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1、第9章 51系列单片机应用系统设计,(1) 了解单片机应用系统设计的基本要求。 (2) 掌握单片机应用系统的组成。 (3) 掌握单片机应用系统的设计过程。 (4) 掌握单片机应用系统的设计方法和抗干扰的基本技术。 9.1 单片机应用系统设计概述 9.2 单片机应用系统的设计方法 9.3 单片机应用系统的抗干扰技术 9.4 单片机应用系统设计举例,9.1 单片机应用系统设计概述,9.1.1 单片机应用系统的结构与设计要求 9.1.2 单片机应用系统的设计过程,9.1.1 单片机应用系统的结构与设计要求,1. 单片机应用系统的结构 2. 单片机应用系统的设计要求,1. 单片机应用系统的结构,(1)
2、 单片机测控系统的硬件组成 (2) 单片机测控系统的软件组成,1. 单片机应用系统的结构,图9-1 基于单片机的测控系统结构,(1) 单片机测控系统的硬件组成,1) 通信模块。 2) 操作控制台，包括键盘、控制按钮等，是单片机测控系统中人-机交流的桥梁，通过它操作者可以向系统发出各种控制命令输入各种控制参数。 3) 输入/输出设备，包括光笔、打印机、显示屏、触摸屏等，主要用来进行显示和操控、打印、存储及传送数据。 4) 模拟量输入通道。 5) 模拟量输出通道。 6) 开关量输入通道。 7) 开关量输出通道。 8) 单片机及其扩展的存储器。,(2) 单片机测控系统的软件组成,1) 系统监控程序。
3、 2) 应用程序。,2. 单片机应用系统的设计要求,(1) 高可靠性 (2) 高性价比 (3) 实时性强 (4) 操作、维护方便,(1) 高可靠性,单片机应用系统通常用在工业现场，环境复杂、条件恶劣。这就要求单片机应用系统设计时必须考虑安全性和可靠性。采用高可靠、高性能的单片机及其接口，采取必要的抗干扰措施，还必须设计备用操作方案。,(2) 高性价比,单片机应用系统或者产品开发有若干种方案都可以实现其要求，在这种情况下要充分考虑价格和性能的关系，在满足性能要求的前提下，降低成本。,(3) 实时性强,很多单片机应用系统都有相同的功能，但是反应速度不一。设计时要充分考虑系统的实时性要求，中断处理能
4、力，以便于当被控对象变化或收到控制命令时能在规定时限内做出反应。,(4) 操作、维护方便,操作方便表现在操作简单、直观、便于操作，尽可能减少对操作人员的专业知识要求。因此，设计时，在系统性能不变的情况下，尽量减少人-机交互接口。维护方便体现在易于查找和排除故障。因此，在设计时，尽可能采用模块式结构，预留测试点，便于故障定位和排除。,9.1.2 单片机应用系统的设计过程,1) 根据用户或研究课题的任务和功能要求进行功能和性能的认识与合理分析，确定合理、详尽的技术指标。 2) 单片机应用系统的设计，包括系统基本结构的确立、主要器件选型、测控电路的选择以及软硬件功能的划分等。 3) 单片机应用系统的
5、硬件设计与调试。 4) 单片机应用系统的软件设计与调试。 5) 单片机应用系统联合调试与试运行。 6) 单片机应用系统现场调试运行或产品化设计。,9.2 单片机应用系统的设计方法,1. 确定单片机应用系统的任务、功能要求和性能技术指标 2. 确定单片机应用系统的设计方案 3. 单片机应用系统的硬件设计与调试 4. 单片机应用系统的软件设计与调试 5. 单片机应用系统联合调试与试运行 6. 单片机应用系统现场调试运行或产品化设计,1. 确定单片机应用系统的任务、功能要求和性能技术指标,在设计一个单片机应用系统之前，必须确定系统的具体功能和各项技术指标，以及应用的范围和场所。如果是受甲方委托，应根
6、据与甲方签订的技术合同或者技术协议即可以确定以上的内容。但如果是自行开发产品，就必须经过市场调研以获得产品的功能信息，还应该对比市面上同类产品的功能、技术指标、寿命、价格等各项因素，此外还可以召开专家研讨会以进一步细化产品的各项功能、技术指标，并形成设计文件。,2. 确定单片机应用系统的设计方案,确定系统的功能和技术指标后，就可以进行调研、查找资料、分析研究以确定系统的设计方案。根据测控对象的要求，确定被控参数，选择可靠、经济、实用的传感器和执行器件，确定模拟量输入、输出通道的数目和主要环节，开关量输入、输出通道的数目和主要环节。综合考虑硬件、软件的分工与配合方案，在此基础上画出整个系统的原理
