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SPCE061A单片机概述
SPCE061A是继u\''''nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。目前有两种封装形式:84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。主要性能如下:
16位m’nSP微处理器;
工作电压:VDD为2.4~3.6V(cpu),VDDH为2.4~5.5V(I/O);
CPU时钟:32768Hz~49.152MHz;
内置2K字SRAM、内置32KFLASH;
可编程音频处理;
32位通用可编程输入/输出端口;
32768Hz实时时钟,锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;
2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);
2个10位DAC(数-模转换)输出通道;
7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器;
声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能;
系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2mA@3.6V;
具备触键唤醒的功能;
14个中断源:定时器A/B,2个外部时钟源输入,时基,键唤醒等;
使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒),能容纳210秒的语音数据;
具备异步、同步串行设备接口;
具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能;
内置在线仿真电路接口ICE(In-CircuitEmulator);
具有保密能力;
具有WatchDog功能(由具体型号决定)
一、方案设计与论证
方案一:
本方案直接采用凌阳SPCE061A作为波形发生器。波形的具体产生是通过两路DAC来产生,凌阳SPCE061A在这方面的设计为我们提供了极大的方便,用它实现的好处在于,电路极其简单,另外在DAC的编程方面又提供及其便利的编程环境。电路的设计包括三大部分,第一是键盘控制电路的设计,这里采用4*4键盘,由IOA的低八位进行控制,把键盘上的行和列分别接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7上,采用外部中断二来中断所显示波形,以便进入下一波形的编辑和输出,在波形输出的同时利用外部中断一来实现同步的频率调节。第二是显示电路的设计,这里为了在波形输出依然有显示,由于单片机的局限性这里采用通常的动态LED显示行不通,因为波形输出时要求CPU不停地为其服务而没有空闲来为LED进行不停更新,解决方案是采用带数据缓存器和驱动的LCD来提供显示,这样只占用八个I/O口即可完成设计要求,也可放弃适时显示功能采用LED显示,这里将提供两种显示方案。第三是滤波和电压转换电路的设计,滤波采用低通滤波器,滤除DAC转换过程中形成的高频小锯齿波。另外由于凌阳SPCE061A单片机DAC输出为电流输出,为满足达到5V的电压输出,外接OP07运算放大器进行放大,加1千欧姆电阻进行电流信号到电压信号的转换。本设计的特点是全面采用数字电路方案,因而工作稳定可靠。利用单片机控制管理,使频率设置和占空比调整等操作可用键盘输入,十分方便。
方案二:
本设计方案采用功能很强的大规模数字频率合成器MC145151和多波形宽频率范围信号发生器MAX038等新器件产生波形和频率,控制与管理电路部分使用SPCE061A单片机以及键盘显示电路。MAX038是一个精密高频波形产生器。它能产生频率高达20MHz的正弦波、三角波、方波等脉冲信号,其压控振荡器的频率分粗调和细调两层控制。在本电路中,用于粗调的控制电压(电流)由一个12位的DAC产生,使输出频率近似等于N倍基准频率。而细调电压则由数字锁相电路MC145151和环路滤波器MAX427产生,由锁相反馈环将频率fo=Nfr锁定。这种方案的优点是频率合成器工作更可靠,锁定更迅速。另外MAX038还包括占空比调整电路、波形同步电路、相位检测电路、波形切换开关和电压基准源等电路,所需外部元件少,使用很方便。控制和管理电路由SPCE061A单片机及电路组成。其主要用于对键盘输入的波形和频率选择等数据进行译码,计算出相应的控制参数,控制频率合成器输出正确的信号,并将其频率和波形参数用LED显示出来。对于小型通用信号产生器而言,这是一个比较理想的设计方案。
方案比较:
第一种方案设计电路简单,能够满足电子大赛设计的要求,这里考虑到短时间内设计既要成型,采用第一种方案。第二种方案的设计比较完善,由于用到专门的波形发生芯片,产生的波形比较完美,但电路复杂,适合于作波形发生器的产品设计方案。
二、系统硬件电路设计
2.1电路方框图及说明
图1整体框图
2.2各部分电路设计
2.2.1滤波、放大及其电流到电压的转换电路
电路本系统采用二阶压控电压源低通滤波器,如图2所示。它由两节RC滤波器和同向放大电路组成。其中同相放大实际上就是所谓的压控电压源,它的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益,即:A0=Avf=1+Rf/R1
图2滤波电路
传递函数由图电路可知,运放同相端输入电压为:
(1)而Vp(s)与Va(s)的关系为:Vp(s)=Va(s)/(1+sRC)(2)对于节点A,由节点电流法可得Vi(s)/R-Va(s)/R-[Va(s)-V0(s)]sC-Va(s)/R-Vp(s)/R=0(3)将式(1)、(2)和(3)连立求解,可得电路的传递函数为A(s)=V0(s)/Vi(s)=Avf/[1+(3-Avf)sRC+sRC*sRC](4)式(4)为二阶低通滤波器传递函数的表达式。其中1/RC为特征频率,而1/(3-Avf)为等效品质因数。截止频率为1/RC。通过设置R、C可调节带通到我们需要的范围。另外调节Rf可调节幅度到我们需要的范围。
2.2.2键盘控制电路电路
在单片机中所需按键较少,多采用独立式键盘。此种键盘结构简单,每只按键接单片机的一条I/O线,通过查询即可示别出每只按键的状态来。但由于本系统按键较多,在这里采用矩阵式排列键盘,如图3所示,这样可以合理应用硬件资源,把16只按键排列成4*4矩阵形式,用一个8位I/O口控制,如图所示。把键盘上的行和列分别接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7
图3
按键控制电路上。先置IOA0~IOA3为带数据缓存器的高电平输出,置IOA4~IOA7为带下拉电阻的输管脚,此时若有键按下,取IOA4~IOA7的数据将得到一个值,把此值保存下来,再置IOA4~IOA7为带数据反相器的高电平输出,置IOA0~IOA3为带下拉电阻的输入管脚,此时若键仍没弹起,取IOA0~IOA3的数据将得到另一个值,把这两个值组合就可得知是哪个键按下了,再通过查表得到键值。
2.2.3显示电路电路
为了给广大单片机爱好者提供方便,在显示电路的设计方面提供两种方案,第一种是采用四个LCD进行适时显示,这是比较理想的方案,但由于LCD成本较高,这里还提供另一种方案,用六个LED进行显示,这种方案的缺点是不能适时显示,但也能满足一般设计要求。第一种方案采用四个LCD进行动态显示,轮流显示波形和频率,直接用SPCE061A驱动液晶显示器,要占用较多的I/O口,这里采用ICM7211M来驱动,这样不仅节省I/O口而且减化了编程。用数字代表各种波形,显示波形的粗调频率。用IOA9—IOA10口作为位选控制,IOA8口作为ICM7211M的片选信号,IOA11—IOA14作为数据线。数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I/O口即可,
图4LCD显示电路
第二种方案采用六个共阴极数码管LED进行动态显示波形和频率,直接用SPCE061A直接驱动LED,两位提供波形显示,四位提供频率显示。用IOB8—IOB13口作为位选控制,IOA8—IOA14口传输要显示的数据,数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I/O口即可,因为I/O口输出电流很小不会对LED造成损坏,它的电压值却足以驱动LED,这不像别的单片机还要外接驱动电路和电阻,采用凌阳SPCE061A单片机大大减化了设计过程和硬件电路。硬件电路如图5所示。
图5LED显示电路
2.2.4语音播报电路的设计电路
凌阳的SPCE061A是16位单片机,具有DSP功能,有很强的信息处理能力,最高时钟可达到49M,具备运算速度高的优势等等,这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。另外SPCE061A单片机具有32k闪存,事先把所需要的语音信号录制好,整个语音信号经凌阳SACM_S480压缩算法压缩只占有13.2K存储空间,对凌阳SPCE061A单片机的存储系统来说绰绰有余。凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出,DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出,DAC输出为电流型输出,经LM396音频放大,即可驱动喇叭放音,放大电路如图6(只列出了DAC1,DAC2类似)。在DAC1、DAC2后面接一个简单的音频放大电路和喇叭就能实现语音播报功能,这为单片机的音频设计提供了极大方便,音频的具体功能主要通过程序来实现。
图6音频放大电路
三、软件设计
3.1主程序流程图
