《单片机原理及应用 教学课件 ppt 作者 张国锋 主编 第9章 单片机的综合应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理及应用 教学课件 ppt 作者 张国锋 主编 第9章 单片机的综合应用（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本章总体要求：,了解单片机的选型原则,1,掌握单片机应用系统设计的原则及软硬件设计方法,2,了解单片机应用系统抗干扰技术的基本方法,3,理解单片机应用系统调试的基本方法,4,5,理解几个应用实例的软、硬件设计过程,第9章 单片机的综合应用,本章重点：,单片机应用系统的设计原则,1,单片机应用系统的硬件设计方法,2,单片机应用系统的软件设计方法,3,单片机应用系统的软、硬件抗干扰技术,4,本章难点：,单片机应用系统的设计过程,1,应用系统的抗干扰设计,2,1.单片机的系统适应性 单片机对控制系统的适应性，就是能否用一个单片机完成对系统的控制，或需要增加几个附加的集成电路才能实现对系统的控制。体现
2、在4各方面： （1）单片机是否含有所需的I/O接口数目 （2）单片机是否含有所需的外围接口部件 （3）单片机是否有合适的计算处理能力 （4）单片机是否有足够的极限性能,9.1 单片机的选型原则,2.单片机的可购买性 （1）单片机是否可直接购买到 （2）单片机是否有足够的供应量 （3）单片机是否仍然在生产之中 （4）单片机是否在改进之中 3.单片机的可开发性,4.单片机选型的其它建议 （1）性能价格比 （2）设计人员的熟悉程度 （3）够用、适用原则,9.2 单片机应用系统的设计,9.2.1 单片机应用系统的设计原则 1.高可靠性 （1）使用可靠性高的元器件，以防止器件的损坏影响系统的可靠运行。
3、（2）对供电电源采用抗干扰措施。 （3）采用双机系统。 （4）设计电路板时布线和接地要合理，严格安装硬件设备及电路。 （5）输入/输出通道抗干扰措施。 （6）进行软硬件滤波。 （7）采用必要的冗余设计或增加系统自诊断功能。,2.性价比高 3.操作维护要方便 4.设计周期短,9.2.2 单片机应用系统的组成 任何单片机应用系统都是由两大部分组成：硬件和软件。 1.硬件组成 硬件由单片机、存储器、若干I/O接口及外围设备等组成，如图下图所示。,图9-1 单片机应用系统硬件组成示意图,2.软件组成 软件主要由实时软件和开发软件两大类组成。 实时软件是由软件设计者提供的、针对不同单片机控制系统功能所编
4、写的软件、专门用于对整个单片机系统的管理和控制。 开发软件是指在开发、调试控制系统时使用的软件，如汇编软件、编译软件、调试和仿真软件、编程下载软件等。,9.2.3 单片机应用系统的设计过程 单片机应用系统的设计过程一般包括系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统总体调试4个阶段。,图9-2 单片机应用系统开发过程图,1.系统总体设计 总体设计关键在于对系统功能和性能的认识和合理分析，系统单片机及关键芯片的选型，系统基本结构的确立、软硬件功能的划分。 （1）需求分析 （2）确定技术指标 （3）方案论证 （4）主要器件的选型,2.硬件设计 （1）设计硬件原理图 （2）程序存储器 （3）数据存储器和
5、I/O接口 （4）地址译码电路 （5）总线驱动能力 （6）系统速度匹配 （7）抗干扰措施,3.软件设计,图9-3 软件设计流程图,（1）软件方案设计 单片机应用系统的软件主要包括两部分：用于管理单片机微机系统工作的监控程序和用于执行实际具体任务的功能程序。 （2）建立数学模型 建立的数学模型要能真实描述客观控制过程。要精确而简单。 （3）软件程序流程图设计 （4）编制程序 （5）软件检查,4.系统调试 系统调试包括硬件调试、软件调试和软硬联调。 根据调试环境不同，系统调试又分为模拟调试和现场调试。,（1）单片机应用系统调试工具 在单片机应用系统的调试过程中，常用的调试工具有以下几种： 单片机开
