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1、第六章单片机应用系统硬件设计 简介 自学为主 单片机应用系统硬件设计 确定系统设计的任务系统方案设计 单片机及支持芯片的选择 综合考虑软 硬件的分工与配合系统的硬件设计系统硬件调试 MCS 51应用系统组成 前向通道 人机通道 1 前向通道的组成及其特点 前向通道是单片机与测控对象相连的部分 是应用系统的数据采集的输入通道 来自被控对象的现场信息有多种多样 按物理量的特征可分为模拟量和数字 或开关量 两种 1 与现场采集对象相连 是现场干扰进入的主要通道 是整个系统抗干扰设计的重点部位 2 输入信号来自现场 许多信号不能满足单片机输入的要求 所以要有形式多样的信号变换调节电路 如测量放大器 I
2、 F变换 A D转换 放大 整形电路等 3 前向通道是一个模拟 数字混合电路系统 其电路功耗小 一般没有功率驱动要求 特点 2 后向通道的特点 1 后向通道是应用系统的输出通道 大多数需要功率驱动 2 靠近伺服驱动现场 故后向通道的隔离对系统的可靠性影响很大 3 根据输出控制的不同要求 后向通道电路有多种多样 如模拟电路 数字电路 开关电路等 输出信号形式有电流输出 电压输出 开关量输出及数字量输出等 3 人机通道的特点 1 人机通道接口一般都是数字电路 电路结构简单 可靠性高 2 通常单片机应用系统中 人机对话通道都是小规模的 如微型打印机 功能键 LED LCD显示器等 硬件的测试与调试
3、智能仪表线路原理图 第七章单片机系统硬件的测试与调试 单片机应用系统的一般调试方法 硬件调试2 软件调试3 系统联调4 现场调试 硬件调试方法 1 静态调试 第一步 目测第二步 万用表测试第三步 加电检查第四步 联机检查 硬件调试是利用开发系统 基本测试仪器 万用表 示波器等 通过执行开发系统有关命令或运行适当的测试程序 检查用户系统硬件中存在的故障 在样机加电之前 核对元器件的型号 规格和安装是否符合要求 应特别注意电源系统的检查 以防止电源短路和极性错误 并重点检查系统总线是否存在相互之间短路或与其它信号线的短路 电路检查无误后 分别打开样机和仿真器的工作电源 2 动态调试 动态调试是在开
4、发系统的支持下完成的 如下图 它利用开发系统友好的人机界面 可以有效地对用户系统的各部分电路进行访问 控制 使系统在运行中暴露问题 从而发现故障 7 1智能仪表线路原理图 单片机AT89C51 键盘 25045等部分 P303 A D7109及串行通信部分 P302 LED显示部分 P301 一 AT89C51 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压 高性能CMOS8位微处理器 俗称单片机 MCS 51系列单片机仪表线路中为单片用法 与MCS 51兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命 1000写 擦循环 数据保留时间 10年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储
5、器锁定 128 8位内部RAM 主要特性 32可编程I O线 两个16位定时器 计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 二 局部电路分析 例7 4 9 蜂鸣器及驱动电路原理图P302 例7 4 11 试分析图7 14中74LS138译码器输入与输出的关系P303 思考 下列程序中 哪段程序使SEL7 SEL4 SEL1有效 K控制端常有效 SEL1 0 SEL4 0 SEL7 0 例7 4 12 试分析图7 15中ULN2803的作用P303 ULN2803 反相驱动器 思考 当P0 0 0 P0 1 1 时 7SEG7 7SEG6 0 1 RP1 1
