ATS單片機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)與調(diào)試PPT課件

1、第第1313章章 AT89S51AT89S51單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)的應(yīng)用 設(shè)計(jì)與調(diào)試設(shè)計(jì)與調(diào)試1成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程系自動(dòng)化工程系第1頁(yè)/共187頁(yè)2 第第13章章 目錄目錄13.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟13.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13.2.1 硬件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題 13.2.2 典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 13.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的地址空間分配與總線驅(qū)動(dòng) 13.2.4 AT89S51單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng) 13.2.5 應(yīng)用設(shè)計(jì)舉例水溫測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 13.2.6 軟件設(shè)計(jì)考慮的問題 13.2.7 軟件的總體框架

2、設(shè)計(jì)第2頁(yè)/共187頁(yè)313.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真開發(fā)與調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真開發(fā)與調(diào)試 13.3.1 仿真開發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 13.3.2 用戶樣機(jī)的仿真調(diào)試13.4 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾與可靠性設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾與可靠性設(shè)計(jì) 13.4.1 AT89S51片內(nèi)看門狗定時(shí)器的使用 13.4.2 指令冗余和軟件陷阱 13.4.3 軟件濾波 13.4.4 開關(guān)量輸入/輸出軟件抗干擾設(shè)計(jì) 13.4.5 過程通道干擾的抑制措施-隔離第3頁(yè)/共187頁(yè)4 13.4.6 印刷電路板抗干擾布線的基本原則 13.4.7 掉電保護(hù)設(shè)計(jì)和硬件“看門狗”13.5 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的I/O功率

3、驅(qū)動(dòng)功率驅(qū)動(dòng) 13.5.1 AT89S51與外圍集成數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路的接口 13.5.2 AT89S51與光電耦合器的接口 13.5.3 AT89S51與集成功率電子開關(guān)輸出接口第4頁(yè)/共187頁(yè)5內(nèi)容概要內(nèi)容概要本章介紹AT89S51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)步驟和方法步驟和方法，硬件設(shè)計(jì)，程序的總體框架設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)，程序的總體框架設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)舉例。此外，介紹目前仿真開發(fā)工具仿真開發(fā)工具以及如何利用仿真如何利用仿真開發(fā)工具開發(fā)工具對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)調(diào)試。最后介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾抗干擾和可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)。第5頁(yè)/共187頁(yè)13.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

4、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟以單片機(jī)為核心單片機(jī)為核心，配以一定的外圍電路和軟件外圍電路和軟件、能實(shí)現(xiàn)用戶所要求的測(cè)控功能的系統(tǒng)要求的測(cè)控功能的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)工作，需經(jīng)過深入細(xì)致需求分析，周密科學(xué)方案論證才能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作順利完成。需求分析包括包括：被測(cè)控參數(shù)的形式參數(shù)的形式（電量、非電量、模擬量、數(shù)字量等）、被測(cè)控參數(shù)的范圍參數(shù)的范圍、性能指標(biāo)、系統(tǒng)功能、工作環(huán)境、性能指標(biāo)、系統(tǒng)功能、工作環(huán)境、顯示、報(bào)警、打印要求顯示、報(bào)警、打印要求等。注意，方案確定時(shí)候，簡(jiǎn)單的方法往往可以解決大問題簡(jiǎn)單的方法往往可以解決大問題，切忌切忌“簡(jiǎn)單的問題復(fù)雜化簡(jiǎn)單的問題復(fù)雜化”。6第6頁(yè)/共187頁(yè)一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一

5、般可分為4個(gè)階段個(gè)階段。（1）明確任務(wù)和需求分析以及擬定設(shè)計(jì)方案階段）明確任務(wù)和需求分析以及擬定設(shè)計(jì)方案階段明確系統(tǒng)要完成的任務(wù)十分重要，是設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案正確性的保證。（2）硬件和軟件設(shè)計(jì)階段）硬件和軟件設(shè)計(jì)階段根據(jù)擬定的方案，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路。硬件設(shè)計(jì)的前提是必須能夠完成系統(tǒng)的要求和保證可靠性。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，如能將硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)結(jié)合起來考慮效果會(huì)更將硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)結(jié)合起來考慮效果會(huì)更好。好。因因?yàn)楫?dāng)有些問題在硬件電路中無法完成時(shí)，7第7頁(yè)/共187頁(yè)當(dāng)軟件編寫程序很麻煩時(shí)軟件編寫程序很麻煩時(shí)，通過稍改動(dòng)硬件電路（或盡可能不改動(dòng)）可能會(huì)使軟件變得簡(jiǎn)單會(huì)

6、使軟件變得簡(jiǎn)單。另外在要求系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的場(chǎng)合，往往必須用硬件代替軟件來完成某些功能?？芍苯佑绍浖硗瓿桑ㄈ畿浖V波、校準(zhǔn)功能等）。所以硬件設(shè)計(jì)時(shí)，最好與軟件的設(shè)計(jì)結(jié)合起來，統(tǒng)一考慮，合理地安排軟、硬件的比例，最好與軟件的設(shè)計(jì)結(jié)合起來，統(tǒng)一考慮，合理地安排軟、硬件的比例，使系統(tǒng)具有最佳性價(jià)比。當(dāng)硬件電路設(shè)計(jì)完成后，就可以進(jìn)行硬件電路板繪制和焊接工作了。接下來介紹軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)。正確編程方法就是根據(jù)需求分8第8頁(yè)/共187頁(yè)析，先繪制出軟件的流程圖，該環(huán)節(jié)十分重要。先繪制出軟件的流程圖，該環(huán)節(jié)十分重要。流程圖繪制往往不能一次成功，需多次修改。繪制可由簡(jiǎn)到繁逐步細(xì)化，先繪制系統(tǒng)大體上需

7、要執(zhí)行的程序模塊，然后將這些模塊按照要求組合在一起（如主程序、子程序以及中斷服務(wù)子程序等），在大方向沒問題后，再將每個(gè)模塊細(xì)化，最后形成流程圖，程序編寫速度就會(huì)很快，同時(shí)為后面的調(diào)試工作帶來很多方便，如調(diào)試中某模塊不正常，就可以通過流程圖來查找問題的原因。一定要克服不繪制流程圖直接在計(jì)算機(jī)上編寫程序的習(xí)慣。9第9頁(yè)/共187頁(yè)設(shè)計(jì)者也可在上述軟硬件設(shè)計(jì)完成后，先使用單片機(jī)的EDA軟件仿真開發(fā)工具Proteus，來進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。用軟件仿真開發(fā)工具Proteus設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與用戶樣機(jī)在硬件上無任何聯(lián)系，是一種完全完全用軟件手段用軟件手段來對(duì)單片機(jī)硬件電路和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)與仿真調(diào)試的開發(fā)工具。如果

8、先在軟件仿真工具的軟環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)并調(diào)試通過，雖然還不能完全說明實(shí)際系統(tǒng)就完全通過，但至少在邏輯上是行得通的。軟件仿真通過后，再進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可大大減少設(shè)計(jì)上所走的彎路可大大減少設(shè)計(jì)上所走的彎路。這也是目前世界上流行的一種開發(fā)方10第10頁(yè)/共187頁(yè)法。（3）硬件與軟件聯(lián)合調(diào)試階段）硬件與軟件聯(lián)合調(diào)試階段下一步就是軟硬件的聯(lián)合調(diào)試。需通過硬件仿真開發(fā)工具來進(jìn)行，具體的調(diào)試方法和過程，在本章后面介紹。所有軟件和硬件電路全部調(diào)試通過，并不意味系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功，還需通過運(yùn)行來調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，例如例如系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是否正確，如果不正確，是否要調(diào)零和調(diào)整基準(zhǔn)電壓等。（4）資料與文件

