CH10單片機應用系統(tǒng)設計課件

第10章單片機應用系統(tǒng)設計技術主講：聶雄第10章單片機應用系統(tǒng)設計技術主講：聶雄第10章單片機應用系統(tǒng)設計技術單片機應用系統(tǒng)設計的基本原則單片機應用系統(tǒng)設計的一般過程模塊化軟件設計單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機應用系統(tǒng)設計舉例第10章單片機應用系統(tǒng)設計技術單片機應用系統(tǒng)設計的基本原則10.1單片機應用系統(tǒng)設計的基本原則1.可靠性高2.性能價格比高3.操作簡便4.設計周期短10.1單片機應用系統(tǒng)設計的基本原則1.可靠性高10.2單片機應用系統(tǒng)設計的一般過程確定任務、總體設計、硬件設計、軟件設件、在線仿真調(diào)試、程序固化等階段。

10.2單片機應用系統(tǒng)設計的一般過程10.2.1確定任務在設計單片機應用系統(tǒng)前必須明確應用系統(tǒng)的功能和技術指標。首先要對應用對象的工作過程進行深入調(diào)查分析和細致研究，明確單片機系統(tǒng)所要完成的任務、控制對象的狀況及所要達到的技術指標.10.2.1確定任務在設計單片機應用10.2.2總體設計

總體設計包括：系統(tǒng)構成，單片機選型，外圍器器的選擇，軟件、硬件功能劃分等1.系統(tǒng)構成確定整個單片機系統(tǒng)的組成部分，例如顯示、鍵盤、輸入通道、輸出通道、打印、通信等。

2.單片機機型的選擇首先，應根據(jù)任務的繁雜程度和技術指標要求選擇機型。機型選擇的出發(fā)點及依據(jù)，可根據(jù)市場情況，挑選成熟、穩(wěn)定、貨源充足的機型產(chǎn)品。另一方面為提高效率，縮短研制周期，最好選用最熟悉的機種和器件。采用性能優(yōu)良的單片機開發(fā)工具也能加快系統(tǒng)的研制過程。10.2.2總體設計總體設計包括：系10.2.2總體設計

3.外圍器件選擇應用系統(tǒng)除單片機以外，系統(tǒng)通常還有執(zhí)行器件、傳感器、模擬電路、輸入輸出接口電路、存儲器等器件和設備。

4.軟硬件功能劃分原則上，能夠由軟件來完成的任務就盡可能用軟件來實現(xiàn)，以降低硬件成本，簡化硬件結構，提高可靠性，但是它可能會降低系統(tǒng)的工作速度。10.2.2總體設計3.外圍器件選擇10.2.3硬件設計

主要任務是根據(jù)總體設計要求，以及在所選機型的基礎上，確定系統(tǒng)擴展所要用的存儲器、I／O電路、A／D、D/A轉(zhuǎn)換電路以及有關外圍電路等，然后設計出系統(tǒng)的電路原理圖。1.程序存儲器的設計通常盡可能選擇滿足系統(tǒng)程序容量要求的機型，而不再進行程序存儲器的擴展。2.數(shù)據(jù)存儲器和輸入／輸出接口的設計在選擇I／O接口電路時應從體積、價格、功能、負載等幾個方面來考慮。對于A／D、D／A電路芯片的選擇原則應根據(jù)系統(tǒng)對它的速度、精度和價格要求而確定。10.2.3硬件設計主要任務是根據(jù)10.2.3硬件設計3.地址譯碼電路的設計地址譯碼電路的設計，應考慮充分利用存儲空間和簡化硬件邏輯等方面的問題，通常采用全地址譯碼法和線選法相結合的辦法。4.總線驅(qū)動器的設計

5l系列單片機擴展功能比較強，但擴展總線負載能力有限。若所擴展的電路負載超過總線負載能力時，系統(tǒng)便不能可靠地工作。此情況下必須在總線上加驅(qū)動器。10.2.3硬件設計3.地址譯碼電路的設計10.2.3硬件設計5.模擬量輸入和模擬量輸出電路的設計包括：模擬量輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)設計(1)模擬量輸入系統(tǒng)設計模擬輸入系統(tǒng)一般由電壓形成，模擬濾波（ALF）、采樣保持（S／H）電路、模擬多路轉(zhuǎn)換開關以及A／D轉(zhuǎn)換器等組成。檢測信號通常采用電流傳輸方式。電壓形成回路負責將檢測信號變換為A／D轉(zhuǎn)換器所需的標準電壓信號。通常采用I／V電阻變換器。若檢測信號微弱還需要加接放大電路。在A／D轉(zhuǎn)換之前往往還需要加接采樣保持(S／H)電路。在單片機測控應用系統(tǒng)中，經(jīng)常需要多路或多參數(shù)采集。

