第四-1章单片机在大学生科技创新活动中应用.优秀PPT.ppt

2010年年 10月月 主讲人：王福忠主讲人：王福忠 教授教授河南理工高校河南理工高校 本章内容本章内容第四章第四章单片机在高校生科技单片机在高校生科技创新活动中的应用创新活动中的应用大赛典型竞赛题目大赛典型竞赛题目分析分析单片机基础学问与科技创新单片机基础学问与科技创新电源电路设计电源电路设计输入通道电路设计输入通道电路设计输出通道电路设计输出通道电路设计人机接口电路设计人机接口电路设计 第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用vv第五届（第五届（第五届（第五届（20012001年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生电电电电子子子子设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题目目目目vv A A题题题题：波形：波形：波形：波形发发发发生器；生器；生器；生器；B B题题题题：简简简简易数字存易数字存易数字存易数字存储储储储示波器；示波器；示波器；示波器；vv C C题题题题：自：自：自：自动动动动来回来回来回来回电动电动电动电动小汽小汽小汽小汽车车车车；vv D D题题题题：高效率音：高效率音：高效率音：高效率音频频频频功率放大器；功率放大器；功率放大器；功率放大器；vv E E题题题题：数据采集与：数据采集与：数据采集与：数据采集与传输传输传输传输系系系系统统统统；F F题题题题：调频调频调频调频收音机收音机收音机收音机vv 第六届（第六届（第六届（第六届（20032003年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生电电电电子子子子设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题目目目目vv A A题题题题：电压电压电压电压限制限制限制限制LCLC振振振振荡荡荡荡器；器；器；器；B B题题题题：宽带宽带宽带宽带放大器；放大器；放大器；放大器；vv C C题题题题：低：低：低：低频频频频数字式相位数字式相位数字式相位数字式相位测测测测量量量量仪仪仪仪；D D题题题题：简简简简易易易易逻辑逻辑逻辑逻辑分析分析分析分析仪仪仪仪 ；vv E E题题题题：简简简简易智能易智能易智能易智能电动车电动车电动车电动车；F F题题题题：液体点滴速度：液体点滴速度：液体点滴速度：液体点滴速度监监监监控装置控装置控装置控装置 第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用vv第七届（第七届（第七届（第七届（20052005年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生电电电电子子子子设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题目目目目vv A A题题题题：正弦信号：正弦信号：正弦信号：正弦信号发发发发生器；生器；生器；生器；B B题题题题：集成运放参数：集成运放参数：集成运放参数：集成运放参数测试仪测试仪测试仪测试仪；vv C C题题题题：简简简简易易易易频谱频谱频谱频谱分析分析分析分析仪仪仪仪；vv D D题题题题：单单单单工无工无工无工无线线线线呼叫系呼叫系呼叫系呼叫系统统统统；vv E E题题题题：悬悬悬悬挂运挂运挂运挂运动动动动限制系限制系限制系限制系统统统统；F F题题题题：数控直流：数控直流：数控直流：数控直流电电电电流源。流源。流源。流源。vv 第八届（第八届（第八届（第八届（20072007年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生电电电电子子子子设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题目目目目vv A A题题题题：音：音：音：音频频频频信号分析信号分析信号分析信号分析仪仪仪仪；B B题题题题：无：无：无：无线识别线识别线识别线识别装置；装置；装置；装置；vv C C题题题题：数字示波器；：数字示波器；：数字示波器；：数字示波器；D D题题题题：程控：程控：程控：程控滤滤滤滤波器；波器；波器；波器；vv