專利名稱：一種基于單片機的機電控制實驗教學平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種機電控制教學用具，更特別地說，是指一種能夠使機電控制 工程學生學習與了解機電系統(tǒng)開發(fā)全過程的基于單片機的機電控制實驗教學平臺。
背景技術(shù)：
機電系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和軍事系統(tǒng)方面有著廣泛的應用前景，一個機電系統(tǒng)通常包 括機械本體部分、動力驅(qū)動部分、測試傳感部分、控制及信息處理部分、執(zhí)行機構(gòu)部分。而在 控制及信息處理部分通常采用單片機。近年來，單片機技術(shù)迅猛發(fā)展，在機械電子工程、自 動化技術(shù)、計算機技術(shù)、檢測技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應用。單片機技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工程人 員、科學技術(shù)人員必備技術(shù)之一。單片機發(fā)展較快，新型單片機及外圍器件日新月異。目前市場上常見的單片機開 發(fā)板針對性不強，無法滿足課程教學的需要。
發(fā)明內(nèi)容為了方便機電控制工程學生學習與了解單片機開發(fā)的教學需要，本實用新型設(shè)計 了一種基于單片機的機電控制實驗教學平臺。該實驗教學平臺包括有PC機、單片機、LED 燈指示模塊、LED數(shù)碼管顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、電機、A按鍵、B按鍵和旋鈕。PC機通過 傳輸線與單片機實現(xiàn)連接。單片機分別與LED顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、 A按鍵、B按鍵和旋鈕為電信號聯(lián)接。本實用新型的實驗教學平臺通過采用模塊化的設(shè)計思 路讓學生了解單片機的工作全過程、以及與單片機協(xié)調(diào)工作的外圍電路模塊。一種基于單片機的機電控制實驗教學平臺，包括有PC機，還包括有單片機(1)、 LED燈指示模塊(2)、數(shù)碼管顯示模塊(3)、電機驅(qū)動模塊(4)、電機(41)、A按鍵(11)、B按 鍵(12)和旋鈕(13)；單片機(1)接收和輸出的信息分別為第一方面接收PC機下載的控制程序Ftl ；第二方面接收PC機下發(fā)的電機調(diào)速指令F1 ；第三方面接收A按鍵(11)輸出的指令信息F11 ；第四方面接收B按鍵(12)輸出的指令信息F12 ；第五方面接收旋鈕(13)輸出的指令信息F13 ；第六方面輸出顯示信息F3給LED燈指示模塊(2)進行顯示；第七方面輸出電機轉(zhuǎn)速信息F3給數(shù)碼管顯示模塊(3)進行顯示；第八方面輸出電機信息F4給電機驅(qū)動模塊⑷去驅(qū)動電機(41)。本實用新型的單片機實驗教學平臺優(yōu)點在于采用實際應用中的芯片進行教學， 易于實驗者更好的掌握單片機原理及開發(fā)流程，更可以進一步提高實驗者的動手能力。本 實驗平臺構(gòu)造簡單，原理清晰，實驗者可以對其進行編程，進行LED燈指示，LED數(shù)碼管顯 示，串口通訊，電機控制等實驗，從而使實驗者能掌握單片機產(chǎn)品開發(fā)的全過程。
圖1是本實用新型的實驗教學平臺的功能結(jié)構(gòu)框圖。圖2是單片機ATmegaS芯片部分管腳的電路原理圖。圖2A是LED燈的電路原理圖。圖2B是LED數(shù)碼管的電路原理圖。圖2C是串口的電路原理圖。圖2D是電機驅(qū)動芯片的電路原理圖。圖2E是旋鈕的電路原理圖。圖2F是兩個按鍵的電路原理圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的詳細說。參見圖1所示，本實用新型的一種基于單片機的機電控制實驗教學平臺，該教學 平臺包括有PC機、單片機1、LED燈指示模塊2、LED數(shù)碼管顯示模塊3、電機驅(qū)動模塊4、電 機41、A按鍵11、B按鍵12和旋鈕13。