10.2.3硬件設計5.模擬量輸入和模擬量輸出電路的設計10.2.3硬件設計5.模擬量輸入和模擬量輸出電路的設計(1)模擬量輸入系統(tǒng)設計(2)模擬量輸出系統(tǒng)設計模擬量輸出通道負責把單片機系統(tǒng)處理后的信號轉(zhuǎn)換為模擬信號作為最后的輸出以驅(qū)動控制對象，實現(xiàn)自動控制，D／A芯片是其重要組成部分。D／A轉(zhuǎn)換器對輸入數(shù)字量是否具有鎖存功能將直接影響與CPU的接口設計。

6.系統(tǒng)速度匹配

51系列單片機時鐘頻率可在2～12MHz之間任選。在不影響系統(tǒng)技術性能的前提下，可選擇低時鐘頻率，以降低系統(tǒng)功耗。10.2.3硬件設計5.模擬量輸入和模擬量輸出電路的設計10.2.3硬件設計

7.抗干擾措施根據(jù)干擾源引入的途徑，抗干擾措施可以從電源供電系統(tǒng)和硬件電路兩個方面考慮。首先，對電源供電系統(tǒng)采取抗干擾措施。其次，為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性，在硬件電路設計時，應采取一系列防干擾措施：

(1)大規(guī)模IC芯片電源供電端VCC都應加高頻濾波電容，根據(jù)負載電流的情況，在各級供電節(jié)點還應加足夠容量的退耦電容；

(2)輸入輸出通道抗干擾措施。可采用光電隔離電路、雙絞線等提高抗干擾能力。特別是與繼電器、可控硅等連接的通道，一定要采用隔離措施；10.2.3硬件設計7.抗干擾措施10.2.3硬件設計

7.抗干擾措施

(3)可采用CMOS器件提高工作電壓（+15V），這樣干擾門限也相應提高；

(4)傳感器后級的變送器盡量采用電流型傳輸方式，因電流型比電壓型抗干擾能力強；

(5)電路應有合理的布線及接地方式；

(6)與環(huán)境干擾的隔離可采用屏蔽措施。10.2.3硬件設計7.抗干擾措施10.2.4軟件設計軟件系統(tǒng)定義軟件結構設計控制算法的確定10.2.4軟件設計軟件系統(tǒng)定義10.2.4軟件設計軟件系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義是指在軟件設計前，首先要進一步明確軟件所要完成的任務，然后結合硬件結構，確定軟件承擔的任務細節(jié)。10.2.4軟件設計軟件系統(tǒng)定義10.2.4軟件設計軟件定義的內(nèi)容如下：

（1）定義各輸入／輸出的功能、信號的類別、電平范圍、與系統(tǒng)接口方式、占用的口地址、數(shù)據(jù)讀取和輸出的方式等。（2）定義分配存儲器空間，包括系統(tǒng)主程序、常數(shù)表格、功能子程序塊的劃分、入口地址表等。（3）若有斷電保護措施，應定義數(shù)據(jù)暫存區(qū)標志單元等（4）面板開關、按鍵等控制輸入量的定義與軟件編制密切有關，系統(tǒng)運行過程的顯示、運算結果的顯示、正常運行和出錯顯示等也是由軟件完成的，所以事先要給予以定義。10.2.4軟件設計軟件定義的內(nèi)容如下： 10.2.4軟件設計2.軟件結構設計對于簡單的單片機應用系統(tǒng)，可采用順序結構設計方法，其系統(tǒng)軟件由主程序和若干個中斷服務程序構成。明確主程序和中斷服務程序完成的操作及指定各中斷的優(yōu)先級。對于復雜的實時控制系統(tǒng)，可采用實時多任務操作系統(tǒng)。此操作系統(tǒng)應具備任務調(diào)度、實時控制、實時時鐘、輸入輸出和中斷控制、系統(tǒng)調(diào)用、多個任務并行運行等功能。以提高系統(tǒng)的實時性和并行性。10.2.4軟件設計2.軟件結構設計10.2.4軟件設計