9、整理編制階段）資料與文件整理編制階段系統(tǒng)調(diào)試通過，就進(jìn)入資料與文件資料與文件整理編制階段。11第11頁(yè)/共187頁(yè)資料與文件包括：資料與文件包括：任務(wù)描述、設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想及設(shè)計(jì)方案論證、性能測(cè)定及現(xiàn)場(chǎng)試用報(bào)告與說明、使用指南、軟件資料（流程圖、子程序使用說明、地址分配、程序清單）、硬件資料（電原理圖、元件布置圖及接線圖、接插件引腳圖、線路板圖、注意事項(xiàng)）。文件不僅是設(shè)計(jì)工作的結(jié)果，而且是以后使用、維修以及進(jìn)一步再設(shè)計(jì)的依據(jù)。文件不僅是設(shè)計(jì)工作的結(jié)果，而且是以后使用、維修以及進(jìn)一步再設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此，要精心編寫，描述清楚，使數(shù)據(jù)及資料齊全。12第12頁(yè)/共187頁(yè)13.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片

10、機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹如何進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要從硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)兩方面考慮。13.2.1 硬件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題硬件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下問題。1盡可能采用功能強(qiáng)的芯片盡可能采用功能強(qiáng)的芯片（1）單片機(jī)選型）單片機(jī)選型。單片機(jī)的集成度越來越高，許多外圍部件都已集成在芯片內(nèi)，有的單片機(jī)本身就是一個(gè)系統(tǒng)，這可省去許多外圍部件的擴(kuò)展工作，使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)化。13第13頁(yè)/共187頁(yè)第1章已介紹較為流行的各種單片機(jī)，根據(jù)需求，選擇合適機(jī)型。例如，例如，目前市場(chǎng)上較為流行的美國(guó)美國(guó)Cygnal公司公司的C8051F020 8位單片機(jī)，片內(nèi)集成有8通道A/D、兩路D/A

11、、兩路電壓比較器，內(nèi)置溫度傳感器、定時(shí)器、可編程數(shù)字交叉開關(guān)和64個(gè)通用I/O口、電源監(jiān)測(cè)、看門狗、多種類型的串行總線（兩個(gè)UART、SPI）等。用1片C8051F020 單片機(jī)，就構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。再如，如系統(tǒng)需要較大的I/O驅(qū)動(dòng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力，可考慮選用可考慮選用AVR單片機(jī)單片機(jī)。14第14頁(yè)/共187頁(yè)（2）優(yōu)先選片內(nèi)有閃存的產(chǎn)品）優(yōu)先選片內(nèi)有閃存的產(chǎn)品。例如，例如，使用ATMEL公司的AT89C5x系列產(chǎn)品，Philips公司的89C58（內(nèi)有32KB的閃速存儲(chǔ)器）等，可省去片外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器的工作，減少芯片數(shù)量，縮小系統(tǒng)體積。（3）RAM容量的考慮。容量的考慮。多數(shù)單片機(jī)片

12、內(nèi)的RAM單元有限，當(dāng)需增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理功能時(shí)，往往覺得不足，這就要求系統(tǒng)配置外部RAM，如6264、62256芯片等。如果處理的數(shù)據(jù)量大，需要更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，可采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片DS12887，其容量為256KB，內(nèi)有鋰電池保護(hù)，保存數(shù)據(jù)可達(dá)10年以上。15第15頁(yè)/共187頁(yè)（4）對(duì)）對(duì)I/O端口留有余地端口留有余地。在樣機(jī)研制出來現(xiàn)場(chǎng)試用時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題是不能單靠軟件措施來解決的。如有新的信號(hào)需要采集，就必須增加輸入檢測(cè)端；有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件設(shè)計(jì)之初就多設(shè)計(jì)留有一些多設(shè)計(jì)留有一些I/O端口端口，這些問題就會(huì)迎刃而解。（5）預(yù)留）預(yù)

13、留A/D和和D/A通道通道。與上述I/O端口同樣原因，留出一些A/D和D/A通道將來可能會(huì)解決大問題。16第16頁(yè)/共187頁(yè)2以軟代硬以軟代硬原則上，只要軟件能做到且能滿足性能要求，就不用硬件。硬件多不但增加成本，而且系統(tǒng)故障率也會(huì)提高硬件多不但增加成本，而且系統(tǒng)故障率也會(huì)提高。以軟帶硬的實(shí)質(zhì)，是以時(shí)間換空間，軟件執(zhí)行過程需要消耗時(shí)間，因此帶來的問題就是實(shí)時(shí)性下降。問題就是實(shí)時(shí)性下降。在實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，以軟代硬是很合算的。3工藝設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)包括機(jī)箱、面板、配線、接插件等。須考慮到安裝、調(diào)試、維修方便。另外，硬件抗干擾措施（將在本章后面介紹）也須在硬件設(shè)計(jì)時(shí)一并考慮進(jìn)去。17第17頁(yè)/共

14、187頁(yè)13.2.2 典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)框圖如圖圖13-1所示。圖圖13-1 單片機(jī)典型應(yīng)用系統(tǒng)框圖18第18頁(yè)/共187頁(yè)主要由單片機(jī)基本部分、輸入部分單片機(jī)基本部分、輸入部分和輸出部分組成。（1）單片機(jī)基本部分）單片機(jī)基本部分由單片機(jī)及其擴(kuò)展的外設(shè)及芯片，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)字I/O等組成。（2）輸入部分）輸入部分“測(cè)”的部分，被被“測(cè)測(cè)”的信號(hào)類型有的信號(hào)類型有：數(shù)字量、模擬量和開關(guān)量。模擬量輸入檢測(cè)的主要包括信號(hào)調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器中又包括多路切換、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換電路，目前都集成在A/D轉(zhuǎn)換器

15、芯片中，或直接集成在單片機(jī)片內(nèi)。19第19頁(yè)/共187頁(yè)連接傳感器傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器之間的橋梁是信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路，傳感器輸出的模擬信號(hào)要經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離、量程調(diào)整濾波、隔離、量程調(diào)整等，變換成適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)。信號(hào)放大通常由單片式儀表放大器承擔(dān)。儀表放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大比普通運(yùn)算放大器具有更優(yōu)異的性能。如何根據(jù)不同的傳感器正確地選擇儀表放大器來進(jìn)行信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，請(qǐng)讀者參閱有關(guān)資料和文獻(xiàn)。（3）輸出部分）輸出部分是應(yīng)用系統(tǒng)“控控”的部分的部分，包括包括數(shù)字量、開關(guān)量控制信號(hào)的輸出和模擬量控制信號(hào)（常用于伺服控制）的輸出。20第

16、20頁(yè)/共187頁(yè)13.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的地址空間分配與總線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的地址空間分配與總線驅(qū)動(dòng)一個(gè)AT89S51應(yīng)用系統(tǒng)有時(shí)往往是多芯片系統(tǒng)，這時(shí)會(huì)遇到兩個(gè)問題兩個(gè)問題：一是如何把如何把64KB程序存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器和64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間分配給各個(gè)芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間分配給各個(gè)芯片；二是如何實(shí)現(xiàn)如何實(shí)現(xiàn)AT89S51單片機(jī)對(duì)多片芯片的驅(qū)動(dòng)單片機(jī)對(duì)多片芯片的驅(qū)動(dòng)。本小節(jié)介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遇到的地址空間分配和總線驅(qū)動(dòng)問題地址空間分配和總線驅(qū)動(dòng)問題，供設(shè)計(jì)參考。21第21頁(yè)/共187頁(yè)1地址空間分配地址空間分配擴(kuò)展多片芯片擴(kuò)展多片芯片的應(yīng)用系統(tǒng)，首先應(yīng)考慮如何把首先應(yīng)考慮如何把6

