單片機控制外設的本領第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第15章單片機控制外設的本領2第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一外設3

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX月球車模型，各種外設如電機、溫度傳感器、攝像頭、無線網卡、繼電器等在單片機的控制下互相合作，實現了月球車對月亮表面的探測任務。第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.1■

元器件插曲之十六：繼電器15.1.1繼電器基礎知識4

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.1.2單片機與繼電器5

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX繼電器的低壓控制端與接觸端之間沒有任何電氣連接關系，只是利用電磁的吸引和機械的手段實現接觸控制，可實現低壓直流開關高壓直流/交流的功能。繼電器通常使用三極管開關實現與單片機I/O的接口。第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.1.2單片機與繼電器6

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX繼電器K1的控制端由三極管Q1來驅動，只要單片機的P0.7輸出高電平則三極管Q1導通，繼電器閉合接觸端1、3導通，電機開始工作。可見繼電器幫助單片機的I/O口實現了低壓（5VDC）控制高壓（220VAC）的目的。由于繼電器K1的電磁鐵有一定的電感，在斷電瞬間可能會產生較大的反向電壓而對三極管Q1不利，因此在繼電器K1控制端反接一個二極管D1用于放電。電機可以根據系統的需要更換成電燈、電磁閥等外設，只要保證繼電器的接觸端額定電壓、額定電流分別高于被控用電器的最大電壓和最大電流，單片機的I/O口就可以控制任何大功率外設了。第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.2.1紅外發光二極管的應用7

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX大多數遙控器外殼前方都發射器——紅外發光二極管。遙控器上的每一個按鍵都有一個特定的編碼，這些按鍵編碼都是通過紅外發光二極管以紅外線的形式發射出去的，被遙控的設備如電視、空調上的紅外接收管接收，并把紅外線編碼轉換成編碼脈沖信號。單片機可根據編碼脈沖信號還原出遙控器上是哪一個按鍵被按下，從而進行相關的操作。第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.2.2紅外計數器8

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX在商場、車站等場所，經常在門口看到類似圖15-7的一些白色立板，一個立板頂端發射紅外線，另一個立板頂端有紅外接收管接收。當有人穿過兩個立板時，紅外接收管被擋一下從而輸出一個脈沖，表示有一個人經過。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.2.2紅外計數器9

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX單片機可通過記錄接收管輸出的脈沖個數，獲得進、出商場或車站的人數，在入口、出口分別設置紅外計數器，再通過一個簡單的減法運算，就能知道在商場或車站等場所內的人數。當人數超出最大容量時發出提示，以限制進入的人數，保證場所內不至于因人數過多而發生擁擠、踩踏事件。第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.2.2紅外計數器10

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX利用555芯片作為振蕩器產生脈沖信號，并由三極管驅動紅外發光二極管。于是得到脈沖發生器及驅動電路如圖15-10所示。給電路供+5V的工作電源，555芯片起振，紅外發光二極管D1、D3就以某一頻率閃爍。閃爍的頻率可通過電位器R3或R7來調節。第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.2.2紅外計數器11

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX由于在紅外線傳輸過程中會被環境中一些噪聲等干擾導致紅外接收管接收到的信號不是很好，如果直接輸入單片機的I/O口，有可能會導致計數不準確。所以需要在紅外接收管和單片機I/O口之間添加一個整形電路。加上用于顯示人數的3位七段數碼管。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.3■

元器件插曲之十八：直流電機15.3.1直流電機基礎知識12

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX直流電機是一種將直流電轉換成機械能的裝置。根據轉速的不同，直流電機可分成直流高速、直流低速和直流減速電機等幾種。電機底部一般會有兩個管腳（或引線）用于供電。第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.3.2直流電機的通斷控制13

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX需要根據電機的功率設計三極管開關電路。三極管TIP110最大可驅動額定電壓60V、額定電流2A的直流電機，并且在大電流工作狀態中三極管需要添加散熱器。第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.4■

什么是PWM（脈寬調制）？15.4.1平均電壓概念14

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX電池電壓為10V，如果閉合開關50ms，在這50ms內電燈的電壓為10V，接著斷開開關50ms，在這50ms內電燈的電壓為0V。顯然，在這100ms之內，電燈的平均電壓為：第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.4.1平均電壓概念15