3.控制算法的確定對被控對象的變化規(guī)律或控制過程客觀真實地描述建立被控對象的數(shù)學模型決定單片機系統(tǒng)需要檢測哪些變量，采用怎樣的控制算法可能還要考慮軟件算法的精度等等10.2.4軟件設計3.控制算法的確定10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試應用系統(tǒng)的調(diào)試分硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。硬件調(diào)試的任務是排除系統(tǒng)的硬件電路故障，包括設計性錯誤和工藝性故障。軟件調(diào)試是利用開發(fā)工具進行在線仿真調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯誤外，也可以發(fā)現(xiàn)硬件故障。10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試應用系統(tǒng)的調(diào)試分硬件調(diào)試和10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試1.常見的硬件故障邏輯錯誤：由設計錯誤或加工過程中的工藝性錯誤所造成的。元器件失效：一是元器件本身已損壞或性能不符合要求，二是由于組裝錯誤造成元器件失效?？煽啃圆睿航饘倏?、接插件接觸不良等，內(nèi)部和外部的干擾、電源的紋波系數(shù)較大、器件負荷過重等會造成邏輯電平不穩(wěn)定；走線和布局不合理等也會引起系統(tǒng)可靠性差。電源故障：包括電壓值不符合設計要求，電源引線和插座不對、電源功率不足、負載能力差等。10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試1.常見的硬件故障10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試2.硬件調(diào)試方法脫機調(diào)試：脫機調(diào)試亦稱靜態(tài)調(diào)試。

對于樣機所用的電源事先必須單獨調(diào)試。聯(lián)機調(diào)試：聯(lián)機調(diào)試亦稱動態(tài)調(diào)試。

聯(lián)機前先斷電，將單片機開發(fā)系統(tǒng)的仿真頭插到樣機的單片機插座上，檢查一下開發(fā)機與樣機之間的電源、接地是否良好。如一切正常，即可打開電源。

通電后執(zhí)行開發(fā)機的讀寫指令，對用戶樣機的存儲器、I／O端口進行讀寫操作、邏輯檢查。主機部分調(diào)試好后，再調(diào)試外部設備10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試2.硬件調(diào)試方法10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試3.軟件調(diào)試方法軟件調(diào)試與所選用的軟件結構和程序設計技術有關。如果采用模塊程序設計技術，則逐個模塊分別調(diào)試，一個子程序一個子程序地調(diào)試，最后聯(lián)起來統(tǒng)調(diào)。各模塊通過以后，可以把有關的功能塊聯(lián)合起來一起進行綜合調(diào)試。單步和斷點調(diào)試后，還應進行連續(xù)調(diào)試。采用實時多任務操作系統(tǒng)時，逐個任務進行調(diào)試。程序聯(lián)調(diào)運行正常后，還需在模擬的各種現(xiàn)場條件和惡劣環(huán)境下調(diào)試、運行，以檢查系統(tǒng)是否滿足原設計要求。10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試3.軟件調(diào)試方法10.2.6程序固化軟件和硬件聯(lián)機調(diào)試反復運行正常后，則可將用戶系統(tǒng)程序固化到程序存儲器，程序固化需要借助開發(fā)系統(tǒng)的編程器來完成。再將已固化的程序存儲器芯片插入用戶樣機，用戶系統(tǒng)即可脫離開發(fā)系統(tǒng)獨立工作。