AutoLeaders控制组——51单片机学习笔记（DS18B20温度传感器、LCD1602、直流电机+PWM）

本篇内容是观看B站江科大自化协UP主的教学视频所做的笔记，对其中内容有所引用，并结合自己的单片机板块进行了更改调整。

以下笔记内容以一个视频为一个片段（内容较多，可能不适合速食，望见谅）

一些内容涉及前面的知识点，可能需要提前了解（可以翻看本人之前的文章或者去B站看UP主的视频）

13-1 DS18B20温度传感器

单片机上的DS18B20：

拆卸后的DS18B20：

DS18B20部分

Ⅰ、DS18B20介绍

DS18B20是一种常见的数字温度传感器，其控制命令和数据都是以数字信号的方式输入输出，相比较于模拟温度传感器，具有功能强大、硬件简单、易扩展、抗干扰性强等特点

测温范围：-55°C 到 +125°C

通信接口：1-Wire（单总线）

其它特征：可形成总线结构、内置温度报警功能、可寄生供电

（可寄生供电即无需接VCC，只需要接数据线与GND即可完成数据通信，节省线路）

模拟温度传感器原理：

通过外接电路，当温度变化时，热敏电阻两端电压发生改变，产生连续的电压变化（模拟信号），通过AD芯片将模拟信号转换为数字信号，最终将数据反馈出来。

（最终读取的数据只是正比于温度，还需要进行系数配比才能显示出温度）

——因此应用方面不如数字温度传感器。

电路模块：

来自up主数据手册截图：

数字温度传感器原理：

DS18B20（TO-92分装）：

如DS18B20一样，它内部集成了上面模拟温度传感器的部分（集成模拟温度传感器，并在内部实现数据转化），并将数据存储在内部的RAM（随机存储器）中。

——因此无需设计电路，只需要通过引脚与单总线通信协议，将RAM里面的温度转化读取出来即可。

（也就是说，模拟温度传感器的部分都需要利用外界资源，但数字温度传感器自己内部已经集成有了）

Ⅱ、引脚及应用电路

up主处部分：

本单片机DS18B20原理图：

up主部分的R1为上拉电阻，与I2C部分的上拉电阻功能相同。（可以参考I2C总线部分笔记对照）

Ⅲ、内部结构框图

本单片机芯片资料内部结构框图（DS1820，不是DS18B20）：

一、PARASITE POWER CIRCUIT（寄生供电）部分

解释作用：这一部分电路能省去VDD，直接采用DQ供电。

①POWER-SUPPLY SENSE负责检测电路是否连接VDD。

②当VDD连接时，电流会正常过来，如下图。

③当VDD没有连接时，上方的DQ会通过二极管流下来进行供电。

这里加入了一个上拉电阻，为了使得寄生供电能满足温度传感器的工作电流要求。

④当为低电平状态时，VDD与DQ都不流入电流，这时为了维持内部系统正常运转，于是需要Cpp（电容）来进行供电。

Cpp在高电平状态时会存储电能，当转为低电平时，将电能释放，以维持系统运转工作。

PS：本单片机并没有接入强上拉电路（上拉电阻部分），因此这里不使用该功能，而采用外部供电。

二、64-BIT ROM AND 1-Wire PORT（64位ROM与单总线PORT接口）部分

这里的ROM为只读存储器（真的只能只读），记录器件的地址（ID号），用于总线通信的寻址（不能更改）。

PS：当外部发送正确地址时，才能进入下一部分。（也可以设置指令跳过该部分）

三、控制逻辑与RAM部分

①上面的MEMORY CONTROL LOGIC为内存控制逻辑部分，负责与指令进行交互，进行指令的执行（如写入数据到下方的RAM，或将RAM数据放到单总线上）。

②下面的SCRATCHPAD（暂存器）为RAM，存储着温度等参数，为数据交互的一个寄存器。

四、存储数据部分

①TEMPERATURE SENSOR（温度传感器）相当于内部的模拟传感器集成部分。

当发出指令让其开始温度转换时，该部分就开始工作，并将数据放入RAM中。

②ALARM HIGH TRIGGER REGISTER（TH，报警高触发器）用于存储温度上限阈值，实现温度报警。

存储介质为EEPROM，掉电不丢失数据。

③ALARM LOW TRIGGER REGISTER（TL，报警低触发器）用于存储温度下限阈值，实现温度报警。

存储介质为EEPROM，掉电不丢失数据。

④CONFIGURATION REGISTER（配置寄存器）用于设置分辨率（精度）

——这里出厂默认最高精度为0.0625℃。

可以通过配置寄存器中两位（其他位无效）来降低精度，最低为0.5℃。

当精度降低时，温度转换速率会迅速提升。（相当于处理的数据少了，流程简化，速度就上去了）

存储介质为EEPROM，掉电不丢失数据。

⑤8-BIT CRC GENERATOR（8位CRC生成器）中CRC为校验码，该部分将RAM之前的数据进行校验，并生成一个校验码放于后端，通讯时检测即可判断数据是否正确。（CRC为校正率较高的一种校验码）

