9.5，设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比D＝t1/T，则电机的平均速度为Va＝Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度。由上面的公式可见，当我们改变占空D＝t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Va，从而达到调速的目的。

图9.5　电机平均速度与PWM占空比关系图

（3）PWM调速软件实现。

可采用定时器做为脉宽控制的调速方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。

（4）PWM控制电路。

常见PWM控制电路如图9.6所示。

图9.6　常见PWM控制电路

（5）PWM控制流程图。

PWM控制流程图如图9.7所示。

图9.7　PWM控制流程图

5.硬件连接

直流申机PWM控制硬件仿真图如图9.8所示。

6.软件设计

直流电机控制程序。

图9.8　直流申机PWM控制硬件仿真图

二、单片机控制超声波测距

1.超声波测距原理

超声波测距原理如图9.9所示。

（1）采用IO触发测距，给至少10ms的高电平信号；

（2）模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

图9.9　超声波测距原理图

2.超声波测距的程序流程图：

图9.10　超声波测距的程序流程图

3.程序如下：

三、单片机测温电路的设计

单片机系统除了可以对电信号进行测量外，还可以通过外接传感器对温度信号进行测量。传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，但热敏电阻可靠性差、测量的温度不够准确，且必须经专门的接口电路转成数字信号后才能被单片机处理。DS18B20是一种集成数字温度传感器，采用单总线与单片机连接即可实现温度的测量。本节内容在先介绍DS18B20的工作原理、时序和指令后，然后设计完成一个数字温度计。温度计功能要求采用数码管显示温度，小数点后2位有效数字，实际温度高于某个值时用蜂鸣器报警。

1.DS18B20工作原理

DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供单片机处理，可实现温度的精度测量与控制。DS18B20性能特点见表9.1所示。

表9.1　DS18B20性能指标

（1）封装外形。

根据应用领域不同，DS18B20有常见的引脚TO-92小体积封装和SOP8封装，见图9.11所示，表9.2给出了TO-92封装的引脚功能，其中DQ引脚是该传感器的数据输入/输出端（I/O），该引脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。DQ引脚是该器件与单片机连接进行数据传输单一总线，单总线技术是DS18B20的一个特点。

图9.11　DS18B20的外形及引脚排列

表9-2　DS18B20引脚功能描述

（2）工作原理。

DS18B20的内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速贮存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。

高速寄存器RAM由9个字节的存储器组成。见表9.3所示。其中，第0、1字节是温度转换有效位，第0字节的低3位存放了温度的高位，高5位存放温度的正负值；第1字节的高4位存放温度的低位，后4位存放温度的小数部分；第2和第3个字节是DS18B20的与内部E2PROM的有关的TH和TL，用来存储温度上限和下限，可以通过程序设计把温度的上下限从单片机中读到TH和TL中，并通过程序再复制到DS18B20内部E2PROM中，同时TH和TL在器件加电后复制E2PROM的内容；第4个字节是配置寄存器，第4个字节的数字也可以更新；第5，6，7三个字节是保留的。

表9-3　高速寄存器RAM

续表

（3）硬件连接。

DS18B20是单片机外设，单片机为主器件，DS18B20为从器件。图9.12的接法是单

片机与一个DS18B20通信，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20，为了增加单片机I/O口驱动的可靠性，总线上接有上拉电阻。对如果要控制多个DS18B20进行温度采集，只要将所有DS18B20的DQ全部连接到总线上就可以了，在操作时，通过读取每个DS18B20内部芯片的序列号来识别。

图9.12　单片机与一个DS18B20通信(www.xing528.com)

①DS18B20工作时序

单总线协议规定一条数据线传输串行数据，时序有严格的控制，对于DS18B20的程序设计，必须遵守单总线协议。DS18B20操作主要分初始化、写数据、读数据。下面分别介绍操作步骤。

初始化

图9.13　DS18B20初始化时序

初始化是单片机对DS18B20的基本操作，时序见图9.13，主要目的是单片机感知DS18B20存在并为下一步操作做准备，同时启动DS18B20，程序设计根据时序进行。DS18B20初始化操作步骤为：

·先将数据线置高电平1，然后延时（可有可无）。

·数据线拉到低电平0。然后延时750μs（该时间范围可以在480～960μs），调用延时函数决定。

·数据线拉到高电平1。如果单片机P1.0接DS18B20的DQ引脚，则P1.0此时设置高电平，称为单片机对总线电平管理权释放。此时，P1.0的电平高低由DS18B20的DQ输出决定；

·延时等待。如果初始化成功则在15～60ms总线上产生一个由DS18B20返回的低电平0，据该状态可以确定它的存在。但是应注意，不能无限地等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时判断。