（Flash型單片機已經(jīng)不需要這一步步驟了）應用系統(tǒng)還要到生產(chǎn)現(xiàn)場投入實際工作，檢驗其可靠性和抗干擾能力，直到完全滿足要求，至此，系統(tǒng)才算研制成功。10.2.6程序固化軟件和硬件聯(lián)機調(diào)試反復運行正常后，則可將10.3模塊化軟件設計模塊化結構的基本組成各模塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立模塊化程序設計方法系統(tǒng)監(jiān)控程序設計10.3模塊化軟件設計模塊化結構的基本組成10.3.1模塊化結構的基本組成各功能模塊以子程序的形式出現(xiàn)。模塊結構一般分三層。最低一層最低一層是一個通用子程序庫，這個子程序庫包括三個方面的功能子程序：一般性子程序。過程控制通用子程序。打印機及顯示器的驅(qū)動子程序、數(shù)據(jù)傳送和變換子程序執(zhí)行功能模塊層它能完成各種實質(zhì)性的功能。即在以上通用子程序庫的基礎上，根據(jù)對過程控制系統(tǒng)結構的歸納、分類和規(guī)范化，組成各執(zhí)行功能模塊。系統(tǒng)監(jiān)控與管理模塊層協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系，在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度的角色。監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊的安排整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序(背景程序)和前臺程序。10.3.1模塊化結構的基本組成各功能模塊以子程序的10.3.2各模塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立模塊之間的聯(lián)系是通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及控制字進行聯(lián)系的1.數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結構規(guī)劃將每一個執(zhí)行模塊要用到的參數(shù)和要輸出的結果一并列出來。規(guī)劃數(shù)據(jù)類型。從數(shù)據(jù)類型上來分類，數(shù)據(jù)可分為邏輯型與數(shù)值型。2.各模塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的確定資源分配的主要工作是RAM資源的分配。常用的方法如下：片內(nèi)RAM指00H~7FH單元。片內(nèi)RAM常用于作為棧區(qū)、位尋址區(qū)和公共子程序的工作緩沖區(qū)，如存放參數(shù)、指針、中間結果等片外RAM的容量比片內(nèi)RAM大，通常用來存放批量大的數(shù)據(jù)，可作為執(zhí)行模塊運算存儲器用于存放需要保留時間較長的數(shù)據(jù)10.3.2各模塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立模塊之間的聯(lián)系是通過10.3.3模塊化程序設計方法模塊化程序編程有2種方法：一種是自上而下，逐步細化；一種是自下而上，先設計出具體模塊（子程序），然后再慢慢擴大，象搭積木一樣，最后形成系統(tǒng)（主程序）。兩種方法各有優(yōu)缺點。自上而下方法在前期看不到什么具體效果，對于初學者來說，心中不塌實；而自下而上的方法一開始就有效果，每設計一個模塊，即可進行調(diào)試，就能看到一個實際效果，給人一種一步一個足印的感覺，對于初學者比較有利，能樹立信心。10.3.3模塊化程序設計方法模塊化程序編程有2種方法：10.3.4系統(tǒng)監(jiān)控程序設計1.監(jiān)控程序的任務系統(tǒng)監(jiān)控程序是控制單片機系統(tǒng)按預定操作方式運轉(zhuǎn)的程序。它完成人機會話和遠程控制等功能，使系統(tǒng)按操作者的意圖或遙控命令來完成指定的作業(yè)。它是單片機系統(tǒng)程序的框架。2.監(jiān)控程序的結構作業(yè)順序調(diào)度型鍵碼分析作業(yè)調(diào)度型