17、4KB程序存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器和64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間分配給各個(gè)芯片的空間分配給各個(gè)芯片。第8章已介紹地址空間分配的兩種方法兩種方法：線選法線選法和譯碼法譯碼法。下面通過一個(gè)例子來說明如何解決這個(gè)問題。圖圖13-2所示為一個(gè)全地址譯碼的系統(tǒng)實(shí)例。圖中所示的AT89S51單片機(jī)擴(kuò)展的各器件芯片所對(duì)應(yīng)的地址見表表13-1。22第22頁(yè)/共187頁(yè)23圖圖13-2 全地址譯碼的系統(tǒng)實(shí)例全地址譯碼的系統(tǒng)實(shí)例第23頁(yè)/共187頁(yè)24第24頁(yè)/共187頁(yè)因6264、2764都是8KB，故需要13條條低位地址線（A12A0）進(jìn)行片內(nèi)尋址，低8位地址線A7A0經(jīng)8D鎖存器74LS373輸出（圖中沒有

18、畫出），其他3條高位地址線條高位地址線A15A13經(jīng)3線-8線譯碼器74LS138譯碼后作為外圍芯片的片選線。圖中尚剩余3條地址選擇線 ，還可擴(kuò)展3片存儲(chǔ)器芯片或外圍I/O接口芯片。2總線驅(qū)動(dòng)總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展多片芯片時(shí)，注意AT89S51單片機(jī)4個(gè)并行雙向口的個(gè)并行雙向口的P0P3口的驅(qū)動(dòng)能力口的驅(qū)動(dòng)能力。下面首先討論這個(gè)問題。25Y7Y5第25頁(yè)/共187頁(yè)AT89S51的P0、P2口口通常作為總線端口作為總線端口，當(dāng)擴(kuò)展芯片較多，可能造成負(fù)載過重，致使驅(qū)動(dòng)能力不夠驅(qū)動(dòng)能力不夠，通常要附加總線驅(qū)動(dòng)器或其他驅(qū)動(dòng)電路。因此在多芯片應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先要估計(jì)總線的負(fù)載情況，以確定是否需要對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)能力

19、進(jìn)行擴(kuò)展。圖圖13-3為AT89S51單片機(jī)總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展原理圖。P2口需單向驅(qū)動(dòng)口需單向驅(qū)動(dòng)，常見的單單向總線驅(qū)動(dòng)器為向總線驅(qū)動(dòng)器為74LS244。圖圖13-4為74LS244引腳圖引腳圖和邏輯圖邏輯圖。8個(gè)三態(tài)驅(qū)動(dòng)器分成兩組，分別由1 和2 控制。26第26頁(yè)/共187頁(yè)27圖圖13-3 AT89S51單片機(jī)總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展原理圖單片機(jī)總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展原理圖第27頁(yè)/共187頁(yè)P(yáng)0口作為數(shù)據(jù)總線，雙向傳輸，其驅(qū)動(dòng)器應(yīng)為雙向驅(qū)動(dòng)、三態(tài)輸出口作為數(shù)據(jù)總線，雙向傳輸，其驅(qū)動(dòng)器應(yīng)為雙向驅(qū)動(dòng)、三態(tài)輸出，由兩個(gè)兩個(gè)控制端控制端來控制數(shù)傳方向。如圖圖13-3所示，數(shù)據(jù)輸出允許控制端DBEO有效時(shí)，數(shù)據(jù)總線輸入為高

20、阻狀態(tài)，輸出為開通狀態(tài)；數(shù)據(jù)輸入允許控制端DBEI有效時(shí)，則狀態(tài)與上相反。常見雙向驅(qū)動(dòng)器為常見雙向驅(qū)動(dòng)器為74LS245，圖圖13-5為引腳圖和邏輯圖。驅(qū)動(dòng)方向由 、DIR兩個(gè)控制端控制， 控制端控制驅(qū)動(dòng)器有效或高阻態(tài)，在 控制端有效（ =0）時(shí)，DIR控制端控制驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向，DIR=0時(shí)驅(qū)動(dòng)方向?yàn)閺腂至A，DIR=1時(shí)則相反。28GGGG第28頁(yè)/共187頁(yè)圖圖13-6所示為AT89S51系統(tǒng)總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展電路圖總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展電路圖。P0口的雙向驅(qū)動(dòng)采用口的雙向驅(qū)動(dòng)采用74LS245，如圖圖13-6（a）所示；P2口的單向驅(qū)動(dòng)器采用口的單向驅(qū)動(dòng)器采用74LS244，如圖圖13-6（b）所示。

21、 圖圖13-4 單向驅(qū)動(dòng)器單向驅(qū)動(dòng)器74LS244引腳圖和邏輯圖引腳圖和邏輯圖29第29頁(yè)/共187頁(yè)30圖圖13-5 74LS245的引腳圖和邏輯圖的引腳圖和邏輯圖第30頁(yè)/共187頁(yè)31圖圖13-6 AT89S51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展電路圖單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的總線驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展電路圖第31頁(yè)/共187頁(yè)P(yáng)0口口雙向驅(qū)動(dòng)器74LS245的的 接地接地，保證芯片一直處于工作狀態(tài)，而輸入輸入/輸出輸出的方向控制的方向控制由單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的“讀讀”控制引腳（控制引腳（ ）和程序存儲(chǔ)器的取指控制引腳取指控制引腳（ ）通過與門控制DIR引腳實(shí)現(xiàn)。無論是“讀”數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)（ 有效）還是從程序存

22、儲(chǔ)器中取指令（ 有效），都能保證對(duì)P0口的輸入驅(qū)動(dòng)；除此以外的時(shí)間（ 及 均無效），保證對(duì)P0口的輸出驅(qū)動(dòng)。對(duì)于P2口，因?yàn)橹挥米鲉蜗虻牡刂份敵?，?4LS244的驅(qū)動(dòng)門控制端1 、2 接地。32GRDRDPSENPSENRDPSEN第32頁(yè)/共187頁(yè)13.2.4 AT89S51單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)AT89S51內(nèi)部有4KB閃速存儲(chǔ)器閃速存儲(chǔ)器，本身就是一個(gè)數(shù)字量輸入/輸出的最小應(yīng)用系統(tǒng)。在構(gòu)建AT89S51單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，AT89S51單片機(jī)需要外接需要外接時(shí)鐘電時(shí)鐘電路路和復(fù)位電路復(fù)位電路即可，如圖圖13-7所示所示。注意，本最小應(yīng)用系統(tǒng)只能作為小型的數(shù)字量的測(cè)

23、控單元。33第33頁(yè)/共187頁(yè)34圖圖13-7 AT89S51單片機(jī)構(gòu)成的最小應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)構(gòu)成的最小應(yīng)用系統(tǒng)第34頁(yè)/共187頁(yè)13.2.5 應(yīng)用設(shè)計(jì)舉例應(yīng)用設(shè)計(jì)舉例水溫測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)水溫測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)水溫測(cè)控是經(jīng)常遇到的測(cè)控對(duì)象之一。下面介紹AT89S51為核心的水溫測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用3位位LED顯示器顯示水溫度顯示器顯示水溫度，溫度控制采用改進(jìn)的PID數(shù)字控制算法。該系統(tǒng)具有如下基本功能基本功能：（1）溫度控制的范圍為2550，最小分辨率為；（2）偏差，靜態(tài)誤差；（3）實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度值；（4）命令按鍵命令按鍵4個(gè)個(gè)：復(fù)位鍵、功能轉(zhuǎn)換鍵、加1鍵和減1鍵。35第35頁(yè)/共18

