单片机机械控制设计及典型应用

第1章 单片机机械控制原理 001

1.1　控制系统概述 1

1.2 控制系统的分类 3

1.2.1 按控制的时间形式分类 3

1.2.2 按给定值特征分类 4

1.2.3 按系统的变量分类 5

1.2.4 按系统的动态特性分类 5

1.2.5 按被控对象稳态输出分类 6

1.2.6 按控制信息的方式分类 6

1.2.7 按控制系统应用分类 7

1.3 控制系统的基本要求 9

1.4 单片机技术控制系统 9

1.4.1 计算机控制技术概念 9

1.4.2 单片机的发展概况 10

1.4.3 单片机的分类 10

1.4.4 单片机的发展趋势 11

1.5 单片机在典型机械控制上的应用 12

第2章 单片机控制的电子电路基础 015

2.1 开关、电阻器、电容和电感 15

2.1.1 开关 15

2.1.2 电阻器 18

2.1.3 电容器 21

2.1.4 电感器 24

2.2 二极管及三极管 25

2.2.1 二极管 25

2.2.2 三极管 31

2.3 集成运算放大器 38

2.3.1 集成运算放大器的电路组成与符号 38

2.3.2 集成运算放大器的应用电路 40

2.4 数制和码制 43

2.4.1 二进制 43

2.4.2 十六进制数 44

2.5 组合逻辑 44

2.6 时序逻辑 47

2.6.1 触发器 47

2.6.2 触发器的典型应用 50

2.7 元器件的封装 51

第3章 单片机的硬件结构 052

3.1 单片机的基本组成 52

3.2 单片机的中央处理器 53

3.3 单片机的封装形式与引脚介绍 54

3.4 单片机的并行端口 55

3.4.1 I/O接口的作用 55

3.4.2 并行I/O接口 56

3.5 单片机的存储器 59

3.6 单片机的时钟与时序 63

3.7 单片机的复位 64

3.8 单片机的标识 65

3.9 单片机控制系统的外围部件 66

3.9.1 TIA/EIA-232（RS-232）驱动器和接收器 66

3.9.2 TIA/EIA-422 & 423线路驱动器和接收器 68

3.9.3 TIA/EIA-485线路驱动器、接收器、中继器和收发器 69

3.9.4 I2C总线接口器件 69

3.9.5 SPI串行总线接口器件 72

3.9.6 CAN总线接口器件 73

第4章 单片机基础C语言 079

4.1 C语言概述 79

4.1.1 C语言的特点 79

4.1.2 简单C语言程序的构成 79

4.1.3 C语言用于单片机的优势 81

4.2 标识符和关键字 82

4.2.1 标识符 82

4.2.2 关键字 82

4.3 数据类型 83

4.3.1 常量 83

4.3.2 变量 85

4.4 运算符和表达式 87

4.4.1 赋值运算符和表达式 87

4.4.2 类型转换 87

4.4.3 复合的赋值运算符 88

4.4.4 算术运算符和表达式 88

4.4.5 关系运算符和表达式 90

4.4.6 逻辑运算符和表达式 91

4.4.7 位运算符和表达式 92

第5章 C51基本语句与函数讲解 096

5.1 基本语句 96

5.1.1 表达式语句和复合语句 96

5.1.2 条件语句 96

5.1.3 循环语句 97

5.2 基础函数 100

5.2.1 函数定义 100

5.2.2 函数的调用 100

5.2.3 中断函数 101

5.2.4 函数的参数和返回值 102

5.3 数组与指针 103

5.3.1 数组 103

5.3.2 指针 105

第6章 单片机控制系统开发的常用工具 108

6.1 Proteus集成开发环境 108

6.1.1 Proteus的主要功能特点 108

6.1.2 Proteus软件的界面与操作介绍 108

6.1.3 Proteus仿真设计快速入门 110

6.2 Keil C51集成开发环境 117

6.2.1 单片机最小系统 117

6.2.2 一个发光二极管的程序 118

第7章 单片机控制的输入系统 124

7.1 并行输入通道与信号处理 124

7.1.1 键盘的工作原理 124

7.1.2 独立式按键 125

7.1.3 行列式键盘 126

7.2 串行输入通道与信号处理 129

7.3 A/D输入通道与信号处理 130

7.3.1 A/D转换原理 130

7.3.2 A/D转换器的主要技术指标 132

7.3.3 A/D转换器与单片机的接口电路 132

7.3.4 A/D转换程序设计 134

7.4 信号检测和传感器 134

7.4.1 信号检测 135

7.4.2 传感器 137

7.5 信号采样及处理 144

7.5.1 信号的采样 144

