CN201788603U

CN201788603U - 一种基于单片机的机电控制实验教学平台

Info

Publication number: CN201788603U
Application number: CN201020103043XU
Authority: CN
Inventors: 陈殿生; 王田苗; 肖伟; 陈彧欣
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2020-01-27

Abstract

本实用新型公开了一种基于单片机的机电控制实验教学平台，包括有PC机、单片机、LED灯指示模块、LED数码管显示模块、电机驱动模块、电机、A按键、B按键和旋钮；单片机第一方面接收PC机下载的控制程序F₀；第二方面接收PC机下发的电机调速指令F₁；第三方面接收A按键输出的指令信息F₁₁；第四方面接收B按键输出的指令信息F₁₂；第五方面接收旋钮输出的指令信息F₁₃；第六方面输出显示信息F₂给LED灯指示模块进行显示；第七方面输出电机转速信息F₃给LED数码管显示模块进行显示；第八方面输出电机信息F₄给电机驱动模块去驱动电机。该实验教学平台通过采用模块化的设计思路让学生了解机电系统的工作全过程、以及与单片机协调工作的外围电路模块。

Description

一种基于单片机的机电控制实验教学平台

技术领域

本实用新型涉及一种机电控制教学用具，更特别地说，是指一种能够使机电控制工程学生学习与了解机电系统开发全过程的基于单片机的机电控制实验教学平台。

背景技术

机电系统在国民经济和军事系统方面有着广泛的应用前景，一个机电系统通常包括机械本体部分、动力驱动部分、测试传感部分、控制及信息处理部分、执行机构部分。而在控制及信息处理部分通常采用单片机。近年来，单片机技术迅猛发展，在机械电子工程、自动化技术、计算机技术、检测技术等领域得到广泛的应用。单片机技术已经成为现代工程人员、科学技术人员必备技术之一。

单片机发展较快，新型单片机及外围器件日新月异。目前市场上常见的单片机开发板针对性不强，无法满足课程教学的需要。

发明内容

为了方便机电控制工程学生学习与了解单片机开发的教学需要，本实用新型设计了一种基于单片机的机电控制实验教学平台。该实验教学平台包括有PC机、单片机、LED灯指示模块、LED数码管显示模块、电机驱动模块、电机、A按键、B按键和旋钮。PC机通过传输线与单片机实现连接。单片机分别与LED显示模块、数码管显示模块、电机驱动模块、A按键、B按键和旋钮为电信号联接。本实用新型的实验教学平台通过采用模块化的设计思路让学生了解单片机的工作全过程、以及与单片机协调工作的外围电路模块。

一种基于单片机的机电控制实验教学平台，包括有PC机，还包括有：单片机(1)、LED灯指示模块(2)、数码管显示模块(3)、电机驱动模块(4)、电机(41)、A按键(11)、B按键(12)和旋钮(13)；单片机(1)接收和输出的信息分别为：

第一方面接收PC机下载的控制程序F₀；

第二方面接收PC机下发的电机调速指令F₁；

第三方面接收A按键(11)输出的指令信息F₁₁；

第四方面接收B按键(12)输出的指令信息F₁₂；

第五方面接收旋钮(13)输出的指令信息F₁₃；

第六方面输出显示信息F₃给LED灯指示模块(2)进行显示；

第七方面输出电机转速信息F₃给数码管显示模块(3)进行显示；

第八方面输出电机信息F₄给电机驱动模块(4)去驱动电机(41)。

本实用新型的单片机实验教学平台优点在于：采用实际应用中的芯片进行教学，易于实验者更好的掌握单片机原理及开发流程，更可以进一步提高实验者的动手能力。本实验平台构造简单，原理清晰，实验者可以对其进行编程，进行LED灯指示，LED数码管显示，串口通讯，电机控制等实验，从而使实验者能掌握单片机产品开发的全过程。