6、0K 上拉电阻 AT89C51的P0口为一个8位漏级开路双向I O口 当P0为I O使用时 必须外接上拉电阻 每脚可吸收8个TTL门电流 R1 R8 510 限流电阻 例7 4 14 试分析开关SW DIP4输入过程及74HC245L的作用P303 返回问题1 拨盘 键盘 2 3 4 74HC245L三态输出八总线收发器 K1 K4仪表键盘 用户键 SW1 1 SW1 4拨盘 自检开关 K SW1 闭合为 0 K SW1 打开为 1 1 结合图7 17和下列程序分析SW1的采样过程 思考 KR245 MOVP0 0 关显示LCALLSEL8 打开245三态门MOVP1 0FFH P1口为输入M
7、OVA P1 采集K1 K4和SW1的状态LCALLSEL7 关闭245三态门RETSEL7 CLRP2 7 P2 5 P2 7110 SEL7 SETBP2 6SETBP2 5RETSEL8 SETBP2 7 KR245EP2 5 P2 7111 SEL8 SETBP2 6SETBP2 5RET 返回电路图 2 采样SW1与K1 K4程序相同吗 为什么 答 硬件电路相同 所以采样程序相同 返回电路图 3 单片机上电复位时 74HC245三态门的状态是什么 答 单片机上电复位时 P2口为高电平 SEL8有效 所以74HC245三态门为打开状态 返回电路图 4 在KR245子程序中 调用SEL7
8、子程序的作用是什么 答 关闭74HC245三态门 问题 采集的开关值存在A中 如何处理 返回电路图 例7 4 15 分析ICL7109的工作过程P302 返回程序 返回思考题1 2 3 ICL7109 附录一 1 功能ICL7109是一种高精度 低噪声 低漂移双斜率积分型12位A D转换器 另有一位符号位 一位溢出标志位 实际上具有14位A D的精度 ICL7109转换速度较低 但内藏基准电压源 且价格便宜 适用于低速度 高精度的测量场合 2 主要管脚 INLO INHI分别为差动输入电压的正负极 模拟量输入端 B1 B12 数字量输出端 ICL7109的模拟输入可接成单端输入方式 也可接成差
9、动输入方式 其模拟转换及数字信号输出方式受下列信号控制 思考 8位机如何取入12位数字量 STATUS 状态信号 采用直接方式接口时 由此脚给微机发中断 请求立即接收数据 POL 符号标志位 OR 溢出位 V 接的 5V是由ICL7660产生的 3 接口电路 思考 1 7109的STATUS端经RC电路接到单片机 RC电路的作用是什么 答 微分电路 保证中断申请一次有效 电路图 2 ICL7660的作用是什么 答 提供7109所需的 5V电源 电路图 3 电路中VR1可调电位器的作用是什么 答 REFIN 和REFIN 分别为差动参考电压的正负极 一般调整参考电压等于1 2满度输入电压 电路图
10、 ICL7109采样参考程序 功能 外部中断0完成A D采样任务 每次采1个数 使用 1 区RO R7 出口参数 AD BUF开始的6个单元 AD BUFEQU0AH 数据区A D采样值3次 占6字节 0AH 0FHAD NUMEQU27H 采样次数INT00 外部中断服务子程序PUSHA 保护现场PUSHPSWCLRRS1 选 1 区SETBRS0CLREA 关中断 电路图 MOVR0 AD BUFAD1 CLRP2 0CLRP2 1 读高6位MOVA P1SETBP2 1MOVC ACC 4 判断输入是否溢出 0R P1 4 1溢出JCAD3ANLA 3FHMOV R0 AINCR0CLR
11、P2 2 读低8位MOVA P1SETBP2 2 关闭7109SETBP2 0MOV R0 A 存结果 INCR0INCAD NUM 采样次数加1MOVA AD NUMCJNEA 3 AD2 采样次数 3 AD3 MOVAD NUM 0MOVR0 AD BUFAD2 SETBEA 开中断 返回POPPSWPOPARETI 例7 4 16 结合图7 14 图7 15 图7 19 图7 20分析智能仪表线路中的5位LED显示器的工作原理 P301 P303 LED显示器原理图 思考 1 LED显示器是共阴 还共阳 答 共阳 2 当执行下面的程序后 三极管Q1 Q5哪一个导通 DT1 DT5各是什么