10.3.4系統(tǒng)監(jiān)控程序設計1.監(jiān)控程序的任務10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機的開發(fā)系統(tǒng)由仿真器（或編程下載器）

、微型計算機和配套軟件構成。10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機的開發(fā)系統(tǒng)由仿真器（或編程下載10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)簡易開發(fā)系統(tǒng)結構單片機應用系統(tǒng)下載器計算機10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)簡易開發(fā)系統(tǒng)結構單片機應用系統(tǒng)下載10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)簡易開發(fā)系統(tǒng)結構10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)簡易開發(fā)系統(tǒng)結構10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)（Keil軟件）10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)（Keil軟件）10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)（IAR軟件）10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)（IAR軟件）10.5單片機應用系統(tǒng)設計舉例在實際的單片機工程開發(fā)中，我們需要進行下面的工作：分析工程需求，確定單片機需要哪些外圍器件。外圍器件要盡量選擇通用器件。根據(jù)工程要求，設計控制方案。根據(jù)單最小系統(tǒng)以及外圍器件的要求設計電路板，將元器件焊接到電路板上。逐個調(diào)試外圍元器件程序，并將其編輯成函數(shù)形式，如液晶顯示函數(shù)、按鍵讀取函數(shù)、溫度讀取函數(shù)、電機旋轉(zhuǎn)控制函數(shù)。編輯主函數(shù)、中斷函數(shù)。按照控制的要求，主函數(shù)、中斷函數(shù)調(diào)用其他函數(shù)操作外圍器件，這就是工程的核心所在，也是困惑初學者的難點之一。10.5單片機應用系統(tǒng)設計舉例在實際的單片機工程開發(fā)中，我10.5.1單片機系統(tǒng)與傳感器傳感器信號的輸出方式:模擬信號和數(shù)字信號傳感器功能生產(chǎn)公司總線接口DS18B20溫度傳感器美國DALLAS1-WireMAX6626溫度傳感器美國MAXIMI2CLM74溫度傳感器美國國家半導體SPIMAX6691配熱電偶的四通道智能溫度傳感器美國MAXIM單線PWM輸出MAX6674有冷端溫度補償?shù)腒型熱電偶轉(zhuǎn)換器美國MAXIMSPISHT11單片智能化濕度/溫度傳感器瑞士Sensirion2線數(shù)字MAX1458數(shù)字式壓力信號調(diào)理器美國MAXIMSPISB5227超聲波測距重慶中易電測技術研究所RS-485FCD4B14單片指紋傳感器美國ATMELEPP、USB、數(shù)字MC1446B離子型煙霧檢測MOTOROLA數(shù)字表10-1常見的傳感器舉例10.5.1單片機系統(tǒng)與傳感器傳感器信號的輸出方式:模擬信10.5.2光電隔離技術在驅(qū)動大電流電器或有較強干擾的設備時，常使用光電隔離技術，以切斷單片機與受控對象之間的電氣聯(lián)系。光電耦合器有晶體管輸出型和晶閘管輸出型。晶體管輸出型光電耦合器10.5.2光電隔離技術在驅(qū)動大電流電器或有較強干擾的設備10.5.2光電隔離技術晶閘管輸出型光電耦合器10.5.2光電隔離技術晶閘管輸出型光電耦合器10.5.3單片機驅(qū)動低壓電器固態(tài)繼電器SSR(solidstatereleys)固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷電子開關10.5.3單片機驅(qū)動低壓電器固態(tài)繼電器SSR(solid固態(tài)繼電器的應用使用單片機和固態(tài)繼電器驅(qū)動交流220V電器的電路固態(tài)繼電器的應用使用單片機和固態(tài)繼電器驅(qū)動交流220V電器的10.5.3單片機驅(qū)動低壓電器交流接觸器10.5.3單片機驅(qū)動低壓電器交流接觸器交流接觸器應用電路使用單片機和交流接觸器驅(qū)動3相電機的電路KM是交流接觸器的電磁線圈（以交流380V線圈為例），單片機控制固態(tài)繼電器的通斷狀態(tài)，進而控制接觸器的電磁線圈是否吸和。固態(tài)繼電器有光電隔離功能，所以380V的交流電對單片機的控制不會有干擾。交流接觸器應用電路使用單片機和交流接觸器驅(qū)動3相電機的電路10.5.4單片機的看門狗電路看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)或防止單片機死機由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，程序有時會陷入死循環(huán)，并造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài)。出于對單片機安全運行進行實時監(jiān)測的考慮，便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片,俗稱“看門狗”（WDT）。單片機的WDT其實是一個定時器看門狗工作時啟動了看門狗的定時器，看門狗就開始自動計數(shù)。在單片機正常工作的時候，需要每隔一端時間給定時器清零（即喂狗信號）。如果超過了定時器規(guī)定的時間還沒有輸入喂狗信號，看門狗的定時器會溢出，就會輸出一個復位信號到單片機，并使單片機復位。10.5.4單片機的看門狗電路看門狗的作用就是防止程序發(fā)生2.AT89S51單片機的內(nèi)置看門狗功能AT89S51單片機內(nèi)部集成了看門狗功能?？撮T狗的計數(shù)器叫WDTRST寄存器，是14位長度，最大計數(shù)值是16383，即3FFFH。WDTRS寄存器在內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM的地址是0A6H?？撮T狗的使用：激活AT89S51看門狗的方法是先向該地址寫01EH，然后寫0E1H即可。喂狗指令也是先向該地址寫01EH，然后寫0E1H2.AT89S51單片機的內(nèi)置看門狗功能AT89S51單片機3.AT89S51單片機看門狗的編程

#include<reg51.h>

...

sfrWDTRST=0xA6;//定義看門狗寄存器

...

voidmain()

{

WDTRST=0x1E;;//初始化看門狗

WDTRST=0xE1;//初始化看門狗

while(1)

{

WDTRST=0x1E;;//喂狗指令

WDTRST=0xE1;//喂狗指令

……//其他操作

}

}3.AT89S51單片機看門狗的編程#include<10.5.5單片機的低功耗工作方式單片機有兩種低功耗方式，即待機（或稱空閑）方式和掉電（或稱停機）保護方式。在低功耗方式，備用電源由Vcc或RST端輸入。待機方式可使功耗減小，電流一般為1.7~5mA；掉電方式可使功耗減到最小，電流一般為5~50μA。待機方式和掉電保護方式所涉及的硬件如圖10-11所示。10.5.5單片機的低功耗工作方式單片機有兩種低功耗方式，10.5.6單片機控制系統(tǒng)設計實例1.功能要求根據(jù)沖洗相片底片的要求，系統(tǒng)需要實現(xiàn)如下功能：