由于使用凌阳SPCE061A使电路变得异常简单,整个波形发生器的主体任务落到了程序编写上。整个系统的软件设计方案如图7,采用外部中断二来中断所显示波形,以便进入下一波形的编辑和输出,在波形输出的同时利用外部中断一来实现同步的频率调节。波形的具体产生是通过两路DAC来产生,之所以采用这种方式,是因为凌阳SPCE061A在这方面的设计为我们提供了极大的方便,在DAC的编程方面又提供了及其便利的编程环境。用函数来产生波形是大多数设计者喜之不舍得设计方案,但在具体设计方面,因为函数在单片机的运算过程中占据了太多的时钟周期,这就给我们追求高频波形一个瓶颈,要怎样解决这个问题呢?这里我采用查表来实现,根据理论凌阳SPCE061A单片机可达到一百兆的要求,这就能充分满足题目设计要求了,然而,由于函数产生波形极其方便,凌阳SPCE061A单片机有提供了大量函数库,在设计过程中我在低频部分依然采用函数设计。另外,波形频率随CPU的频率而变法,凌阳SPCE061A单片机的32768的实时时钟经过PLL倍频电路产生系统时钟频率(Fosc),Fosc再经过分频得到CPU时钟频率(CPUCLK)可通过对P_SystemClock(写)($7013H)单元编程来控制,这就为我们设计提供了丰富的CPU时钟选择。默认的Fosc、CPUCLK分别为24.576MHz和Fosc/8。我们可以通过对P_SystemClock单元编程完成对系统时钟和CPU时钟频率的定义,改变设置将可提供多种频率选择。在本设计中,波形编辑的第一部就是进行CPU频率选择,选择最高频和最低频作为粗调,在用键盘和中断进行微调,以便达到所需的频率及其幅值。下面将对各部分编程作详细说明。
图7整体流程图
3.2分块程序流程
按键控制部份
在键扫描的过程中,先置IOA0~IOA3为带数据缓存器的高电平输出,置IOA4~IOA7为带下拉电阻的输入管脚,此时若有键按下,取IOA4~IOA7的数据将得到一个值,把此值保存下来,再置IOA4~IOA7为带数据反相器的高电平输出,置IOA0~IOA3为带下拉电阻的输入管脚,此时若键仍没弹起,取IOA0~IOA3的数据将得到另一个值,把这两个值组合就可得知是哪个键按下了,再通过查表得到键值,跳转至相应程序段,执行输出相应波形或者编辑波形,从而达到控制波形的目的。整体按键过程如图8所示。
图8按键控制流程图
正弦波形的形成
在设计之初,我一直都在尝试使用函数来计算输出波形,使用这种方法,在示波器上得到了很好的波形,但是在CPU时钟频率没调至最高的情况下,所得到的频率只是多少毫赫兹到几十赫兹之间,基本上没有实用价值。要达到更高的频率,就得另辟蹊径了。分析一下为什么频率上不去,主要原因在于,使用单片机进行正弦函数的运算时占去了不少时间,如果去掉这一计算过程波形的频率应该大有提高,另外就是CPU时钟频率没有调至最高,以及DAC转换过
图9正弦波形查表形成流程图
程需要时间。为了达到更高的频率,首先就要免去单片机的计算负担,我使用的解决方法是人为计算出要输出的点,然后建一个表通过查表来进行输出,这样主要工作任务就落到了建表的过程中。这样做的好处在于,查表所耗费的时钟周期相同,这样输出的点与点之间的距离就相等了,输出的波形行将更趋于完美,当然更让我们感到的高兴的是它输出波形的频率将近达到了100K赫兹,能够满足我们设计的扩展要求了。为了实现频率的调整,我在一个正弦波周期里建了两百个点,如果我们隔一个取点的话,且在CPU时钟频率不改变的情形下,正弦波频率将相对于前面的频率提高将近一倍。这样我们就得到了解决频率调整的方法,首先进行CPU时钟频率选择,再调整一个正弦函数一个周期输出的点数,幅度的调节是通过初始幅度设置再通过外部放大电路来调节,设计程序流程图如图所示。另外,由于函数产生波形及其方便,凌阳SPCE061A单片机又提供了大量函数库,在设计过程中我在低频部分依然采用函数设计,因为这更有利于数字幅度和频率的调节。设计程序流程图如图9和10所示。
图10正弦函数计算形成波形流程图
三角波、锯齿波的形成
三角波、锯齿波形成的原理同正弦波形成的原理大致相同,在这里将不做作详细介绍,其流程图如图11所示。
图11三角波查表形成流程图
方波的形成和实现
方波是我们最常用的一种波形,并且常常作为一种标准信号应用在各个领域,凌阳SPCE061A提供了一种很好的方波发生机制,就是APWM调制,通过写入P_TimerA_Ctrl($700BH)单元的第6~9位,可选择设置APWM输出波形的脉宽占空比;同理,写入P_TimerB_Ctrl($700DH)单元的第6~9位,便可选择设置BPWM输出波形的脉宽占空比。我们可以将IOB8设置成同相输出端口,通过设置P_TimerA_Ctrl(写)($700BH)的第0~5位来选择TimerA的时钟源(时钟源A、B)。设置该单元的第6~9位(如图12所示),TimerA将输出不同频率的脉宽调制信号,即对脉宽占空比输出APWM进行控制。这里为了得到最标准的波形采用这种方式来实现标准方波。如图12所示就是我们进行APWM调制的原理图。
图12APWMO信号时序图
在某些应用领域由于各种干扰和响应的存在,实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号,为了满足各种需要我们还设计了有频率突变的方波,如图11所示。具体设计方案是采用不停的输出和停止输出某一幅度的值,在一个序列周期我们总共提供八位可变数值,因为在数据传输过程中一般是八位为一帧进行传输。通过键盘的编辑可以达到我们的需求。
图13有频率突变的方波
显示和播报
时间和路程的显示采用动态显示,显示子程序流程图如图14,语音播报采用凌阳SACM_S480语音播报,流程图如图15。
图14显示子程序流程图
图15语音播报流程图
其它
在按键控制的第6到第12个按键,都是用来改变和编辑波形参数的,这就为整个系统能输出各种波形提供了可能性,以及增加了它的实用性。另外还用外部中断一来进行同步调试,我们可在中断里写入各种参数,就可达到我们所要求的波形及其实现参数变化的目的。
四、系统测试及整机指标
五、总结
(1)能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波几种周期性波形,并且可通过调节变形成其它相关波形。
(2)用键盘输入编辑可生成正弦波由基波及其谐波线性组合的波形,以及各次谐波单独的波形。
(3)输出波形的频率范围为100mHz~100kHz;可以通过键盘输入粗调频率,通过外部中断一可同步调节频率,具有在低频部分调节步进小,在高频部分大的特点。
(4)输出波形幅度范围为0~5V(峰-峰值),可通过可变电阻任意调整调整。
(5)具有显示输出波形的类型、及其粗调频率和幅度的功能。
关键词 16路;声光报警;AT89C51
中图分类号:TP368 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2014)17-0019-02
现代生活中,随着单片机设计的应用不断深入,无论大型还是小型的各种比赛,都少不了抢答器,传统的四路或八路抢答器在很多场合往往会因为路数不够而带来不便,为此我们设计了能适应更高要求的16路抢答器。
1 硬件设计
硬件总体设计:本设计采用的是AT89C51单片机控制,AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。在单片机引脚分配方面,因为引脚充足,故没有使用75HC573锁存器来作为辅助,以此简化设计。单片机的P0.0到P0.7口接数码管段选端,P2.0到P2.3接数码管的位选端;P1.0到P1.3分别是加、减,开始,清零按钮,P1.4到P1.6分别接蜂鸣器和LED灯;P3口接矩阵按键。设计的功能模块是时钟和复位电路,抢答电路,显示及声光报警电路。硬件总体设计仿真电路图如图1所示。
图1 硬件总体设计
1.1 时钟和复位电路硬件设计
通过外接时钟电路,为单片机提供时序脉冲,设计采用11.0592石英晶体振荡器,其两端分别接引脚XTAL1和XTAL2端,外接晶振时还需要加两个30PF左右的电容对时钟频率微调。AT80C501复位方式分为两种:一是上电复位与手动复位,二是上电复位,开始时+5的电源迅速给22PF电容充电,当按下复位键以后电容迅速放电并持续一段时间,使RST引脚端出现两个机器周期以上的复位脉冲。
1.2 抢答电路设计
考虑到独立式按键电路占用I/O口过多因此本设计采用矩阵行列式键盘电路。键盘检测时。P3口高四位作为行线,P3口低四位作为列线。行与列线之间是隔开的,所有行线输入全部为高电平,当键盘上某个按键被按下而闭合时。对应行与列线接通。则通过读取行线输入值的状态是否全为“1”判断有无键按下。
1.3 显示及声光报警电路设计采用四位数码管显示
高两位为倒计时显示,低两位显示选手编号。由于P0口不带上拉电阻,所以在设计中需要另外接上拉电阻以提供一定的拉电流。用单片机设计的报警电路,相对来说比较简单。硬件电路只要使用P3口的任意一个口来外接蜂鸣器就可以实现。
2 软件设计
2.1 软件总体设计流程
系统上电后初始化,数码管显示抢答倒计时时间同时扫描键盘,当开始键按下后绿灯亮起倒计时开始同时开始扫描选手矩阵按键,哪位选手按下后数码管低两位进行显示同时封锁抢答电路,若倒数五秒还未有选手抢答,则红灯亮起同时蜂鸣器报警提醒,未按开始键,而按下加值键或减值键时,倒计时值依次加一秒或减一秒。程序流程图如图2所示。
图2 程序流程图
2.2 部分源程序
/*************************矩阵检测**********************************/
void KEYS_SCAN() //按键检测部分
{while(1)
{P3=0xff; //先将P3口全部拉为高电平
P3_4=0; //P3=0xef
TEMP=P3;
TEMP=TEMP & 0x0f; //“与”运算判断低四位是否为0
if (TEMP!=0x0f) //若有键被按下
{
delay(5); //延时去抖操作
TEMP=P3; //重新读一次P3口操作
TEMP=TEMP & 0x0f;//重新进行一次“与”运算
if (TEMP!=0x0f) //确定第一行确实有键被按下
{ TEMP=P3;TEMP=TEMP & 0x0f;
switch(TEMP) //读出具体键值
{case 0x0e:{delay(5);num1=4;l2=0;xianshi();} break;
case 0x0d:{delay(5);num1=3;l2=0;xianshi();}break;
case 0x0b:{delay(5);num1=2;l2=0;xianshi();}break;
case 0x07:{delay(5);num1=1;l2=0;xianshi();} break;
}
}
} ....