E E题题题题：开关：开关：开关：开关稳压电稳压电稳压电稳压电源；源；源；源；F F题题题题：电动车跷跷电动车跷跷电动车跷跷电动车跷跷板板板板 第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用vv第九届（第九届（第九届（第九届（20092009年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生电电电电子子子子设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题目目目目vv A A题题题题：光伏并网：光伏并网：光伏并网：光伏并网发电发电发电发电模模模模拟拟拟拟装置；装置；装置；装置；B B题题题题：声音：声音：声音：声音导导导导引系引系引系引系统统统统；vv C C题题题题：宽带宽带宽带宽带直流放大器；直流放大器；直流放大器；直流放大器；D D题题题题：无：无：无：无线环线环线环线环境境境境监测监测监测监测模模模模拟拟拟拟装置；装置；装置；装置；vv E E题题题题：电电电电能收集充能收集充能收集充能收集充电电电电器；器；器；器；F F题题题题：数字幅：数字幅：数字幅：数字幅频频频频均衡功率放大器。均衡功率放大器。均衡功率放大器。均衡功率放大器。vv 第十届（第十届（第十届（第十届（20112011年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生年）全国高校生电电电电子子子子设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题设计竞赛题目目目目vv A A题题题题：开关：开关：开关：开关电电电电源模源模源模源模块块块块并并并并联联联联供供供供电电电电系系系系统统统统；B B题题题题：基于自由：基于自由：基于自由：基于自由摆摆摆摆的平的平的平的平板限制系板限制系板限制系板限制系统统统统；C C题题题题：智能小：智能小：智能小：智能小车车车车；D D题题题题：LCLC谐谐谐谐振放大器振放大器振放大器振放大器 vv E E题题题题：简简简简易数字信号易数字信号易数字信号易数字信号传输传输传输传输性能分析性能分析性能分析性能分析仪仪仪仪；第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统介介绍绍 一、任务一、任务 设设计计并并制制作作一一个个自自由由摆摆上上的的平平板板限限制制系系统，其结构如图统，其结构如图1 1所示。所示。摆摆杆杆的的一一端端通通过过转转轴轴固固定定在在一一支支架架上上，另另一一端端固固定定安安装装一一台台电电机机，平平板板固固定定在在电电机机转转轴轴上上；当当摆摆杆杆如如图图2 2摇摇摆摆时时，驱驱动动电电机机可以限制平板转动。可以限制平板转动。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统介介绍绍 二、要求：二、要求：1 1基本要求：基本要求：（1 1）限限制制电电机机使使平平板板可可以以随随着着摆摆杆杆的的摇摇摆摆而而旋旋转转（35 35 周周），摆摆杆杆摆摆一一个周期，平板旋转一周（个周期，平板旋转一周（360360），偏差确定值不大于），偏差确定值不大于4545。（2 2）在在平平板板上上粘粘贴贴一一张张画画有有一一组组间间距距为为1cm1cm平平行行线线的的打打印印纸纸。用用手手推推动动摆摆杆杆至至一一个个角角度度（在在30304545间间），调调整整平平板板角角度度，在在平平板板中中心心稳稳定定放放置置一一枚枚1 1元元硬硬币币（人人民民币币）；启启动动后后放放开开摆摆杆杆让让其其自自由由摇摇摆摆。在在摆摆杆杆摇摇摆摆过过程程中中，要要求求限限制制平平板板状状态态，使使硬硬币币在在5 5个个摇摇摆摆周周期期中中不不从从平平板板上上滑滑落落，并尽量少滑离平板的中心位置。并尽量少滑离平板的中心位置。（3 3）用用手手推推动动摆摆杆杆至至一一个个角角度度（在在45456060间间），调调整整平平板板角角度度，平平板板中中心心稳稳定定叠叠放放8 8枚枚1 1元元硬硬币币，见见图图2 2；启启动动后后放放开开摆摆杆杆让让其其自自由由摇摇摆摆。在在摆摆杆杆摇摇摆摆过过程程中中，要要求求限限制制平平板板状状态态使使硬硬币币在在摆摆杆杆的的5 5 个个摇摇摆摆周周期期中中不不从从平平板板上上滑滑落落，并并保保持持叠叠放放状状态态。