PC機通過傳輸線與單片機1實現(xiàn)連接。單片機1分 別與LED燈指示模塊2、數(shù)碼管顯示模塊3、電機驅(qū)動模塊4、A按鍵11、B按鍵12和旋鈕13 為電信號聯(lián)接。本實用新型以單片機1接收和輸出的信息進行電信號的連接說明如下為第一方面接收PC機下載的控制程序Ftl ；第二方面接收PC機下發(fā)的電機調(diào)速指令F1 ；第三方面接收A按鍵11輸出的指令信息F11 ；第四方面接收B按鍵12輸出的指令信息F12 ；第五方面接收旋鈕13輸出的指令信息F13 ；第六方面輸出顯示信息F2給LED燈指示模塊2進行顯示；第七方面輸出電機轉(zhuǎn)速信息F3給LED數(shù)碼管顯示模塊3進行顯示；第八方面輸出電機信息F4給電機驅(qū)動模塊4去驅(qū)動電機41。在本實用新型中，當電機41選取直流伺服電機時，單片機1可以接受到直流伺服 電機上的碼盤反饋的轉(zhuǎn)速信息。本實用新型的實驗教學平臺所需士3.3￥、5乂、12￥工作電壓，由外部電源設(shè)備提{共。PC機也是常稱為的計算機，是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速地進行大 量數(shù)值計算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。最低配置為CPU2GHZ，內(nèi)存2GB，硬盤 180GB ；操作系統(tǒng)為windows 2000/2003/XP。在本實用新型中，PC機完成的任務之一為對單 片機進行控制程序的編寫(控制程序Ftl采用C語言編寫)，并下載給單片機1 ；另一任務為 單片機1的串口發(fā)送電機調(diào)速指令F1，從而體現(xiàn)單片機1中串口的功能。采用PC機對單片機1進行在線編程(ISP)能夠?qū)纹瑱C上的空白元器件寫入最 終用戶代碼，而不需要從電路板上取下元器件，是當今流行的單片機編程模式。對于單片機 來講可以通過SPI或其它的串行接口接收上位機傳來的數(shù)據(jù)并寫入存儲器中。所以即使學 習者將芯片焊接在電路板上，只要留出和上位機接口的這個串口，就可以實現(xiàn)芯片內(nèi)部存儲器的改寫，而無須再取下芯片。ISP技術(shù)的優(yōu)勢是不需要編程器就可以進行單片機的實驗 和開發(fā)，單片機芯片可以直接焊接到電路板上，調(diào)試結(jié)束即成成品，免去了調(diào)試時由于頻繁 地插入取出芯片對芯片和電路板帶來的不便。本專利中提及的單片機1是要學生了解的對象，單片機1中運行的控制程序Ftl能 夠?qū)崿F(xiàn)的功能為(1)接收工作指令；(2)對接收到的工作指令進行分析；(3)電機控制。單片機即是一個微控制器，可以做簡單的運算和控制，可處理算數(shù)運算(加、減、 乘、除等)和邏輯運算(與、或、非等)，響應中斷，處理輸入、輸出事件。在本實用新型中，單片機1可以選取AVR系列單片機中的ATmegaS芯片。AVR內(nèi)核 具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連 接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高 了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmegaS芯片有 如下特點8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash (具有同時讀寫的能力，即Rffff)，512字節(jié)EEPR0M， IK字節(jié)SRAM，32個通用I/O 口線，32個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時 器/計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，10位6路 (8路為TQFP與MLF封裝)ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口， 