}
3 结论
本次设计的16路抢答器在实物测试中达到了仿真和预期的效果,不足的地方主要是整个过程的完整性须进一步完善,进一步补充不同比赛场合根据比赛规则不同加上相应的子程序,程序需要进一步优化。
参考文献
[1]郭天祥编.新概念51单片机c语言教程[M].电子工业出版,2013: 450-456.
[2]徐爱钧,徐阳.单片机原理与应用―基于Proteus虚拟仿真技术[M].机械工业出版社,2013.
[3]杨晓辉,张彤,姜俊海.智能抢答器的设计与制作[J].长春大学学报,2000(06):24-25.
[4]封伯燕.8路抢答器的制作原理及制作过程[J].重庆三峡学院学报,2012(03):69-71.
[5]韦穗林.四路抢答器的设计和制作[J].电子制作,2010(01):26-28.
[6]康丽杰,康迪.基于单片机的8路抢答器简单设计[J].信息系统工程,2010(02):60-61.
作者简介
EPS是一种依靠电动机产生助力的系统,本文介绍了美国一家公司研发的以高性能微处理器PIC18F4431单片机为核心等的电动助力转向电子控制单元,为提高驱动的速度和精确度,采用智能直流电机控制芯片从而驱动电路中的MOSFET管,而且通过单片机串口与PC机完成通信,经由LABVIEW编程进行显示。
【关键词】EPS 单片机设计 LABVIEW
1 前言
EPS即电动助力转向系统,是由传感器、电控单元和助力电机构成的,在电动机提供助力的条件下,电子控制单元能够控制助力大小的转向助力方式。该系统由于具有结构简单、质量轻、容易维护等优点而成为汽车改变方向系统研究和发展的主要方向。
因为PIC18F4431具有工作的可靠度高、功能多样、方便操作、功耗较小等优点而受到人们的关注,以它为核心的电动助力转向控制单元的设计至关重要。
2 EPS系统发展现状
20世纪末期,在日本和美国在某些型号车上首次成功采用EPS系统之后,欧洲市场的经济型汽车也将EPS作为标配,经过三十多年的发展,该系统的技术已经逐步趋于完善,它的应用范围也在向多种车型全面发展。
我国在21世纪出开始进行EPS系统的研发,不过因为国产汽车车型技术的实际情况和使用条件的限制,并不能与国外的EPS完全协调匹配。另一方面,EPS研发所获取的相关核心技术资料相对缺乏,目前仍处于技术攻关阶段。
3 EPS系统工作原理
EPS的硬件主要有传感器、助力电机和电控单元组成,软件部分包括控制策略和故障诊断与保护程序两个内容。该系统的结构如图1所示:
EPS系统工作原理:转矩传感器与转轴相连接,当驾驶员对方向盘施加扭转力矩的作用转动方向盘时,通过传感器将位移信号转变为电信号,同时将其传递给ECU,此时,车速传感器所测得的当前车速信号也传输至ECU。通过ECU内置控制作用对以上两个信号的处理便可以确定理想的助力电流给电机,减速机构将力矩放大和司机的操作力矩共同作用克服阻力,使车辆转向。
4 PIC18F4431单片机的设计
PIC18F4431单片机具有高性能PWM和A/D功能,是一种8位单片机,具有以下优势:拥有以互补形式输出的PWM模块、灌电流和拉电流的峰值较高、采样速度较快、功耗模式良好、振荡器结构灵活等。以上的优势方便了后续的结构设计和软件设计。
4.1 电控单元的结构
PIC18F4431型单片机是ECU的核心控制部分,控制单元的组成如下图所示,车载12V的蓄电池所供电量通过内部电源的转换后保证其正常工作。当经过处理的传感器信号到达单片机的对应端口时,单片机可以依据EPS的助力特性和正确算法分析所接收的数据,获得理想助力电流的数值和方向,并产生PWM信号同时经过PIC18F4431输出控制指令,信号在驱动电路和H桥的作用下控制直流电机的运转。微处理器把电动机驱动电路上的传感器正常工作时检测到的实时工作电流依据内部的控制算法进行计算从而实现对电机的闭环控制。当EPS系统工作出现故障时,报警模式开启在做出提示的同时断开继电器用人工助力代替电动助力模式。
4.2 直流电动机驱动控制电路
要满足EPS系统高速、可靠性的要求,直流电机驱动控制电路需要有足够的精度和速度实现对直流电动机转速和输出转矩的控制。因此可以采用PWM控制模式控制H桥电路,直流电动机的驱动控制电路如图3所示,它适合对可靠性要求较高的大功率、重载的场合。
5 LABVIEW显示
采用LABVIEW的虚拟测试系统中的VISA库来检测系统的工作情况, 完成对电动助力转向系统的串口数据通信的同时,全面显示数据并完成监测。
6 结束语
分析研究EPS系统的工作原理和助力控制后,对EPS控制系统的硬件电路进行了设计并进行实验分析,探索出低压、低速、大电流直流电机的控制方法在汽车电动助力转向系统中能够满足汽车助力效果的要求。
参考文献
[1]季学武,陈奎元.动力转向系统的发展与节能[J].世界汽车,1999.
[2]何道清.传感器与传感器技术[M].北京:科学出版社,2004.
[3]李谋.位置检测与数显技术[M].北京:机械工业出版社,1993.