依依据据平平板板上上非非保保持持叠叠放放状状态态及及滑滑落落的的硬硬币数计算成果。币数计算成果。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统介介绍绍 二、要求：二、要求：2 2发挥部分发挥部分:（1 1）如如图图3 3所所示示，在在平平板板上上固固定定一一激激光光笔笔，光光斑斑照照射射在在距距摆摆杆杆150cm 150cm 距距离离处处垂垂直直放放置置的的靶靶子子上上。摆摆杆杆垂垂直直静静止止且且平平板板处处于于水水平平常常，调调整整靶靶子子高高度度，使使光光斑斑照照射射在在靶靶纸纸的的某某一一条条线线上上，标标识识此此线线为为中中心心线线。用用手手推推动动摆摆杆杆至至一一个个角角度度（在在30306060间间），启启动动后后，系系统统应应在在1515秒秒钟钟内内限限制制平平板板尽尽量量使使激激光光笔笔照照射射在在中中心心线线上上（偏偏差差确确定定值值1cm1cm），完完成成时时以以LED LED 指指示示。依据光斑偏离中心线的距离计算成果，超时则视为失败。依据光斑偏离中心线的距离计算成果，超时则视为失败。（2 2）在在上上述述过过程程完完成成后后，调调整整平平板板，使使激激光光笔笔照照射射到到中中心心线线上上（可可人人工工帮帮助助）。启启动动后后放放开开让让摆摆杆杆自自由由摇摇摆摆；摇摇摆摆过过程程中中尽尽量量使使激激光光笔笔光光斑斑始始终终瞄瞄准准照照射射在在靶靶纸纸的的中中心心线线上上，依依据据光斑偏离中心线的距离计算成果。光斑偏离中心线的距离计算成果。（3 3）其他。）其他。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统介介绍绍 2 2发挥部分:第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统介介绍绍 三三 说明（摘录）：说明（摘录）：1、摆杆可以接受木质、金属、塑料等硬质材料；摆杆长度（固定转轴至电机轴的距离）为100 cm5cm；摆杆通过转轴固定在支架或横梁上，并能够敏捷摇摆。摆杆不得受重力以外的任何外力限制。2、平板的状态只能受电机限制。平板的长宽尺寸为10cm6cm，可以接受较轻的硬质材料；不得有磁性；表面必需为光滑的硬质平面；不得有凸起的边沿；倾斜确定角度时硬币须能滑落。平板承载重量不小于100g。3、摇摆周期的定义：摆杆被释放至下一次摇摆到同侧最高点。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统介介绍绍 三三 说明（摘录）：说明（摘录）：4、发挥部分，须要在平板上固定安装一激光笔。激光笔的照射方向垂直于电机转轴。激光笔的光斑直径不大于5mm。需在距摆杆150cm处设置一高度可以调整的目标靶子，靶子上粘贴靶纸（A4 打印纸），靶纸上画一组间距为1cm 的水平平行线。测试现场供应靶子，也可自带。5、允许手动操作启动工作，亦可自动启动工作。一旦摆杆起先自由摇摆，不得再人为干预系统运行。6、设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果用附件给出。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统介介绍绍四、评分标准：四、评分标准：第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计摘摘摘摘录录录录于：于：于：于：20112011基于自由基于自由基于自由基于自由摆摆摆摆的平板限制系的平板限制系的平板限制系的平板限制系统报统报统报统报告告告告 摘要:接受28BYJ48的5V驱动4相5线制的步进电机制作了一个自由摆上的平板限制系统，用高精度数字输出精密倾角传感器SCA100T采集摇摆过程中平板的角度数据，通过多次集取平均值的方法基于倾角转换公式将所采样的数据转换成角度反馈给单片机，由51单片机限制步进电机转动相应的角度，从而达到平板上的物体能始终保持平衡。在数据采集的过程中接受了非线性误差校正等数据处理方法。系统主要由摆架框架、数据采集部分、主控板、驱动系统、液晶显示五个功能模块组成。本设计基本能完成自由摆在摇摆过程中对平板的平衡限制，平板能够在自由摆摇摆的一个周期中旋转一周，在平板放置一枚至多枚硬币时仍能够保持叠放状态并使硬币不从平板上滑落。