以及五種可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而SRAM、 T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中 斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時 間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與 ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或 諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速 啟動能力。ATmegaS芯片為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmegaS 芯片中的端口除常規(guī)連接外，17端口與18端口之間并聯(lián)有晶振Y1，且17端口經(jīng)Cl電容后 接地，18端口經(jīng)C2電容后接地，29端口與地之間連接有開關(guān)S0，并且經(jīng)Rl電阻后接電源 VCC，經(jīng)C3端口后接地。參見圖2、圖2A 圖2F所示，單片機與外部部件的電路連接為(一)LED燈指示模塊2LED燈即發(fā)光二極管，是常見的顯示器件。當電流從二極管的陽極流向陰極時，LED 燈亮。在試驗中，控制二極管陰陽極端的高低電平即可實現(xiàn)控制LED燈的亮滅。LED燈的亮 滅通常起到指示作用，比如編寫程序時，要求發(fā)生中斷時燈亮，那么在運行程序時就能通過 觀察燈的亮滅判斷中斷是否發(fā)生。LED燈指示模塊2 (參見圖2A所示)的電路為ATmega8-16AI芯片的23端與LED燈指示模塊2的DSl發(fā)光二極管的陰極連接， DSl發(fā)光二極管的陽極與電源VCC之間接有Rl電阻；ATmega8-16AI芯片的24端與LED燈指示模塊2的DS2發(fā)光二極管的陰極連接， DS2發(fā)光二極管的陽極與電源VCC之間接有R2電阻；
5[0050]ATmega8-16AI芯片的25端與LED燈指示模塊2的DS3發(fā)光二極管的陰極連接， DS3發(fā)光二極管的陽極與電源VCC之間接有R3電阻；ATmega8-16AI芯片的26端與LED燈指示模塊2的DS4發(fā)光二極管的陰極連接， DS4發(fā)光二極管的陽極與電源VCC之間接有R4電阻。( 二)數(shù)碼管顯示模塊3數(shù)碼管也是一種常見的顯示器件。將七個LED燈并行排列，通過采用ZLG7289芯 片協(xié)調(diào)控制這七個LED燈的亮滅就能顯示出0-9這10個數(shù)字。在本實用新型教學設(shè)備里 可以用來顯示電機的轉(zhuǎn)速等，該電機是指電機驅(qū)動模塊4與外部連接的電機41。數(shù)碼管顯示模塊3 (參見圖2B所示)的電路為四個LED數(shù)碼管中的11端口經(jīng)R12電阻后與ZLG7289芯片的16端口連接；四個LED數(shù)碼管中的7端口經(jīng)Rll電阻后與ZLG7289芯片的15端口連接；四個LED數(shù)碼管中的4端口經(jīng)RlO電阻后與ZLG7289芯片的14端口連接；四個LED數(shù)碼管中的2端口經(jīng)R9電阻后與ZLG7289芯片的13端口連接；四個LED數(shù)碼管中的1端口經(jīng)R8電阻后與ZLG7289芯片的12端口連接；四個LED數(shù)碼管中的10端口經(jīng)R7電阻后與ZLG7289芯片的11端口連接；四個LED數(shù)碼管中的5端口經(jīng)R6電阻后與ZLG7289芯片的10端口連接；四個LED數(shù)碼管中的3端口經(jīng)R5電阻后與ZLG7289芯片的17端口連接；四個LED數(shù)碼管中的6端口與ZLG7289芯片的18端口連接；四個LED數(shù)碼管中的8端口與ZLG7289芯片的19端口連接；四個LED數(shù)碼管中的9端口與ZLG7289芯片的20端口連接；四個LED數(shù)碼管中的12端口與ZLG7289芯片的21端口連接；ZLG7289芯片的26端口與27端口之間并聯(lián)有晶振Y2，且26端口經(jīng)C121電容接 地，27端口經(jīng)C122電容接地；ZLG7289芯片的28端口經(jīng)R13電阻后接電源VCC，且28端口經(jīng)C123電容后接地；ZLG7289芯片的6端口、7端口禾Π 8端口分別與ATmega8_16AI芯片的9端口、10端 口和11端口連接。