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

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1、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第9章单片机应用系统设计实例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基于AT89C52控制的磁悬浮球演示系统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

2、。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

3、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。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

4、，在竖直方向上，小球的动力学方程为：根据电磁学理论可知，系统的电力学方程近似为：其中为小球质量，为悬浮间隙，为重力加速度，为电磁吸力，电磁铁的平均电流，是与系统结构有关的参数。9.1.1组成及工作原理：悬浮控制原理设额定悬浮间隙为，额定电磁铁平均电流为，将上述模型在线性化后，可得到系统的传递函数为：其中，，，，，为拉普拉斯算子。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：其中

5、为控制电压，为电磁铁线圈的电阻，简单起见，忽略线圈电感。其中、和分别是比例、微分和积分系数，又称为控制器参数，选取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AT89C52与ADC0809的接口电路设计控制电路基于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

6、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：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

7、参数。9.1.2电路设计：控制电路接口电路实现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

8、速率为10kSPS，输入电压范围0～+5V。9.1.2电路设计：接口电路(2)A/D转换器与单片机的接口关系AT89C52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