24、7頁(yè)1硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)從功能模塊上來劃分有：n主機(jī)電路；n數(shù)據(jù)采集電路；n鍵盤、顯示電路；n控制執(zhí)行電路。（1）硬件功能結(jié)構(gòu)框圖）硬件功能結(jié)構(gòu)框圖。 圖圖13-8 硬件功能結(jié)構(gòu)框圖硬件功能結(jié)構(gòu)框圖硬件功能結(jié)構(gòu)框圖如圖圖13-8所示。36第36頁(yè)/共187頁(yè)（2）數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)）數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)主機(jī)采用AT89S51單片機(jī)，系統(tǒng)時(shí)鐘采用12MHz，內(nèi)部含有4KB的閃爍存儲(chǔ)器，無須外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)需實(shí)時(shí)采集水溫?cái)?shù)據(jù)，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，存入AT89S51單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，送顯示器顯示，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)過PID算法得到控制量并由單片機(jī)輸出去控制電爐單片機(jī)輸出

25、去控制電爐加熱加熱或開動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行或開動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行降溫降溫。37第37頁(yè)/共187頁(yè)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集電路主要由溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換器等組成，具體電路如圖圖13-9。溫度傳感器溫度傳感器采用常見的二端式電流型集成溫度傳感器AD590。溫度每變化1，其輸出電流變化1A，在25時(shí)，其輸出電流為。AD590具有較高精度和重復(fù)性，測(cè)溫的范圍為55+150，重復(fù)性優(yōu)于，通過激光平衡調(diào)整，校準(zhǔn)精度可達(dá)。由于AD590的上述特點(diǎn)，使其在溫度測(cè)控領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。38第38頁(yè)/共187頁(yè)39圖圖13-9 數(shù)據(jù)采集電路圖第39頁(yè)/共187頁(yè)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采用AD0809。考慮到水溫信號(hào)為緩變信號(hào)，

26、足以滿足轉(zhuǎn)換速度的要求，而且還可以根據(jù)需要擴(kuò)展最多測(cè)量8路溫度信號(hào)。如果對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度要求更高，可采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，如AD1674等。放大電路放大電路采用低溫穩(wěn)定、高精度的普通運(yùn)算放大器OP07，它將溫度傳感器的電壓信號(hào)放大至A/D轉(zhuǎn)換器，以便A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。40第40頁(yè)/共187頁(yè)（3）控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)）控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)由單片機(jī)的輸出開關(guān)量來控制風(fēng)扇或電爐。采用光電耦合器進(jìn)行強(qiáng)電和弱電的隔離光電耦合器進(jìn)行強(qiáng)電和弱電的隔離，但還要考慮輸出信號(hào)要對(duì)晶閘管進(jìn)行觸發(fā)，以便接通風(fēng)扇或電爐電路，所以晶閘管選用既有光電隔離又有觸發(fā)功能的MC3041（有關(guān)MC3041的介紹請(qǐng)見節(jié)

27、）。電路中使用控制電爐控制電爐的開關(guān)，使用控制風(fēng)扇的開關(guān)控制風(fēng)扇的開關(guān)，如圖圖13-10所示所示。41第41頁(yè)/共187頁(yè)42圖圖13-10 單片機(jī)的控制執(zhí)行電路單片機(jī)的控制執(zhí)行電路第42頁(yè)/共187頁(yè)此外，在設(shè)計(jì)中還要考慮當(dāng)還要考慮當(dāng)水溫超出所能控制的上下限溫度水溫超出所能控制的上下限溫度時(shí)，要有時(shí)，要有越限報(bào)越限報(bào)警警；當(dāng)溫度低于；當(dāng)溫度低于25時(shí)，黃色發(fā)光二極管亮，當(dāng)溫度高于時(shí)，黃色發(fā)光二極管亮，當(dāng)溫度高于50時(shí)紅色發(fā)光二極管亮?xí)r紅色發(fā)光二極管亮。（4）鍵盤與顯示器電路的設(shè)計(jì)）鍵盤與顯示器電路的設(shè)計(jì)鍵盤共有4個(gè)鍵個(gè)鍵（包括復(fù)位鍵K1），判斷K2K4鍵是否按下，可采用軟件查詢和中斷的方法，

28、當(dāng)某個(gè)鍵按下時(shí)，低電平有效。4個(gè)鍵個(gè)鍵K1K4的功能定義見表表13-2。43第43頁(yè)/共187頁(yè) 表表13-2K1K4鍵的定義44按 鍵鍵 名功 能K1復(fù)位鍵使系統(tǒng)復(fù)位K2功能轉(zhuǎn)換鍵此鍵按下，LED1亮，顯示溫度設(shè)定值，按鍵松開，LED 1不亮，顯示當(dāng)前溫度值K3加1鍵設(shè)定的溫度值加1K4減1鍵設(shè)定的溫度值減1第44頁(yè)/共187頁(yè)按鍵K2與 （）相連，采用外部中斷方式，且優(yōu)先級(jí)定為高優(yōu)先級(jí)。K3和和K4分別與和相連，采用軟件查詢方式，K1為復(fù)位鍵，與RC構(gòu)成復(fù)位電路。顯示電路顯示電路利用串口來實(shí)現(xiàn)3位位LED的共陽靜態(tài)顯示的共陽靜態(tài)顯示，顯示內(nèi)容顯示內(nèi)容為溫度的十位、個(gè)位以及小數(shù)點(diǎn)后的一位。利

29、用串行口擴(kuò)展74LS164實(shí)現(xiàn)LED的共陽靜態(tài)顯示的工作原理及軟件編程，請(qǐng)見小節(jié)。45第45頁(yè)/共187頁(yè)2軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊3大模塊大模塊組成。（1）主程序模塊。）主程序模塊。 流程如圖圖13-11所示所示。先給定PID算法參數(shù)，然后循環(huán)顯示當(dāng)前溫度，以等待中斷，并且使鍵盤外部中斷1(P3.2)為高優(yōu)先級(jí)，以使主程序能實(shí)時(shí)響應(yīng)K2按下的處理。設(shè)定時(shí)器T0為5s定時(shí)，無鍵按下無鍵按下時(shí)，應(yīng)每隔5s響應(yīng)一次，來采集溫度傳感器并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的溫度信號(hào)。設(shè)置定時(shí)器設(shè)置定時(shí)器T1為嵌套在為嵌套在T0之中的定時(shí)中斷之中的定時(shí)中斷，初值初值由PID算法

30、子程序提供，以用來執(zhí)行對(duì)電爐或風(fēng)扇的控制。46第46頁(yè)/共187頁(yè)47圖圖13-11 主程序流程圖第47頁(yè)/共187頁(yè)（2）功能實(shí)現(xiàn)模塊）功能實(shí)現(xiàn)模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換、中斷處理、鍵盤處理和顯示子程序轉(zhuǎn)換、中斷處理、鍵盤處理和顯示子程序等組成。下面僅介紹幾個(gè)中斷處理子程序。 T1中斷子程序中斷子程序。該中斷是單片機(jī)內(nèi)部5s定時(shí)中斷，為低優(yōu)先級(jí)，卻是最重要的子程序。在該中斷響應(yīng)中，單片機(jī)要完成如下工作：在該中斷響應(yīng)中，單片機(jī)要完成如下工作：A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、判斷是否超限、標(biāo)度變換處理、顯示當(dāng)前溫度、與設(shè)定值進(jìn)行比較，調(diào)用PID算法子程序并輸出控制信號(hào)等。48第48頁(yè)/共187頁(yè) 鍵盤

31、中斷子程序鍵盤中斷子程序。作為高優(yōu)先級(jí)的功能控制鍵，系統(tǒng)要實(shí)時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)該中斷。在該中斷的響應(yīng)過程中，系統(tǒng)要顯示上一次的溫度設(shè)定值，并且可以通過K3、K4鍵來實(shí)現(xiàn)加1、減1的輸入修改。鑒于所控制的溫度的上下限，程序?qū)崿F(xiàn)加1直到上限50，再加1則為下限25；減1到25時(shí)，再減1則為上限50。 T0中斷子程序中斷子程序。T0定時(shí)中斷嵌套在T1中斷之中，為高優(yōu)先級(jí)中斷。T0的定時(shí)初值由PID算法子程序提供，T0的中斷響應(yīng)時(shí)間用于輸出對(duì)電爐或風(fēng)扇的控制信號(hào)。49第49頁(yè)/共187頁(yè)（3）運(yùn)算控制模塊）運(yùn)算控制模塊涉及標(biāo)度變換、PID算法及算法調(diào)用的乘法子程序等。 標(biāo)度變換子程序。標(biāo)度變換子程序。該子程序

