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1、单片机原理与接口技术电子教案第 章成都大学工业制造学院 程 跃10单片机的应用设计与调试本章主要内容（本章学时4学时）单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统设计3. 单片机应用系统的仿真开发与调试4. 单片机应用系统的抗干扰设计210.1 单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件、能实现用户所要求的测控功能的系统。一个应用系统设计，一般可分为4个阶段：310.1 单片机应用系统的设计步骤（1）需求分析及设计设计 方案初拟拟设计工作，需经过深入细致需求分析，周密 科学方案论证才能使系统设计 工作顺利完成。需 求分析包括：被测控参数的形式（电量、非电量 、模拟
2、量、数字量等）、被测控参数的范围围、性 能指标标、系统统功能、工作环环境、显显示、报报警、打 印要求等。注意，方案确定时候，简单简单 的方法往往可以 解决大问题问题 ，切忌“简单简单 的问题问题 复杂杂化”。410.1 单片机应用系统的设计步骤（2）器件选选型主要从性能指标标、集成外围围模块块、功耗 、性价比等方面进进行选择选择 。对对于一般的测测 控系统统，选择选择 8位机即能满满足要求。对对于 要求较较高的测测控系统统，需选择选择 16位机或32 位机。qq单单片机片机选择选择5外围器件应符合系统的精度、速度和可靠性、功耗、抗干扰等方面的要求。应考虑功耗、电压、温度、价格、封装形式等其他方
3、面的指标，应尽可能选择标准化、模块化、功能强、集成度高的典型电路。qq外外围围器件及器件及电电路路选择选择610.1 单片机应用系统的设计步骤（3）总总体设计设计总总体设计设计 就是根据设计设计 任务务、指 标标要求和给给定条件，设计设计 出符合现场现场 条件的软软、硬件方案。并进进行方案优优 化。应应划分硬件、软软件任务务，画出系 统结统结 构框图图。要合理分配系统统内部的 硬件、软软件资资源。包括以下几个方面 ：7包括仿真器、编程器、元器件、语言、程序设计等。q从开发条件与市场情况选择开发软硬件 方法8包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、控制、驱动、供电方式等。q从系统功能需求出发设计
4、功能模块9包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、控制、驱动、供电方式等。q从系统功能需求出发设计功能模块10包括去耦、光隔、屏蔽、印制板、低功耗、散热、传输距离/速度、节电方式、掉电保护、软件措施等。q从系统可靠性需求确定系统设计工艺1110.2 单片机应用系统设计设计单片机应用系统主要从硬件和软件两个方面进行考虑：（1）硬件设计由总体设计所给出功能，在确定单片机类型的基础上进行硬件设计、实验。进行必要的工艺结构设计，绘制原理图，制作出印刷电路板，组装后即完成了硬件设计。12硬件设计应考虑的问题向片上系统（SOC）方向发展以软代硬注重标准化、模块化工艺设计时要考虑安装、调试、维修的方便13硬
5、件电路各模块设计的原则单片机应用系统的一般结构 如下图所示14各模块电路设计时应考虑以下几个方面：（1）存储器扩展：类型、容量、速度和接 口，尽量减少芯片的数量。（2）I/O接口的扩展：体积、价格、负载 能力、功能，合适的地址译码方法。15（3）输入通道的设计：开关量（接口形式、电 压等级、隔离方式、扩展接口等），模拟输 入通道（信号检测、信号传输、隔离、信号 处理、 A/D、扩展接口、速度、精度和价格 等）。 （4）输出通道的设计：开关量（功率、控制方 式等），模拟量输出通道（输出信号的形式 、 D/A 、隔离方式、扩展接口等）16（5）人机界面的设计：键盘、开关、拨码盘、 启/停操作、复位
