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1、2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系第第7章章 单片机的应用与开发技术单片机的应用与开发技术 7.1 单片机应用系统的开发步骤单片机应用系统的开发步骤 7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统的抗干扰措施 7.3 单片机应用与开发举例：电热箱温控系统单片机应用与开发举例：电热箱温控系统2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系 单片机应用系统是以单片机为核心，扩展外围芯片单片机应用系统是以单片机为核心，扩展外围芯片和电路，能完成一定任务的微机系统。和电路，能完成一定任务的微机系统。单片机具有体积小
2、、成本低、抗干扰强、使用方便单片机具有体积小、成本低、抗干扰强、使用方便灵活等优点，已广泛应用于生产和科技等各个领域。灵活等优点，已广泛应用于生产和科技等各个领域。1、确定系统控制方案，彻底了解控制对象和控制要求。、确定系统控制方案，彻底了解控制对象和控制要求。单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：7.1 单片机应用系统的开发步骤单片机应用系统的开发步骤 （1）高速对象（电机调速、图像语音识别等）还是慢速）高速对象（电机调速、图像语音识别等）还是慢速对象（温度、流量等过程控制）；对象（温度、流量等过程控制）；（2）开环控制还是闭环控制；）开环控制还是闭环控
3、制；2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系2、确定控制算法，根据系统数学模型和控制要求，选择、确定控制算法，根据系统数学模型和控制要求，选择单片机的控制规律。单片机的控制规律。3、微机选型：综合考虑控制要求、经济条件等多种因素、微机选型：综合考虑控制要求、经济条件等多种因素进行。进行。7.1 单片机应用系统的开发步骤单片机应用系统的开发步骤1、确定系统控制方案，彻底了解控制对象和控制要求。、确定系统控制方案，彻底了解控制对象和控制要求。单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：（1）直流电机传动系统多用）直流电机传动
4、系统多用PID控制；控制；（2）交流传动则除）交流传动则除PID外，还用矢量变换控制；外，还用矢量变换控制；（3）温度调节等滞后系统多采用大林算法与施密斯预）温度调节等滞后系统多采用大林算法与施密斯预估算法等。估算法等。2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系2、确定控制算法，根据系统数学模型和控制要求，选择、确定控制算法，根据系统数学模型和控制要求，选择单片机的控制规律。单片机的控制规律。3、微机选型：综合考虑控制要求、经济条件等多种因素、微机选型：综合考虑控制要求、经济条件等多种因素进行。进行。7.1 单片机应用系统的开发步骤单片机应用系统的开发步
5、骤1、确定系统控制方案，彻底了解控制对象和控制要求。、确定系统控制方案，彻底了解控制对象和控制要求。单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：（1）MCS-51系列单片机是国内很常用的系列单片机是国内很常用的8位机；位机；（2）在要求更高的场合，应考虑采用）在要求更高的场合，应考虑采用MCS-96系列单片机；系列单片机；（3）对运算速度要求更高的场合，可考虑采用数字信号处）对运算速度要求更高的场合，可考虑采用数字信号处理器（理器（DSP）。）。2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系4、硬件设计：在系统控制方案的基础上
6、，根据单片机本身、硬件设计：在系统控制方案的基础上，根据单片机本身的硬件资源，确定出整个系统的控制电路。的硬件资源，确定出整个系统的控制电路。5、软件设计：依据控制算法和控制电路。、软件设计：依据控制算法和控制电路。在硬件和软件设计中要做好抗干扰设计在硬件和软件设计中要做好抗干扰设计7.1 单片机应用系统的开发步骤单片机应用系统的开发步骤单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：单片机片内的资源应充分予以利用，只有在不能单片机片内的资源应充分予以利用，只有在不能满足要求时，才需要扩展。满足要求时，才需要扩展。通常硬件少则软件多，反之亦然。通常硬件少则软件多，反
