单片机应用系统设计---机电11301班 龙猛

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1、 单片机应用系统设计单片机应用系统设计 一、应用系统的设计方法 一般情况下，一个实际的单片机应用系统的设计过程主要包括以下几个阶段： （1）总体方案设计 （2）硬件设计 （3）软件设计 （4）系统仿真调试 （5）系统安装运行 （6）文档的编制 在以上的设计过程中，其中步骤（1） 、 （2） 、 （3）中要始终包括系统的可靠性、保密性、 抗干扰性等的设计。1 总体方案设计系统的总体方案设计就是根据设计任务，参考国内外同类产品的资料，进行必要的理 论分析和计算，提出合理而可行的技术指标，并编写出详细设计技术方案。详细设计方案 应包括产品名称、设计目的、系统功能要求、系统性能指标、设计周期、设计费用

2、、单片 机的选型、单片机的资源分配、人机界面的形式、通信协议等，对所选用器件的生产商、 精度要求、使用环境要求等也都要在该技术方案中加以说明。 这个过程完成得好坏直接影响下一步的设计工作，一个好的设计方案往往要经过反复 推敲和论证，最终达成共识。因此对于单片机应用系统的设计，最关键的一步就是系统总 体方案设计。2 硬件设计所谓硬件设计，就是根据总体设计方案所确定的系统扩展所需要的存储器、I/O 接口电 路、A/D 和 D/A 电路、通信接口电路等，设计出系统的电原理图，并根据设计出来的电原 理图制作试验板或印刷电路板（PCB）的过程。 为使硬件设计尽可能合理，系统硬件设计应注意以下几个方面：

3、尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性； 在条件允许的情况下，尽可能选择功能强、集成度高的电路或芯片。因为采用这种 器件代替某一部分电路，不仅元件数量、接插件和相互连线减少，使系统可靠性增加，而 且成本往往比用多个元件实现的电路要低。 注意选择通用性强、市场货源充足的元器件，尤其对需大批量生产的场合，更应该 注意这方面的问题。如果某种器件无法得到，也要能用其它元器件直接替换或只须对电路 稍作修改就可使用其它器件替换。 设计一个应用系统时，最好采取模块化设计，通常把中央控制单元、输入接口、输 出接口、人机对话接口等分块进行设计，然后采用某种连接方式将其组合成一个完整的

4、系 统。 系统的扩展及各功能模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上，应适当留有余 地，以备将来修改、扩展。如存储器的容量选择，在设计时采取多种不同容量芯片均能读 写的电路（可设置跨接线选择） 。 设计时应尽可能地了解最新先进技术。现在电子技术的发展迅速，器件功能越来越 强大，采取新技术、新工艺，所设计的系统就会具有更好的竞争力。如现在的单片机，有 带看门狗的、有带 LCD 驱动的、有带 A/D 和 D/A 转换的等等，如系统需要 LCD 驱动就可 直接选择自带 LCD 驱动的单片机，而不需再设计 LCD 驱动电路，如程序存储器空间不够，就可直接选用较大存储空间的单片机而不需扩充程序存储器。

5、在电路设计时，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力。如发光二极管的正常发光 的驱动电流在 15mA 左右，能否直接用单片机 I/O 口驱动，不正确的设计容易损坏 I/O 口 造成系统可靠性降低。 印制板的设计应考虑工艺要求和系统的抗干扰性。包括器件的布局、布线等，还应 考虑便于安装、调试、维修等。3 软件设计软件设计的任务是根据应用系统的总体设计方案的要求和硬件结构，设计出能够实现 系统各种功能控制的程序。 软件设计时，应从以下几个方面进行考虑： 根据软件功能要求，将系统软件分成若干个相对独立的部分。根据它们之间的联系 和时间上的关系，设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简捷、流程合理。 培养结