6、、显示器、打印、指示、报 警、扩展接口等。 （6）通信电路的设计：根据需要选择RS-232C 、RS-485、红外收发等通信标准。（7）印刷电路板的设计与制作：专业设计软件 （ Protel，OrCAD、PROTEUS等）、设计、 专业化制作厂家、安装元件、调试等。17（8）信号逻辑电平兼容性：电平兼容和转换。（9）电源系统的配置：电源的组数、输出功率、抗干扰。（10）抗干扰的实施：芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 1810.2 单片机应用系统设计（1）软件设计软件设计流程图如右图所示：19软件结构实现结构化，各功能程序实行模块化、子程序化。一般有以下两种设计方法：（1）
7、模块程序设计：优点是单个功能明确的程序模块的设计和调试比较方便，容易完成，一个模块可以为多个程序所共享。其缺点是各个模块的连接有时有一定难度。20（2）自顶向下的程序设计：优点是比较符合于人们的日常思维，设计、调试和连接同时按一个线索进行，程序错误可以较早的发现。缺点是上一级的程序错误将对整个程序产生影响，一处修改可能引起对整个程序的全面修改。21综合应用举例1 单片机在家用冰箱中的应用1总体方案设计直冷式电冰箱的控制原理：根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启动、停止，使冰箱内的温度保持在设定温度范围内。采用单片机控制压缩机的启动和停止，可以使控制更准确、更灵活。22电冰箱采用单片机控制的性能指
8、标如下： 设定3个测温点，测量范围在26+26 之间，精度为0.5。 利用功能键分别控制温度设定、速冻设定、 冷藏室及冷冻室温度设定等。 利用数码管显示冷冻室、冷藏室温度，压缩 机启动、停止和速冻、报警状态。 制冷压缩机停机后，自动延时3分钟才能再 启动。23 电冰箱具有自动除霜功能，当霜的厚度达3cm时自动除霜。 开门延时超过2分钟发出声音报警。 连续速冻时间设定范围为18小时。 工作电压在180240V之间，当欠压或过压时，禁止启动压缩机，并用指示灯显示。242硬件设计采用89C51单片机，扩展一片A/D转换芯片 ADC0809，构成基本的系统。由于本系统无通信要 求，可以通过串行口扩展四
9、片74LS164作为四位 LED显示器接口和一片74LS164来实现键盘功能。 本系统还有一些附加的电路，如除霜电路、电压 检测电路和开关报警电路等。电冰箱控制系统的 电路原理图如下页图所示。qq主主电电路路25电冰箱控制系统原理图26A/D转换电路采用ADC0809。ADC0809共有8路模拟输入通道（本系统只用到其中的4路IN0IN3 ）。其中，IN0作为冷冻室温度检测通道，IN1作为冷藏室温度检测通道，IN2作为除霜检测通道，IN3作为电源电压检测通道。qqA/DA/D转换电转换电 路路27功能键和显示电路如上页图所示。采用6个功能键控制冷冻室、冷藏室及速冻温度设定，4位LED显示器用于
10、显示冷冻、冷藏室温度，以及压缩机启动、停止和报警等状态。LED显示及功能键都是通过89C51的串行口扩展的。显示输出通道和键盘输入通道的选择由端口线P3.2和与门完成。当P3.2为“1”时，数据输出到显示器。当P3.2为“0”时，89C51完成对键盘的扫描。qq功能功能键键和和显显示示电电路路28选用MF53-1型热敏电阻作为温度传感器（Rt），它具有负温度系数，灵敏度较高。把热敏电阻安装在距蒸发器3mm的某个合适的位置上，当霜厚大于3mm时，热敏电阻Rt接触到霜从而感受到较低的温度，其电阻值变大，A点温度降低，运算放大器输出信号有变化，经A/D转换后送入CPU，经单片机分析、判断，给出除霜命
11、令。除霜电路如下图所示。qq除霜除霜电电路路29加热丝和压缩机的工作原理如下：80C51单片机控制信号经P1.3和P1.4端口输出，并通过P1.7的控制，将信号锁存在74LS273中，74LS273的输出经过达林顿驱动器DS2003后，驱动固态继电器RELAY1和RELAY2。当DS2003的16脚有高电平输出时，RELAY1的3，4脚接通，使加热丝接通电源，开始除霜。当DS2003的15脚输出高电平时，RELAY2的3，4脚接通，使压缩机绕组接通电源而启动，开始制冷。74LS273的锁存控制信号，一方面增加输出功率，另一方面也防止单片机复位时引起控制的误动作。q制冷压缩机和除霜电热丝启动、停