①需要對沖洗液的溫度進行控制。。

②需要不斷地攪拌沖洗液。2.方案論證根據(jù)控制要求，系統(tǒng)框圖如圖10-12所示10.5.6單片機控制系統(tǒng)設計實例1.功能要求3.硬件電路設計3.硬件電路設計表10-1器件的選型及其功能器件功能使用控制引腳AT89S51控制核心芯片

DS18B20溫度傳感器P3.73個按鍵設定溫度、啟停P3.4、P3.5、P3.6液晶顯示設定溫度和當前溫度P1口、P3.0、P3.1、P3.2固態(tài)繼電器控制220V加熱絲通斷P2.0固態(tài)繼電器控制220V冷水電機運轉(zhuǎn)P2.1LG9012驅(qū)動12V攪拌電機運轉(zhuǎn)P2.2、P2.3表10-1器件的選型及其功能器件功能使用控制引腳AT89各模塊硬件電路功能（1）溫度采集單元溫度采集電路使用溫度傳感器DS18B20。（2）按鍵單元系統(tǒng)使用3個按鍵。P3.4使設定溫度加0.1度，P3.5使設定溫度減0.1度，P3.6控制系統(tǒng)啟停。（3）顯示電路因為水槽的溫度在100℃以下，選擇1602LCD液晶，第一行顯示設定的溫度，第二行顯示當前的溫度。（4）攪拌電路使用12V的小型直流電機對液體進行攪拌。（5）加熱電路使用打壓為220V，功率為300W的加熱棒實現(xiàn)。使用單片機驅(qū)動固態(tài)繼電器，進而控制加熱棒。（6）制冷電路使用微型冰箱實現(xiàn)。冰箱啟動后制冷，冷水儲存在冷膽中。單片機驅(qū)動220V的小電機，可以將冷膽中的冷水置換到?jīng)_洗箱中。各模塊硬件電路功能（1）溫度采集單元4.程序設計程序包括兩部分組成，定時器中斷程序和主程序。使用定時器T0中斷產(chǎn)生20ms的時間，對該20ms計數(shù)可以產(chǎn)生1秒、2秒、8秒等時間，而實現(xiàn)溫度檢測、控制攪拌、加熱等。4.程序設計程序包括兩部分組成，定時器中斷程序和主程序。10.6單片機應用系統(tǒng)的抗干擾技術10.6.1干擾及其危害干擾的來源有外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾包括自然干擾和人為干擾(1)接口電路的干擾在單片機應用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸需要接口電路和一定距離的導線，這會使信號產(chǎn)生延時、畸變、衰減，造成干擾，特別是輸出通道中存在大的負載時，更會造成嚴重干擾。(2)電路板的干擾印制電路板是電子元器件安裝、連接的載體，電路板的地線、電源線、信號線、元器件的布局不合理，包括焊接的質(zhì)量都是各種干擾的因素。

(3)元器件造成的干擾在電路中，使用了大量的電阻、電容和集成電路，這些元器件質(zhì)量的好壞，都會直接影響到系統(tǒng)的可靠性。

(4)供電系統(tǒng)的干擾電壓的欠壓、過壓、尖峰電壓、浪涌射頻等干擾，這些干擾源都會造成對單片機供電的不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的正常工作。10.6單片機應用系統(tǒng)的抗干擾技術10.6.1干擾及其危害第10章單片機應用系統(tǒng)設計技術主講：聶雄第10章單片機應用系統(tǒng)設計技術主講：聶雄第10章單片機應用系統(tǒng)設計技術單片機應用系統(tǒng)設計的基本原則單片機應用系統(tǒng)設計的一般過程模塊化軟件設計單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機應用系統(tǒng)設計舉例第10章單片機應用系統(tǒng)設計技術單片機應用系統(tǒng)設計的基本原則10.1單片機應用系統(tǒng)設計的基本原則1.可靠性高2.性能價格比高3.操作簡便4.設計周期短10.1單片機應用系統(tǒng)設計的基本原則1.可靠性高10.2單片機應用系統(tǒng)設計的一般過程確定任務、總體設計、硬件設計、軟件設件、在線仿真調(diào)試、程序固化等階段。