※存储器结构（RAM部分）

本单片机芯片资料图：

右边（EEPROM）部分

这里的EEPROM对应上面存储数据部分的②~④。（因为其他为存在的硬件部分）

左边（RAM）部分

温度存储部分：

①Byte 0存储的是温度的最低有效字节，括号内为默认值。

②Byte1存储的是温度的最高有效字节，括号内为默认值。

③两个字节共同组成温度值，在未变动情况下，默认值为85℃。（不同单片机默认值不一样）

配置温度数据部分：

①Byte 2存储为温度上限阈值，Byte 3存储为温度下限阈值，Byte 4存储为精度（分辨率）。

②右边的EEPROM负责存储数据，需要读取与写入数据要先经过RAM部分，然后通过指令将数据存储进EEPROM中（当上电时，EEPROM的数据会自动放入RAM中）

保留部分：

Byte 5~Byte 7为保留部分，并没有使用到，当后续功能升级再添加。

CRC校验部分：

将前面八个字节进行运算，并生成CRC校验码。

可以读取CRC校验码，并对前面八个字节数据进行运算，如果运算结果与CRC相同，那么校验正确，反之数据出错。

单总线部分

Ⅰ、单总线介绍

单总线（1-Wire BUS）是由Dallas公司开发的一种通用数据总线一根通信线：DQ

异步、半双工

单总线只需要一根通信线即可实现数据的双向传输，当采用寄生供电时，还可以省去设备的VDD线路，此时，供电加通信只需要DQ和GND两根线

DS18B20：

DHT11：

DHT11为温湿度传感器（顾名思义，既可以测温度，也可以测湿度）。

Ⅱ、单总线电路规范

• 设备的DQ均要配置成开漏输出模式
• DQ添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右。

​ （与I2C总线部分类似，可以去I2C总线部分内容对比了解）

• 若此总线的从机采取寄生供电，则主机还应配一个强上拉输出电路

外部供电：

类似于I2C总线原理。

寄生供电：

解释：

这里VDD与GND合并为一条线（即没有VDD）。

Vpu部分有一个电子开关，当输出为高电平时，开关闭合，此时DQ被Vpu部分强上拉进行供电，充当VDD作用。

而当低电平状态时，电子开关断开，此时供电由下方小型的弱上拉Vpu部分进行提供，仅保证工作的电能。

（当进行EEPROM读写等耗电操作时，必须给强上拉才能工作）

Ⅲ、单总线时序结构

一、初始化部分

这里使用了绝对时间，是因为只有一根线的原因，无法像I2C总线一样利用上升沿或下降沿。

过程：

①图中黑粗线Bus master pulling low（主机拉低）是将总线拉低；

②图中黑细线Resistor pullup为上拉电阻将总线上拉（因为是弱上拉，所以利用曲线来表示弱的状态，而不是强上拉一下拉上去）

③当从机存在时，从机会将总线拉低（即图中棕线DS18B20 pulling low）。

④最终上拉电阻拉高，总线恢复空闲状态。

⑤通过以上步骤，可以将过程分为复位与响应两个部分。

操作：