6、构化程序设计风格。各功能程序应实行模块化、子程序化。这样，既便于调 试、连接，又便于移植、修改。 建立正确的数学模型。即根据功能要求，描述出各个输入和输出变量之间的数学关 系。 为提高软件的总体设计效率，应以简明、直观的方法对任务进行描述，在编写应用 软件之前，先绘制出程序流程图。 要合理分配系统资源。系统资源分配包括 ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等， 特别是片内 RAM 的分配、中断优先级的设置等。 注意在程序的有关位置处写上功能注释（非指令解释） ，提高程序的可读性。 加强软件抗干扰设计，提高计算机应用系统可靠性。4 系统仿真调试基于上述考虑所完成的电路板和设计出的控制软件或多或

7、少存在问题，一般不能直接 应用。如印制板在设计过程中出现了短路、断路、遣漏；在焊接过程中出现了虚焊、器件 装反、装错等；在器件采购过程中出现所购器件性能达不到要求，在程序设计过程中出现 所设计程序存在语法错误或逻辑错误。要解决上述存在的问题，通常需借助仿真器进行调 试，排除硬件和软件上的所有错误，使系统能够正常运行后，然后再把程序固化到单片机 系统的程序存储器中，再经过一整套完全的测试方案进行测试，如测试结果在性能和功能 上达不到总体设计方案规定的指标要求，还必须修改硬件或软件甚至修改总体设计方案， 经过多次反复，直至满足系统设计要求。5 文档编制用单片机所设计的系统一般都具有一定的应用背景，

8、最终要变成产品交由用户使用，从设 计完成到生产出产品中间的一系列环节不可能均由设计者全部完成。因此，当系统设计完 成时，应编制好一些必要的文档资料，如电原理图、印制板图、元器件清单及性能指标参 数、加工制作工艺、产品调试测试工艺、产品检验工艺、技术说明书、使用安装说明书等 等。二、应用设计举例二、应用设计举例1、总体设计方案、总体设计方案 2、硬件设计方法、硬件设计方法3、软件设计方法、软件设计方法一、电子显示屏的设计电子显示屏已随处可见，如火车站列车时刻表的显示、公交车上的站名显示及广告显 示、证券交易所内的股市行情、银行营业厅内的服务窗口指示及文明用语显示等等。电子 显示屏主要由成千上万个

9、发光二极管组成，为了方便安装，一般把发光二极管做成点阵模 块，常见的点阵模块按发光二极管行列排列划分有 57、58、88 等几种类型，按点阵 模块的面积划分有 LED1088、LED1588、LED2088 等几种型号，按点阵模块内部连线方法 划分有共阳（列共阳）和共阴（列共阴）两种，按点阵模块发光二极管的发光颜色划分有 单色、双色、多色等型号。 无论采用哪种型号的点阵模块，最终目的是应能显示字符和汉字或图形信息，然后由 单片机进行控制显示其内容。下面以设计一个显示 4 个汉字的电子显示屏为例说明其设计 过程。1 汉字显示原理一个汉字完整显示通常需要 1616 点阵，如“大”的显示点阵如图 1

10、0-4 所示。如果 用 8 位的 89C51 单片机控制， 由于单片机的每 个 I/O 口只能输出 8 位，一个汉字需要由两个 I/O 口输出点阵信息码，图 10-4 中用 P0 口、P2 口输出点阵汉字信息。 一般我们把一个汉字拆分为上部和下部，上 部由 8*16 点阵组成，由一个 I/O 输出，如图中 用 P0 口输出上部信息码，下部也由 8*16 点阵组 成，由另一个 I/O 口输出信息码，如图中用 P2 口输出下部信息码。 若汉字显示的点阵模块采用 4 个 88 共阴 极（列共阳）LED 点阵模块，当显示第 1 列时， 只需列线 0 为高电平，其它列线均为低电平，由 P0 口输出 DF

11、H（P05 为低电平） 、P2 口输出 FFH， 第 1 列就只 1 个发光二极管点亮；当显示第 2 列 时，只需列线 1 为高电平，其它列线均为低电平，由 P0 口输出 DFH、P2 口输出 FDH（P21 为低电平） ，第 2 列就有 2 只发光二极管点亮；依次类推，在 20ms 内把 16 列全部扫描一次， 由发光二极管点亮所组成的“大”就可显示出来了。 实际上，显示“大”就是向 P0 口和 P2 口各送入 16 字节的点阵信息码，根据送入的数 据顺序排列为：DFH,FFH,DFH,FDH,DFH,FDH,DFH,FBH DFH,F7H,DFH,CFH,5FH,3FH,80H,FFH 5