6、发系统 万用表 逻辑笔 逻辑脉冲发生器与模拟信号发生器 示波器 逻辑分析仪,（2）单片机应用系统的一般调试方法 硬件调试：（a）静态调试 （b）动态调试 软件调试：（b）先独立后联机 （b）先分块后组合 （c）先单步后连续 系统联调：（a）软、硬件能否按预定要求配合工作 （b）系统运行时是否有潜在的设计时难以预料的错误 （c）系统的动态性能指标（包括精度、速度参数）是否满足设计要求。 现场调试：一般情况下，通过系统联调后用户系统就可以按照设计目标正常工作了。,9.3 单片机应用系统的抗干扰技术,9.3.1 干扰的来源 交流电源的干扰 信号输入输出通道的干扰 空间的辐射干扰,9.3.2 硬件抗干
7、扰技术 使用硬件抗干扰技术是抑制干扰的有效方法。 常用的硬件抗干扰技术有：滤波技术、屏蔽技术、隔离技术、去耦技术和接地技术等。,1.抑制来自电源的干扰 （1）屏蔽电源变压器 将电源变压器的原、副边分别加以屏蔽。 （2）使用交流稳压器 交流稳压器主要用于克服电网电压波动对系统的影响。 （3）应用隔离变压器 可抑制高频噪声干扰。 （4）低通滤波器 可抑制由电网侵入的外部高频干扰。 （5）系统采用性能优良的直流稳压线路，增大输入输出滤波电容，减少电源纹波系数。 （6）交流电引进线应尽量短，防止50Hz信号对系统的干扰。 （7）电源变压器的容量应留有一定的余量。 （8）系统中数字地、模拟地应一点相连；
8、外壳地线和公共地线应分开走线，若允许直接相连，则应在某一点可靠连接，否则用110F的电容相连接。,2.抑制来自系统输入输出通道的干扰 （1）采用变压器隔离 利用隔离变压器将模拟通道部分与数字部分隔离开来，提高抗干扰能力。 （2）光电隔离 利于光电隔离技术把前后电路隔离，提高抗干扰能力。 （3）浮地屏蔽 采用光电耦合器将系统控制部分与其它外接通道实行浮地屏蔽的处理方法。 （4）双绞线传输 采用双绞线传输的目的是减少电磁感应，抑制噪声。 （5）滤波 在输入输出通道中使用低通、高通、带通等滤波器技术，可有效提高系统对特定频率干扰的抑制。,3.抑制空间干扰和电感性干扰 空间干扰主要是指磁场在线路和导线
9、上的辐射引起的系统工作不稳定；电感性负载干扰是指由电感性负载如电动机、变压器、继电器、接触器和电磁铁等产生的干扰，当对他们进行启停操作时，会产生幅值较大的高频干扰，影响系统的正常工作。 所采取的抑制措施主要有： （1）应用阻容吸收网络 采用在负载两端并联R-C网路的方法，能够抑制由电感性负载启停所产生的干扰，降低干扰幅值，减少干扰频率，较好地抑制干扰。 （2）应用压敏电阻 压敏电阻是一种对电压敏感的非线性电阻器件，随着加在其两端的电压升高到某一值，压敏电阻的阻值会迅速减小。因此它能够快速降低干扰幅值，既适用于直流电路，也适用于交流电路。,4.接地抗干扰技术 在单片机控制系统中，主要有以下几种地
10、线：模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。 单片机系统中的接地技术主要有：浮地技术、一点接地技术等。 浮地技术指控制系统的地线与外壳或大地浮置，提高对电源、外壳引进干扰的抑制；一点接地技术是指控制系统的模拟地、数字地以及系统地最后应在一点集中连结在接地点上。,9.3.3 软件抗干扰技术 软件抗干扰研究的主要内容是：消除模拟输入信号的噪声（如数字滤波技术）；程序运行混乱使程序重入正轨的方法。 1.指令冗余 当CPU受干扰出现错误时，程序便脱离正常轨道“乱飞”，但乱飞到某指令的操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。 通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使
11、乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。 此外，对程序流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP指令，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。,2.拦截技术 所谓拦截，即指将乱飞的程序引向指定位置，在进行出错处理。通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序。因此先要合理设计陷阱，其次要将陷阱安排在适当的位置。 （1）软件陷阱的设计 通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序区填入以