①在从机（棕色部分）响应时，检测I/O口即可知道从机是否存在。

②因为中间的操作间隔时间为范围值，且没有参考数据，于是取中间值作为等待间隔时间。

二、发送一位部分

上面的时间片为时序结构。

过程：

可以将上面的部分分为发送0与发送1两部分的时序。

①发送0时拉低超过60us即可，但不能超过120us，否则可能会变为初始化操作（至少480us）

②中间存在总线恢复时间，因此连续发送两位不能低于这个恢复时间。（本单片机操作时间较长，因此这里了解即可）

③图中阴影部分，表示可以在1~15us时释放总线即可，这时电阻都会将总线拉高。

④从机在主线拉低30us后进行操作（如果发送0，就一直保持总线拉低；如果发送1，就在主线拉低后，将总线释放）

操作：

在主机拉低后30us后，从机读取I/O口即可。

三、接收一位部分

过程：

①当主机拉低总线后，从机如果需要发0，那么也拉低总线，当主机在1~15us后释放总线时，因为从机拉低着，因此总线状态为拉低状态（0）。

②当主机拉低总线后，从机如果需要发1，那么就不动总线。当主机经过1~15us后释放总线时，因为没有被拉低，因此总线状态为拉高状态（1）。

操作：

在总机拉低后15us内读取总线电平（I/O口），即可知道从机需要发送的数据。

（之所以主机读取的时间短，是为了给从机留下充足时间，因为从机无法找到其什么时候释放总线恢复为高电平——如图中主机接收0后面的大片阴影部分）

四、发送一个字节部分

五、接收一个字节部分

DS18B20操作部分

Ⅰ、DS18B20操作流程

初始化：从机复位，主机判断从机是否响应

ROM操作：ROM指令+本指令需要的读写操作

功能操作：功能指令+本指令需要的读写操作（RAM操作）

ROM指令：

①SEARCH ROM（搜寻ROM）

②READ ROM（读取ROM）：先调用读取指令，再调用读取时序（接收部分），就可以将ROM读取出来。

③MATCH ROM（匹配ROM）：先发送匹配指令，然后发送ROM地址，实现利用该指令匹配与哪个设备进行通信的效果。

④SKIP ROM（跳过ROM）：调用跳过指令，直接将ROM部分跳过进入下一部分。

（当总线上只有一个设备时使用。多个设备挂载时，使用这个指令会产生混乱，无法确定是哪个设备）

⑤ALARM SEARCH（报警搜索）：当挂载多个设备的情况下，某个设备温度超过设定温度阈值时，会产生报警，利用这个指令即可搜索出超过温度阈值的设备。

功能指令：

①CONVERT T（温度变换）：调用该指令时，温度传感器部分会将温度数据的模拟信号转化为数字信号，并将数据放在RAM中（相当于数据更新）。

②WRITE SCRATCHPAD（写暂存器）：调用该指令后，再接着写入时序（发送一个字节部分），那么该字节就会被写入RAM中的配置温度数据部分。

③READ SCRATCHPAD（读暂存器）：调用该指令后，再接着接收时序（接收一个字节部分部分），那么DS18B20就会依次将RAM里面内容读取出来（直到CRC）。