关键词：测控系统，平板限制，51单片机，步进电机 第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计 1.1.1.1.系统方案系统方案系统方案系统方案 1.1 1.1 1.1 1.1实现方法：实现方法：实现方法：实现方法：本本本本题题题题要要要要求求求求设设设设计计计计并并并并制制制制作作作作一一一一个个个个自自自自由由由由摆摆摆摆上上上上的的的的平平平平板板板板限限限限制制制制系系系系统统统统，在在在在自自自自由由由由摆摆摆摆的的的的摇摇摇摇摆摆摆摆过过过过程程程程中中中中，使使使使位位位位于于于于摆摆摆摆末末末末端端端端的的的的平平平平板板板板始始始始终终终终保保保保持持持持水水水水平平平平状状状状态态态态。我我我我们们们们想想想想利利利利用用用用电电电电机机机机限限限限制制制制平平平平板板板板，角角角角度度度度传传传传感感感感器器器器测测测测量量量量平平平平板板板板水水水水平平平平方方方方向向向向倾倾倾倾角角角角来来来来确确确确定定定定平平平平板板板板何何何何时时时时达达达达到到到到平平平平衡衡衡衡，主主主主要要要要由由由由以以以以下下下下三三三三大大大大部部部部分分分分组组组组成成成成摆摆摆摆架架架架框框框框架架架架：包包包包括括括括摆摆摆摆架架架架座座座座、摆摆摆摆杆杆杆杆、轴轴轴轴承承承承及及及及弹弹弹弹性性性性元元元元件件件件等等等等，起起起起支支支支撑撑撑撑作作作作用用用用，平平平平板板板板位位位位于于于于摆摆摆摆杆杆杆杆末末末末端端端端的的的的电电电电机机机机轴轴轴轴上上上上；检检检检测测测测系系系系统统统统：通通通通过过过过传传传传感感感感器器器器检检检检测测测测出出出出平平平平板板板板工工工工作作作作台台台台的的的的角角角角度度度度变变变变更更更更，指指指指示示示示出出出出不不不不平平平平衡衡衡衡度度度度的的的的大大大大小小小小，并并并并经经经经过过过过一一一一系系系系列列列列的的的的数数数数据据据据处处处处理理理理后后后后送送送送给给给给限限限限制制制制器器器器；限限限限制制制制驱驱驱驱动动动动系系系系统统统统：限限限限制制制制器器器器通通通通过过过过对对对对传传传传感感感感器器器器输输输输出出出出信信信信号号号号的的的的分分分分析析析析发发发发出出出出限限限限制制制制信信信信号号号号，经经经经功功功功率率率率放放放放大大大大后后后后限限限限制制制制电电电电机机机机的的的的转转转转动动动动，带带带带动动动动平平平平板板板板尽尽尽尽快快快快复复复复原原原原平平平平衡状态。上述各模块的方案论证如下。衡状态。上述各模块的方案论证如下。衡状态。上述各模块的方案论证如下。衡状态。上述各模块的方案论证如下。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计 1.2方案论证 1.2.1 限制器模块 方案一：接受ATMEL公司的AT89C51。51单片机价格便宜，应用广泛，简洁，好用，资料多，市场需求大；另外51单片机能够实现软硬件调试，易于测试。51单片机的乘法和除法指令编程也带来了便利，易于实现平板的平衡限制。方案二：接受TI公司的ARMCortex-M3内核处理器芯片LM3S1439作为中心处理器，处理器本身带有32KB的bit-bandedSRAM和96KB的Flash存储器，对于一般的限制应用，不需外扩数据程序存储器，但是价格较高且对此RAM单片机的了解太少，短期内不能熟悉进行编程，给制作带来困难。依据本题的要求并结合实际我们最终选择了第一种方案。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计 1.2方案论证 1.2.2电机模块 电机模块选择是整个方案设计的关键，依据设计要求，平板需在自由摆摇摆的状况下达到平衡状态，这须要对平板的精确限制，而且平板的平衡性能要好。因此一般直流电机不能满足要求。方案一：接受直流减速电机限制小车的运动，直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动实力差,无法达到小车刚好停车的要求。方案二：接受28BYJ48 5V 驱动的4相5线制的步进电机。它是减速步进电机，体积小，减速比为1：64，步进角为5.625/64 度。它的主要特性有：步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。