32、的作用是將溫度信號(hào)（00HFFH）轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值，以便顯示或與設(shè)定在相同量綱下的溫度值進(jìn)行比較。所用的線性標(biāo)度變換式為線性標(biāo)度變換式為 Tx = (Tm T0) (Nx N0)/(Nm N0) + T0式中，Tx為實(shí)際測(cè)量的溫度值；Tm為50；T0為25；Nm為FEH；N0為01H。采用定點(diǎn)運(yùn)算。50第50頁(yè)/共187頁(yè) PID算法子程序。算法子程序。采用常用的位置型位置型PID數(shù)字控制數(shù)字控制，且結(jié)合本系統(tǒng)進(jìn)行算法改進(jìn)，形成“變速積分變速積分PID-積分分離積分分離PID”控制相結(jié)合的自動(dòng)識(shí)別控制算法控制相結(jié)合的自動(dòng)識(shí)別控制算法。算法如下： ui(n) ur = e(n)式中，ui(n)

33、為第n次溫度采樣值；ur為設(shè)定值。若若 e(n) | ，采用，采用PD算法。算法。若若 e(n) ，采用，采用PID算法算法。該算法可大大減少超調(diào)，且可有效克服積分飽和的影響，使控制精度大大提高。51第51頁(yè)/共187頁(yè)13.2.6 軟件設(shè)計(jì)考慮的問題軟件設(shè)計(jì)考慮的問題在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)一考慮軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)一考慮，相互結(jié)合進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)定型后，軟件的任務(wù)也就明確了。一般來說，軟件的功能分為軟件的功能分為兩大類兩大類。一類一類是執(zhí)行軟件，能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能，如測(cè)量、計(jì)算、顯示、打印、輸出控制等；另一類另一類是監(jiān)控軟件，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的

34、關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織充當(dāng)組織調(diào)度的角色調(diào)度的角色。在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。52第52頁(yè)/共187頁(yè)（1）根據(jù)軟件功能要求，）根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干相對(duì)獨(dú)立的部分軟件分成若干相對(duì)獨(dú)立的部分，設(shè)計(jì)出合理的軟件總體結(jié)構(gòu)，使其清晰、簡(jiǎn)潔、流程合理。（2）各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化）各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改。（3）在編寫應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖）在編寫應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。多花一些時(shí)間來設(shè)計(jì)程序流程圖，就可以節(jié)約幾倍于源程序的編輯和調(diào)試時(shí)間。（4）要合理分配系統(tǒng)資源，）要合理分配系統(tǒng)資源，包括ROM、RA

35、M、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷源等。其中最關(guān)鍵的是片內(nèi)RAM分配。53第53頁(yè)/共187頁(yè)片內(nèi)片內(nèi)RAM指指00H7FH單元，這128個(gè)字節(jié)的功能不完全相同，分配時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮其特長(zhǎng)，物盡其用。例如，例如，工作寄存器的R0和和R1具有指針功能，避免作為他用；20H2FH 16個(gè)字節(jié)個(gè)字節(jié)有位尋址功能，存放各種標(biāo)志位、邏輯變量、狀態(tài)變量等；設(shè)置堆棧區(qū)時(shí)應(yīng)先估算出子程序和中斷嵌套深度及堆棧操作指令使用情況，大小應(yīng)留有余量。若若擴(kuò)展擴(kuò)展RAM存儲(chǔ)器，應(yīng)把使用頻率最高的數(shù)據(jù)緩沖器安排在片內(nèi)存儲(chǔ)器，應(yīng)把使用頻率最高的數(shù)據(jù)緩沖器安排在片內(nèi)RAM中，以中，以提高處理速提高處理速度度。當(dāng)RAM資源規(guī)劃好后，應(yīng)列出一張

36、詳細(xì)的應(yīng)列出一張?jiān)敿?xì)的RAM資源分配表資源分配表，以備編程時(shí)查用方便。54第54頁(yè)/共187頁(yè)13.2.7 軟件的總體框架設(shè)計(jì)軟件的總體框架設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)者在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，感覺比較困難的是如何進(jìn)行系統(tǒng)軟件的總體框架設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的總體框架設(shè)計(jì)。下面舉一個(gè)典型例子，供軟件設(shè)計(jì)時(shí)參考?！纠?3-1】有一個(gè)AT89S51應(yīng)用系統(tǒng)，假設(shè)5個(gè)中斷源都已用到個(gè)中斷源都已用到，應(yīng)用系統(tǒng)的程序框程序框架架如下： ORG 0000H；系統(tǒng)程序入口；系統(tǒng)程序入口 LJMP MAIN；跳向主程序入口MAINORG 0003H；外中斷；外中斷0中斷向量入口中斷向量入口 LJMP IINT0P；跳向外中斷0入口IINT0POR

37、G 000BH；T0中斷向量入口中斷向量入口 LJMP IT0P；跳向T0中斷入口IT0P55第55頁(yè)/共187頁(yè)ORG 0013H；外中斷；外中斷0中斷向量入口中斷向量入口 LJMP IINT1P；跳向外中斷1入口IINT1PORG 001BH；T1中斷向量入口中斷向量入口 LJMP IT1P；跳向T1中斷處理程序入口IT1P ORG 0023H；串行口中斷向量入口；串行口中斷向量入口 LJMP ISIOP；跳向串行口中斷處理程序入口ISIOP ORG 0040H；主程序入口；主程序入口MAIN：；對(duì)片內(nèi)各功能部件以及擴(kuò)展的各個(gè)；I/O接口芯片初始化； MOV SP，#60H；對(duì)堆棧區(qū)進(jìn)行初

38、始化主處理程序段（根據(jù)實(shí)際處理任務(wù)編寫）主處理程序段（根據(jù)實(shí)際處理任務(wù)編寫） 56第56頁(yè)/共187頁(yè) ORG xxxxHIINT0P：外中斷0中斷處理；外中斷0中斷處理入口 RETI ORG yyyyH IT0P：T0中斷處理中斷處理；T0中斷處理入口中斷處理入口 RETIORG zzzzHIINT1P：外中斷：外中斷1中斷處理中斷處理；外中斷；外中斷1中斷處理入口中斷處理入口 RETI57第57頁(yè)/共187頁(yè)ORG uuuuHIT1P：T1中斷處理；T1中斷處理子程序IT0P入口 RETIORG vvvvHISIOP： 串行口中斷處理；串行口中斷處理子程序入口 RETIEND上述程序框架僅

39、供參考，當(dāng)然在實(shí)際中，5個(gè)中斷源也未必全用。58第58頁(yè)/共187頁(yè)13.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真開發(fā)與調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真開發(fā)與調(diào)試當(dāng)用戶樣機(jī)完成硬件和軟件設(shè)計(jì)硬件和軟件設(shè)計(jì)，全部元器件安裝完畢后，在用戶樣機(jī)的程序存儲(chǔ)器中放入編寫好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運(yùn)行。但應(yīng)用程序運(yùn)行一次性成功幾乎是不可能的，但應(yīng)用程序運(yùn)行一次性成功幾乎是不可能的，多少會(huì)存在一些軟件、硬件上的錯(cuò)誤，多少會(huì)存在一些軟件、硬件上的錯(cuò)誤，需借助單片機(jī)的仿真開發(fā)工具進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并加以改正。AT89S51只是一個(gè)芯片，既只是一個(gè)芯片，既沒有鍵盤，又沒有沒有鍵盤，又沒有CRT、LED顯示器，顯示器，無法無法進(jìn)行軟件的開發(fā)進(jìn)