7、之亦然。程序编制法则：程序编制法则：画框图画框图确定软件功能模块确定软件功能模块确定流程图确定流程图 调试子程序调试子程序程序总调。程序总调。2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系4、硬件设计：在系统控制方案的基础上，根据单片机本身、硬件设计：在系统控制方案的基础上，根据单片机本身的硬件资源，确定出整个系统的控制电路。的硬件资源，确定出整个系统的控制电路。5、软件设计：依据控制算法和控制电路。、软件设计：依据控制算法和控制电路。6、系统总调：根据制成的硬件电路和调试过的程序做系、系统总调：根据制成的硬件电路和调试过的程序做系统总调。统总调。7.1 单
8、片机应用系统的开发步骤单片机应用系统的开发步骤单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：单片机应用系统的开发一般包括以下步骤：常用单片机仿真完成，然后固化软件，脱开仿真器，常用单片机仿真完成，然后固化软件，脱开仿真器，插回单片机与固化了的程序存储器。插回单片机与固化了的程序存储器。2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系 从理论上讲，只要将程序编好系统就可以正常工作从理论上讲，只要将程序编好系统就可以正常工作了。但是在实际应用中，常常会出现系统无缘无故的了。但是在实际应用中，常常会出现系统无缘无故的“死机死机”。这种情况会导致不可想象的后果，特别在一些。这
9、种情况会导致不可想象的后果，特别在一些闭环的控制系统，这是绝对不允许的。闭环的控制系统，这是绝对不允许的。7.2.1 抗干扰硬件措施抗干扰硬件措施看门狗电路看门狗电路7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统的抗干扰措施造成造成“死机死机”的主要原因：的主要原因：51单片机的程序是单字节、双字节和三字节指令单片机的程序是单字节、双字节和三字节指令的集合。如果干扰信号破坏了的集合。如果干扰信号破坏了PC的内容，使的内容，使PC指向数指向数据。据。PC的错误使程序不是从正常的入口进入到循环体的错误使程序不是从正常的入口进入到循环体中，无法从循环体中转出等。中，无法从循环体中转出等。2/1
10、2/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系解决解决“死机死机”的方法只有一种，强迫的方法只有一种，强迫PC=0000H。即将单。即将单片机片机“复位复位”。使用使用“看门狗看门狗”电路可以有效地解决上述问题。电路可以有效地解决上述问题。7.2.1 抗干扰硬件措施抗干扰硬件措施看门狗电路看门狗电路7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统的抗干扰措施造成造成“死机死机”的主要原因：的主要原因：51单片机的程序是单字节、双字节和三字节指令单片机的程序是单字节、双字节和三字节指令的集合。如果干扰信号破坏了的集合。如果干扰信号破坏了PC的内容，使的内容，使P
11、C指向数指向数据。据。PC的错误使程序不是从正常的入口进入到循环体的错误使程序不是从正常的入口进入到循环体中，无法从循环体中转出等。中，无法从循环体中转出等。2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系1、看门狗电路工作原理及参数设定、看门狗电路工作原理及参数设定MCS-51 RESET ALE P1.0CP Q/R N位计数器位计数器死机时的复位脉冲死机时的复位脉冲 程序正常时程序正常时的的“喂狗喂狗”信号信号原始喂狗原始喂狗中间喂狗中间喂狗1）根据程序一次周期的时间）根据程序一次周期的时间T1选择计数器的溢出时间选择计数器的溢出时间T2；2）不能影响正
12、常时单片机的工作，即两次）不能影响正常时单片机的工作，即两次“喂狗喂狗”的时间间的时间间 隔隔T3要小于计数器溢出的时间；即要小于计数器溢出的时间；即T2T1T33）合理选择）合理选择“喂狗喂狗”的位置。的位置。程序飞走程序飞走7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统的抗干扰措施7.2.1 抗干扰硬件措施抗干扰硬件措施看门狗电路看门狗电路2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系目前，市场上已经出现多种型号的微机监控电路芯片，目前，市场上已经出现多种型号的微机监控电路芯片，这些芯片不仅自带计数脉冲振荡器，而且还能对单片机这些芯片不仅自带计数脉