12、FH,7FH,DFH,9FH,DFH,EFH,DFH,F7H DFH,FBH,CFH,F9H,DFH,FBH,FFH,FFH每送入 2 个字节，使列线变化一次（只 1 列为高电平，可由译码器输出控制） ，显示一 个汉字的电路图如图 10-5 所示。图 10-4 “大”的 1616 点阵P101 P112P00 RST9EA31P20P123 P134 P14589C5188888888Y01Y12Y23Y34Y45Y56Y67Y78Y89Y910Y1011Y1113Y1214Y1315Y1416Y1517D20C21B22A23G118G21974LS154VCCVCC.一个汉字显示的电子显示

13、屏电路图中汉字信息码的上半部分由 P0 口输出，下半部分由 P2 口输出，用 P1 口的 P1.0P1.3 经 74LS154译码输出列选信号，P1.4 控制译码器的输出，三极管驱动阵列提供一列 16 个发光二极管的驱动电流，使发二极管有足够的电流而发光。若要重复显示 8 个汉字内容，可编写程序如下：ORG0000HMAIN：SETBP1.4；禁止译码器输出，呈高阻状态MOVDPTR，#TABLE；汉字信息码存放首地址MOVR6，#8；总的显示汉字个数LP：MOVR5，#20；一个汉字显示时长控制LOOP：MOVR7，#16；显示一个汉字扫描次数MOVR1，#00H；列选码初值，由 P1 口输

14、出控制MOVR2，#00H；取码指针，每取一码指针加 1NEXT：MOVA,R2MOVCA，A+DPTR；取汉字码上半部分MOVP0，A；上半部分由 P0 口输出INCR2；取码指针加 1MOVA，R2MOVCA，A+DPTR；取汉字码下半部分MOVP2，A；下半部分由 P2 口输出INCR2；取码指针加 1MOVA，R1；列选译码值MOVP1，A；译码输出选列CALLDELAY；延时 1msSETBP1.4；禁止译码INCR1；列选译码值加 1DJNZR7，NEXT；下一列扫描DJNZR5，LOOPMOVA，DPL；改变 DPTR，指向下一个汉字ADDA，#32；一个汉字 32 字节MOVD

15、PL，A；低 8 位地址加 32MOVA，DPHADDCA，#00H；高 8 位地址加进位MOVDPH，ADJNZR6，LOOP；所有汉字显示完否JMPMAIN；重复下一次显示DELAY：MOVR3，#2；延时 1msDL0:MOVR4，#250；按机器周期 1us 计算DJNZR4，$DJNZR3,DL0RET;显示汉字编码(每汉字 32 字节)，共 8 个汉字信息码TABLE: DB 0DFH,0FFH,0DFH,0FDH,0DFH,0FDH,0DFH,0FBH ；“大”DB 0DFH,0F7H,0DFH,0CFH,5FH,3FH,80H,0FFHDB 5FH,7FH,0DFH,9FH,0

16、DFH,0EFH,0DFH,0F7HDB 0DFH,0FBH,0CFH,0F9H,0DFH,0FBH,0FFH,0FFHDB ；其它 7 个汉字信息码M略END二、语音输入输出控制技术 近几年语音电路发展极为迅速，在单片机系统中的应用越来越广。语音接口电路作为 输出口时，主要用于报告运行状态、运行结果、提示系统操作过程及故障报警等；作为输 入时，则主要是语音的记录、语言库的建立和语音的识别。 在单片机的应用系统中，语音接口有如下特点： （1） 语言输出的基本词汇都是确定的，且数量有限，如故障提示、操作提示、运行 报告结果等； （2） 充分发挥单片机灵活的控制功能，根据系统的实时状态结果，选择合适的语音 词汇或语言段随时组合输出； （3） 写入后不易遗失，修改方便。 现在语音处理合成芯片很多，大多是先将语音经A/D 转换后存入存储器中，放音时取 出再经D/A