作者单位
迈克耳孙干涉仪测激光波长实验是大学物理实验中一个重要实验项目,实验中的关键是要准确读出光的干涉条纹的数量,要求连续数几百个“冒出”或“缩进”的干涉条纹,在做实验时因长时间用眼紧紧盯住细小的干涉条纹而感到相当吃力,有时因眼睛疲劳而发生计数错误,导致较大的实验误差,甚至要重做,既费时又费力。因此不少单位不断探索条纹计数器的设计[1-7]。基于芯片设计的计数器精度、效率较高,操作也简便,成本也较低,但是制作后灵活性低,且硬件调试麻烦,不易更改,出现问题后难以解决[8-9]。基于虚拟仪器与计算机采集处理相结合的计数器,虽然处理数据比较灵活,但精度一般,且都要求有计算机等高级配置,花费比较大,有点得不偿失[10-12]。针对上述的干涉条纹计数器设计的不足,本设计着重探讨用单片机来设计迈克耳孙干涉条纹自动计数电路,实现了快捷、方便的高精度的条纹计数。
1设计方案
迈克耳孙计数器设计方法有多种,但基本思路都是通过信号转换,将光信号转换成电信号(脉冲信号),再对脉冲进行计数,并显示计数结果。系统框图如图1所示,主要分为光电转换模块、信号整形模块、计数模块、显示模块。光电转换模块主要是利用光电二极管在光照下阻值迅速变小的特性[13],串联1个电位器分压。电压信号的变化反映出明暗条纹的变化情况;信号整形模块主要是将不规则的电压信号整形为高低电平,可达到易于识别和抗干扰的作用;计数模块主要实现条纹计数,包括清零、控制电路;显示模块利用数码管显示出条纹数。
1.1光电转换模块要将光信号转变为电信号就得借助光电二极管或者光敏电阻。光电二极管正向接、无光时电阻可达10kΩ左右,而在有光的条件下,电阻可迅速降到100Ω左右。而且反应速度可达到纳秒级别,选取一个好的光电转换元件是设计的保证。光敏电阻又称光导管,具有在特定波长的光照射下,其阻值具有迅速减小的特性。入射光变强,光敏电阻阻值减小,入射光变弱,光敏电阻阻值增大。在无光条件下光敏电阻阻值在10kΩ~60kΩ之间不等(型号不同,阻值也不同),有光时阻值可降到1kΩ左右,反应速度在毫秒级别。光电二极管与光敏电阻相比,阻值变化更明显,频率变化更快,可以更方便地实现光信号对电信号转换。本设计利用光电二极管在强光下电阻迅速变小的特性,来实现光电信号转换,电路实现方案如下:在外电路上接上负载电阻(图2中的R01),并与光电二极管相连,负载上的电压信号随着二极管的阻值变化而变化,设计中选用合适的电位器作负载,既可以起分压作用,又可以起调节作用。在电位器和光电二极管之间引出一条信号线,从信号线上采取电压值,作为光信号转换的标志,即可达到光电转换的目的。
1.2信号调制模块由光电转换模块输出的信号由于光电二极管的阻值不是突变的,所以得到的波形也不是高低电平,单片机难以识别。因此,该信号必须经过整形,而整形的好坏关系到计数的准确与否。整形电路主要是由施密特图2光电转换模块与信号调制模块触发器构成,施密特触发器由555定时器的2脚和6
1.3控制电路模块控制电路模块主要实现对各功能模块信号的控制,用一个单刀双掷开关来对暗条纹或明条纹计数的选择,实现对暗条纹进行计数。本设计中选用单片机(图3中的SICS9C52)为控制芯片,当选择明条纹计数时,将单刀双掷开关拨到低电平位置;选择暗条纹计数时,将开光拨到高电平位置。若以迈克耳孙干涉仪毛玻璃上的中心条纹为基准进行计数,则调零后对计数器进行复位清零,若计数器显示为零,则可以直接开始计数;若显示为1,那么拨动单刀双掷开光(高电平拨到低电平,低电平拨到高电平),复位清零后,即可开始计数。具体电路如图计数器显示为0,则可以沿调零的方向旋转迈克耳孙干涉仪的微调旋钮开始计数;如果显示为1,则拨动控制键,再按复位按钮,显示为0,则按照“调零”时的转动方向,始终往一个方向转动微调手轮,观察屏上的干涉条纹中心处会有一个个圆环“冒出”(或“缩进”)。干涉圆环每“冒出”(或“缩进”)50、100、150、500条条纹,记录移动镜M1相应位置的读数,每种情况连续测量10组数据,用逐差法计算M1位置变化值,各得到5组位置变化值Δd后,求出其平均值为Δd,由λ=2Δd/k(k为移动条纹数)计算波长值λ,并与标准值(632.8nm)相比,计算相对误差Er。实验数据见表1,表1为每次条纹变化500条时的记录的原始数据。
1.4电源模块5V电源模块采用三端集成稳压芯片LM7805,输入端和输出端均加滤波电容。为防止电源反接,输出电路使用1个发光二极管和1个1kΩ限流电阻显示电源状态,如果发光二极管亮说明电源正常。
1.5显示模块数码管采用四段八位的共阴极数码管,共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极的数码管。显示方式采用数码管的动态显示。动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a、b、c、d、e、f、g、dp”的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,动态显示的效果和静态显示是一样的,能够节省大量的I/O端口,而且功耗更低。单片机的P2.0—P2.3为数码管片选,接三极管(9013)作为片选开关,P0口为数码管段选,串联1kΩ电阻,并联1个4.7kΩ排阻来拉高电压。P1.0口为信号输入端,从信号调制模块得到的脉冲从此送入单片机;将P1.1作为信号控制端,由1个单刀双掷开关来控制,其一端接地,一端串联1个1kΩ电阻接高电平,由此来实现高低电平的输入,并控制单片机是对高电平计数还是对低电平计数(高低电平对应于迈克耳孙干涉仪上的明暗条纹)。
1.6软件设计根据硬件的制作情况,单片机的P0.0为信号端,P0.1为信号控制端。计数时,若控制端P0.1拨到高电平位置,且迈克耳孙干涉仪上毛玻璃的中心条纹为暗纹,则从信号端P0.0输出的电平为高电平,计数加1;若迈克耳孙干涉仪毛玻璃上为明条纹,则对应的信号端P0.0为低电平,则程序等待,直到迈克耳孙干涉仪上的中心条纹变为暗条纹,信号端P0.0从低电平变为高电平,计数加1。反之,若控制端P0.1在低电平时,若迈克耳孙干涉毛玻璃上的中心条纹为明条纹,信号端P0.0为低电平,计数加1,若中心条纹为暗条纹,则程序等待,直到下一个明条纹到来,使信号端P0.0从高电平变为低电平,依此循环。程序流程如图4所示。
2实验测量与结果分析将设计好的电路应用于迈克耳孙干涉条纹计数器。调好迈克耳孙干涉仪的光路系统,使中心环的明暗变化明显,计数器接5V直流稳压电源,光电二极管的探头对准条纹的中心环,对迈克耳孙干涉仪进行读数系统调零后,按下计数器的复位按钮,如个输入端连在一起作为信号输入端,调节电位器R01上电压信号,经施密特触发器调制后得到脉冲信号作为单片机的输入信号,由单片机读取脉冲个数实现计数功能。由表1数据可以得出:每间隔5个位置变化值的平均值Δd为0.79632mm,由λ=2Δd/k算出波长的平均值λ为637.1nm,与标准值相比,相对误差为0.67%,误差很小。如果用人工的办法数这么多条纹数是相当困难的,且误计率会很大。表2是条纹移动数为50、100、150、500时的数据。从表2可以看出:条纹数间隔越大,波长的实验值越接近理论值,相应的误差也越小。但总体来说,实验值还是大于理论值,可能原因是直接将光电二极管压在毛玻璃上,导致激光强度被毛玻璃削弱,使光电二极管的感光能力下降造成的。用该计数器测得的波长误差在3%以内(要求在5%以内),能够达到实验要求,表明该条纹计数电路能满足功能要求。
关键词:单片机;电子导游;自助导游
中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2014)05-0205-02
0 引言
随着经济的发展,人们生活水平的不断提高,外出旅游逐渐成为时尚。然而随着旅游业的发展,导游数量不足、服务质量参差不齐的问题日趋严重。电子导游机应运而生,它不仅在功能上能够完全取代传统人工导游,而且电子导游机与人工导游相比,还能避免由于导游个人因素带来的服务质量的不稳定性,同时能够为游客提供更加全面客观的服务,在技术上推动了自助游的发展。
1 电子导游的基本结构
传统的电子导游机是以GPS为基础技术进行开发的,不仅在成本上比较昂贵,而且在景区实时定位方面也略显不足。基于传统电子导游机的缺点,我们决定不使用GPS技术为基础技术,而是开发一款可以实现景点与电子导游机实时通信的自主导游系统。
2 系统工作原理
电子导游机分为信标端和导游机两个部分。信标端是一个安装在景点景区的通信发射装置,当游客经过此处并触发信标端,信标端就会自动发射对应的地理语音地址。导游机由游客佩戴,接收来自信标端发射的地理语音坐标,当游客按下导游机上的“PLAY”按键时,导游机就会播放与当下地理坐标对应的语音介绍,同时导游机有耳机音频输出。游客在无形中已经将自我定位完成,大大减少了设计导游机的前期成本,而且在导游服务方面的体验一点也不逊色于人工导游,该套设备性价比较高。
3 系统设计基本思路