12、电平 CLRP2 7SETBP2 6CLRP2 5 答 执行程序后 SEL3有效 Q3导通 DT3为高电平 3 当执行下面的程序后 5个LED显示器哪一个亮 显示什么字型 CLRP2 7CLRP2 6SETBP2 5MOVA 0FFHMOVP0 A 答 执行程序后 SEL5有效 Q5导通 DT5为高电平 最低位LED被选中 从字型口送出FFH 反相后为 0 七段加小数点全亮 4 根据图7 20 判断LED显示器电路采用动态扫描显示 还是静态显示 答 动态扫描显示 5 写出字型为 0 到 9 的七段码 DISPY PUSHA 保护现场PUSHPSWCLRRS0 0 区CLRRS1MOVA LED
13、0 从显示缓冲区取字型 符号位 MOVP0 A 送字型LCALLSEL1 字位口左1位P2 7 P2 5000 SEL1 LCALLD5MS 延时5ms子程序MOVP0 LED1 送字型 数据的最高位 LCALLSEL2 字位2001LCALLD5MSMOVP0 LED2 字型LCALLSEL3 字位3010LCALLD5MSMOVP0 LED3 字型LCALLSEL4 字位4011LCALLD5MSMOVP0 LED4 送字型 数据的最低位 LCALLSEL5 字位4111LCALLD5MSPOPPSW 恢复现场 返回POPARET 6 分析下列程序段的功能 例7 4 13 查阅X25045
14、的资料 分析图7 16中X25045的工作过程 P303 程序 连接 一 X25045的功能 1 看门狗功能 看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统 它提供了三种定时时间 可编程选择200ms 600ms和1 4s 在设定的时间内如果设有对X25045进行访问 则看门狗以RESET信号作为输出响应 即变为高电平 延时约200ms后RESET由高电平变为低电平 2 电压监控功能 上电时 电压电源超过4 5V后 经过约200ms的稳定时间后 RESET信号由高电平变为低电平 掉电时 电源电压低于4 5V时 RESET信号立刻变为高电平并一直保持到电源恢复到稳定为止 3 EEPROM存储器功能
15、X25045的存储部分是COMS的4096位串行EEPROM 它的内部按512 8来组织 采用三线总线工作的串行接口 一次最多可写4个字节 二 外部引脚 三 工作原理 1 X25045有6条操作指令 返回程序 2 主要时序图 读EEPROM的时序图 写EEPROM 写一个字节 的时序图 X25045的复位端RESET与AT89C51的RESET端相连 当X25045的复位端RESET为高电平时 可使AT89C51复位 串行时钟端SCK与P3 5相连 当P3 5输出为上升沿时 X25045被触发 串行输入端SI与P3 6相连 当SCK为上升沿时 X25045被触发 AT89C51发出写指令 X2
16、5045锁存P3 6的状态 串行输出端SO与AT89C51的P3 7相连 可将SO的输出信号送入AT89C51的P3 7端 从而使AT89C51可以知道看门狗的状态 X25045的WP端接 5V从而使X25045可以被写入数据 片选端 CS与AT89C51的P3 4端相连 P3 4为低电平 X25045被选通 3 连接说明 电路图 思考 分析下列程序段的功能 WRREN PUSHA 保护现场PUSH05HPUSHPSWCLRRS0 选择 0 区CLRRS1CLRP3 4 片选有效CLRP3 5 准备发串行时钟MOVA 06H 设置WREN允许写操作命令字MOVR5 8 发送写允许命令字WRREN3 RLCAMOVP3 6 C 送输入端SETBP3 5 发串行时钟CLRP3 5DJNZR5 WRREN3 命令字未发完继续SETBP3 4 写操作命令结束CS必须变高 POPPSW 恢复现场返回POP05HPOPARET 注意时序 电路图 命令字 思考 分析下列程序段的功能 写命令 入口B寄存器 发送首地址CLK 0 入口 数据首地址 R0发送的字节数 R1不大于5 WRCOMM PUSHP