12、止控制电路30313软件设计电冰箱控制程序主要分为三大部分：主程序、定时器T0中断服务程序和定时器T1中断服务程序。q 主程序主程序是整个电冰箱的 总控制程序，主要实现控制 各单元初始化、控制中断、 定时、显示、键盘程序的启 动与重复等功能。主程序的 程序流程图如右图所示。323软件设计q T0中断服务程序T0中断服务程序主要 完成电源欠压、过压处 理，开门状态检查 ，以 及处理等功能。其程序 流程图如右图所示。333软件设计q T1中断服务程序T1工作于计数方式，用于 制冷压缩机停机后自动延时3 分钟才能再启动的时间延时 。T1的中断服务程序主要完成 3分钟定时，以及温度、除霜 、速冻等各种
13、检测，根据检 测结果，比较、分析得出执 行元器件工作的状态，并控制 对应的元器件工作。Tl中断服 务程序流程图如右图所示。34设计要求：利用单片机实现的自行车里程/速度计能自动显示自行车行驶的总里程数及自行车行驶速度，具有超速信号提醒功能，里程数据自动记忆。综合应用举例2 自行车测速及里程表351. 总体设计控制器采用AT89C52单片机，速度及里程传感器采用霍尔元件，显示器通过AT89C52的P0口和P2口扩展。外部存储器采用E2PROM存储器AT24C01，用于存储里程和速度等数据。并用控制器来控制里程/速度指示灯，里程指示灯亮时，显示里程；速度指示灯亮时，显示速度。超速报警采用扬声器，用
14、一个发光二极管来配合扬声器，扬声器响时，二极管亮，表明超速。362. 硬件电路设计电路原理图如图所示。P0口和P2口用于七段LED显示器的段码及扫描输出。在显示里程时，第三位小数点用P3.7口控制点亮。P1.0口和P1.1口分别用于显示里程状态和速度状态。P1.2，P1.3，P1.6和P1.7口分别用于设置轮圈的大小。P3.0口的开关用于确定显示的方式。当开关闭合时，显示速度；断开时，显示里程。37外中断用于对轮子圈数的计数输入，轮子每转一圈，霍尔传感器输出一个低电平脉冲。外中断用于控制定时器T1的启停，当输入为0时关闭定时器。此控制信号是将轮子圈数的计数脉冲经二分频后形成，这样，每次定时器T
15、1的开启时间正好为轮子转一圈的时间，根据轮子的周长就可以计算出自动车的速度。P1.4口和P1.5口用于E2PROM存储器24C01的存取控制。11脚（TXD）输出用于速度超速时的报警。38393. 软件设计软件主要包括：主程序、初始化程序、里程计数 子程序、数据处理子程序、计数器中断服务程序、 E2PROM存取程序、显示子程序。 40q 主程序根据P0口的开 关状态切换显 示 状态，即选择 里 程显示和速度显 示。其流程图如 右图所示。 41初始化程序主要功能是将T1设为外部控制定时器方式，外中断0及1设为边沿触发方式，将部分内存单元清0，设置车轮周长值，开中断、启动定时器，将AT24C01中
16、的数据调入内存中，设置车轮圈出错处理程序。q 初始化程序42外中断0服务程序用于对输入的车轮圈数脉冲进行计数，定时器1计时，配合计算里程及速度。q 里程测速程序43将外部信息写入AT24C01存储器，把外部信息从AT24C01存储器中读出，送CPU进行处理。q E2PROM存取程序44当显示里程时，先要将计数器中的数据进行运算，求出总里程，并送入里程显示缓冲区；当要显示速度时，要将轮子的周长和转一圈的时间相除，然后换算成km/h（千米/小时）。q 显示子程序45464710.3 单片机应用系统对软件开发与调试仿真的种类（1）软件仿真（2）硬件仿真q仿真开发的种类与基本功能48仿真开发工具的功能（1）用户程序输入与修改（2）程序的运行、调试（单步运行、设置断点运行）、排错、状态查询等。（3）用户样机硬件电路的诊断与检查。（4）丰富的子程序库或库函数供开发者调用。（5）将调试正确的程序写入到程序存储器中。4910.3 单片机应用系统对软件开发与调试在线仿真器仿真软件（PTOTEUS）q仿真开发的系统简介