首先利用红外传感器检测游客是否经过,通过单片机将传感器传输回来的信号进行处理,与内部的地理坐标进行对应,然后利用2.4GHz无线通讯技术将相应的地理坐标发送到游客端。游客端接收来自信标端的地理语音信号,由单片机控制游客端内部的语音芯片播放相应的地理语音,然后经耳机将音频输出供游客收听。如图1所示为系统的设计框图。
4 芯片的选型
导游机两部分的主控芯片采用STC89C52单片机,主要考虑到设计成本以及功能的实现。STC89C52单片机集成了时钟输出和向上或向下计数器等多种功能,基于以上的强大功能,它完全能够实现导游机所需的硬件支持。同时,在设计应用中STC89C52单片机有很多显著的优势,它不需要代码烧写器,只需借助PC机的串口输出和极为简单的下载电路,便可将程序通过串行方式写入单片机。并且下载电路可设计在系统中,可以随时修改单片机的软件而不对硬件做任何改变。
语音芯片采用WT588D多语种语音芯片,它能够与主控芯片实现一线串口通信,由单片机来控制语音芯片播放特定的语音,同时通过外接按键来实现音量的调节以及暂停功能,使游客完全实现自助游,并且人性化的暂停功能使游客在旅行时即使遇到一些突发状况也不会错过景点的讲解。
本设计采用NRF24L01无线收发模块作为无线通讯装置,NRF24L01是一款工作在2.4GHZ~2.5GHZ世界通用的ISM频段的单片无线收发器芯片,该装置输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置,几乎可以连接到各种单片机芯片,并完成无线数据收发工作。它采用FSK调制,内部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议,可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度可以达到2M(bps)。同时它还具有极低的电流消耗,和无线网络容易架构的优点。
5 具体实施方案
根据以上设计方案,可完全实现电子导游机的基本控制功能。为了使导游机便于携带,考虑之后决定使用贴片型封装的单片机,这样可以大大缩小导游机的尺寸,使得游客佩戴导游机时更加美观方便。同时设计与无线收发模块连接的电路,在布局上力求尺寸达到最小,然后将语音芯片与该电路结合,就构成了完整的游客端系统电路。对于信标端,只需将红外传感器加入到上述电路即可。
对于软件部分,在实际应用中,将需要放置信标端的地方进行数字标号,然后通过语音芯片的上位机软件将每一个信标与语音芯片的语音地址一一对应,并将生成的语音文件通过USB下载到语音芯片。而对于主控芯片的程序设计,只需将无线接收到的地理坐标进行判断,同时通过按键的状态来判断游客是否有收听的需要,根据以上两个条件来决定是否放音,这样对于游客来说不仅减少了噪声,而且在路途中对于景点的欣赏有了更大的选择性。
电子导游机由导游机和信标端两部分构成。导游机是供游客佩戴和使用,实现导游功能的主体,而信标端是放置在景区各个景点的触发装置,游客触发相应的信标端,信标端就会发送相应的语音地址到游客端,只要游客按下“PLAY”按键就可以听到相应景点的语音介绍。同时游客还可以通过音量键来设置当前音量,在机器出现临时故障时通过“REST”键对设备进行恢复出厂设置。
6 使用范围及推广前景
本产品适用于大型的展馆和旅游景点。同时在投入景点以后,导游机将以租赁的方式发放给游客使用,虽然对于景区来说需要一定的前期投入,但是就长远的利益来说,电子导游机的使用将使游客和景区达到双赢的局面。
参考文献:
[1]安文魁,王昌明.智能电子导游系统中游客管理的方案与实现[J].电子科技,2005(10).
[2]刘洋.基于掌上设备的自主导游器的设计与实现[D].华东师范大学,2006.
关键词:单片机 模糊控制 电熔焊机 设计 应用
中图分类号:TM7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)01(a)-0065-01
该文就基于单片机技术和模糊控制技术的电熔焊机的设计及应用情况进行简单的分析和探讨,从而更好的强化电熔焊机在焊接领域中的应用地位,促进和推动电熔焊机更好的发展。
1 电熔焊机的设计原理
基于单片机和模糊控制的电熔焊机其设计系统主要是由温度检测电路、继电器控制电路、单片机、独立式按键盘、LCD显示器、双向晶闸管、扫描器、键盘接收电路等设备部件构成的。它的工作原理主要是利用对系统加热来实现的。因此,在电熔焊机的整个系统设计中,温度控制是其中最为关键的核心环节。只有将温度控制设计的科学、恰当,才能在焊接操作过程中,运用温度检测电路对实际的施工场地温度情况进行科学、准确的检测,并利用聚乙烯管道接头上的条形码所示温度进行PID模糊运算,而后推算出合适的温度控制量,在经过进一步的系数修正后,确定最终的加热时间,从而将电熔焊机的温度调节到最为适宜的温度,进而有效提高焊接操作的质量和效率。在整个加热过程中,单片机进行加热时间和电压的自动调节,LED显示器进行加热时间的倒计时显示。当时间显示为0时,系统会自动进行断电操作,从而完成焊接任务。其电熔焊机的加热操作过程如图1所示。
2 电源控制设计
电熔焊机的工作过程是以电力为动力保障的,因此,其对电源的控制设计非常的重要。在单片机和模糊控制电熔焊机的电源设计中,其继电器和芯片的电源采用的是LM2576(单片降压型开关稳压器)。这种开关稳压器具有较强的电流输出驱动能力以及工作效率,从而能够更好的保障电熔焊机控制系统在运行过程中的可靠性和稳定性,进而确保了电熔焊机的正常、运行工作。
3 环境温度检测设计
单片机和模糊控制电熔焊机在运行时的温度设定同其所处的实际施工现场环境温度具有较高的关联性,通常情况下,电容焊机对施工环境的温度要求在-30~50 ℃之间。在单片机和模糊控制电熔焊机的温度检测设计中,采用了AD590型传感器作为外部环境温度的传感器。这是因为AD590型传感器属于一类半导体型的传感器,它同其他型号的热电阻和传感器比较,避免了线性化问题的出现,在设计和工作过程中,不需要进行微弱信号和电桥放大器的输入,也不需要实行冷端补偿操作,能够选择相应不同的工作电压,使得设定温度同输出电流之间形成完整的线性关系,从而有效缩小了测量的范围。AD590型传感器是一种低温传感器,它的操作过程是采用抗恒高阻流源形式实现输出,并在不影响电流输出的情况下降低传输线的电压,从而更好的实现远距离电压的传输。之后,利用转换器保持和采集输入的模拟信号,并将之转变成相应的数字信号,从而更加准确的测量外部环境的温度情况。
4 信息保持和显示设计
单片机和模糊控制电熔焊机在信息数据保存显示设计中,采用LCD显示器作为数据显示工作,不仅使操作人员能够直观、实时的获取系统温度及加热时间情况,还方便了操作人员对电熔焊机的使用操作。设计人员将电熔焊机的单片机同LCD显示器连接起来,并采用相应的计算机软件进行焊接数据编程,使其在LCD显示器上能够直观、清晰的显示出设置温度、当前温度、加热时间、系统菜单等相应信息,便于人员的随机观察和操作调整。同时,在机器操作面板上设置清晰的LED指示灯,使操作人员能够通过LED指示灯的亮灭或颜色及时的检查和判断电熔焊机系统的实际运行情况,从而使操作人员能够更好的进行焊接作业。此外,LCD显示系统还能够将焊接工作过程中的一些需要长久保存的数据进行完善、系统的保存(通常是存入相应的储存卡),以便于相关操作人员的查看和核对。
5 模糊控制设计
在单片机和模糊控制电熔焊机中,模糊控制技术能够有效的避免外部环境因素对系统计算的影响,并降低了对精确数学模型的依赖性。在系统工作过程中,模糊控制技术主要是通过模糊推理以及模糊化计算等操作将所输入的数字量利用输入的隶属函数变换成模糊数据变量,从而寻找出相对的隶属度。而模糊推理的运行则是根据相关的控制规则,在模糊概念的基础上实现相关的数据计算推理。这也是电熔焊机中模糊控制系统器的关键性核心内容。也就是说,电熔焊机中的模糊控制系统是通过变量中的相应关键词等模糊变量进行数字量的逻辑转换,从而实现同精确控制相同效果的模糊控制。在电熔焊机模糊控制系统的实际运行过程中,操作人员要依照实际焊接工作的具体要求调整相应的PID模糊参数,以便于得到更为满意的焊接成果。
6 结语
随着社会经济的不断发展以及人们生活水平的不断提高,电熔焊机在各行各业中的应用和推广也越来越广泛。因此,设计人员要不断加强基于单片机技术和模糊控制技术的电熔焊机的设计和应用,从而更好的推动和促进单片机和模糊控制电熔焊机在焊接领域中的应用和发展。
参考文献
[1] 杨晓玲,朱群雄.基于单片机和模糊控制的电熔焊机设计及应用[J].仪器仪表学报,2008(7).
[2] 葛洪军,郑国华,李萍.基于单片机的木材干燥窑温度模糊控制器的设计方法[J].黑龙江工程学院学报,2013(3).
[3] 陈星,甘方成.基于单片机模糊控制技术在恒压供水中的应用[J].科技广场,2009(10).
[4] 张海燕.基于单片机和模糊控制的电熔焊机设计应用分析[J].电子制作,2013(7).
