单片机原理与应用系统设计第09章单片机应用系统设计实例.ppt

9.1.2 电路设计：接口电路
接口电路实现AT89C52和ADC0809之间的连接。 (1) A/D转换器 A/D转换器的功能是将模拟的电压信号转换成数字量。控制系统对A/D 转换器的转换速度和转换精度有要求。在转换速度方面，一般要求在1个 控制周期内至少完成一轮采样，本系统的控制周期为1ms，考虑到控制算 法的时间开销，要求ADC的转换速度不小于10kSPS；在转换精度方面， 虽然高精度对控制有利，但是这会增加成本和算法复杂性，因此应本着够 用原则进行选型。本系统采用最常用的ADC0809，它是8通道8位逐次逼 近型ADC，最大转换速率为10kSPS，输入电压范围0～+5V。
根据控制理论的稳定性条件进行分析，该系统不稳定，必须通过适 当的闭环控制才能使之达到稳定。
9.1.1 组成及工作原理：悬浮控制原理
常用的控制方法是比例-积分-微分控制，简称PID控制，其表达式为：
u Kp d Kd d Ki d dt
i i0 u / R
其中 为u控制电压， 为R电磁铁线圈的电阻，简单起见，忽略线圈电感。 其中 、 和K p分K别d是比K例i 、微分和积分系数，又称为控制器参数，选取
9.1.1 组成及工作原理：悬浮控制原理
设额定悬浮间隙为 d，0 额定电磁铁平均电流为 ，i0将上述模型在
d0,i0 线 性化后，可得到系统的传递函数为：
Gs
d s is
Ki ms2
Kd
其中，d d ， d0 ，i i i0 K，i 2Ki0 d，02为K拉d普拉2K斯i算02 子d。03 s
磁悬浮球演示系统是一个典型的嵌入式数字控制系统，由电磁铁、铁 磁性小球及控制部分组成，其电磁铁通电后产生磁场，吸引铁磁性小球， 动态调节电磁铁中的电流，可使其产生的电磁吸力等于小球的重量，从 而使小球悬浮在空中保持不动。这个动态调节的过程称为磁悬浮控制。 本例进行磁悬浮球演示系统的设计，首先介绍系统组成以及磁悬浮控制 的基本原理，然后详细介绍以AT89C52单片机为核心的电路设计和程 序设计，最后给出完整的汇编语言程序清单供读者参考。该磁悬浮球演 示系统的结构见下图。
9.1.2 电路设计：控制电路
(2) 控制器参数在线选择电路 为便于在线调试，可将事先设计好的多组PID控制参数存储在单片机的 片上程序存储器中，通过拨动拨码开关来选择不同的参数。为此，在单片 机的P1口上，扩展了8位拨码开关。工作时，单片机不断读取P1口的状态 数据，并据此查表以获得对应的控制器参数。
得当即可实现小球的稳定悬浮。通常，这些参数应在编程之前计算出来， 而在编写程序时，它们都是常数。
9.1.2 磁悬浮球演示系统的电路设计
磁悬浮球演示系统的电路由单片机控制电路、A/D转换器及功率 放大电路等三部分组成。其单片机控制电路和A/D转换器电路如下图 所示。
9.1.2 磁悬浮球演示系统的电路设计
9.19C52通过与ADC0809的接口电路来控制A/D转换器的启动并读取 转换结果。该接口电路主要包括数据总线和控制总线接口，其中数据总线 有8位，将ADC0809的D0～D7管脚与AT89C52的P0.0～P0.7口对应相 接即可；控制总线包括A/D转换器的片选线、数据输出使能线、启动信号 及转换结束信号。此外，ADC0809的工作时钟由单片机的ALE脚提供。
9.1 基于AT89C52控制的磁悬浮球演示系统
磁悬浮球演示系统的照片
9.1.1 磁悬浮球演示系统的组成与工作原理
磁悬浮球演示系统主要由电磁铁、铁磁性小球、间隙传感器、单片机 控制器及功率放大器组成。电磁铁安装在悬浮支架顶部，通电后对小球 产生竖直向上的电磁吸力。间隙传感器安装在悬浮支架底部，它是一种 基于涡流检测原理的非接触测量器件，能将小球与传感器探头表面之间 的距离转换为电压信号，再经过A/D转换成数字信号。单片机控制器根 据输入的间隙传感器信号，按照特定的控制算法，比如PID算法，计算 出维持小球稳定悬浮所需的控制电流。该控制电流以PWM信号的形式 传递给功率放大器。功率放大器对控制电流进行功率放大，给电磁铁提 供对应大小的电流。这是一个闭环控制的过程，如果控制适当，就可使 小球稳定地悬浮在期望位置。
AT89C52与ADC0809的接口电路设计
9.1.2 电路设计：控制电路
控制电路基于AT89C52单片机设计，包括单片机基本电路和控制器参 数在线选择电路两个部分。
(1) 单片机基本电路 单片机基本电路包括AT89C52单片机、时钟电路、复位电路以及单片 机电源等。时钟电路由16MHz晶体振荡器和20pF电容组成，复位电路采 用集成看门狗芯片MA813L实现，单片机的工作电源由LM7805产生。
9.1.2 电路设计：接口电路
(3) 启动A/D转换及读取转换结果 由电路连接图可知，单片机的#CS（P2.7口）、#WR、#RD与A/D转 换器的控制总线START、ENABLE的逻辑关系为： START = /(#CS + #WR） ENABLE = /(#CS + #RD） 不妨取ADC0809的片选地址为0x7FFF，这样，当单片机向0x7FFF地 址进行一次写操作时（写的内容不限），即启动一次A/D转换。当单片机 向0x7FFF地址进行一次读操作时，就可以从数据总线读取8位A/D转换结 果。
第9章 单片机应用系统设计实例
9.1 基于AT89C52控制的磁悬浮球演示系统 9.2 基于PIC16C54的光栅式定位系统 9.3 基于LPC2212的三关节机器人控制系统
9.1 基于AT89C52控制的磁悬浮球演示系统
9.1.1 组成及工作原理 9.1.2 电路设计 9.1.3 程序设计
9.1 基于AT89C52控制的磁悬浮球演示系统
9.1.1 组成及工作原理：系统组成
磁悬浮球演示系统的组成
9.1.1 组成及工作原理：悬浮控制原理
根据牛顿第二定律，在竖直方向上，小球的动力学方程为：
md mg Fm
根据电磁学理论可知，系统的电力学方程近似为：
Fm K i2 d 2
其中 为m小球质量， 为d悬浮间隙， 为重g 力加速度， 为电F磁m 吸力， 电 磁铁i的平均电流， 是与系K统结构有关的参数。