7、框图。,3. 单片机应用系统的硬件设计与调试,1) 单片机的选择。 2) 信号输入通道的硬件设计。 3) 存储器与I/O接口的扩展。 4) 总线驱动能力。 5) 信号输出通道的硬件设计，主要根据应用系统功能要求而定，有两方面问题必须考虑，一是驱动问题；二是D/A转换器的选择。 6) 人-机交互设计，主要考虑键盘部分、显示器或者触摸屏的设计，由系统具体功能和要求确定。 7) 通信接口设计。,4. 单片机应用系统的软件设计与调试,1) 确定软件总体结构，划分功能模块，生成软件设计文档。 2) 模块设计采用逐步细化的方法。 3) 采用结构化的程序设计思想。,5. 单片机应用系统联合调试与试运行,单片
8、机应用系统软、硬分别设计，调试结束后，必须进行软、硬件联合调试。通过联合调试来发现硬、软件能否按预定要求协调工作，系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错误，系统的动态性能指标是否满足设计要求等。这一步需要借助于单片机开发系统来完成。需要通过相应的仪器装置模拟现场设备的输入/输出信号，对系统进行调试，同时模拟环境运行，以期发现隐含的错误。,6. 单片机应用系统现场调试运行或产品化设计,只有经过现场调试后的用户系统才能保证其可靠地工作，系统经过现场调试和试运行正常后，就可以交付用户正式运行使用了。如果开发的是产品，则还要为大批生产做准备，将各种设计、安装、调试、元器件采购等环节流程化，以进行大批
9、量生产。,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,9.3.1 单片机应用系统的硬件抗干扰技术 9.3.2 单片机应用系统的软件抗干扰技术,9.3.1 单片机应用系统的硬件抗干扰技术,1. 输入/输出通道抗干扰措施 2. 印制电路板的抗干扰措施 3. 供电系统抗干扰措施,1. 输入/输出通道抗干扰措施,1) 光电耦合隔离。 2) 双绞线传输。 3) 传感器后级的变送器应尽量采用电流型传输方式。,2. 印制电路板的抗干扰措施,1) 印制电路板大小要适中。 2) 器件布置要合理。 3) 布线要合理。 4) 合理接地。 5) 加去耦电容。 6) 强、弱电路严格分开。,3. 供电系统抗干扰措施,1) 使用交
10、流稳压器，可防止电网过电压、欠电压干扰，保证供电的稳定性。 2) 采用隔离变压器，一、二次侧用屏蔽层隔离，减少其间分布电容，提高共模抗干扰能力。 3) 采用低通滤波器可滤去干扰中的高次谐波。 4) 整个系统采用分立式供电方式，分别对各部分进行供电。 5) 采用开关电源并提供足够的功率余量。,9.3.2 单片机应用系统的软件抗干扰技术,1. 在程序中插入空操作指令(指令冗余)的抗干扰措施 2. 采用“软件陷阱”抗干扰措施 3. 数据采集的抗干扰措施,1. 在程序中插入空操作指令(指令冗余)的抗干扰措施,程序在执行过程中，CPU受到干扰后可能会将一些操作数当做指令码来执行，不能按正常状态执行程序，
11、引起程序混乱，这就是通常所谓的程序“跑飞”或“走飞”。一旦程序“跑飞”，应尽快使程序恢复正常。51系列单片机指令长度不超过3B，当程序“跑飞”到某一长度为单字节指令上时，能自动恢复正常。当“跑飞”到某一长度为双字节或三字节指令上时，有可能落到操作数上，继续出错。,2. 采用“软件陷阱”抗干扰措施,1) 未使用的中断区。 2) 未使用的大片程序空间。 3) 程序区。 4) 数据表格区。,3. 数据采集的抗干扰措施,1) 程序判断滤波。 2) 中值滤波。 3) 算术平均滤波。 4) 一阶递推滤波。,9.4 单片机应用系统设计举例,9.4.1 电阻炉温度控制系统设计 9.4.2 步进电动机控制系统设