——下面的实现代码只需要读取前两个字节（温度数据）即可。

④>COPY SCRATCHPAD（复制暂存器）：调用该指令后，DS18B20就会把RAM中配置温度数据部分写入EEPROM中（实现掉电不丢失）。

⑤RECALL E2（重调E2暂存器）：调用该指令后，DS18B20就会把EEPROM中数据放入RAM中（覆盖之前的数据）。

⑥READ POWER SUPPLY（读取设备供电模式）：调用该指令后，紧跟着读取一位时序（接收一位字节部分），就会返回当前供电状态（独立供电或寄生供电）

——使用该指令原因：因为进行操作（如数据变换）时，需要高电能补充；因此在寄生供电状态下，需要调强上拉模式；

如果在独立供电时，就不需要调；

因此出现了这种指令。

Ⅱ、DS18B20数据帧

温度变换

温度读取

Ⅲ、温度存储格式

①这里的小数部分依靠二分法的机制进行补位，最小分度为0.0625（即每次数据加一，即温度增加0.0625℃）

②这里数据的存储方式以二进制补码的形式存储。

（即正数保持不变，负数则将对应的正数每个位取反，最后加一）

——如上面下方的表格，即为部分温度的二进制与十六进制的数据对照。

Ⅳ、DS18B20原理图

这里的P37对应的即为DQ（单总线接口），因为I/O口都连接有上拉电阻（单片机核心原理图部分），因此这里没有显示上拉电阻部分。

PS：手册中的DS1820

手册中的知识为DS1820，不是这里的DS18B20。（DS18B20为DS1820的升级版）

手册中的芯片图：

DS1820与DS18B20的内容基本一样，但存储格式不一样，且分辨率也不一样。

因此，建议去网上找对应的DS18B20的手册。

——英文内容正宗，中文内容更亲切（但是会出现翻译错误）

补充：来自up主的手册流程图

13-2 DS18B20温度读取&温度报警器

代码一

实现效果：在LCD1602液晶屏显示DS18B20检测的温度。

Ⅰ、新建项目与main.c文件

Ⅱ、添加已模块化的文件

Ⅲ、编写单总线代码

OneWire.c文件

一、对总线的I/O口进行定义

定义I/O口：

二、添加初始化函数

初始化函数：

说明：这里的延时部分，可能与上面的等待时间有所出入，是因为没有建议时间导致的，为了充分等待，因此延时时间较长。

补充：延时语句部分

这里的延时语句，需要在STC烧录程序中生成。

以up主的12MHZ晶振为例进行说明：

①从下面可以看到，一条_nop_();语句，延时长度为1us。

②从下面可以看到，调用一次函数，延时长度为4us（本单片机延时长度为5us）。

③从下面可以看到，一个循环语句，延时长度为7us。（本单片机延时长度为8us）

③因此我们无法通过循环的方式，编写一个可调节的微秒函数（因为循环也存在延时）。

——之前毫秒函数可调节是因为毫秒延时长度大，因此可以忽略循环产生的微秒延时误差。

——调用函数时，也会存在延时。

所以需要生成微秒延时语句时，直接在STC烧录程序中生成对应代码即可。

测试：

因为初始化函数有返回值，因此可以进行测试。

——边写边测试，养成好习惯。

main.c文件：

OneWire.h文件：

烧录后，发现LCD1602液晶屏显示数字000，说明此时有从机响应；

拔掉DS18B20后，再次检测（可以重启单片机，或者按下复位按键均可），可以发现显示数字变为001，说明此时没有从机响应。

出现上面的显示效果，说明代码没有问题。

三、添加发送一位函数

发送一位函数：

补充：

①因为上面提到，调用一次函数，都会存在延时（11.0592MHZ晶振为5us延时）。

②因此这里直接生成15us的函数，然后去掉函数结构（也就是去掉调用环节），实现减掉5us的延时，刚好为10us。

（因为11.0595MHZ晶振调用延时为5us延时）

——上面70us没有考虑到调用（其实也是考虑到了），是因为延时较大。

③但是_nop_();语句，添加就得加入文件，因此去掉。

（而且上面也说只要在15us内释放就行，因此少1us影响不大）

四、添加接收一位函数

接收一位函数：

PS：这里考虑到了函数调用的延时5us，因此生成的是55us延时函数。

五、添加发送一个字节函数

发送一个字节函数：

六、添加接收一个字节函数

接收一个字节函数：

OneWire.h文件

Ⅳ、编写DS18B20代码

DS18B20.c文件

一、对操作指令进行宏定义

定义指令：

二、添加温度变换函数

温度变换函数：

三、添加温度读取函数

温度读取函数：

补充：

利用浮点数类型，单片机运行速率会变慢，但是这里可以不在乎这一点时间，因此采用了浮点数类型。

PS：这里可以进行更改，使得运行更快。

比如用整形变量存储并通过指针形式返回，显示时再分开显示，再补上小数点的显示就可以达到相同效果。（个人想法）

——事实上后面确实也做了分开处理，因此可以考虑。

DS18B20.h文件

Ⅴ、编写主函数文件

说明：LCD_ShowNum(2,6,(unsigned long)(T*10000)%10000,4);