12、下指令作为软件陷阱： NOP NOP LJMP 0000H 其机器码为0000020000。,（2）陷阱的安排 通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000，最后一条应填入020000，当乱飞程序落到此区，即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。 当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断1，外部中断1的中断服务程序可为如下形式： NOP NOP RETI,3.软件“看门狗”技术 当程序弹飞到一个临时构成的死循环中时，软件陷阱也就无能为力了，这时系统将完全瘫痪。 这是可以使用软件看门狗技
13、术。 “看门狗”具有如下特性： 本身能独立工作，基本上不依赖于CPU； CPU在一个固定的时间间隔内和该系统打一次交道（喂一次狗），以表明系统目前尚正常； 当CPU陷入死循环后，能及时发觉并使系统复位。 “看门狗”技术可以由硬件实现，也可由软件实现。,“看门狗”技术可以由硬件实现，也可由软件实现。在8096系列单片机和增强型的89C51系列单片机芯片内已经内嵌了程序运行监视系统，使用起来很方便。而在普通型51系列单片机中，必须由用户自己建立。 当系统陷入死循环之后，什么样的程序才能使其跳出来呢？只有比这个死循环更高级的中断子程序才能夺走对CPU的控制权。,例如T0作WATCHDOG，定时约定为
14、16ms，可在初始化时按下列方式建立WATCHDOG： MOV TMOD，#01H ；设置T0为16位定时器 SETB ETO ；允许T0中端 SETB PT0 ；设置T0为高级中断 MOV TH0，#0E0H ；定时约16ms SETB TR0 ；启动T0 SETB EA ；开中断,WATCHDOG启动以后，系统工作程序必须经常“喂它”，并且每两次的时间间隔不得大于16ms（如可以每10ms“喂”一次）。执行一条“MOV TH0，#0E0H”指令即可将它暂时“喂饱”，若改用“MOV TH0，#00H”指令来“喂”它，它将“安静”131ms（而不是我们要求的16ms）。,下面是一个完整的看门狗
15、程序，它包括模拟主程序，喂狗（DOG）程序和空弹返回0000H（TOP）程序。 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH LJMP TOP MIAN： MOV SP，#60H MOV PSW，#00H MOV SCON，#00H ；模拟硬件复位，可根据系统对资源的使用情况增减 MOV IE，#00H MOV IP，#00H MOV TMOD，#01H LCALL DOG ；调用DOG程序的时间间隔应小于定时器定时时间 ,DOG：MOV TH0，#0BH ；喂狗程序 MOV TL0，#0E0H SETB TR0 RET TOP：POP ACC ；空弹断点地址 POP ACC C
16、LR A PUSH ACC ；将返回地址换成0000H， ；以便实现软件复位 PUSH ACC RETI,9.4 综合应用举例,9.4.1 数码管时钟的设计 9.4.2 语音播报系统 9.4.3 交通信号灯控制设计 9.4.4 电动自行车里程/速度计设计 9.4.5 步进电机的单片机控制,9.4.1 数码管时钟的设计,1.设计要求 利用单片机设计制作具有以下功能的数字时钟： （1）自动计时，由6位LED显示器显示时、分、秒。 （2）具备调整功能，可以直接由09数字键设置当前时间。 （3）具备定时闹钟功能。,2.设计方案 数字时钟电路由单片机、键盘输入模块、时钟显示模块及闹钟模块组成。 单片机选用89C51，键盘及显示模块采用8155芯片扩展实现，键盘输入电路采用43键盘，包括09共10个数字键（键号为00H09H）、C/R键（时间）（时间设定/启动计时键，键号为0AH）和ALM键（闹钟设置/启闹/停闹键，键号为0BH）。LED数码