40、行軟件的開發(fā)（如編輯、匯編、調(diào)試程序等），必須借助某種開發(fā)工具（也稱為仿必須借助某種開發(fā)工具（也稱為仿真開發(fā)系統(tǒng)）真開發(fā)系統(tǒng)）所提供的開發(fā)手段。一般來說，仿真開發(fā)工具應(yīng)具有如下最基本功能。仿真開發(fā)工具應(yīng)具有如下最基本功能。59第59頁(yè)/共187頁(yè)（1）用戶樣機(jī)程序的輸入與修改。）用戶樣機(jī)程序的輸入與修改。（2）程序的運(yùn)行、調(diào)試（單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)運(yùn)行）、排錯(cuò)、狀態(tài)查詢等功能。）程序的運(yùn)行、調(diào)試（單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)運(yùn)行）、排錯(cuò)、狀態(tài)查詢等功能。（3）用戶樣機(jī)硬件電路的診斷與檢查硬件電路的診斷與檢查。（4）有較全的開發(fā)軟件。用戶可用匯編語言或C語言編制應(yīng)用程序；由開發(fā)系統(tǒng)編譯連接生成目標(biāo)文件、可執(zhí)

41、行文件。配有反匯編軟件，能將目標(biāo)程序轉(zhuǎn)換成匯編語言程序；有豐富的子程序可供用戶選擇調(diào)用。（5）將調(diào)試正確的程序?qū)懭氲匠绦虼鎯?chǔ)器中調(diào)試正確的程序?qū)懭氲匠绦虼鎯?chǔ)器中。60第60頁(yè)/共187頁(yè)介紹常用的仿真開發(fā)工具。13.3.1 仿真開發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)介仿真開發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)介目前國(guó)內(nèi)使用較多的仿真開發(fā)系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)使用較多的仿真開發(fā)系統(tǒng)大致分為如下兩類兩類。1通用機(jī)仿真開發(fā)系統(tǒng)通用機(jī)仿真開發(fā)系統(tǒng)目前設(shè)計(jì)者使用最多的一類開發(fā)裝置使用最多的一類開發(fā)裝置，是一種通過PC機(jī)的并行口、串行口或USB口，外加在線仿真器的仿真開發(fā)系統(tǒng)，如圖圖13-12所示。在線仿真器一側(cè)與與PC機(jī)的機(jī)的串口（或并口、串口（或并口、USB口）口）

42、相連相連。在線仿真器另一側(cè)的仿真仿真插頭插入到用戶樣機(jī)的單片機(jī)插座上插頭插入到用戶樣機(jī)的單片機(jī)插座上，對(duì)樣機(jī)的單片機(jī)進(jìn)行“仿真”。從仿真插頭61第61頁(yè)/共187頁(yè)62圖圖13-12 通用機(jī)仿真開發(fā)系統(tǒng)第62頁(yè)/共187頁(yè)向在線仿真器看去，看到的就是一個(gè)“單片機(jī)”。 這個(gè)這個(gè)“單片機(jī)單片機(jī)”是用來是用來“代替代替”用戶樣機(jī)上的單片機(jī)。用戶樣機(jī)上的單片機(jī)。但是這個(gè)“單片機(jī)單片機(jī)”片內(nèi)程序的運(yùn)行是由片內(nèi)程序的運(yùn)行是由PC機(jī)上的軟件控制的機(jī)上的軟件控制的。由于在線仿真器有PC機(jī)及其仿真開發(fā)軟件的強(qiáng)大支持，可以在PC機(jī)的屏幕上觀察用戶程序的運(yùn)行情況，可以采用單步、設(shè)斷點(diǎn)等手段逐條跟蹤用戶程序并進(jìn)行修改

43、和調(diào)試，以及查找軟、硬件故障。在線仿真器除了除了“出借出借” 單片機(jī)外，還單片機(jī)外，還“出借出借”存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器，即仿真RAM。就是說，在用戶樣機(jī)調(diào)試期間，仿真器把開發(fā)系統(tǒng)的一部分存儲(chǔ)器“變換”成為用戶樣機(jī)的存儲(chǔ)器。63第63頁(yè)/共187頁(yè)這部分存儲(chǔ)器與用戶樣機(jī)的程序存儲(chǔ)器具有相同的存儲(chǔ)空間，用來存放待用來存放待調(diào)試的用戶程序。調(diào)試的用戶程序。在調(diào)試用戶程序時(shí)，仿真器的仿真插頭仿真插頭必須插入用戶樣機(jī)空出的單片機(jī)插座中。當(dāng)仿真開發(fā)系統(tǒng)與PC機(jī)聯(lián)機(jī)后，用戶可利用PC機(jī)上的仿真開發(fā)軟件，在PC機(jī)上編輯、修改源程序，然后通過交叉匯編軟件將其匯編成機(jī)器代碼，傳送到在線仿真器中的仿真RAM中。這時(shí)用戶可

44、用單步、斷點(diǎn)、跟蹤、全速單步、斷點(diǎn)、跟蹤、全速等方式運(yùn)行用戶程序，系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上。 程序調(diào)試通過，程序調(diào)試通過，再使用編程器器，把調(diào)試完畢的程序64第64頁(yè)/共187頁(yè)寫入到單片機(jī)內(nèi)的寫入到單片機(jī)內(nèi)的Flash存儲(chǔ)器中或外擴(kuò)的存儲(chǔ)器中或外擴(kuò)的EPROM中。此類仿真開發(fā)系統(tǒng)是目前最流行的仿真開發(fā)工具。配置不同的仿真插頭，可以仿真開發(fā)各種單片機(jī)。通用機(jī)仿真開發(fā)系統(tǒng)中還有另一種仿真器有另一種仿真器：獨(dú)立型仿真器。獨(dú)立型仿真器。該類仿真器采用模塊化結(jié)構(gòu)，配有不同外設(shè)，如外存板、打印機(jī)、鍵盤/顯示器等，用戶可根據(jù)需要選用。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，往往沒有往往沒有PC機(jī)的支持，機(jī)的支持，這時(shí)使

45、用獨(dú)立型仿真器也可進(jìn)行仿真調(diào)試工作，只不過要輸入機(jī)器碼，稍顯麻煩一些。65第65頁(yè)/共187頁(yè)2. 軟件仿真開發(fā)工具軟件仿真開發(fā)工具Proteus 是一種完全用軟件手段完全用軟件手段對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真開發(fā)的。軟件仿真開發(fā)工具與用戶樣機(jī)在硬件上無任何聯(lián)系。通常這種系統(tǒng)是由PC機(jī)上安裝仿真開發(fā)工具軟件構(gòu)成，可進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真、開發(fā)與調(diào)試。Proteus軟件是英國(guó)英國(guó)Lab Center electronics 開發(fā)的開發(fā)的EDA工具軟件工具軟件，它為各種實(shí)際的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)提供了功能強(qiáng)大的EDA工具，已有近20年的歷史。它除了具有和其他EDA工具一樣的原理編輯、印制電路板自動(dòng)或人工布

46、線及電路仿真功能外，最大特色最大特色是其對(duì)66第66頁(yè)/共187頁(yè)單片機(jī)硬件電路的仿真是交互的、可視化的。通過Proteus軟件的虛擬仿真技術(shù)，用戶可以對(duì)基于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)連同所有的外圍接口、電子器件以及外部的測(cè)試儀器一起仿真。針對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用，可直接在基于原理圖的虛擬模型上進(jìn)行編程接在基于原理圖的虛擬模型上進(jìn)行編程，并實(shí)現(xiàn)源代碼級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)試。Proteus軟件具有如下特點(diǎn)特點(diǎn)。（1）能夠?qū)δM電路、數(shù)字電路進(jìn)行仿真模擬電路、數(shù)字電路進(jìn)行仿真。（2） 除仿真51系列單片機(jī)外，Proteus軟件還可仿真還可仿真68000系列、AVR系列、PIC12-18系列等其他系列其他系列單片機(jī)。67第67頁(yè)