①这里是将小数部分移到整数，然后去掉之前的整数部分，使得能正常显示。

②因为乘以10000后，float类型存储不下这么多字节（float只能存储整数四位与小数四位），因此需要强制类型转换为unsigned long。

Ⅵ、烧录程序

烧录后，即可看到LCD1602液晶屏显示温度的效果。

补充：显示温度与二进制对应转换

在DS18B20的温度读取函数中添加两条显示二进制代码，即可看到温度对应的二进制数变动，更加直观的知道温度变化的过程。（别忘了包含头文件LCD1602.h）

PS：测试完后记得删除，除非想保留这种效果。

补充：最开始显示时不是默认温度

添加划线部分区域，使得上电时不会有一刻出现默认值（本单片机为1℃）

代码二

实现效果：在LCD1602液晶屏显示DS18B20检测的温度，同时可以设置温度上下阈值，当温度超过阈值时，会给出显示越界。

Ⅰ、新建工程及main.c文件

可以选择拷贝一份代码一的文件进行更改，也可新建。

Ⅱ、添加存在的已模块化的文件

这里除了上个程序的模块化代码外，还添加了I2C文件与AT24C02文件，以及Key文件（这个Key文件是未用定时器扫描时的模块化代码）

Key.c文件：

Ⅲ、处理主函数部分

一、加入温度显示代码

二、加入温度阈值代码

初始显示与准备：

while（1）循环内：

三、加入越界判断代码

前面部分改动：

while（1）循环内：

四、加入存储阈值代码（掉电不丢失）

初始显示部分：

温度阈值显示部分：

Ⅳ、烧录程序

烧录后即可看到预期效果。

改进代码二

原因：因为代码二中的Key具有Delay语句，因此当按住按键时，温度是不会走动的，不符合想要的感觉，因此进行调整。

Ⅰ、替换Key文件，加入定时器模块化文件

一、将代码二中Key文件替换为I2C时已经加入定时器模块化的文件。

（更改后的文件代码可以查看I2C部分的内容）

二、添加Timer0文件。

Ⅱ、加入新的按键扫描代码

中断函数部分：

初始准备部分：

检验：

烧录程序后，发现按住按键，温度显示可以正常走动；

但是温度显示会出现闪烁。

解释：

因为单总线在运行的时候，存在绝对时间，当中断产生时，会打断单总线的运行，使得显示出错。

解决方法：

在单总线运行时，将定时器关闭，使得单总线运行正常。

对OneWire.c文件进行更改：

初始化函数：

发送一位函数：

接收一位函数：

缺点：

因为这里使用的是按键扫描，因此定时器被停止影响不大。

但是如果为计时操作，定时器被停止会产生较大的误差，导致时间不准。

总结：

①因为单总线具有严格的运行时间，导致运行时无法被打断（即需要将运行优先级调到最高），所以使用不方便；

可以通过外接模块自行扫描来实现分开运转，保证各自的最高优先级。

②I2C总线因为具有联动性（即主机停止，从机也停止），因此中断对其影响不大。

14-1 LCD1602

Ⅰ、LCD1602介绍

• LCD1602（Liquid Crystal Display）液晶显示屏是一种字符型液晶显示模块，可以显示ASCII码的标准字符和其它的一些内置特殊字符，还可以有8个自定义字符

• 显示容量：16×2个字符，每个字符为5*7点阵

  （实际为5*8的点阵，只是字符占据5*7）

• 1602是由其能显示的字符数命名的数字。

LCD1602正面图：

LCD1602背面图：

这里黑色的两个圆圈为LCD1602的芯片（里面封装了LCD的控制电路与字模，因此自带扫描电路，无需写入代码扫描——联系单总线最后总结部分）

LCD12864：

12864指的是宽度为128个像素点，高度为64个像素点。

（本单片机也可以加入这个液晶屏，插入第二行排座即可）

一般mp3使用的屏幕：

定制的LCD显示屏：

可以定制特定的字符，对比前面的通用LCD成本低。（但是定制的没法更改一些内容）

彩色LCD显示屏：

Ⅱ、引脚与应用电路

本单片机上原理图：

说明：

VO：电位器硬件，可以通过转动调节对比度。（对比度太浅，无法显示字符；太深，每个像素点都显示，无法分辨内容）

——这里的电阻尽量选择大一点（千欧级别以上）。

本单片机上电位器位置：

D0~D7（本单片机的DB0~DB7）：八个引脚代表一个字节，并行传输模式。

（最好接在同一个寄存器上，如P0，而且最好从低到高排列，否则需要处理数据比较麻烦）

RS：数据/指令选择。当为1时，传输的字节为数据；当为0时，传输的字节为指令（不显示在屏幕上）。

RW：读/写选择。当为1时，代表单片机向LCD读取数据；当为0时，代表向LCD写入数据。

（一般读不出什么数据，因此后面写入代码使用写选择）

E：使能，相当于I2C的SCK。当为1时，将数据或指令传输；当为0时，LCD内部处理指令数据。

A与K（本单片机上的BG VCC与BG GND）：前者为背光灯电源正极，后者为背光灯电源负极。控制LCD背光灯亮起来，如果不接，屏幕会显示，但不会发亮（因为屏幕不自带灯光）。

Ⅲ、内部结构框图

CGRAM+CGROM（Character Generator，字模生成）：字模库，其中RAM是可写入的区域（即上面的自定义字符），ROM为不可写入区域（存放着ASCLL标准字符与一些特殊字符）。