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX通過使開關閉合與斷開的時間各為50%，使電燈亮度降低，從平均上看，電燈的供電電壓變成了5V。如果使開關閉合與斷開的時間分配成60%和40%，在ta時間段內，開關閉合的時間為ta×60%，而斷開的時間為ta×40%，所以平均電壓為6V。此時電燈比10V時暗，但是比5V時稍亮。第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.4.2PWM與平均電壓16

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX利用開關對通、斷時間的控制來改變平均電壓的方法稱為PWM。PWM信號是一個數字信號，這是因為在某一時刻，直流電平要么出現，要么不出現。電源以一系列脈沖的形式向負載供電。在帶寬足夠的情況下，任何模擬信號平均電壓都可由PWM信號產生。第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.5■

直流電機的運行控制15.5.1PWM信號與直流電機17

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX把PWM信號應用到直流電機的轉速控制中，如果PWM信號發生器輸出的矩形波信號為12V、且占空比為50%，于是得到PWM信號的平均電壓為6V，這與電池所提供的電壓相同。所以在PWM信號平均電壓為6V時電機無論使用電池供電還是PWM信號發生器其轉速是相同的。第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.5.2直流電機的轉速、轉向控制18

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX轉向控制：電機的兩個管腳（+、-）和電源之間由4個開關A、B、C、D控制著。圖（a）中，開關A和D閉合，開關B和C斷開，這樣電流從直流電機的+極流向-極，于是電機正轉。圖（b）中，開關A和D斷開，而開關B和C閉合，則電流的方向與剛才正好相反，從電機的-極流向+極，于是電機反轉。至于說轉速的控制，可在圖（a）中，利用開關A、D的閉合與斷開給電機提供PWM信號，以此就可以控制正轉的轉速。同理，在圖（b）中利用開關B、C產生PWM信號來控制反轉的轉速。第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.5.2直流電機的轉速、轉向控制19

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX這4個開關在實際當中由場效應管充當。如圖（a）所示，場效應管Q1與Q4共G極，被置高電平，同時場效應管Q2與Q3共G極，被置0，于是Q1、Q4導通而Q2、Q3截止，于是電流從直流電機的+極流向-極，于是電機正轉。在圖（b）中場效應管Q1與Q4截止而Q2與Q3導通，于是電流從電機的-極流向+極，電機反轉。給場效應管的D極和S極之間并聯一個二極管，當直流電機的電感產生高壓而形成電流時，可以通過二極管放電而不會進入場效應管，從而保護了場效應管。第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.5.3單片機控制直流電機20

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX單片機的I/O口直接去操作場效應管的G極有些“力不從心”，因為場效應管的導通需要G極上有一個稍高的電壓。于是可以G極前添加一個驅動電路，三極管Q5和Q7驅動場效應管Q2與Q3的共G極，而三極管Q6和Q8驅動場效應管Q1與Q4的共G極。只要把單片機的I/O口分別接到三極管Q7和Q8就可以用程序控制直流電機的轉速與轉向了。第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.5.4直流電機的全面控制21

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXB0=B1=B2=B3=0時，4個場效應管全部截止時，直流電機兩端就好像懸空一樣，可以自由地轉動，此時為空轉狀態。電機會因為慣性自由轉動，不久由于摩擦等阻力的存在會，電機漸漸停止下來。如果B1=B3=1且B0=B2=0，場效應管Q3和Q4導通。這樣，電機兩端好像短路一樣，如果電機因為慣性還在轉動，則在兩端所產生的電動勢在電機線圈中產生電流，該電流在磁場（電機中有磁體）作用下產生一個與轉動方向相反的力，從而阻止電機繼續轉動，起到了剎車的作用。第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.5.4直流電機的全面控制22

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX在實際應用中，可用直流電機控制芯片L298，電源端+Vs的供電與電機的額定電壓相同，最大不超過46V。L298已經集成了場效應管和相應的驅動電路，只要操作其控制端就可實現直流電機的控制。在使能端ENB（11管腳）置1后，電機的正轉、反轉、剎車、空轉運行狀態通過控制端IN3（10管腳）和IN4（12管腳）實現，如果用單片機控制時，只要只要把L298的以上控制端與單片機的I/O口連接，由程序選擇運行狀態即可。第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.6■

元器件插曲之十九：步進電機15.6.1步進電機基礎知識23

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX步進電機的外觀或許與直流電機相似——都有轉動軸和管腳，但其控制方法與直流電機有本質的區別。第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.6.1步進電機基礎知識24