关键词:光电传感器;心率检测;单片机
中图分类号:TP338文献标识码:A文章编号:1009-3044(2012)06-1431-03
The Heart Rate Detector Based on SCM
ZHENG Kai-ming
(Chongqing Industrial School, Chongqing 400043, China)
Abstract: Detection of heart function in the entire medical process is particularly important. Heart function test understanding of the circu? latory system diseases and other conditions of the analysis is indispensable. This article describes the 89C51 microcontroller is the core, cou? pled with optical sensors, amplifiers, keyboards, monitors and other hardware components of a small number of small, powerful and versa? tile automated high heart rate detector.
Key words: photoelectric sensor; heart rate detector; SCM
心脏病是危险人类健康的主要疾病,多年来有无数本很健康的人,却患上的心脏病,这种疾病无论是在心理上还是生理上多给人们带来极大的痛苦,那么这样对该病早期的防治具有了重要的意义,能及早的发现病情,及时的治疗是很重要的,而心率的检测对心脏病和其它病情的分析是不可缺少的,在整个医疗过程中具有非常重要的作用。
目前,有些医院使用的各种心率监测仪器抗干扰性差,开发成本高,价格昂贵,即便用于心率信号采集的传感器也价格不菲。如果心率监测的仪器能够做到体积小,制作成本和销售价格低、操作简单,能被普通家庭患者接受,这无疑为临床诊断和个人保健使用提供了方便。
1测量原理
血液是一种高度不透明液体。近红外单色光在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍。皮肤内的血液容积在心脏作用下呈波动性变化,当心脏收缩时外周血容量最多,而心脏舒张时则外周血容量减小。因此,随着人体心率或脉搏的变化,使组织中血液透光率随之变化,也就是说恒定波长的光照射到人体组织后,通过人体组织吸收衰减后测量到的光强的变化与心率的变化一致的。人体指尖组织中的动脉成分含量高,而且指尖厚度相对人体其他组织而言比较薄,透过手指后检测到的光强相对教大,因此,光电式心率或脉搏传感器的检测部位通常在人体指尖,可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起的,那么在恒定波长的光源的照射下,通过检测透过手指的光强可以间接测量到人体的心率及脉搏信号。
2硬件电路设计
基于单片机的心率检测仪的系统原理框图如图1所示,它由光电传感器检测电路、放大整形电路、键盘接口电路、数码显示电路以及微型打印机接口电路组成。
图1系统原理框图
2.1光电检测电路
根据设计的要求,设计了指套式的透射型光电传感器,传感器由发光二极管和光敏三极管组成,指套减少了外界光的干扰,其实际结构如图2所示。它是利用肌肉部分比较容易透射光线,而血液部分对光有一定的吸收作用的原理制成的。光源使用发光二极管,装在传感器的上侧,另一侧装有光电接收器(光敏二极管或光敏三极管)。
图2光电检测结构图
当人的手指伸进传感器内时,指端血管血液容积在心脏内循环过程中呈搏动性变化,故它对光的吸收衰减能力也是脉动的。于是由光电接收器获得的信号便反映了手指动脉血液溶剂搏动变化的情况。这样,光电接收器的输出的电流呈周期性变化,经放大后就得到周期性变化的脉搏波动信号,再将其整形成脉冲波后就送入计算机进行计算和处理。值得注意的是,在心率检测过程中,伸进传感器被测者的手指头对光敏三极管的贴紧程度要适当,若贴的太松,检测到的有效信号就太弱,若贴的太紧,则容易造成指端血管被阻塞,血液不流畅。
2.2放大整形电路
由于光电传感器输出的信号一般均较微弱,所以必须通过放大器来获得较大的增益,为此本次设计我们将采用ICF7650的同相型放大器。
图3放大整形电路
那么根据电路的设计采用同相型放大器的增益Af=1+100K/1K=101dB。
在电路中与ICF7650相连接的两个反向并联的二极管D1、D2起限幅保护作用,用于限制运放反相端输入电压的峰值不超过二极管的正向导通电压Vf。我们采用硅材料的二极管,那么其电压不大于0.7V。2.3显示接口电路
显示电路采用动态扫描方式,该扫描方式既克服了闪烁现象,大大节省了硬件,降低了成本,是单片机显示电路中经常采用的扫描电路。单片机P3.4~3.7控制显示器的阴极电位,称为扫描口,它可以确定究竟哪一位点亮,P2.0~2.7输出各位显示器的显示字形,称为段数据出口。我们采用一位一位轮流点亮各位的方法,实现显示器的动态扫描。由于单片机I/O口驱动功率不够,所以在单片机I/O口和LED显示器之间加上一片驱动集成电路7407作为信号驱动器。
由于心功能信息通常不会超出3位,所以本次设计的显示器电路只设置4位LED数码管。其中第四位作为显示数据的特征位,T表示瞬时的心率,A为平均心率,S位心动过速。其余三位表示心率的测量值。2.4键盘及输入、输出接口电路
图4键盘结构
键盘是由若干个按键组成的开关矩阵,它是最简单输入输入设备。本设计我们采用1X4的键盘结构,键盘的行线通过电阻接+5V,当键盘上没有键闭合时所有的行线和列线都断开,行线都成高电平。当键盘上某一个键闭合时,则该键对应的行线和列线短路。
由于实际检测需要,本仪器设置四个键,他们的功能分别为:K1用与检测和显示瞬时心率,K2用与检测和显示平均心率,K3用于自动监护心率参数;K4用于打印被测量的各种数据。2.5 51系列单片机与微型打印机的接口
通用的并行打印机接口采用Centronics标准,在此种标准下,输出设备与打印饥之间,除了八根数据线以及地址线之外,至少还应有两根连络线,一根是输出设备至打印机的联络线:“选通”线(STROBE)。另―根是打印机至输出设备的联络线:‘忙”线(BusY), 输出设备必须判读BusY线状态,确定打印机处于空闲(忙线为低电平)时.以选通线的负脉冲将数据锁存入打印机的输入锁存器。
图5单片机与微型打印机的接口
3软件系统设计
本系统软件设计包括主程序、显示子程序、键盘扫描程序、中断服务程序、打印子程序以及数据处理子程序等。主程序的流程如下图所示;从图中可以看出,只要按下复位键,仪器首先进出初始化状态,然后进入主程序,并可以进行常规的检测。当按下四个键中的任意一个键时,主程序即刻进出各自的子程序,实现相应键的功能。
图6主程序流程图
4结束语
随着电子技术与计算机技术的发展,心率测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。利用血液是高度不透明的液体,光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点,可通过传感器对脉搏信号进行检测,并通过单片机技术进行数据处理,实现智能化的心率测试技术。这种技术具有先进性、实用性和稳定性,同时也是生物医学工程领域的发展方向。
通过实际设计制作,并与市场现有心率检测仪相对比,结果表明本设计具有体积小、重量轻、成本低、使用方便、测量准确等优点,有较好的应用前景。
参考文献:
[1] PONTM J.使用8051系列微控制器开发可靠应用[M].北京:中国电力出版社,2004.
[2]龚建伟,熊光明.VisualC++/Turbo C串口通信编程实践[M].北京:电子工业出版社, 2004.
