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1、单片机原理与接口技术电子教案单片机原理与接口技术电子教案第第 章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单片机的应用设计与调试本章主要内容（本章学时本章主要内容（本章学时4 4学时）学时）1.单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计步骤2.单片机应用系统设计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单片机应用系统的抗干扰设计 210.1 10.1 单片机应用系统的设计步骤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单片机为核心，配以一定的外围电外围电路和软件路和软件、能实现用户所要求的测控功能的系
2、统要求的测控功能的系统。一个应用系统设计，一般可分为一个应用系统设计，一般可分为4 4个阶段：个阶段：310.1 10.1 单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计步骤（1）需求分析及）需求分析及设计设计方案初方案初拟拟 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。需求分析包括包括：被测控参数的形式参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范参数的范围围、性能性能指指标标、系、系统统功能、工作功能、工作环环境、境、显显示、示、报报警、打印警、打印要求要求等。注意，方案确定时候，简单简单的方法往往可以的方法往往可以解决大解决大问题问题，切忌切
3、忌“简单简单的的问题问题复复杂杂化化”。410.1 10.1 单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计步骤（2）器件）器件选选型型 主要从主要从性能指性能指标标、集成外集成外围围模模块块、功耗功耗、性价比等方面性价比等方面进进行行选择选择。对对于一般的于一般的测测控控系系统统，选择选择8位机即能位机即能满满足要求。足要求。对对于要求于要求较较高的高的测测控系控系统统，需，需选择选择16位机或位机或32位机。位机。q单片机选择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、封装形式等其他方面的指标，应尽可能选择标准化、模块化、功能强、集成度高
4、的典型电路。q外围器件及电路选择610.1 10.1 单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计步骤（3）总总体体设计设计 总总体体设设计计就就是是根根据据设设计计任任务务、指指标标要要求求和和给给定定条条件件，设设计计出出符符合合现现场场条条件件的的软软、硬硬件件方方案案。并并进进行行方方案案优优化化。应应划划分分硬硬件件、软软件件任任务务，画画出出系系统统结结构构框框图图。要要合合理理分分配配系系统统内内部部的的硬硬件件、软软件件资资源。包括以下几个方面：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
5、采集、检测、通包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、控制、驱动、供电方式等。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从系统功能需求出发设计功能模块9包括显示器、键盘、数据采集、检测、通包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、控制、驱动、供电方式等。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从系统可靠性需求确定系统设计工艺1110.2 10.2 单片机应用系统设计单片机应用系统设计 设计单片机应用系
6、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硬件电路各模块设计的原则硬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：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
7、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、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
8、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 10.2 单片机应用系统设计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）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
9、、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综合应用举例综合应用举例1 1 单片机在家用冰箱中的应用单片机在家用冰箱中的应用1 1总体方案设计总体方案设计直冷式电冰箱的控制原理：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标如下：电冰箱采用单片机控制的性能指标如下：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、
10、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 2硬件设计硬件设计采用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
11、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。q主电路25电冰箱控制系统原理图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。qA/D转换电路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
12、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。q功能键和显示电路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，给出除霜命令。除霜电路如下图所示。q除霜电路29加热丝和压缩机的工作原理如下：加热丝和压缩机的工作原理如下：80C5180C51单片机控制信号经单片机
