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1、,第七章 单片机的系统设计,高 校 教 材 网,7.1 系统设计概述,单片机控制系统是指以单片机为核心（主控制器），配置适当的外围设备，以程序运行方式对某特定要求实现控制的系统。一个单片机控制系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统包含系统扩展,即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路和系统配置（即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路）两个部分；软件系统包含系统初始化程序（即对系统用到的片内功能模块和片外扩展模块控制字的设置
2、）和控制程序（功能算法实现、定时器/计数器及中断管理、外部模块读写、I/O口控制、可靠性和抗干扰设计等）两个部分。,7.1.1 系统设计的一般原则,1、总体原则 单片机控制系统大多数用于工业环境或嵌入到其它设备中完成某种特定的控制功能。单片机控制系统应充分发挥单片机固有的（体积小、功耗低、控制功能强等）特点，系统不宜过大和太复杂。因此，在设计系统时应注意把握以下几个方面的总体原则： （1）系统的高可靠性和实时性； （2）系统硬件的最简化和软件的通用化； （3）系统的操作、维护和升级应较为方便。,2、系统硬件设计原则,在系统设计总体原则指导下，系统的硬件设计应遵循如下的基本原则： （1）尽可能选
3、择典型电路，并符合单片机常规用法,为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 （2）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。 （3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑(分工)原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。 （4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。,（5）可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件
4、选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 （6）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 （7）系统的硬件设计应尽量 “单片”实现。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成的功能越来越强，真正的片上系统SoC已经可以实现。目前大多数单片机产品在片内集成了大容量FLASH存储器、SRAM、A/D、D/A、丰富的并口和串口、看门狗、上电复位电路、温度传感器等等。,3、系统软件设计原则,（1）系统软件总体设计应采用模块化设计方法，各模块功能程序
5、应具备通用性，以便日后碰到类似的功能程序时，可以直接调用，避免重复功能程序设计，缩短系统开发周期； （2）适当地使用软件陷阱、指令冗余等设计技术，提高系统的可靠性； （3）充分利用单片机的片内资源，能用软件实现的功能就不要扩展相应的硬件； （4）对开关量的输出/输出尽量使用PLC普遍采用的扫描技术； （5）使用数字滤波技术、先进成熟的控制算法提高信号抗扰能力和系统的控制精度； （6）采用合理的数据结构来简化数据的存储和检索； （7）在保证实现控制功能地前提下，尽可能地使用执行时间短（机器周期数少）、占用内存少（指令字节数少）的指令编写程序。,7.1.2 系统设计的步骤,7.1.3 系统的可靠性
6、设计,1、元器件选择,2、系统设计,3、PCB设计,7.2 系统开发工具介绍,7.2.1 系统硬件开发工具 单片机系统开发常用的硬件工具有编程器、仿真器和逻辑分析仪。当然，对于初学者来说不一定要全部备齐，可以利用单片机的ISP功能加上KeilC51软件，同样可以进行一些小系统的开发。但是，真正做单片机的系统开发下面的设备是必要的。,1、编程器 编程器的主要功能是将编好的程序和数据写到单片机或存储器中。图7-2所示是 SmartPRO5000U编程器。支持PHILIPS、ATMEL、WINBOND等众多半导体厂商的产品。主要性能如下：,图7-2 SmartPRO5000U编程器,2、仿真器 仿真