变更脉冲的依次，可以便利的变更转动的方向,符合题目的限制需求。经过反复的比较、论证，我们最终选用了方案二。该型号步进电机满足制作须要且加驱动器后与单片机接口简洁，限制便利且。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计 1.2方案论证 1.2.3 角度检测模块 角度检测模块也是系统的重要组成部分，我们须要利用角度传感器来测量平衡板水平方向倾角，当倾角在某个范围之内的时候即可认为跷跷板达到平衡态。由于跷跷板的倾角不能太大要保证硬币不滑落，角度变更范围较小，因此要求角度传感器精度高，频率快。目前市场上适合的传感器主要有以下两种。方案一：接受深圳市华夏磁电子技术开发有限公司的AME-B001角度传感器，0360度测量范围，但是安装特别不便利，而且电压输出信号，采集不便。方案二：接受芬兰生产的高精度数字输出精密倾角传感器SCA100T。它的测量范围0.5g(30)，1.0g(90)且是双轴向倾角测量，体积小，便于安装，并拥有极好的抗过载与抗震实力。在满足设计要求的前提下，考虑到接口、安装便利等因素,选择了方案二。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计 1.2方案论证 1.2.4 电源模块 方案一：铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉。使制作成本增加结构繁琐。方案二：运用USB 5V电源干脆对51最小系统供电，结构简洁，易于编程。经比较，我们选择方案二，用5V电压转换后给限制器、传感器及液晶显示等模块运用。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计 1.3 系统设计 依据上述方案论证，我们最终确定了以AT80C51单片机作为中心处理器，接受型号为28BYJ48的步进电机限制平板的角度，用芬兰生产的高精度数字输出精密倾角传感器SCA100T来测量平板的水平倾角。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计 1.4 结构框图 依据上面的分析论证，我们设计的系统的总体结构框图如图1所示。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计 2.理论分析与计算 限制原理；木板力平衡数学模型；限制策略等内容。（略）3.电路与程序设计 3.1硬件及单元电路 （略）3.2 软件设计与工作流程图 （略）第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用B 题题：基于自由：基于自由摆摆的平板限制系的平板限制系统统方案方案设计设计 4.4.结果分析结果分析 测试方案，测试仪表确定，基本要求与测量结果分析。测试方案，测试仪表确定，基本要求与测量结果分析。5.5.结语结语 完成状况；取得的成果；参赛体会和感言。完成状况；取得的成果；参赛体会和感言。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机应用系统单片机应用系统单片机单片机控制器控制器模块模块接口接口电路电路及外及外部设部设备等备等软软软软件件件件硬件硬件硬件硬件 系统设计内容系统设计内容系统设计内容系统设计内容1）单片机主系统设计（限制器模块）-硬件2)接口电路及外设设计(包括抗干扰设计）-硬件3)应用软件设计(包括抗干扰设计）单片机主系统单片机主系统主系统设计内容主系统设计内容 a.a.单片机选型；单片机选型；b.MSC-51 b.MSC-51系列片内有程序存储器的机型，只需在片外配上电系列片内有程序存储器的机型，只需在片外配上电源、复位电路、振荡电路，这样便于对单片机系统进行测试与源、复位电路、振荡电路，这样便于对单片机系统进行测试与调试。调试。-见其次章。见其次章。c.c.配置能满足应用系统要求的一些外围功能器件。配置能满足应用系统要求的一些外围功能器件。第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用 第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用 感谢大家！敬请指责指正！第四章第四章 单片机在高校生科技创新活动中的应用单片机在高校生科技创新活动中的应用