13、冲振荡器，而且还能对单片机的供电电源进行监控，确保系统万无一失。的供电电源进行监控，确保系统万无一失。在一些高档单片机中还内嵌了在一些高档单片机中还内嵌了“监控电路监控电路”如如PHILIPS公司生产的公司生产的8XC552系列单片机（与系列单片机（与MCS-51 全兼容），全兼容），内部具有一个内部具有一个“Watch Dog”电路，对系统实行全面监电路，对系统实行全面监控。控。硬件的监控电路还需软件配合，合理、正确地使用指令硬件的监控电路还需软件配合，合理、正确地使用指令对监控电路进行对监控电路进行“清零清零”，这些需要综合考虑加上经验，这些需要综合考虑加上经验和反复调试，这样才能发挥出监
14、控电路的最大潜能。和反复调试，这样才能发挥出监控电路的最大潜能。7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统的抗干扰措施7.2.1 抗干扰硬件措施抗干扰硬件措施看门狗电路看门狗电路2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系2、带电源监控功能的看门狗电路、带电源监控功能的看门狗电路MAX813L/MR:手动复位端，低有效手动复位端，低有效Vcc,GND:电源端；电源端；PFI:电源故障输入端；电源故障输入端；WDI:看门狗输入；看门狗输入；RESET:复位输出；复位输出；/WDO:看门狗输出。看门狗输出。1 8 2 73 64 5/WDORESTW
15、DI/PFO/MRVccGNDPFI看门狗跃看门狗跃迁检测器迁检测器看门狗看门狗定时器定时器时基电路时基电路复位产生器复位产生器&+-+-WDI/MRVccPFIRESET/PFO/WDO4.65V1.25VMAX813L内部电路框图内部电路框图转电路7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统的抗干扰措施7.2.1 抗干扰硬件措施抗干扰硬件措施看门狗电路看门狗电路2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系MAX813L的引脚功能说明的引脚功能说明复位输出复位输出RESET：当系统上电、掉电或供电电源降低时，当系统上电、掉电或供电电源降低时，该脚
16、输出该脚输出200mS的高电平复位信号。复位门限电平为的高电平复位信号。复位门限电平为4.65V。看门狗输出看门狗输出WDO：如果在如果在1.6S内外部没有触发内外部没有触发WDI，则该，则该脚输出一个低电平信号。脚输出一个低电平信号。手动复位信号手动复位信号/MR：低电平有效，对应在低电平有效，对应在RESET脚上输出一脚上输出一个高电平。个高电平。1.25V门限值检测器门限值检测器PFI：第第4脚输入、第脚输入、第5脚输出。当脚输出。当PFI引引脚上的电压低于脚上的电压低于1.25V时，在第五脚输出一个低电平。时，在第五脚输出一个低电平。7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统
17、的抗干扰措施2、带电源监控功能的看门狗电路、带电源监控功能的看门狗电路MAX813L7.2.1 抗干扰硬件措施抗干扰硬件措施看门狗电路看门狗电路2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系MAX813L的典型应用电路1 8 2 73 64 5/WDORESTWDI/PFO/MRVccGNDPFIAT89C51RESETP1.0/INT0未稳压的未稳压的直流电源直流电源7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统的抗干扰措施2、带电源监控功能的看门狗电路、带电源监控功能的看门狗电路MAX813L7.2.1 抗干扰硬件措施抗干扰硬件措施看门狗电路看门狗
18、电路返回返回2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系 软件设计中，在程序的某些点中加入适当的指令使其通过软件设计中，在程序的某些点中加入适当的指令使其通过P1.0口线不断地输出周期小于口线不断地输出周期小于1.6S的脉冲信号送至的脉冲信号送至MAX813L的的WDI端。端。如果程序发生如果程序发生“死机死机”时，时，P1.0上无脉冲输出。时间超过上无脉冲输出。时间超过1.6S后后/WDO端输出低电平使端输出低电平使/MR端变低因而使端变低因而使MXA813L的的RESET端输出一个高电平，将单片机复位。端输出一个高电平，将单片机复位。当电源电压低于当电