附图说明

图1是本实用新型的实验教学平台的功能结构框图。

图2是单片机ATmega8芯片部分管脚的电路原理图。

图2A是LED灯的电路原理图。

图2B是LED数码管的电路原理图。

图2C是串口的电路原理图。

图2D是电机驱动芯片的电路原理图。

图2E是旋钮的电路原理图。

图2F是两个按键的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做进一步的详细说。

参见图1所示，本实用新型的一种基于单片机的机电控制实验教学平台，该教学平台包括有PC机、单片机1、LED灯指示模块2、LED数码管显示模块3、电机驱动模块4、电机41、A按键11、B按键12和旋钮13。PC机通过传输线与单片机1实现连接。单片机1分别与LED灯指示模块2、数码管显示模块3、电机驱动模块4、A按键11、B按键12和旋钮13为电信号联接。

本实用新型以单片机1接收和输出的信息进行电信号的连接说明如下为：

第一方面接收PC机下载的控制程序F₀；

第二方面接收PC机下发的电机调速指令F₁；

第三方面接收A按键11输出的指令信息F₁₁；

第四方面接收B按键12输出的指令信息F₁₂；

第五方面接收旋钮13输出的指令信息F₁₃；

第六方面输出显示信息F₂给LED灯指示模块2进行显示；

第七方面输出电机转速信息F₃给LED数码管显示模块3进行显示；

第八方面输出电机信息F₄给电机驱动模块4去驱动电机41。

在本实用新型中，当电机41选取直流伺服电机时，单片机1可以接受到直流伺服电机上的码盘反馈的转速信息。

本实用新型的实验教学平台所需±3.3V、5V、12V工作电压，由外部电源设备提供。

PC机也是常称为的计算机，是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU2GHz，内存2GB，硬盘180GB；操作系统为windows 2000/2003/XP。在本实用新型中，PC机完成的任务之一为对单片机进行控制程序的编写(控制程序F₀采用C语言编写)，并下载给单片机1；另一任务为单片机1的串口发送电机调速指令F₁，从而体现单片机1中串口的功能。

采用PC机对单片机1进行在线编程(ISP)能够对单片机上的空白元器件写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下元器件，是当今流行的单片机编程模式。对于单片机来讲可以通过SPI或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使学习者将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。ISP技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便。

本专利中提及的单片机1是要学生了解的对象，单片机1中运行的控制程序F₀能够实现的功能为：

(1)接收工作指令；

(2)对接收到的工作指令进行分析；

(3)电机控制。

单片机即是一个微控制器，可以做简单的运算和控制，可处理算数运算(加、减、乘、除等)和逻辑运算(与、或、非等)，响应中断，处理输入、输出事件。

在本实用新型中，单片机1可以选取AVR系列单片机中的ATmega8芯片。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元 (ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega8芯片有如下特点：8K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，10位6路(8路为TQFP与MLF封装)ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及五种可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。ATmega8芯片为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega8芯片中的端口除常规连接外，17端口与18端口之间并联有晶振Y1，且17端口经C1电容后接地，18端口经C2电容后接地，29端口与地之间连接有开关S0，并且经R1电阻后接电源VCC，经C3端口后接地。

参见图2、图2A～图2F所示，单片机与外部部件的电路连接为：

(一)LED灯指示模块2

LED灯即发光二极管，是常见的显示器件。当电流从二极管的阳极流向阴极时，LED灯亮。在试验中，控制二极管阴阳极端的高低电平即可实现控制LED灯的亮灭。LED灯的亮灭通常起到指示作用，比如编写程序时，要求发生中断时灯亮，那么在运行程序时就能通过观察灯的亮灭判断中断是否发生。