12、计,9.4.1 电阻炉温度控制系统设计,1. 整体设计及系统原理 2. 硬件设计 3. 软件设计,1. 整体设计及系统原理,1) 温度控制范围：在3001000之间设定。 2) 恒温时间：可以在24小时内任意设定，但每次设定时间不能超过24小时。 3) 控制精度：1。 4) 超调量1%。 1) 能够由键盘设定目标温度和控制参数。 2) 液晶显示炉温、设定时间、实际时间。 3) 具有串行接口通信功能。 4) 具有越限报警功能。,图9-2 电阻炉温度控制系统原理框图,2. 硬件设计,(1) 温度检测与调理电路 (2) 计时电路 (3) 控温电路 (4) 串行接口通信模块 (5) 键盘和报警电路 (
13、6) 显示电路,(1) 温度检测与调理电路,表9-1 MAX6675的引脚功能,(1) 温度检测与调理电路,图9-3 温度检测电路,(2) 计时电路,在系统中需要准确显示升温时间、恒温时间时，本系统选用了时钟芯片DS12887构成定时电路来完成对时间的准确计时。DS12887芯片具有时钟、闹钟、12/24小时选择和闰年自动补偿功能；包含有10的时钟控制寄存器、4的状态寄存器和114的通用RAM；具有可编程序方波输出功能；报警中断、周期性中断、时钟更新中断可由软件屏蔽或测试。使用时不需任何外围电路，并具有良好的外围接口。,(3) 控温电路,控温电路包括驱动芯片MC1413、过零型交流固态继电器(
14、D44606Z型SSR)。报警和控温电路如图9-4所示。D44606Z型SSR内部含有过零检测电路，当加入控制信号，且负载电源电压过零时，Z型SSR才能导通；而,(4) 串行接口通信模块,串行接口通信模块应用单片机内部异步串行接口，在外围采用MAX232芯片完成TTL电平和RS-232C电平的转换，并与上位PC通信。,(5) 键盘和报警电路,图9-4 键盘、时钟、报警、通信和控温电路,(6) 显示电路,显示器选用点阵字符型液晶显示器TC1602，系统中将AT89S51单片机数据总线和TC1602的数据线相连，P2.1与TC1602的使能端相连，低电平时液晶模块执行命令；P2.2与TC1602的
15、读/写信号线相连，以控制液晶显示器的读/写操作，高电平时对TC1602进行读操作，低电平时进行写操作；P2.3与TC1602的寄存器选择信号线相连，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。,3. 软件设计,(1) 炉温测量 (2) PID控制算法,(1) 炉温测量,图9-5 显示电路,(1) 炉温测量,图9-6 主程序流程图,(2) PID控制算法,本例中控制算法采用增量式PID算法计算，控制量输出采用位置式输出形式，计算式如下： 设温度的设定值为W；第k次的采样(测量)值为y(k)；第k次的测量值与设定值的偏差为：e(k)=W-y(k)。,(2) PID控制算法,(2) PID控制算
16、法,图9-7 PID控制参数片内RAM分配图,9.4.2 步进电动机控制系统设计,1) 单三拍，其通电顺序如下： 2) 双三拍，其通电顺序如下： 3) 三相六拍，其通电顺序如下： 1. 步进电动机驱动电路 2. 控制软件设计,1) 单三拍，其通电顺序如下：,15A.TIF,2) 双三拍，其通电顺序如下：,15B.TIF,3) 三相六拍，其通电顺序如下：,15C.TIF,1. 步进电动机驱动电路,图9-8 步进电动机的一种驱动电路,2. 控制软件设计,(1) 控制接口 (2) 根据控制方式写出相应的控制字 (3) 三相六拍步进电动机驱动程序段,(1) 控制接口,选择单片机的输出接口控制三相步进电动机的每一相绕组。例如，用8位接口控制三相步进电动机时，可用D0、D1、D2分别接到三相步进电动机的A、B、C三相绕组的驱动电路。,(2) 根据控制方式写出相应的控制字,表9-2 步进电动机正转控制字,(2) 根据控制方式写出相应的控制字,表9-3 步进电动机反转控制字,(3) 三相六拍步进电动机驱动程序段,图9-9 三相六拍步进电动机驱动程序流程,