关键词:步进电机 单片机 控制系统
步进电机能将输入的电脉冲信号转换成输出轴的角位移或直线位移,这种电机每输入一个脉冲信号,输出轴便转动一定的角度或前进一步,因此又被称作脉冲电机或步级电机。步进电机输出轴的角位移量与输入脉冲数成正比,不受电压以及环境温度的影响,也没有累积的定位误差,因此控制输入的数字脉冲数即可实现电机的精确定位;而步进电机输出轴的转速与输入的脉冲频率成正比,控制输入的脉冲频率就能准确的控制步进电机的转速,可以实现在宽广的范围内精确调速。
1 步进电机的工作原理
按照转子结构及材料的不同,步进电机分为反应式、永磁式和混合式三类。其中,反应式步进电机因其性价比高,应用非常广泛,在单片机系统中应用较多。步进电机实际上是一个数字/角度转换器。步进电机的励磁绕组可以制成各种相数,常见的有单相、三相、四相和五相等多种。电机分为转子和定子两部分。定子由电工硅钢片叠压而成,有6个等分的磁极:U、U'、V、V'、W和W'。相对的两个磁极组成一对,共有三对。每对磁极上都绕有同一绕组,也就形成了一相。这样,三对磁极有三个绕组,形成三相。类似地,四相步进电机有四对磁极、四个绕组,以此类推。每个磁极的内表面分布着大小相同、间距相同的多个小齿。转子圆周表面也均匀分布着与定子小齿形状相似、齿间距相同的小齿。反应式步进电机运动的动力来自于电磁力。当某一相定子绕组通电时,其对应的磁极就产生了磁场,并与转子形成磁路。
2 步进电机的控制方式
为了控制步进电机的转动,使其实现数字到角度的转换,可以由单片机按顺给电机绕组施加有序的脉冲电流。转过的角度数正比于脉冲个数,转动的速度正比于脉冲频率,转动的方向则与脉冲顺序有关。对三相步进电机施加电流脉冲可有如下三种方式:①单相三拍:按单相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下:正转:UVW(U);反转:UWV(U)②双相三拍:双相即每次对两相绕组同时通电。按双相绕组顺序施加电流脉冲,一周期加电3次,顺序如下: 正转:UVVWWU(UV);反转:UWWVVU(UW)③单双相六拍:按单相绕组与双相绕组交替方式施加电流脉冲,一周期加电6次(单相3次、双相3次),顺序如下:正转:UUVVVWWWU(U);反转:UUWWWVVVU(U)。单相三拍或双相三拍两种方式,每拍步进角均为3°,转子转过一个齿距角(9°)要用三拍;单双相六拍方式每拍步进角均为1.5°,转子转过一个齿距角(9°)要用六拍。六拍方式比三拍方式运行平稳,但六拍驱动脉冲的频率需要提高一倍,要求驱动开关管有更好的开关特性。另外双相与单相相比,每一拍中,双相方式都有两相通电,每一相通电时间都持续两拍。因此,双相三拍比单相三拍消耗的电功率大,当然获得的电磁转矩也大。
3 控制系统的实现
3.1 加减速曲线的分析与实现。其实所谓的加减速就是速度变化的过渡过,在起动阶段,控制频率以特定的规律慢慢增加,从而速度可以平稳的升至预定值;而停止时控制频率再以相应的规律慢慢减小,从而速度平稳的降低直至完全停止。一般加减速算法有梯形曲线和指数曲线以及S曲线三种,其中S曲线算法加减速平稳,而且有较好的快速性及柔性,因此在数控系统中应用广泛。本文采用S曲线算法。单片机中有三个定时器,其中两个需要分别控制两个步进电机,而剩下的一个则用于实现数码管显示加工时间。所以在设计程序的过程中,只需把采样周期T转换为N,即在一个采样周期内,其脉冲个数只需要对定时器的溢出次数加以控制,就可以控制采样周期T。因此只需将最大速度及最大加速度两个参数给定,就可以实现S加减速。
3.2 换向控制。本系统中工作台移动方向的控制是利用行程开关与单片机相结合的办法来实现的,其具体步骤如下:当工作台开始加速至预定值时进行匀速动动,一旦行程开关被挡块触动,单片机就开始换向,即按照S曲线对电机的加减速过程加以控制。这种换向方法不但可以防止机械系统换向时的冲击,而且工作台不会由于单片机的程序错误而发生故障。
3.3 转速控制及显示。在进行程序设计时就已经采用数组的形式给出了步进电机的转速,利用键盘按钮进行选择即可,所以系统中需要设置相应的按键以实现对设备的控制,即“选择-输入”键、“确定-启动”键等。其中设备所需的转速可以通过“输入-选择”键先进行选择,再利用“输入-启动”键加以确定。再分别另设一个“急停”键及“停止”键。本系统的显示采用LCD来实现,其型号为1602,这种型号的LCD可以显示两行字符,每行共有16个,可以满足系统的显示要求。1602利用8位数据线进行数据传输,刚好占用单片机的一个端口;共有三个控制信号,即寄存器选择、读写控制以及起用。显示的主要内容包括显示系统工作的状态、提示输入以及确定转速等。
3.4 显示加工时间。本系统加工时间的动态显示是利用数码管来实现的,通过单片机中的2号定时器控制加工时间。数码管时钟显示的原理为动态显示,这种显示方法一次只显示一个数码管,每位数码管显示时间约为1~2 ms,不过受数码管余晖效应以及人的视觉暂留的影响,通过肉眼看过去每位数码管均是亮的。这种动态显示的方法解决了显示变化以及端口不足的问题。
4 结论
完成本系统的研制后可以得出以下结论:第一,基于单片机控制器的步进电机控制系统实现后,体现了单片机在数据系统开发领域的可靠性、经济性、实用性以及简捷性,其作为应用最广泛的微控制器的一种,是小型控制系统开发研制的首选;第二,步进电机转向时所产生的冲击问题,可以通过S曲线加减速模型解决,从而保证了设备动运的平稳性及准确性;第三,系统的快速性要求可以通过S曲线参数的调整来实现。
参考文献
[1] 赵俊生.单片技术项目化原理与实训[M].电子工业出版社,2009,(9)
1 引言
对于需要自助式护理的病人来说,尤其是由于手术后、晚期癌症、分娩等原因所导致的慢性疼痛的病人,往往需要一种可以由病人自己操作、自动定时、定量向病人进行输液的智能型自动输液器,以达到治疗和镇痛的目的。为此,笔者设计了一种便携式医用自动输液器,该仪器采用电池作为供电电源,并具有功耗小、体积小、重量轻等特点,可满足便携式需要。此外,该仪器使用安全可靠、计量准确、自动化程度高,可适应现代医学发展的要求。该自动输液器的主要功能如下:
(1)可根据要求设定滴数、输液总量及药液总量等参数。
(2)随时可改变原设定参数,并可以在运行时随时暂停输液。
(3)不同的使用者可以有自己的一套运行参数,并可通过密码进入自己的设定环境。
(4)带有LCD显示,可实时察看所用药液及药液剩余量。
(5)自动检测流速,在输液异常或输液结束时,可自动停止输液并进行声光提示。
(6)药液用完自动发出换液信号,在换液期间禁止所有操作。
(7)重要的操作均由两个组合键来完成,可防止误操作,安全可靠。
(8)在第一次使用之前能够快速排空输液管中的空气。
2 硬件设计
MSP430系列单片机是TI公司近期推出的16位系列单片机。该系列是一组超低功耗的微控制器,供电电压范围为1.8~3.6V,特别适用于长期使用电池工作的场合。由于其具有16位RISC结构、16位寄存器和常数发生器,因而MSP430 系列单片机具有最大的代码效率。考虑到本设计有低功耗、小体积的要求,所以,选用了MSP430F1121型单片机芯片。该芯片特有的FLASH 存储器在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。MSP430F1121内部有一个数控振荡器(DCO)和一个晶体振荡器,带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器TIMER-A、一个看门狗定时器 Watchdog Timer-A、一个模拟比较器 Comparator-A 和12个I/O 口(每位均有独立的中断能力,可独立控制),另外,还具有4kB+256字节的FLASH ROM和256字节的RAM存储空间,因此在整个硬件电路上无须外加程序存储器。当单片机处于闲置状态时,可以使其处于睡眠状态以降低功耗,并可通过选择4种工作模式来使其最低功耗几乎为零。其功耗低,体积小,功能强大的特点使其特别适用于便携式电池供电的仪器设计。
本输液器的电路结构原理框图如图1所示,它由电源电路、输液泵驱动、液晶显示驱动、按键控制等电路组成。
2.1 电源电路
整个电路由四节电池供电,除了可以用电池供电外,还可以通过直流输入端由小型变压器供电,以满足在室内及走动等不同场合的需要。由于TI单片机的供电电压比其它模块的要低(只有3.6V),因此可选择L31A作为MSP430F1121的稳压芯片。为保证输液正常,电源电路中还配有电池电量检测装置,以便在电池电量比较低、可能会影响到正常输液的情况下及时报警,以提醒更换电池。因此,利用单片机MSP430F1121内置比较器模块的特点,即可不用外加专门的电池检测芯片,而只需两个电阻就可以完成此功能。
2.2 键控模块
出于对医疗仪器安全可靠的考虑,为防止按键的误动带来的不安全因素,一些主要的按键操作都是用组合键的形式完成的,即只有特定的两个键被同时按下时才能生效。这样,完成所有的操作一共只需要四个键。考虑到单片机的I/O口资源比较丰富,而且每个I/O口均有独立的中断能力,因此,4个键可直接接到单片机的I/O口上,并通过中断方式由CPU来响应。由于硬件电路比较简单,与之对应的软件也大大简化。另外,为了提高整机的安全性能,该装置还配有由于异常情况造成的流速过快而产生的压力超标及药液袋的保护壳被打开的报警装置,报警的同时停止输液,禁止所有操作。