LED灯指示模块2(参见图2A所示)的电路为：

ATmega8-16AI芯片的23端与LED灯指示模块2的DS1发光二极管的阴极连接，DS1发光二极管的阳极与电源VCC之间接有R1电阻；

ATmega8-16AI芯片的24端与LED灯指示模块2的DS2发光二极管的阴极连接，DS2发光二极管的阳极与电源VCC之间接有R2电阻；

ATmega8-16AI芯片的25端与LED灯指示模块2的DS3发光二极管的阴极连接，DS3发光二极管的阳极与电源VCC之间接有R3电阻；

ATmega8-16AI芯片的26端与LED灯指示模块2的DS4发光二极管的阴极连接，DS4发光二极管的阳极与电源VCC之间接有R4电阻。

(二)数码管显示模块3

数码管也是一种常见的显示器件。将七个LED灯并行排列，通过采用ZLG7289芯片协调控制这七个LED灯的亮灭就能显示出0-9这10个数字。在本实用新型教学设备里可以用来显示电机的转速等，该电机是指电机驱动模块4与外部连接的电机41。

数码管显示模块3(参见图2B所示)的电路为：

四个LED数码管中的11端口经R12电阻后与ZLG7289芯片的16端口连接；

四个LED数码管中的7端口经R11电阻后与ZLG7289芯片的15端口连接；

四个LED数码管中的4端口经R10电阻后与ZLG7289芯片的14端口连接；

四个LED数码管中的2端口经R9电阻后与ZLG7289芯片的13端口连接；

四个LED数码管中的1端口经R8电阻后与ZLG7289芯片的12端口连接；

四个LED数码管中的10端口经R7电阻后与ZLG7289芯片的11端口连接；

四个LED数码管中的5端口经R6电阻后与ZLG7289芯片的10端口连接；

四个LED数码管中的3端口经R5电阻后与ZLG7289芯片的17端口连接；

四个LED数码管中的6端口与ZLG7289芯片的18端口连接；

四个LED数码管中的8端口与ZLG7289芯片的19端口连接；

四个LED数码管中的9端口与ZLG7289芯片的20端口连接；

四个LED数码管中的12端口与ZLG7289芯片的21端口连接；

ZLG7289芯片的26端口与27端口之间并联有晶振Y2，且26端口经C121电容接地，27端口经C122电容接地；

ZLG7289芯片的28端口经R13电阻后接电源VCC，且28端口经C123电容后接地；

ZLG7289芯片的6端口、7端口和8端口分别与ATmega8-16AI芯片的9端口、10端口和11端口连接。

(三)电机驱动模块4

电机驱动模块4可读取编码器信号作为反馈量控制一路直流伺服电机，也可以开环控制两路直流电机。采用L298集成电动机驱动芯片实现电机的PWM调速，PWM波的频率要求比较高一些，一般是几K到几十K的样子，而且脉宽(或者占空比)控制的是电机的速度，采用双极性PWM调速时，当占空比为50％的时候，电机制动；大于50％时，电机向一个方向转动；小于50％的时候，向另外一个方向转动。采用单极性PWM调速时，当占空比为0％的时候，电机制动；当占空比为100％时，电机速度最大；当换根线输出PWM波时，电机向另外一个方向转动。

电机驱动模块4(参见图2D所示)的电路为：

L298电动机驱动芯片的5端口与比较器的1端口连接，比较器的2端口与ATmega8-16AI芯片的10端口连接；

L298电动机驱动芯片的10端口与比较器的3端口连接，比较器的4端口与ATmega8-16AI芯片的11端口连接；

L298电动机驱动芯片的4端口与外部电源设备连接，8端口接地，且4端口与8端口之间并联有两个电容(C32电容、C33电容)；

L298电动机驱动芯片的9端口经C31电容后接地，且9端口也接电源VCC；

L298电动机驱动芯片的11端口和6端口经R31电阻后接地；

L298电动机驱动芯片的15端口和1端口接地；

L298电动机驱动芯片的2端口一方面经D31二极管后与外部电源设备连接，另一方面经D35二极管后接地，第三方面与J3-1电机接口的1连接；

L298电动机驱动芯片的3端口一方面经D32二极管后与外部电源设备连接，另一方面经D36二极管后接地，第三方面与J3-1电机接口的2连接；J3-1电机接口用于与电机41连接；