7、器的主要功能是用可控制的手段来真实地模仿单片机的软件和硬件工作情况。图7-3和图7-4分别是高性能TKS668B仿真器软件界面和外观图。,图7-3 TKS668B仿真器软件界面 图7-4 TKS668B仿真器,3、逻辑分析仪 逻辑分析仪的主要功能是进行逻辑分析、总线分析和协议分析等。,图7-5 LA5034逻辑分析仪,7.2.2系统软件开发工具 单片机学习及系统开发大致需要用到如下的一些应用软件。 1、Debug8051软件,图7-5 Debug8051软件界面,2、Keilc51软件 Keilc51是德国知名公司Keil（现已并入ARM公司）开发的基于8051内核的微控器（单片机）开发平台，
8、是目前开发8051单片机的主流工具，是学习和开发单片机必须掌握的工具。该软件的功能及应用在第6章已经有所介绍，这里不再赘述。,3、ISP/IAP/ICP软件 目前的增强型51Flash单片机，凭着其优异的可重复编程功能，有的在内部集成了ISP功能、有的集成了IAP功能、有的集成了ICP功能，而有的单片机同时具备ISP/ICP/IAP功能，为单片机产品的软件升级提供了彻底的解决方案。,4、Protel软件 Protel软件是总部位于澳大利亚的Altium(前身为Protel国际有限公司)公司开发的电子线路原理图设计、PCB设计软件。是目前单片机系统硬件设计的最佳工具。,图7-9 Protel99
9、se软件界面,7.3 系统实例设计 7.3.1、单片机时间顺序控制系统,1、系统任务：用单片机实现按时间顺序要求输出控制信号。学校的上下课打铃（或企事业单位作息时间）控制是一个典型的时间顺序控制系统。以下是周立功公司提供的、软硬件通过测试的一个实用单片机时间顺序控制系统。,2、系统硬件设计,（1）主芯片选择,能实现任务要求的51单片机机型很多，这里选用自带内部EEPROM的Philips公司单片机P89LPC932作为主控芯片，外部通过IIC总线与高精度时钟日历芯片PCF8563通讯，通过IO口控制外部电铃驱动模块，可通过Uart及PC机软件对P89LPC9932及PCF8563进行设置。,（
10、2)电源电路设计： 系统电源电路如图7-10所示，为使系统能得到可靠的工作电源，采用了三块集成芯片： 7805（三端稳压）芯片：提供5V稳压 SPX1117（800mA低压差稳压器）芯片：提供单片机3V工作电压； CAT809（电源监控）芯片：对系统电源进行监控，当工作电压低于2.5V时，关闭系统电源，防止单片机出现误动作。,图7-10 系统电源电路,（3）系统原理图设计,图7-11 系统硬件原理图,3、系统软件设计,（1）控制参数设置,（2）程序模块说明,（3）主程序清单,7.3.2 单片机温度测控系统,1、系统任务,用单片机与一块DS18B20构成一个温度测控系统。要求测量温度误差0.1度
11、；测量温度范围在20100之间，并用数码管显示测量温度。,2、系统硬件设计： （1）主要芯片选择：主控芯片选用Atmel公司带ISP功能的AT89S51单片机,温度测量选用Dallas公司的数字温度计DS18B20，显示器用4联封装的数码管LED84S。 （2）DS18B20简介：DS18B20数字温度计是Dallas公司生产的1Wire，即单总线器件。用它来组成一个测温系统，具有线路简单，体积小的特点，可以在一根通信线挂很多个这样的数字温度计。,2）DS18B20的引脚： TO92封装的DS18B20的引脚排列见图7-12，其引脚功能描述见表7-3。,图7.12 DS18B20引脚与封装,(
12、3)DS18B20的使用方法: 由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。,图7-14 DS18B20的读时序,图7-15 DS18B20的写时序,图7-16 温度测控系统原理图,本 章 小 结 本章讲述了单片机控制系统设计的一般原则、系统设计步骤和提高系统可靠性的一些基本方法，介绍了单片机系统开发常用的一些软件开发（学习）工具和硬件开发（学习）工具，给出了两个实用的单片机控制系统的原理图及其控制程序，且它们的软硬件均通过测试。对初学单片机系统设计的人员，无论从单片机的选型、电源电路设计、系统原理图设计、调试工具选择，还是系统程序设计等均具有较高的参考价值。,习 题 1、单片机系统设计的一般原则是什么？ 2、单片机控制系统设计的主要步骤有那些？ 3、影响单片机控制系统可靠性的因素有那些？ 4、一个单片机控制系统的开发过程，常用到那些软硬件开发工具？ 5、在单片机控制系统设计时，主控芯片（单片机）的选择应注意些什么？ 6、试以单片机为主控芯片，实现一个交通灯控制系统的设计。,