10.2單片機應用系統(tǒng)設計的一般過程10.2.1確定任務在設計單片機應用系統(tǒng)前必須明確應用系統(tǒng)的功能和技術指標。首先要對應用對象的工作過程進行深入調(diào)查分析和細致研究，明確單片機系統(tǒng)所要完成的任務、控制對象的狀況及所要達到的技術指標.10.2.1確定任務在設計單片機應用10.2.2總體設計

總體設計包括：系統(tǒng)構成，單片機選型，外圍器器的選擇，軟件、硬件功能劃分等1.系統(tǒng)構成確定整個單片機系統(tǒng)的組成部分，例如顯示、鍵盤、輸入通道、輸出通道、打印、通信等。

2.單片機機型的選擇首先，應根據(jù)任務的繁雜程度和技術指標要求選擇機型。機型選擇的出發(fā)點及依據(jù)，可根據(jù)市場情況，挑選成熟、穩(wěn)定、貨源充足的機型產(chǎn)品。另一方面為提高效率，縮短研制周期，最好選用最熟悉的機種和器件。采用性能優(yōu)良的單片機開發(fā)工具也能加快系統(tǒng)的研制過程。10.2.2總體設計總體設計包括：系10.2.2總體設計

3.外圍器件選擇應用系統(tǒng)除單片機以外，系統(tǒng)通常還有執(zhí)行器件、傳感器、模擬電路、輸入輸出接口電路、存儲器等器件和設備。

4.軟硬件功能劃分原則上，能夠由軟件來完成的任務就盡可能用軟件來實現(xiàn)，以降低硬件成本，簡化硬件結構，提高可靠性，但是它可能會降低系統(tǒng)的工作速度。10.2.2總體設計3.外圍器件選擇10.2.3硬件設計

主要任務是根據(jù)總體設計要求，以及在所選機型的基礎上，確定系統(tǒng)擴展所要用的存儲器、I／O電路、A／D、D/A轉(zhuǎn)換電路以及有關外圍電路等，然后設計出系統(tǒng)的電路原理圖。1.程序存儲器的設計通常盡可能選擇滿足系統(tǒng)程序容量要求的機型，而不再進行程序存儲器的擴展。2.數(shù)據(jù)存儲器和輸入／輸出接口的設計在選擇I／O接口電路時應從體積、價格、功能、負載等幾個方面來考慮。對于A／D、D／A電路芯片的選擇原則應根據(jù)系統(tǒng)對它的速度、精度和價格要求而確定。10.2.3硬件設計主要任務是根據(jù)10.2.3硬件設計3.地址譯碼電路的設計地址譯碼電路的設計，應考慮充分利用存儲空間和簡化硬件邏輯等方面的問題，通常采用全地址譯碼法和線選法相結合的辦法。4.總線驅(qū)動器的設計

5l系列單片機擴展功能比較強，但擴展總線負載能力有限。若所擴展的電路負載超過總線負載能力時，系統(tǒng)便不能可靠地工作。此情況下必須在總線上加驅(qū)動器。10.2.3硬件設計3.地址譯碼電路的設計10.2.3硬件設計5.模擬量輸入和模擬量輸出電路的設計包括：模擬量輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)設計(1)模擬量輸入系統(tǒng)設計模擬輸入系統(tǒng)一般由電壓形成，模擬濾波（ALF）、采樣保持（S／H）電路、模擬多路轉(zhuǎn)換開關以及A／D轉(zhuǎn)換器等組成。檢測信號通常采用電流傳輸方式。電壓形成回路負責將檢測信號變換為A／D轉(zhuǎn)換器所需的標準電壓信號。通常采用I／V電阻變換器。若檢測信號微弱還需要加接放大電路。在A／D轉(zhuǎn)換之前往往還需要加接采樣保持(S／H)電路。在單片機測控應用系統(tǒng)中，經(jīng)常需要多路或多參數(shù)采集。

10.2.3硬件設計5.模擬量輸入和模擬量輸出電路的設計10.2.3硬件設計5.模擬量輸入和模擬量輸出電路的設計(1)模擬量輸入系統(tǒng)設計(2)模擬量輸出系統(tǒng)設計模擬量輸出通道負責把單片機系統(tǒng)處理后的信號轉(zhuǎn)換為模擬信號作為最后的輸出以驅(qū)動控制對象，實現(xiàn)自動控制，D／A芯片是其重要組成部分。D／A轉(zhuǎn)換器對輸入數(shù)字量是否具有鎖存功能將直接影響與CPU的接口設計。