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX在步進電機內部，中央有一個齒輪狀的轉子，轉動軸就固定在轉子上。轉子周圍是4個多齒狀的電磁鐵作為定子（與轉子不接觸），電磁鐵由管腳供電，于是可以被外部電路驅動并控制。步進電機的轉動軸運動依靠定子（電磁鐵）吸引轉子實現。首先，給電磁鐵①通電，于是轉子被電磁鐵①吸引并轉動一個很小的角度，當轉子上的齒與電磁鐵①的齒對齊后轉子停止，步進電機轉動了1步。第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.6.1步進電機基礎知識25

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX當轉子上的齒與電磁鐵①的齒對齊后，轉子上的齒與電磁鐵②之間偏離了一個很小的角度。這時給電磁鐵②通電而關閉電磁鐵①，于是轉子被電磁鐵②吸引轉動一個很小的角度，當轉子上的齒與電磁鐵②的齒對齊后轉子停止，步進電機又轉動了1步。第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.6.1步進電機基礎知識26

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX接下來接通電磁鐵③而關閉電磁鐵①和②，于是轉子又將轉動一個很小的角度，步進電機繼續轉動1步。然后電磁鐵④接通，轉子又轉動一個很小的角度，步進電機又轉動1步。就這樣，電磁鐵①、②、③、④快速依次逐一接通電源，轉子不斷地以很小的角度“跳動”，在轉動軸上就形成了步進的表象。如果電磁鐵切換越快，則步進電機轉動也就越快。當轉動軸步進走過360°后，步進電機就轉過了一圈。第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.6.2步進電機的種類27

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX步進電機一般分為單極步進電機和雙極步進電機兩種。單極步進電機一般有5或6個管腳，在電機內部有4個勵磁線圈。單極步進電機每個相位上有兩個勵磁線圈，勵磁線圈1和勵磁線圈2是同一相位上的兩個勵磁線圈，勵磁線圈3和勵磁線圈4是另一個相位上的兩個勵磁線圈。通常，同一相位上的兩個勵磁線圈有一端連接在一起形成公共端，如管腳5和6，這樣在一個相位上就有3個管腳：管腳1、2、5構成一個相位，管腳3、4、6構成另一個相位。在大多數情況下，二相步進電機只有5個管腳，這是因為在電機內部，兩個相的公共端（管腳5和管腳6）相連形成了一個大公共端。第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.7■

步進電機的運行控制15.7.1步進電機的控制方法28

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXU1是驅動芯片ULN2003，輸入端IN1~IN7（1~7管腳）的信號經過反相后由OUT1~OUT7輸出（10~16管腳），這個從ULN2003輸出的信號的驅動能力已經有了很大的提升，足夠驅動一般步進電機的勵磁線圈。第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.7.1步進電機的控制方法29

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX要想讓步進電機運轉起來，需要依次給勵磁線圈1、2、3、4通電。也就是依次在控制線A、B、C、D上出現高電平，如表示。如果反順序給勵磁線圈通電，則步進電機反轉。第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.7.2步進電機與單片機30

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX由于步進電機的負載轉矩與速度成反比，速度越快負載轉矩越小。但速度過快而超過極限后，步進電機將不再轉動。步進電機的轉動速度與勵磁線圈通電切換的頻率有關，所以在每走一步后，程序必須延時一段時間。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.8■

應用體驗——用PWM信號控制直流電機15.8.1L298驅動直流電機31

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuXL298的IN1、IN2分別與單片機的P2.0、P2.1相連，使能端ENA與P2.2相連。單片機的P1.0~P1.4上有4個按鈕，分別用來控制直流電機工作于正轉、反轉、剎車、空轉狀態。第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.8■

應用體驗——用PWM信號控制直流電機32

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期一15.9■

實例解讀——太陽跟隨系統15.9.1為了獲得最大的太陽光33

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Allyouneedtoknowaboutthe8051microcontroller編著：楊欣YangX張延強ZhangY主審：萊·諾克斯NokesL王玉鳳WangY劉湘黔LiuX太陽跟隨系統幫助太陽能電池板跟隨太陽運動以獲得充足的陽光用來發電，跟隨系統主要是一個單片機控制的機械運動機構。太陽能電池板固定在一個由兩個電機驅動的支架上，X軸電機控制太陽能電池板翻轉