DDRAM（Data Display RAM，数据显示RAM）：

数据显示区，写入的数据都存储进该存储单元中，

并且通过在字模库中查找，最终显示在屏幕上。

（类似于二极管显示数字，不能直接给数字，而是需要给对应十六进制数进行转换的道理，这里的字模库相当于十六进制存储库）

补充：数据显示区为40*2，而屏幕区为16*2，因此只能显示数据显示器前十六列的数据（如果想显示其他列，需要指令操作）。

控制器部分的AC：光标位置，相当于在数据显示区的特定区域写入内容。（可以通过指令确定AC位置）

Ⅳ、存储器结构

DDRAM部分

上面为数据显示区对应位置的地址。

PS：第一行与第二行的地址不是连续的。

CGRAM+CGROM部分

字模库：

ASCLL码表：

• 上面第一列的CGRAM部分，重复了两次1~8，实际上地址是重复的（即只有八个地址，第二次的1~8地址与第一次相同），因此只能自定义八个字符。
• 第二部分与第三部分为CGROM部分，只能通过数字读取对应字符，不能更改。
• 其中第二部分为ASCLL码表部分（但是有小部分字符被替换了，因此建议以字模库内容为准。）

Ⅴ、时序结构

写时序：

读时序与写时序类似，但是这里不需要读，只需要写入数据即可。

步骤（只需要看第一次写时序部分即可）：

①将RS设置（1为数据，0为指令）。——图中交叉部分代表填写数据。

②将RW置0（为写选择）。

③将DB0~DB7填入字节数据。

④将E拉高，传输数据。

⑤再将E拉低，完成数据传输。

Ⅵ、LCD1602指令集

根据1所在的最高位位置，对应不同的指令块。

Ⅶ、LCD1602操作流程

14-2 LCD1602功能函数代码

实现效果：在LCD1602液晶屏显示中显示字符、字符串、无符号数字、有符号数字、十六进制数、二进制数。

Ⅰ、新建工程及main.c文件

Ⅱ、编写LCD1602功能函数文件

LCD1602.c文件

一、定义I/O口

单片机核心原理图（部分）：

LCD1602原理图：

定义部分：

补充：这里define可以直接用sfr来进行定义，不过定义的名字后面需要接着地址，因此采用define形式。

REGX52.H文件：

二、编写写指令函数

写指令函数：

这里根据手册来说，单片机速度没有LCD处理数据的速度快，但是依然会出错，因此加入延时函数。

私有延时函数：

为了后续便于修改（如单片机运行速度更高时，需要调整延时），而不用影响其他文件，因此生成一个延时函数放入其中作为私有延时函数。

三、编写写数据函数

与写指令函数过程相同，只需要将RS置一即可。

四、编写初始化函数

初始化函数：

五、编写显示字符函数

显示字符函数：

补充：关于Char填入的内容

①Char中可以直接填入对应的字符地址（对照字模库），或者利用单引号加上字符的形式填入（不过如果ASCLL码表字符与字模库字符不一样时，会显示不一样）

②当需要填入特殊字符时，利用反斜杠即可消除特殊字符的效果，从而单引号引用出该字符（如要表示双引号，需要先打入反斜杠\，再加入双引号）

PS：事实上，写到这里已经可以完成所有字符输出了，但是为了显示方便，加入下面的函数

六、编写显示字符串函数

七、将光标设置代码抽出成为函数

这样就可以省去代码相同的情况，直接调用函数即可。

更改后的显示字符与字符串函数：

八、编写显示无符号数字函数

为了能将数字每位抽取并显示，需要另建立一个抽取函数。

原理：截自up主

无符号数字函数：

九、编写显示有符号数字函数

十、编写显示十六进制数字函数

十一、编写显示二进制数字函数

LCD1602.h文件

Ⅲ、编写主函数文件

Ⅳ、烧录程序

烧录后即可看到预期效果。

补充：加入流动字幕效果

利用画面移动指令，即可实现流动效果。

一、添加Delay文件

二、编写主函数文件

三、烧录程序

烧录后，即可看到LCD1602显示流动效果。

PS：

流动时DDRAM内的数据会向一方移动（根据指令确定移动方向），而到达边界之后，会重新移到末尾处，不会将数据移没。

15-1 直流电机驱动（PWM）

直流电机介绍

• 直流电机是一种将电能转换为机械能的装置。一般的直流电机有两个电极，当电极正接时，电机正转，当电极反接时，电机反转
• 直流电机主要由永磁体（定子）、线圈（转子）和换向器组成
• 除直流电机外，常见的电机还有步进电机、舵机、无刷电机、空心杯电机等