47、/共187頁(yè)（3）具有硬件仿真開發(fā)系統(tǒng)中的全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能具有硬件仿真開發(fā)系統(tǒng)中的全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)。（4）該軟件提供各種單片機(jī)與豐富的外圍接口芯片提供各種單片機(jī)與豐富的外圍接口芯片、存儲(chǔ)器芯片組成的系統(tǒng)仿真、RS-232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能。（5）提供豐富的虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。豐富的虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。利用虛擬儀器在仿真過程中可以測(cè)量系統(tǒng)外圍電路的特性，設(shè)計(jì)者可充分利用Proteus軟件提供的虛擬儀器，來進(jìn)行系統(tǒng)的軟件仿真測(cè)試與調(diào)

48、試。 總之，Proteus軟件是一款功能強(qiáng)大的單片機(jī)軟件仿真開發(fā)工具。68第68頁(yè)/共187頁(yè)在使用Proteus軟件進(jìn)行仿真開發(fā)時(shí)，編譯調(diào)試環(huán)境可選用編譯調(diào)試環(huán)境可選用Keil C51 Vision 3軟件軟件。該軟件支持眾多不同公司的MCS-51架構(gòu)的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時(shí)還支持匯編和C語言的程序設(shè)計(jì)，界面友好易學(xué)，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強(qiáng)大的功能。 用用Proteus軟件調(diào)試不需任何硬件在線仿真器，也不需要用戶硬件樣機(jī)，直接就軟件調(diào)試不需任何硬件在線仿真器，也不需要用戶硬件樣機(jī)，直接就可以在可以在PC機(jī)上開發(fā)和調(diào)試單片機(jī)軟件。機(jī)上開發(fā)和調(diào)試單片機(jī)軟件。調(diào)試完畢的

49、軟件可以將機(jī)器代碼固化，一般能直接投入運(yùn)行。69第69頁(yè)/共187頁(yè)盡管Proteus軟件具有開發(fā)效率高，不需要附加的硬件開發(fā)裝置成本。但是軟件模擬器是使用純軟件來對(duì)用戶系統(tǒng)仿真，對(duì)硬件電路的實(shí)時(shí)性還不能完全準(zhǔn)確地模擬對(duì)硬件電路的實(shí)時(shí)性還不能完全準(zhǔn)確地模擬，不能進(jìn)行用戶樣機(jī)硬件部分的診斷與實(shí)時(shí)在線仿真不能進(jìn)行用戶樣機(jī)硬件部分的診斷與實(shí)時(shí)在線仿真。因此在系統(tǒng)開發(fā)中，一般是先用Proteus設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件電路，編寫程序，然后在Proteus環(huán)境下仿真調(diào)試通過。然后依照仿真的結(jié)果，完成實(shí)際硬件設(shè)計(jì)。再將仿真通過的程序燒錄到編程器中，然后安裝到用戶樣機(jī)硬件板上去觀察運(yùn)行結(jié)果，如有問題，再連接硬件仿真

50、器去分析、調(diào)試。70第70頁(yè)/共187頁(yè)13.3.2 用戶樣機(jī)的仿真調(diào)試用戶樣機(jī)的仿真調(diào)試介紹如何使用仿真開發(fā)工具進(jìn)行匯編語言源程序編寫、調(diào)試以及與用戶樣機(jī)硬件聯(lián)調(diào)工作。1用戶樣機(jī)的程序調(diào)試用戶樣機(jī)的程序調(diào)試用戶源程序調(diào)試過程如圖圖13-13所示所示，分以下4個(gè)步驟。（1）輸入用戶源程序）輸入用戶源程序。用戶使用編輯軟件WS，按照匯編語言源程序要求的格式、語法規(guī)定，把源程序輸入到把源程序輸入到PC機(jī)中，并保存在磁盤上機(jī)中，并保存在磁盤上。71第71頁(yè)/共187頁(yè)72圖圖13-13 用戶樣機(jī)軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試的過程用戶樣機(jī)軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試的過程第72頁(yè)/共187頁(yè)（2）在）在PC機(jī)上，利用匯編程序?qū)τ?/p>

51、戶源程序進(jìn)行匯編，直至語法錯(cuò)誤全部糾正為止。機(jī)上，利用匯編程序?qū)τ脩粼闯绦蜻M(jìn)行匯編，直至語法錯(cuò)誤全部糾正為止。如無語法錯(cuò)誤，則進(jìn)入下一個(gè)步驟。（3）動(dòng)態(tài)在線調(diào)試。）動(dòng)態(tài)在線調(diào)試。這一步對(duì)用戶的源程序進(jìn)行調(diào)試。上述的步驟（1）、步驟（2）是一個(gè)純粹的軟件運(yùn)行過程，這一步，必須要有在線仿真器配合，這一步，必須要有在線仿真器配合，才能對(duì)用戶源程序進(jìn)行調(diào)試。用戶程序中分為與用戶樣機(jī)硬件無關(guān)以及與用戶樣機(jī)緊密相關(guān)的程序。73第73頁(yè)/共187頁(yè)對(duì)于與用戶樣機(jī)硬件無關(guān)的程序，對(duì)于與用戶樣機(jī)硬件無關(guān)的程序，如計(jì)算程序如計(jì)算程序，雖然沒有語法錯(cuò)誤，但可能存在邏輯錯(cuò)誤，使計(jì)算結(jié)果不正確，此時(shí)必須借助于在線仿真器

52、的動(dòng)態(tài)在線調(diào)試手段，如單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)等，發(fā)現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，然后返回到步驟（1）修改，直至邏輯錯(cuò)誤糾正為止。對(duì)于與用戶樣機(jī)硬件緊密相關(guān)的程序段與用戶樣機(jī)硬件緊密相關(guān)的程序段（如接口驅(qū)動(dòng)程序），一定要先把在線仿真器的仿真插頭插入用戶樣機(jī)的單片機(jī)插座中（見圖圖13-12），進(jìn)行在線仿真調(diào)試，利用仿真開發(fā)系統(tǒng)提供單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試手段來進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。74第74頁(yè)/共187頁(yè)部分程序段運(yùn)行不正常，部分程序段運(yùn)行不正常，可能是可能是軟件邏輯軟件邏輯上有問題，也可能是上有問題，也可能是硬件硬件有故障有故障，必須先通過在線仿真調(diào)試程序提供的調(diào)試手段，把硬件故障排除以后，再與硬件配合，把硬件故障排除以后，再

53、與硬件配合，對(duì)用戶程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線調(diào)試。對(duì)于軟件的邏輯錯(cuò)誤，則返回到第一步進(jìn)行修改，直至邏輯錯(cuò)誤消除為止。在調(diào)試這類程序時(shí)，硬件調(diào)試與軟件調(diào)試是不能完全分開的。許多硬件錯(cuò)誤是通過軟件的調(diào)試而發(fā)現(xiàn)和糾正的。（4）將調(diào)試完畢的用戶程序通過）將調(diào)試完畢的用戶程序通過編程寫入器編程寫入器（也稱燒寫器），固化在程序存儲(chǔ)器（也稱燒寫器），固化在程序存儲(chǔ)器中。中。75第75頁(yè)/共187頁(yè)2用戶樣機(jī)的硬件調(diào)試用戶樣機(jī)的硬件調(diào)試用戶樣機(jī)全部焊接完畢，就可對(duì)樣機(jī)的硬件進(jìn)行調(diào)試。首先進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試靜態(tài)調(diào)試，目的是排除明顯的硬件故障。（1）靜態(tài)調(diào)試）靜態(tài)調(diào)試分兩步：第一步第一步在樣機(jī)加電之前，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)圖，用萬用表等