19、源电压低于4.65V时，时，MAX813L也会产生也会产生RESET信号信号将单片机复位，从而避免单片机因电源过低而产生错误的操将单片机复位，从而避免单片机因电源过低而产生错误的操作。作。电源故障检测是将未稳压的电源经分压电阻采样，电源故障检测是将未稳压的电源经分压电阻采样，PFI电压电压低于低于1.25V时，时，/PFO输出低电平，向单片机发出中断申请。输出低电平，向单片机发出中断申请。单片机通过中断服务程序对重要的数据进行备份等操作。单片机通过中断服务程序对重要的数据进行备份等操作。7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统的抗干扰措施2、带电源监控功能的看门狗电路、带电源监控功
20、能的看门狗电路MAX813L7.2.1 抗干扰硬件措施抗干扰硬件措施看门狗电路看门狗电路2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系7.2.2 抗干扰软件措施之一抗干扰软件措施之一 软件陷阱软件陷阱 软件陷阱是对跑飞程序的一种软件陷阱是对跑飞程序的一种“俘获俘获”，失常程序一，失常程序一旦进入旦进入“陷阱陷阱”就会被强迫回到单片机的复位状态。就会被强迫回到单片机的复位状态。LJMP 0000H的操作码为的操作码为02 00 00H，空操作指令，空操作指令NOP的操作码为的操作码为00H。如果在程序存储器的所有空白单元中布满如果在程序存储器的所有空白单元中布
21、满02 00 00 02 00 00指令码，那么，一旦失常程序进入这些指令码，那么，一旦失常程序进入这些“陷阱陷阱”，单片机就会因执行某一条，单片机就会因执行某一条LJMP 0000H指指令而自动返回令而自动返回0000H地址处执行。地址处执行。7.2 MCS-51单片机系统的抗干扰措施单片机系统的抗干扰措施2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系电热箱单片机温控系统结构框图电热箱单片机温控系统结构框图7.3 单片机应用与开发举例：电热箱温控系统单片机应用与开发举例：电热箱温控系统2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工
22、大学电气系 单片机具有温度设定、显示、给出采样温度反馈值、输出温单片机具有温度设定、显示、给出采样温度反馈值、输出温度控制量以及作调节器运算等功能。度控制量以及作调节器运算等功能。7.3 单片机应用与开发举例：电热箱温控系统单片机应用与开发举例：电热箱温控系统2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系温度信号输入通道温度信号输入通道MC14433是双积分是双积分3 位的位的A/D转换器：采用扫描的方法；转换器：采用扫描的方法；DS4DS1：分别是个、十、百、千位的选通脉冲输出线；：分别是个、十、百、千位的选通脉冲输出线；Q3Q0:BCD码数据输出线，动态
23、地输出千位、百位、十位、个位值。码数据输出线，动态地输出千位、百位、十位、个位值。EOC与与INT0相接使得相接使得MC14433每次每次A/D结束后，同时启动下一次转换，结束后，同时启动下一次转换，使其处于连续的使其处于连续的A/D转换中，并使得单片机在中断服务程序中读入该转换中，并使得单片机在中断服务程序中读入该次转换结果。次转换结果。7.3 单片机应用与开发举例：电热箱温控系统单片机应用与开发举例：电热箱温控系统2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系输出控制电路输出控制电路输出高电平：输出高电平：输出高电平：输出高电平：双向可控硅导通，电热丝两端加双向可控硅导通，电热丝两端加220V220V电压；电压；输出低电平：输出低电平：输出低电平：输出低电平：双向可控硅截止，电热丝两端电压大大降低。双向可控硅截止，电热丝两端电压大大降低。控制算法：控制算法：控制算法：控制算法：对于温度控制系统，系统具有大热惯性，系统采用脉对于温度控制系统，系统具有大热惯性，系统采用脉 冲宽度调制的控制方法。冲宽度调制的控制方法。7.3 单片机应用与开发举例：电热箱温控系统单片机应用与开发举例：电热箱温控系统2/12/2023目录目录单片机课程单片机课程大连理工大学电气系大连理工大学电气系The enDThank You