单片机上的电机：

带扭矩的电机：

带编码器的电机：

电机驱动电路

本单片机上原理图：

说明：因为电机为功率较大的负载，直接接在单片机上的I/O口会导致无法驱动，且存在损坏单片机的风险；

因此需要加入驱动电路。

常见的驱动电路：大功率器件直接驱动、H桥驱动。

大功率器件直接驱动：

①这种驱动下的电机只能沿一个方向转动。

②这种电路与三极管开关类似，在Q1部分需要加入一个功率较大的器件（常见的为达林顿管与MOS管）。

③Q1的MOS管相当于电子开关的作用，当IN端传入低电平，电路就会导通。

④D1部分的二极管（续流二极管）用于保护电路。

• 当IN正常赋0时，电流不会通过D1所在的部分，电机正常运转；

• 而当IN部分控制电子开关断开（变为1）时，因为电机为感性负载元件（电感的特性：感应出很高的电压），会导致在B1处产生很高的电压，

  如果没有D1部分作为闭合电路释放掉电流的话，会导致电子开关部分损坏，或者直接损坏IN处的I/O口。（这一部分联系高中的楞次定理）

H桥驱动：

这种驱动可以控制电机正反转。

①通过控制Q2与Q3断开，Q1与Q4导通，实现电流在B1向右流动，电机正转（假设这个方向为正）；

②控制Q1与Q4断开，Q2与Q3导通，实现电流在B1向左流动，电机反转。

③这种电流因为没有续流二极管（上面大功率器件驱动电路里的部分），所以无法消除感抗导致的电压增大，因此要求驱动的Q1~Q4（MOS管或晶体管等）需要有很强的耐压特性，避免被击穿损坏。

PS：电机驱动芯片

如果利用电机驱动芯片的话，其内部自带驱动电路，因此无需自己配置电路设置。

PWM介绍

• PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，在具有惯性的系统中，可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的模拟参量，常应用于电机控速、开关电源等领域

  （因为利用的是数字信号的宽度变量，而不是模拟信号的宽度变量，因此对于单片机之类的物品而言，更容易产生对应宽度变量来控制）

• PWM重要参数：

  频率 = 1 / TS 占空比 = TON / TS 精度 = 占空比变化步距

补充：

①频率越高，电平变化越快，越能等效出连续的模拟信号曲线。（如果频率较低，应用于电机控制时，会导致电机运行断断续续——因为电平是0跟1之间变化）

②占空比指的是在一个频率段（一个高电平加一个低电平）中，打开的时间（图中凸起地方）占据总频率段时间的百分比；

也可用TON：TOFF来进行表示（但是不常用，因为这种表示的是比值，没有百分比直观）

③精度指的是相邻占空比的变化步距。

——即第一个占空比为1%，第二个为2%，第三个为3%，那么其精度就为1%；

​ 而即第一个占空比为0.1%，第二个为0.2%，第三个为0.3%，那么其精度为0.1%；

​ 前者的精度没有后者高，

​ 精度越高，占空比调节越细致。

说明：因为电机一通电时就会全速运行，因此需要一些手段对其进行调速，于是采用PWM进行控制。

——在电机所在电路直接接一个电位器进行调速不可行，因为电机运行时，电位器只能接入几欧的电阻，而电位器为纯电阻电路部件，因此全部电能转化为热能，最终会导致电位器烧坏（电机不会烧坏，因为其为非纯电阻电路）