·若单片机读到数据线上的低电平0后，说明DS18B20存在并相应，还要进行延时，其延时的时间从发出高电平算起（第5步的时间算起）最少要480μs。

·将数据线再次拉到高电平1，结束初始化步骤。

从单片机对DS18B20的初始化过程来看，单片机与DS18B20之间的关系如同有人与人之间对话，单片机要对DS18B20操作，必须先证实DS18B20的存在，当DS18B2响应后，单片机才能进行下面的操作。

②对DS18B20写数据。

图9.14　18B20的写时序

·数据线先置低电平0，数据发送的起始信号，时序见图9.14

·延时确定的时间为15μs；

·按低位到高位顺序发送数据（一次只发送一位）。

·延时时间为45μs，等待DS18B20接收；

·将数据线拉到高电平1，单片机释放总线；

·重复①～⑤步骤，直到发送完整个字节；

·最后将数据线拉高，单片机释放总线。

③DS18B20读数据。

图9.15　18B20的读时序

·将数据线拉高，时序图见图9.15所示；

·延时2μs，

·将数据线拉低到0，

·延时6μs，延时时比写数据时间短；

·将数据线拉高到1，释放总线

·延时4μs

·读数据线的状态得到一个状态位，并进行数据处理。

·延时30μs。

·重复前七个步骤，直到读取完一个字节。

只有在熟悉了DS18B20操作时序后，才能对器件进行编程，由于DS18B20有器件编号、温度数据有低位高位、另外还有温度的上线限，读取的数据较多，所以DS18B20提供了自己的指令。

2.DS18B20指令

（1）ROM操作指令

DS18B20指令主要有ROM操作指令、温度操作指令两类。ROM操作指令主要针对DS18B20的内部ROM。每一个DS18B20都有自己独立的编号，存放在DS18B20内部64位ROM中，ROM内容见表9.4所示。64位ROM中的序列号是出厂前已经固化好，它可以看做该DS18B20的地址序列码。其各位排列顺序是，开始8位为产品类型标号，接下来48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的CRC循环冗余校验码（CRC＝X8+X5+X4+1）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一条总线上挂接多个DS18B20的目的。ROM操作指令见表9.5。

表9.4　64位ROM定义

表9.5　ROM操作指令

在实际应用中，单片机需要总线上的多个DS18B20中的某一个进行操作时，事前应将每个DS18B20分别与总线连接，先读出读出其序列号；然后再将所有的DS18B20连接到总线上，当单片机发出匹配ROM命令（55H），紧接着主机提供的64位序列，找到对应的DS18B20后，之后的操作才是针对该器件得。

如果总线上只存在一个DS18B20，就不需要读取ROM编码以及匹配ROM编码了，只要跳过ROM（CCH）命令，就可进行如下温度转换和读取操作。

（2）温度操作指令

温度操作指令见表9.6所示，DS18B20在出厂时温度数值默认为12位，其中最高位为符号位，即温度值共11位，单片机在读取数据时，依次从高速寄存器第0、1地址读2字节共16位，读完后将低11位的二进制数转转换为实际温度值。0地址对应的1个字节的前5个数字为符号位，这5位同时变化，前5位为1时，读取的温度为负值；前5位为0时，读取的温度为正值，且温度为正值时，只要将测得的数值乘以0.0625即可得到实际温度值。

表9.6　温度操作指令

3.硬件连接

STC89C51单片机和DS18B20的硬件连接图如图9.16所示，单片机的P10和DS18B20的数据口相连接。单片机通过P10口对DS18B20进行初始化，DS18B20将转换后的数字温度值通过P10口传给单片机。

图9.16　DS18B20硬件连接图

4.程序设计

编程思路：首先单片机通过I/O口调用初始化函数Init_DS18B20（）对DS18B20按照初始化时序进行初始化，启动温度的转换，再将转换后的数字传给单片机，单片机通过计算将数字温度转换成实际的温度值，通过数码管显示出来，数码管显示采取在定时器0中动态显示，P0端驱动共阳七段数码管，P20～P25端通过非门接共阳数码管的公共端，应用程序清单如下：

三、仿真

程序运行效果图如下图9.17所示

图9.17　用DS18B20显示当前温度的效果图

1.单片机开发系统的功能有哪些？

2.常用的单片机开发系统有哪些类型？各有什么特点？

3.单片机应用系统的设计原则是什么？软、硬件设计的步骤是什么？

4.通常采用硬件抗干扰的措施有哪些？软件抗干扰的措施有哪些？

5.试设计一个单片机温度控制系统，要求：

①温度分三档：第一档为室温，第二档为40℃，第三档为50℃。温度控制误差≤±2℃。

②升温由3台1000W电炉实现。已知3台电炉同时工作，可保证在3分钟内将温室温度提高到60℃以上。

③要求实时显示温室温度，显示位数3位。

④当不能保证所有要求的温度范围时，应发出报警信号。

⑤对升温和降温过程的时间不作要求。