(三)電機驅(qū)動模塊4電機驅(qū)動模塊4可讀取編碼器信號作為反饋量控制一路直流伺服電機，也可以開 環(huán)控制兩路直流電機。采用L298集成電動機驅(qū)動芯片實現(xiàn)電機的PWM調(diào)速，PWM波的頻率 要求比較高一些，一般是幾K到幾十K的樣子，而且脈寬(或者占空比)控制的是電機的 速度，采用雙極性PWM調(diào)速時，當占空比為50%的時候，電機制動；大于50%時，電機向一 個方向轉(zhuǎn)動；小于50%的時候，向另外一個方向轉(zhuǎn)動。采用單極性PWM調(diào)速時，當占空比為 0%的時候，電機制動；當占空比為100%時，電機速度最大；當換根線輸出PWM波時，電機向 另外一個方向轉(zhuǎn)動。電機驅(qū)動模塊4 (參見圖2D所示)的電路為L298電動機驅(qū)動芯片的5端口與比較器的1端口連接，比較器的2端口與 ATmega8-16AI芯片的10端口連接；L298電動機驅(qū)動芯片的10端口與比較器的3端口連接，比較器的4端口與 ATmega8-16AI芯片的11端口連接；[0075]L298電動機驅(qū)動芯片的4端口與外部電源設(shè)備連接，8端口接地，且4端口與8端 口之間并聯(lián)有兩個電容(C32電容、C33電容)；L298電動機驅(qū)動芯片的9端口經(jīng)C31電容后接地，且9端口也接電源VCC ；L298電動機驅(qū)動芯片的11端口和6端口經(jīng)R31電阻后接地；L298電動機驅(qū)動芯片的15端口和1端口接地；L298電動機驅(qū)動芯片的2端口一方面經(jīng)D31 二極管后與外部電源設(shè)備連接，另一 方面經(jīng)D35 二極管后接地，第三方面與J3-1電機接口的1連接；L298電動機驅(qū)動芯片的3端口一方面經(jīng)D32 二極管后與外部電源設(shè)備連接，另一 方面經(jīng)D36 二極管后接地，第三方面與J3-1電機接口的2連接J3-1電機接口用于與電機 41連接;L298電動機驅(qū)動芯片的13端口一方面經(jīng)D33 二極管后與外部電源設(shè)備連接，另一 方面經(jīng)D37 二極管后接地；L298電動機驅(qū)動芯片的14端口一方面經(jīng)D34二極管后與外部電源設(shè)備連接，另一 方面經(jīng)D38 二極管后接地。(四)A按鍵和B按鍵為簡化控制，本實用新型采用了兩個獨立按鍵，即A按鍵11、B按鍵12，電路結(jié)構(gòu) 參見圖2F所示，Sffl選通開關(guān)的一端與ATmega8-16AI芯片的32端口連接，Sffl選通開關(guān) 的另一端經(jīng)R14電阻后接電源VCC ；Sff2選通開關(guān)的一端與ATmega8-16AI芯片的1端口連 接，SW2選通開關(guān)的另一端經(jīng)R15電阻后接電源VCC。每只按鍵接單片機的一個I/O 口線， 通過對輸入線的查詢，即可識別出個按鍵的狀態(tài)來。并將其分別接到單片機的INTl端口、 INT2端口上；當鍵按下時，產(chǎn)生下降沿，可以分別觸發(fā)外部中斷INT1、INT2,由此在兩個中 斷函數(shù)中分別處理對應的按鍵操作。(五)旋鈕旋鈕13是實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的處理器件，參見圖2E所示，RO滑動變阻 器與ATmega8-16AI芯片的2端口連接。旋鈕對應一個RO滑動變阻器，當轉(zhuǎn)動旋鈕時即改 變阻值，從而改變輸入端的電壓信號，既而實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號處理。