PWM控制电机思路：利用PWM控制电机的导通，利用1ms通电，1ms断开，实现电机速度的减半

（中间因为电机无法立即停下来，需要缓冲来缓慢降低速度，因此可以快速变化来将电机卡在缓冲部分，实现降速），

其他速度同理。

解释运行原理：

利用一定时间控制电压的正反来实现模拟连续的正弦线的运转（即图上的黑细线在同一时间对应着紫色的正弦虚线）

15-2 LED呼吸灯&直流电机调速

代码一

实现效果：将第一个LED灯亮灭像呼吸的方式一样缓缓降低亮度再提升亮度。

Ⅰ、新建工程及main.c文件

Ⅱ、定义LED的I/O口

Ⅲ、不利用PWM进行编写主函数呼吸灯代码

①这里利用延时函数，使得每次LED亮灭具有一定的间隔时间，且无需手动调节。

②利用for循环，将占空比不断进行调节，呈现递增效果，最终实现数字信号转换为模拟信号的效果

PS：烧录程序后，可以正常看到呼吸灯效果。但是该程序运转时，主函数无法执行其他工作（因为在循环），因此需要改进（利用定时器与PWM）。

Ⅳ、利用PWM进行编写主函数呼吸灯代码

PS：该编译思路需要看完代码二部分的内容，才能接到这里。

说明：

1. 这里利用了PWM进行编写，通过定时器来处理延时部分，能避免Delay导致的主函数占用问题。

2. 这里通过变量state来对灯的状态进行记录的原因：

   因为灯从亮到暗与从暗到亮，对应的波长相同，

   只是0与1调换，因此采用state进行取反，赋值给LED，即可省去对亮到暗的判断语句部分。

   (这里是因为LED仅为一位二进制，所以非零即一的原则，取反的state并不是1，只是赋值转换为1而已)

3. 这里使用Stop变量的原因：

   通过Stop来记录是否进入中断，从而能将Compare的相关的if语句移入主函数中；

   也可不用加Stop变量，直接将主函数部分的if语句移到中断函数也可（不过缺点是会导致中断函数内容过长，主函数一无所有）

   如果直接将Compare相关的if语句放入主函数且不加入Stop变量的话，会导致下一次中断还没产生时，Counter的值一直保持为99，导致Compare多次++，最终产生错误的效果。

4. 主函数判断为Counter==99而不是Counter==100的原因：

   因为当Counter为99时，如果为Counter==100，那么就需要等到下一次中断让Counter++才能进入if，

   而Counter在进入中断加到100后，立即被下面的取余语句给刷为0，因此永远无法达到100的值，所以需要设置为Counter==99。

5. 主函数判断为Compare==99而不是Compare==100的原因：

   跟④同理，因为Counter是与Compare比较的，如果Compare==100的话，会有一段时间只判断上方的if语句，而绝对不会出现下方的else效果，所以改为Compare==99。

   （其实改为Compare==100也没事，且可以达到最大亮度与停止亮灯）

代码二

实现效果：通过按下独立按键K1实现电机风扇转速调节，并在数码管第一位显示当前转速等级。

Ⅰ、新建工程及main.c文件

Ⅱ、添加需要的已模块化的文件

其中Key文件为独立按键的模块化文件（利用Delay进行消抖的），

Timer0文件为定时器0的模块化文件，

Delay文件为延时函数文件，

Nixie为数码管显示文件（利用Delay进行消影的）。

添加到main.c文件

补充：产生PWM的方法

• 该模型结构与硬件的定时器和PWM的结构相似。
• 接下来就是模拟该结构来产生PWM。
• 其中计数器与定时器中的TH0、TL0一样会定时自增。（定时器中的TH0、TL0可以参考定时器部分内容）
• 通过调节比较值，能控制占空比的值，最终实现以一定的频率输出1与0，模拟出连续的信号变化（可以利用这个思路制作LED呼吸灯）。
• 这里的比较大小输出的内容可以进行调节。

上图即为设置比较值为1时，对应的PWM输出，最终通过不断改变比较值，模拟出连续的模拟信号曲线。

Ⅲ、更改定时器Timer0.c文件

在STC烧录软件中获取100us的重装值，并移动到这里（与下面的定时器中断模板），使得中断产生速度加快。

（PWM越快越稳定，但是太快会导致电机抖动等现象，因此适当速度即可——通常设置为10K~20K频率——单片机设置不到这么快，于是设置为100us，然后每100次中断执行一次，即10ms）。

Ⅳ、编写主函数部分

①这里将比较值设置为固定值，使得电机在对应按键等级下的转速固定。（运行原理参考上一节）

②这里电机端口设置为P1^0端口，到时连接使用该端口即可。

Ⅴ、连接电机并烧录程序

本单片机原理图：

电机连接方式：

由图可见，电机一端连接5V，另一端连接01，而01对应的就是原理图上的P1^0口。

烧录后，即可看到预期效果。

PS：上电时电机转动原因

因为电机对应I/O口为高电平时转动（原因参考蜂鸣器部分的ULN2003D部分，1经过非门变为0；再联系上节运行原理即可），

而在刚上电时，I/O口默认为高电平，因此电机会转动一下，直到程序执行后才停止。

该原因为硬件设置问题，因此无法解决（如果自己设计电路板硬件时，可以考虑解决这个问题）