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计算机与信息技术
教育与培训
《单片机系统设计》综合实践课程的实施与效果
傅中君
摘 要
厉荣卫
(江苏技术师范学院 计算机学院,江苏 常州 213001) 单片机系统设计是一门实践性和应用性都很强的课程.为了充分激发学生的创造力,使学生熟悉单片机应用
系统的研制和开发过程,掌握单片机的设计原理和开发步骤,我们开设了单片机系统设计综合实践课程.本文阐述了此综合 实践课程的实施方案,给出了典型的设计范例.经过几年的教学实践,本课程取得了良好的教学效果.
关键词 单片机系统;综合实践课程;实践教学 1 前言
单片机系统设计是一门实践性,应用性很强的课程.传 统的单片机系统设计实验教学,具有:①实验应用机会少; ②缺乏具体的实验教学内容和完善的考试,考核方法;③验 证性多, 创新性少; ④实验教学内容与实践应用脱节的弊端[1]. 这样的教学模式和方法,很难让学生完全掌握单片机系统设 计的基本原理和开发方法,更不用说培养学生的创新能力. 因此,为了培养和训练学生具备独立设计简单的单片机应用 系统,编写系统控制程序的能力和技能,激发学生的创造力, 我校在学生完成了《单片机系统设计》的理论课和汇编程序 设计,七段数码显示,键盘扫描,AD转换,串行通讯等实验 教学后,特开设了为期2周的综合实践教学环节.此教学环节 让学生完成一个单片机系统的设计,开发,调试的完整过程, 整个综合实践教学环节完成后,学生对单片机系统的学习和 应用兴趣更浓了,而且具备了自行设计,开发简单的单片机 系统的能力. 一个简单实用的单片机系统. (2)要求具备必需的人机接口. (3)可以选用汇编或 C51 语言进行控制程序开发. 设计的系统性能如下: (1)系统运行稳定,具有一定的抗干扰和故障自测能力. (2)系统设计安全可靠,具有出错报警和应急关闭能力. (3)系统精度达到一般民用品的基本要求. (4)人机接口界面友好,直观,操作简单. 另外,我们提供了一些选题供学生拓展思路,主要有: (1)出租车计价器. (2)温度控制系统. (3)可编程交通灯系统. (4)PWM 电机调速系统. (5)数字温度计. (6)数字频率计.
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设计范例
PWM 电机调速系统如图 1 所示, 系统包含电机驱动电路
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任务与要求
利用伟福 Lab6000 系列单片机仿真实验系统构成简单实
3.1 PWM 电机调速系统 和测速电路,两者构成闭环系统.电机驱动采用脉宽 PWM 调压电路,测速电路的核心部件是霍尔元件.
用的单片机系统,要求如下: (1)充分应用 MCS-51 系列微处理器和伟福 Lab6000 系列单片机仿真实验系统所提供的硬件资源,自由选题实现
图 1 PWM 直流电机调速系统原理图[2] 霍尔元件是一种磁传感器. 用它可以检测磁场及其变化, 可在各种与磁场有关的场合中使用.在外磁场的作用下,当 磁感应强度超过霍尔元件导通阈值 BOP 时, 霍尔元件输出管 导通,输出低电平.若外加磁场的 B 值降低到 BRP 时,输出 管截止,输出高电平.在直流电机的转盘上粘贴着一枚小磁 铁,霍尔元件安装在转盘附近,每当磁铁靠近霍尔元件时霍 尔元件导通,输出低电平,远离时霍尔元件截至,输出高电 平.这样,直流电机转动一圈,霍尔元件就会输出一个脉冲,
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通过这个原理能够测出电机的转速.
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定占空比的脉冲,再通过转换电路转化成电压来驱动直流电 机.系统控制算法采用增量型 PID 控制算法,如果 k 时刻电 机当前转速是 y(k),给定转速是 r(k),PID 控制器输入信号为 e(k),输出信号为 u(k),则离散的 PID 递推算法如下:
PWM 是单片机系统中常用的模拟量输出方法, 通过外接 的转换电路,可以将脉冲的占空比转化成电压.直流电机的 转速和驱动电压呈近似线形关系,改变脉冲的占空比,就可 以改变直流电机的转速. 系统结构图如图 2,闭环工作时,测速电路测得的转速 和给定的转速相减获得差值 e,根据差值 e 运用 PID 增量控 制算法获得控制量,即占空比,通过 MCS-51 的口线输出给
r(k) e(k) _ u(k)
e(k ) = y(k ) r (k )
(1) (2) (3)
u (k ) = q 0 e(k ) + q 1e(k - 1) + q 2 e(k - 2) u (k ) = u (k - 1) + u (k )

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