如本實用新 型中可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的輸入控制，電壓信號小時控制電機轉(zhuǎn)速的脈沖信號頻率小，轉(zhuǎn)速小； 反之，電壓信號大時控制電機轉(zhuǎn)速的脈沖信號頻率大，轉(zhuǎn)速大。(六)串口模塊當選取的單片機1芯片型號不具有集成的串口模塊時，可以采用如圖2C所示的 MAX3232芯片進行單片機1與PC機之間的通訊。串行同步通訊容易理解，約定一個同步時 鐘，每一時刻傳輸線上的信息就是要傳送的信息單元。串行異步通訊是把一個字符看作一 個獨立的信息單元，每一個字符中的各位是以固定的時間傳送。因此，這種傳送方式在同一 字節(jié)內(nèi)部是同步的，而字符間是異步的。在異步通信中收發(fā)雙方取得同步的方法是采用在 字符格式中設(shè)置起始位，而在字符結(jié)束時發(fā)送1 2個停止位。當接收器檢測到起始位時， 便能知道接著是有效的字符位，于是開始接收字符，檢測到停止位時，就將接收到的有效字 符裝載到接收緩沖器中。串口模塊(參見圖2C所示)的電路為MAX3232芯片的14端口和13端口通過9針插頭與PC機連接，11端口和12端口分別與ATmega8-16AI芯片的31端口和30端口連接。MAX3232芯片的其它端口為常規(guī)連 接。1端口與3端口之間并聯(lián)有C21電容，4端口與5端口之間并聯(lián)有C22電容，2端口經(jīng) C23電容后接地，6端口經(jīng)C24電容后接地，16端口接電源VCC，15端口接地。
權(quán)利要求1.一種基于單片機的機電控制實驗教學平臺，包括有PC機，其特征在于還包括有 單片機(1)、LED燈指示模塊(2)、數(shù)碼管顯示模塊(3)、電機驅(qū)動模塊(4)、電機(41)、A按鍵(11)、B按鍵(12)和旋鈕(13)；單片機(1)接收和輸出的信息分別為 第一方面接收PC機下載的控制程序F。； 第二方面接收PC機下發(fā)的電機調(diào)速指令F1 ； 第三方面接收A按鍵(11)輸出的指令信息F11 ； 第四方面接收B按鍵(12)輸出的指令信息F12 ； 第五方面接收旋鈕(13)輸出的指令信息F13 ； 第六方面輸出顯示信息F2給LED燈指示模塊(2)進行顯示； 第七方面輸出電機轉(zhuǎn)速信息F3給數(shù)碼管顯示模塊(3)進行顯示； 第八方面輸出電機信息F4給電機驅(qū)動模塊(4)去驅(qū)動電機(41)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單片機的機電控制實驗教學平臺，其特征在于電機 (41)是直流伺服電機、步進電機或者舵機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單片機的機電控制實驗教學平臺，其特征在于單片機 (1)選取AVR系列單片機中的ATmegaS芯片。
專利摘要本實用新型公開了一種基于單片機的機電控制實驗教學平臺，包括有PC機、單片機、LED燈指示模塊、LED數(shù)碼管顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、電機、A按鍵、B按鍵和旋鈕；單片機第一方面接收PC機下載的控制程序F0；第二方面接收PC機下發(fā)的電機調(diào)速指令F1；第三方面接收A按鍵輸出的指令信息F11；第四方面接收B按鍵輸出的指令信息F12；第五方面接收旋鈕輸出的指令信息F13；第六方面輸出顯示信息F2給LED燈指示模塊進行顯示；第七方面輸出電機轉(zhuǎn)速信息F3給LED數(shù)碼管顯示模塊進行顯示；第八方面輸出電機信息F4給電機驅(qū)動模塊去驅(qū)動電機。該實驗教學平臺通過采用模塊化的設(shè)計思路讓學生了解機電系統(tǒng)的工作全過程、以及與單片機協(xié)調(diào)工作的外圍電路模塊。
文檔編號G09B19/00GK201788603SQ20102010304
公開日2011年4月6日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者王田苗, 肖偉, 陳彧欣, 陳殿生 申請人:北京航空航天大學