54、工具，仔細(xì)檢查樣機(jī)線路樣機(jī)線路是是否連接正確否連接正確，并核對(duì)元器件型號(hào)、規(guī)格和安裝是否符合要求，應(yīng)特別注意應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)的檢的檢查查，防止電源的短路和極性錯(cuò)誤，并重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線）是否存在相互之間短路或與其他信號(hào)線短路。76第76頁(yè)/共187頁(yè)第二步第二步加電后檢查各芯片插座上有關(guān)引腳的電位有關(guān)引腳的電位，測(cè)量各點(diǎn)電平是否正常各點(diǎn)電平是否正常，尤其應(yīng)注意AT89S51插座的各點(diǎn)電位，若有高壓，與在線仿真器聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，將會(huì)損壞在線仿真器若有高壓，與在線仿真器聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，將會(huì)損壞在線仿真器。具體步驟如下。具體步驟如下。電源檢查。電源檢查。當(dāng)用戶樣機(jī)板連接

55、或焊接完成之后，先不插主要元器件，先不插主要元器件，通上電源。通常用+5V直流電源（這是TTL電源），用萬用表電壓擋測(cè)試各元器件插座上相應(yīng)電源引腳電壓數(shù)值是否正確，極性是否符合。各元器件插座上相應(yīng)電源引腳電壓數(shù)值是否正確，極性是否符合。如有錯(cuò)誤，要及時(shí)檢查、排除，以使每個(gè)電源引腳的數(shù)值都符合要求。77第77頁(yè)/共187頁(yè)各元器件電源檢查。各元器件電源檢查。斷開電源，按正確的元器件方向插上元器件。最好是分別插入，分別通電，最好是分別插入，分別通電，逐一逐一檢查每個(gè)元器件上的電源是否正確檢查每個(gè)元器件上的電源是否正確，直到最后全部插上元器件。通電后，每個(gè)元器件上電源值應(yīng)正確無誤。檢查相應(yīng)芯片的邏輯

56、關(guān)系。檢查相應(yīng)芯片的邏輯關(guān)系。通常采用靜態(tài)電平檢查法，即在一個(gè)芯片信號(hào)輸入端加入一個(gè)相應(yīng)電平，檢查輸出靜態(tài)電平檢查法，即在一個(gè)芯片信號(hào)輸入端加入一個(gè)相應(yīng)電平，檢查輸出電平是否正確。電平是否正確。單片機(jī)系統(tǒng)大都是數(shù)字邏輯電路，使用電平檢查法可首先檢查出邏輯設(shè)計(jì)是否正確，選用的元器件是否符合要求，邏輯關(guān)系是否匹配，元器件連接關(guān)系是否符合要求等。78第78頁(yè)/共187頁(yè)（2）在線仿真與動(dòng)態(tài)調(diào)試）在線仿真與動(dòng)態(tài)調(diào)試用戶樣機(jī)中的硬件故障硬件故障（如各個(gè)部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯(cuò)誤）主要靠聯(lián)機(jī)在線仿聯(lián)機(jī)在線仿真來排除的。真來排除的。在斷電情況下，除單片機(jī)外，插上所有的元器件，并把在線仿真器的

57、仿真插頭插入樣機(jī)上AT89S51單片機(jī)的插座（見圖13-12），然后分別打開用戶樣機(jī)和仿真器電源后便可開始聯(lián)機(jī)在線仿真調(diào)試。前面已介紹，硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能完全分開的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能完全分開的，許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和被糾正的。許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和被糾正的。79第79頁(yè)/共187頁(yè)所以，在之前介紹的有關(guān)用戶樣機(jī)軟件調(diào)試的第（3）步的動(dòng)態(tài)在線調(diào)試中，即包括聯(lián)機(jī)仿真、硬件在線動(dòng)態(tài)調(diào)試以及硬件故障的排除。下面介紹在仿真開發(fā)機(jī)上如何利用簡(jiǎn)單調(diào)試程序檢查用戶樣機(jī)在仿真開發(fā)機(jī)上如何利用簡(jiǎn)單調(diào)試程序檢查用戶樣機(jī)。利用仿真開發(fā)系統(tǒng)對(duì)用戶樣機(jī)進(jìn)行硬件檢查，常常按其功能及按其功能及

58、I/O通道分別編寫相通道分別編寫相應(yīng)簡(jiǎn)短的實(shí)驗(yàn)程序應(yīng)簡(jiǎn)短的實(shí)驗(yàn)程序，來檢查各部分功能及邏輯是否正確，下面簡(jiǎn)單介紹。80第80頁(yè)/共187頁(yè) 檢查各地址譯碼輸出檢查各地址譯碼輸出通常，地址譯碼輸出是一個(gè)低電平有效信號(hào)。因此在選到某一個(gè)芯片時(shí)（無論是內(nèi)存還是外設(shè)），其片選選到某一個(gè)芯片時(shí)（無論是內(nèi)存還是外設(shè)），其片選信號(hào)用示波器檢查應(yīng)該是一個(gè)信號(hào)用示波器檢查應(yīng)該是一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)負(fù)脈沖信號(hào)。由于使用的時(shí)鐘頻率不同，其負(fù)脈沖的寬度和頻率也有所不同。注意，在使用示波器測(cè)量用戶樣機(jī)板的某些信號(hào)時(shí)，要將示波器電源插頭上的地線斷開，要將示波器電源插頭上的地線斷開，這是由于示波器測(cè)量探頭一端連到外殼，在有些電源

59、系統(tǒng)中，保護(hù)地和電源地是連在一起的，有時(shí)會(huì)將電源插座插反，將交流220V直接引到測(cè)量端，而將用戶樣機(jī)板全部燒毀，并且會(huì)殃及在線仿真器并且會(huì)殃及在線仿真器。81第81頁(yè)/共187頁(yè)下面討論如何檢查地址譯碼器輸出如何檢查地址譯碼器輸出。例如，例如，一片6116存儲(chǔ)芯片地址為200027FFH，則可在開發(fā)系統(tǒng)上執(zhí)行如下程序：LOOP：MOV DPTR，#200OH MOVX A，DPTR SJMP LOOP程序執(zhí)行后，應(yīng)該從應(yīng)該從6116存儲(chǔ)器芯片的片選端看到等間隔的存儲(chǔ)器芯片的片選端看到等間隔的一串負(fù)脈沖一串負(fù)脈沖，說明該芯片連接正確，不插入該存儲(chǔ)器芯片，只測(cè)量插座相應(yīng)片選引腳也會(huì)有上述結(jié)果。82

60、第82頁(yè)/共187頁(yè)用同樣的方法，可將各內(nèi)存及外設(shè)接口芯片的片選信號(hào)逐一進(jìn)行檢查。如出現(xiàn)不正確的現(xiàn)象，就要檢查片選線連線是否正確，有無接觸不良或錯(cuò)線、斷線問題。 檢查檢查RAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器檢查RAM存儲(chǔ)器時(shí)可編寫程序可編寫程序，對(duì)對(duì)RAM進(jìn)行寫入，然后再讀出，將寫入和讀出的進(jìn)行寫入，然后再讀出，將寫入和讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，立即停止。將存儲(chǔ)器芯片插上，執(zhí)行如下程序：83第83頁(yè)/共187頁(yè)MOVA，#00HMOV DPTR，#RAM；首地址LOOP： MOVXDPTR，AMOVR0，AMOVX A，DPTRCLR CSUBB A，R0JNZ LOOP1INC DPTRMO