2.3 显示模块
液晶显示器采用的是PHILIPS公司的具有I2C总线的低功耗LCD驱动器PCF8576,该芯片有40个段输出和4个背极输出,可完成160个段的LCD显示。PCF8576的二总线I2C数据传输结构可使其与微控制器的连线减至最低,从而最大限度地减少显示系统的开销。PCF8576的使用可参看有关资料。
2.4 泵驱动模块
本系统用的输液泵驱动模块由两相4线式步进电机和泵体组成。由于输液要求计量准确、可靠,因而选用步进电机作为动力装置。步进电机是一种可以把脉冲激励的变化转换成精确转子位置增量运动的执行机构,它可将脉冲信号变成电机相应角位移的机械量,从而通过控制脉冲的个数来控制电机转动的时间,并通过改变脉冲的频率控制电机运转的速度。由电机驱动泵体的凸轮机构循环压缩胶管,从而实现输液功能。为了让输液泵安全、可靠地工作,并且从简化硬件电路的角度出发,步进电机的运行并不是由单片机来驱动达林顿管直接控制的,而是通过两根控制线对步进电机的驱动模块进行间接控制,并分别实现启动与控制。这里的步进电机驱动芯片选用的是MOO8335。启动信号用于启动步进电机,而运转时间和停止时间则由控制信号控制。本仪器输液的速度是通过步进电机停、转时间的不同来控制的,因为步进电机在整个运行期间,其转速可以保持恒定。
3 软件设计
MSP430的内核结构采用具有高透明格式的精简指令集(RISC)设计。指令分为硬件实现的内核指令和利用这一硬件结构的具有更高效率的模拟指令,使用起来非常方便。在本系统中,单片机完成初始化任务(设置标志位,设置定时器,比较器,看门狗的工作方式)后,就进入低功耗睡眠状态,任一中断均可将其唤醒,转而执行相应的子程序。单片机的大多数操作都采用中断方式。整个程序流程如图2所示。
4 结束语
[关键词]电涡流传感器PIC16F877智能投币机
中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110020-01
一、引言
随着社会经济的快速发展及城市交通的不断改善,无人售票公交车得到了普及。但现行的无人投币系统存在着难以辨别真假币,难以对投入的尺寸大小相近的币值自动进行识别和累计等功能,因此导致了一些不文明现象的发生,从而给公交公司造成了巨额经济损失。快速鉴别真假硬币技术在很多方面都有应用,研究一种新型的能够避免上述缺点的投币机无论是对公交公司的发展和社会的发展都会有很大的帮助。本文介绍了一种新型的智能投币机,能够高效、实时、较准确的鉴别真假硬币具有一定推广作用。
二、工作流程及方式
开启电源,系统上电,单片机自动复位,自动初始化,液晶显示屏上显示结果为0.0。当有乘客投入硬币时,由电涡流传感器产生的经过电路变换的信号送入单片机,使其对硬币进行检测辨识、分类并输出结果。可能发生的情况可分2种:
1.是真币,且满1元,响铃。
2.如果检测结果是假币,则报警器发出警报并且开动电机牵引通道侧门将假币退出。
除此之外,系统还提供总票款查询功能(最大显示结果为4位即9999)。当需检查总票款时,按动相应按键,转换为显示总票款状态,液晶显示屏显示总票款,数秒后恢复正常显示状态。当有人按清零键时,液晶显示屏中所有位归零,重新显示0.0,内部保存的4位总票款不变。
三、系统组成部分及工作原理
(一)系统的硬件设计
本系统属单片机应用系统,其硬件组成主要包括单片机及信号获取模块、显示模块、报警及电机驱动模块、信号处理模块等。系统信号流程图如图1所示。
美国微芯(Microchip)公司的PIC系列单片机主要有以下特点:(1)哈佛总线结构;(2)指令单字节化;(3)精简指令集(RISC);(4)寻址方式简单;(5)代码压缩率高;(6)运行速度高;(7)功耗低;(8)自带硬件看门狗;(9)开发工具成熟强大。这些特点使得PIC系列单片机在工业控制、消费电子产品、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等不同的领域得到了广泛的应用。基于以上特点,本系统采用PIC16F877型单片机进行设计。系统使用12MHz晶体振荡器,机器周期为1s,晶振频率稳定,保证了本系统辨识硬币的准确性和可靠性。
系统采用高频反射式电涡流传感器来获得待检信号,工作原理为:当在有骨架的空心线圈中通以交变电流时,线圈周围产生1个交变的磁场H1,将被测金属放人H1中,则金属导体中产生涡流J。该涡流J产生1个反向的磁场H2,削弱原有磁场H1,从而导致线圈的电感量、阻抗、品质因数发生变化。金属材料对各项参数的变化有直接的影响。若以正弦振荡电路为激励电路,以系统的频率为函数,可以推导出关系为:
(1)
式中,σ:金属导体的电阻率; :金属导体的磁导率;d:线圈与金属导体的距离;f:电涡流传感器输出信号频率。也就是说,当线圈与金属导体的距离固定不变时,传感器输出信号的频率只与磁场中的金属导体材料的固有性质有关。所以我们可以通过测量传感器信号的频率来获得我们分辨真/假币和币值的依据。由于真假币之间的差别是很小的,所以从传感器获取的信号是非常微弱的,这就需要进行分析、放大、检波,从而获得一直流信号,信号的放大电路如图2所示。单片机不能处理正弦的频率信号,因此需要在传感器后面加上零位比较器将其波形整形为方波信号,电路图省略。
(二)系统显示部分
HT1621是128点内存映象和多功能的LCD显示器,HT1621的软件配置特性使它适用于多种LCD应用场合,包括LCD模块和显示子系统。用于连接主控制器和HT1621的管脚只有4或5条,HT1621还有一个节电命令用于降低系统功耗。静态显示内存(RAM)以32×4位的格式储存所显示的数据。RAM的数据直接映象到LCD驱动器,可以用READ、WRITE和READZ-MODIFY-WRITE命令访问。并可由软件配置成1/2或1/3的LCD驱动器偏压和2、3或4个公共端口,这一特性使HT1621适用于多种LCD应用场合。LCD驱动时钟由系统时钟分频产生,LCD驱动时钟的频率值保持为256Hz,由频率为32.768kHz的晶振、片内RC振荡器或外部时钟产生。
H 1621只有四根管脚用于接口。管脚 用于初始化串行接口电路和结束主控制器与HT1621之间的通讯。管脚 设置为“1”时,主控制器和HT1621之间的数据和命令无效并初始化。在产生模式命令或模式转换之前,必须用一个高电平脉冲初始化HT1621的串行接口。管脚DATA是串行数据输入/输出管脚,读/写数据和写命令通过管脚DATA进行。管脚 是读时钟输入管脚,在 信号的下降沿时数据输出管脚DATA上,在 信号上升
沿和下一个下降沿之间,主控制器应读取相应的数据。管脚 是写时钟输入管脚,在 信号上升沿时,管脚DATA上的数据、地址和命令被写入HT1621。可选的管脚可用作主控制器和HT1621之间的接口,可用软件设置作为定时器输出或WDT溢出标志输出。主控制器与HT1621的/IRQ相连接后,可以实现时基或WDT功能。
Ht1621液晶显示器的片选 与单片机RB5端口连接,用于初始化串行接口电路和结束主控制器与HT1621之间的通讯。写信号 和写数据DATA分别与单片机的RD0和RD1端口连接,实现数据写入。
四、软件设计
系统的软件部分需要实时地完成对硬币的准确检测,因此采用外部中断服务程序实现检测的功能。软件结构主要可分为主程序、中断中断服务子程序等2大部分。主程序是全部程序的主体,机器运行中的绝大部分时间都在循环执行该代码段,主要实现显示和扫描控制信号并作相应动作的功能。中断服务子程序,实现检测、辨识、与控制信号发出的功能。显示中断子程序,实现从主程序切换到显示状态。
显示部分主程序如下:
void LCD_DISP(void)
{
LCD_CS = 0;
LCD_WRITE_HEAD();
for (lcdi=0;lcdi
if (lcdj&0x20) LCD_DA=1;
else LCD_DA=0;
LCD_CK=0;
LCD_CK=1;
lcdj
}
for (lcdi=0;lcdi
{
if (lcdk&0x08) LCD_DA=1;
else LCD_DA=0;
LCD_CK=0;
LCD_CK=1;
lcdk
}
LCD_CS = 1;
五、结束语
本文所介绍的公交车智能投币机其检测速度快,准确率高、实时效果好、价格适当。可与国外同类产品相媲美。目前该机已实现从研制、开发、试制到批量生产阶段,产品已被应用到多个城市公交车上。随着社会的发展和公交系统的成熟,该具有良好的市场前景。
参考文献:
[1]王春芳,基于AT89C51单片机的硬币高速检伪机.
[2]王雪文,传感器原理及应用[M].北京航空航天大学出版社.
[3]沈孝芹,基于单片机的公交车智能投币监测系统的研制.
[4]李学海,PIC单片机实用教程[M].北京航空航天大学出版社.
作者简介:
王占华(1982-),男,硕士研究生,研究方向:测试计量及智能仪器;王书海(1963-),男,副教授,研究方向:智能仪器;孟静(1983-),女,硕士研究生,研究方向:信号与信息处理。