L298电动机驱动芯片的13端口一方面经D33二极管后与外部电源设备连接，另一方面经D37二极管后接地；

L298电动机驱动芯片的14端口一方面经D34二极管后与外部电源设备连接，另一方面经D38二极管后接地。

(四)A按键和B按键

为简化控制，本实用新型采用了两个独立按键，即A按键11、B按键12，电路结构参见图2F所示，SW1选通开关的一端与ATmega8-16AI芯片的32端口连接，SW1选通开关的另一端经R14电阻后接电源VCC；SW2选通开关的一端与ATmega8-16AI芯片的1端口连接，SW2选通开关的另一端经R15电阻后接电源VCC。每只按键接单片机的一个I/O口线，通过对输入线的查询，即可识别出个按键的状态来。并将其分别接到单片机的INT1端口、INT2端口上；当键按下时，产生下降沿，可以分别触发外部中断INT1、INT2，由此在两个中断函数中分别处理对应的按键操作。

(五)旋钮

旋钮13是实现模拟信号转换成数字信号的处理器件，参见图2E所示，R0滑动变阻器与ATmega8-16AI芯片的2端口连接。旋钮对应一个R0滑动变阻器，当转动旋钮时即改变阻值，从而改变输入端的电压信号，既而实现模拟信号转换成数字信号处理。如本实用新型中可实现电机转速的输入控制，电压信号小时控制电机转速的脉冲信号频率小，转速小；反之，电压信号大时控制电机转速的脉冲信号频率大，转速大。

(六)串口模块

当选取的单片机1芯片型号不具有集成的串口模块时，可以采用如图2C所示的MAX3232芯片进行单片机1与PC机之间的通讯。串行同步通讯容易理解，约定一个同步时钟，每一时刻传输线上的信息就是要传送的信息单元。串行异步通讯是把一个字符看作一个独立的信息单元，每一个字符中的各位是以固定的时间传送。因此，这种传送方式在同一字节内部是同步的，而字符间是异步的。在异步通信中收发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位，而在字符结束时发送1～2个停止位。当接收器检测到起始位时，便能知道接着是有效的字符位，于是开始接收字符，检测到停止位时，就将接收到的有效字符装载到接收缓冲器中。

串口模块(参见图2C所示)的电路为：

MAX3232芯片的14端口和13端口通过9针插头与PC机连接，11端口和12端口分别与ATmega8-16AI芯片的31端口和30端口连接。MAX3232芯片的其它端口为常规连接。1端口与3端口之间并联有C21电容，4端口与5端口之间并联有C22电容，2端口经C23电容后接地，6端口经C24电容后接地，16端口接电源VCC，15端口接地。

Claims

1.一种基于单片机的机电控制实验教学平台，包括有PC机，其特征在于还包括有：

单片机(1)、LED灯指示模块(2)、数码管显示模块(3)、电机驱动模块(4)、电机(41)、A按键(11)、B按键(12)和旋钮(13)；单片机(1)接收和输出的信息分别为：

第一方面接收PC机下载的控制程序F₀；

第二方面接收PC机下发的电机调速指令F₁；

第三方面接收A按键(11)输出的指令信息F₁₁；

第四方面接收B按键(12)输出的指令信息F₁₂；

第五方面接收旋钮(13)输出的指令信息F₁₃；

第六方面输出显示信息F₂给LED灯指示模块(2)进行显示；

2.根据权利要求1所述的基于单片机的机电控制实验教学平台，其特征在于：电机(41)是直流伺服电机、步进电机或者舵机。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的机电控制实验教学平台，其特征在于：单片机(1)选取AVR系列单片机中的ATmega8芯片。