7.5.2 量化和量化误差 145

7.5.3 采样保持器 146

第8章 单片机控制的输出系统 148

8.1 并行输出通道及信号处理 148

8.1.1 并行输出通道 148

8.1.2 I/O接口的扩展方法 148

8.1.3 LED显示器接口 150

8.1.4 液晶显示器LCD接口 154

8.2 串行输出通道及信号处理 155

8.2.1 单片机串行接口通信 155

8.2.2 PC与单片机通信 156

8.2.3 单片机串行接口的扩展 158

8.3 D/A输出通道及信号处理 159

8.3.1 D/A转换器 159

8.3.2 D/A电路原理 160

8.3.3 D/A转换芯片—DAC0832 161

8.4 PWM输出通道及信号处理 164

8.4.1 PWM工作原理 164

8.4.2 PWM的应用 165

8.5 输出系统的功率驱动部件和执行部件 166

8.5.1 功率晶体管 166

8.5.2 继电器 168

8.5.3 电磁阀 169

第9章 单片机的控制方法 170

9.1 伺服控制与过程控制 170

9.2 性能指标 171

9.3 开关控制器 172

9.4 比例控制 172

9.5 积分控制 175

9.6 微分控制 176

9.7 PID控制 177

9.7.1 模拟PID控制器 178

9.7.2 数字PID控制器 180

9.7.3 PID控制器整定 184

9.7.4 采样率 186

9.7.5 自整定 187

9.8 串级控制 187

9.9 PIP控制器 188

9.10 模糊逻辑控制器 189

9.10.1 模糊逻辑基本概念 189

9.10.2 模糊控制方法 190

9.10.3 模糊控制举例 194

第10章 单片机对电机的控制 203

10.1 单片机控制直流电机 203

10.1.1 直流电动机的PWM调压调速原理 203

10.1.2 直流电动机的不可逆PWM控制 205

10.1.3 直流电动机双极性驱动可逆PWM控制 207

10.1.4 直流电动机单极性驱动可逆PWM控制 209

10.1.5 直流电机的驱动模块 211

10.1.6 大型电动机的直流电机控制 212

10.1.7 单片机控制无刷电机 214

10.2 单片机控制步进电机 216

10.2.1 步进电机分类 217

10.2.2 步进电机的结构 217

10.2.3 步进电动机的工作原理 218

10.2.4 步进电动机的工作方式 219

10.2.5 步进电动机的特性 222

10.2.6 步进电机驱动控制系统 223

10.2.7 步进电机单片机控制 229

10.3 单片机控制交流电动机 232

10.3.1 变频调速原理 232

10.3.2 变频器的作用 236

10.3.3 单片机控制变频调速原理 237

10.3.4 单片机控制变频调速系统 240

10.3.5 变频器的选用和主要参数 244

10.3.6 变频器的单片机控制 247

10.4 单片机控制伺服电动机 255

10.4.1 伺服电动机的结构特性 255

10.4.2 伺服电动机的控制 258

10.4.3 单片机控制工作原理 261

10.4.4 单片机控制伺服电机实例 262

第11章 单片机机械控制的典型应用 265

11.1 电喷汽车喷油嘴清洗机 265

11.1.1 系统功能描述及工作原理 265

11.1.2 系统方案及电路设计 266

11.1.3 程序设计 269

11.2 室内全自动攀岩机 277

11.2.1 系统功能描述 277

11.2.2 攀岩机的工作原理 278

11.2.3 系统方案及电路设计 279

11.2.4 程序设计 281

11.3 餐厅服务机器人 294

11.3.1 系统功能描述 294

11.3.2 餐厅服务机器人的工作原理 294

11.3.3 系统方案及电路设计 295

第12章 单片机机械控制系统的设计方法 301

12.1 单片机控制系统构成的基本方法 301

12.2 典型的单片机产品及选用 303

12.2.1 51系列单片机 303

12.2.2 PIC单片机 305

12.2.3 AVR单片机 306

12.2.4 单片机的选择 306

12.2.5 单片机厂商 307

12.3 控制系统硬件的设计方法 310

12.4 单片机控制系统软件的设计方法 312

12.4.1 编程语言的选择 312

12.4.2 软件设计 313

12.4.3 软件抗干扰原理与方法 313

12.5 控制系统的调试方法 314

12.5.1 开发系统选择 314

12.5.2 控制系统硬件的调试方法 315

12.5.3 控制系统软件的调试方法 317

参考文献 318