13、控制信号经P1.3P1.3和和P1.4P1.4端口输出，并通过端口输出，并通过P1.7P1.7的控制，将信号锁存在的控制，将信号锁存在74LS27374LS273中，中，74LS27374LS273的输出经过的输出经过达林顿驱动器达林顿驱动器DS2003DS2003后，驱动固态继电器后，驱动固态继电器RELAY1RELAY1和和RELAY2RELAY2。当当DS2003DS2003的的1616脚有高电平输出时，脚有高电平输出时，RELAY1RELAY1的的3 3，4 4脚接通，使脚接通，使加热丝接通电源，开始除霜。当加热丝接通电源，开始除霜。当DS2003DS2003的的1515脚输出高电平时
14、，脚输出高电平时，RELAY2RELAY2的的3 3，4 4脚接通，使压缩机绕组接通电源而启动，开始脚接通，使压缩机绕组接通电源而启动，开始制冷。制冷。74LS27374LS273的锁存控制信号，一方面增加输出功率，另一的锁存控制信号，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。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
15、能。主程序的程序流程图如右图所示。323软件设计qT0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qT1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：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
16、应用举例综合应用举例2 2 自行车测速及里程表自行车测速及里程表351.1.总体设计总体设计 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。362.2.硬件电路设计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。
17、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T1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。38393.3.软
18、件设计软件设计软件主要包括：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，
19、把外部信息从AT24C01存储器中读出，送CPU进行处理。qE2PROM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 10.3 单片机应用系统对软件开发与调试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
20、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 10.3 单片机应用系统对软件开发与调试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5010.4 10.4 单片机应用系统的抗干扰与可靠性设计单片机应用系统的抗干扰与可靠性设计干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。q干扰的定义511.干扰源产生干扰信号的设备被称为
21、干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信 2.传播途径传播途径是指干扰信号的传播路径。3.接收载体接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数。q形成干扰的三个因素521.屏蔽屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。q硬件抗干扰的措施532.隔离光电隔离光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由于光电耦合器在传
22、输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是借助于光作为媒介物进行耦合的，因而具有较强的隔离和抗干扰能力。542.隔离变压器隔离对于交流信号的传输,一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。552.隔离继电器隔离继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离。同时，继电器触点较多
23、，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。56软件滤波 （1）算数平均值滤波 （2）滑动平均值滤波 （3）中值滤波 （4）去极值平均值滤波q软件抗干扰措施57软件陷阱从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离预定的程序指针，进入未使用的RAM区和ROM区，引起一些莫名其妙的现象，其中死循环和程序“飞掉”是常见的。为了有效地排除这种干扰故障，常采用软件“陷阱”法。q软件抗干扰措施58这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（RAM和ROM）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序。一般当CPU执行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址，从
24、这一起始地址开始存放一段使程序重新恢复运行的热启动程序，该热启动程序扫描现场的各种状态，并根据这些状态判断程序应该转到系统程序的哪个入口，使系统重新投入正常运行。59软件抗干扰措施软件抗干扰措施软件看门狗“看门狗”（WATCHDOG）就是用硬件（或软件）的办法使用监控定时器定时检查某段程序或接口，当超过一定时间系统没有检查这段程序或接口时，可以认定系统运行出错（干扰发生），可通过软件进行系统复位或按事先预定的方式运行。“看门狗”是工业控制机普遍采用的一种软件抗干扰措施。当侵入的尖峰电磁干扰使计算机程序“飞掉”时，WATCHDOG能够帮助系统自动恢复正常运行。60逻辑设计力求简单可靠对于一个具体
25、的单片机应用产品，在满足生产工艺控制要求的前提下，逻辑设计应尽量简单，以便节省元件，方便操作。q提高系统抗干扰的措施61硬件自检测和软件自恢复的设计 由于干扰引起的误动作多是偶发性的，因而应采取某种措施使这种偶发的误动作不致直接影响系统的运行。因此，在总体设计上必须设法使干扰造成的这种故障能够尽快恢复正常。通常的方式是在硬件上设置某些自动监测电路,这主要是为了对一些薄弱环节加强监控，以便缩小故障范围，增强整体的可靠性。62从安装和工艺等方面采取措施以消除干扰（1）合理选择接地;（2）合理选择电源;合理选择电源对系统的抗干扰能力也是至关重要的。（3）合理布局 对机电一体化设备及系统的各个部分进行合理的布局，能有效地防止电磁干扰的危害。63本章结束本章结束本章回顾单片机应用系统的设计与开发方法单片机应用系统抗干扰技术64