6.系統(tǒng)速度匹配

51系列單片機時鐘頻率可在2～12MHz之間任選。在不影響系統(tǒng)技術性能的前提下，可選擇低時鐘頻率，以降低系統(tǒng)功耗。10.2.3硬件設計5.模擬量輸入和模擬量輸出電路的設計10.2.3硬件設計

7.抗干擾措施根據(jù)干擾源引入的途徑，抗干擾措施可以從電源供電系統(tǒng)和硬件電路兩個方面考慮。首先，對電源供電系統(tǒng)采取抗干擾措施。其次，為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性，在硬件電路設計時，應采取一系列防干擾措施：

(1)大規(guī)模IC芯片電源供電端VCC都應加高頻濾波電容，根據(jù)負載電流的情況，在各級供電節(jié)點還應加足夠容量的退耦電容；

(2)輸入輸出通道抗干擾措施?？刹捎霉怆姼綦x電路、雙絞線等提高抗干擾能力。特別是與繼電器、可控硅等連接的通道，一定要采用隔離措施；10.2.3硬件設計7.抗干擾措施10.2.3硬件設計

7.抗干擾措施

(3)可采用CMOS器件提高工作電壓（+15V），這樣干擾門限也相應提高；

(4)傳感器后級的變送器盡量采用電流型傳輸方式，因電流型比電壓型抗干擾能力強；

(5)電路應有合理的布線及接地方式；

(6)與環(huán)境干擾的隔離可采用屏蔽措施。10.2.3硬件設計7.抗干擾措施10.2.4軟件設計軟件系統(tǒng)定義軟件結構設計控制算法的確定10.2.4軟件設計軟件系統(tǒng)定義10.2.4軟件設計軟件系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義是指在軟件設計前，首先要進一步明確軟件所要完成的任務，然后結合硬件結構，確定軟件承擔的任務細節(jié)。10.2.4軟件設計軟件系統(tǒng)定義10.2.4軟件設計軟件定義的內(nèi)容如下：

（1）定義各輸入／輸出的功能、信號的類別、電平范圍、與系統(tǒng)接口方式、占用的口地址、數(shù)據(jù)讀取和輸出的方式等。（2）定義分配存儲器空間，包括系統(tǒng)主程序、常數(shù)表格、功能子程序塊的劃分、入口地址表等。（3）若有斷電保護措施，應定義數(shù)據(jù)暫存區(qū)標志單元等（4）面板開關、按鍵等控制輸入量的定義與軟件編制密切有關，系統(tǒng)運行過程的顯示、運算結果的顯示、正常運行和出錯顯示等也是由軟件完成的，所以事先要給予以定義。10.2.4軟件設計軟件定義的內(nèi)容如下： 10.2.4軟件設計2.軟件結構設計對于簡單的單片機應用系統(tǒng)，可采用順序結構設計方法，其系統(tǒng)軟件由主程序和若干個中斷服務程序構成。明確主程序和中斷服務程序完成的操作及指定各中斷的優(yōu)先級。對于復雜的實時控制系統(tǒng)，可采用實時多任務操作系統(tǒng)。此操作系統(tǒng)應具備任務調(diào)度、實時控制、實時時鐘、輸入輸出和中斷控制、系統(tǒng)調(diào)用、多個任務并行運行等功能。以提高系統(tǒng)的實時性和并行性。10.2.4軟件設計2.軟件結構設計10.2.4軟件設計

3.控制算法的確定對被控對象的變化規(guī)律或控制過程客觀真實地描述建立被控對象的數(shù)學模型決定單片機系統(tǒng)需要檢測哪些變量，采用怎樣的控制算法可能還要考慮軟件算法的精度等等10.2.4軟件設計3.控制算法的確定10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試應用系統(tǒng)的調(diào)試分硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。硬件調(diào)試的任務是排除系統(tǒng)的硬件電路故障，包括設計性錯誤和工藝性故障。軟件調(diào)試是利用開發(fā)工具進行在線仿真調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯誤外，也可以發(fā)現(xiàn)硬件故障。10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試應用系統(tǒng)的調(diào)試分硬件調(diào)試和10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試1.常見的硬件故障邏輯錯誤：由設計錯誤或加工過程中的工藝性錯誤所造成的。元器件失效：一是元器件本身已損壞或性能不符合要求，二是由于組裝錯誤造成元器件失效。可靠性差：金屬孔、接插件接觸不良等，內(nèi)部和外部的干擾、電源的紋波系數(shù)較大、器件負荷過重等會造成邏輯電平不穩(wěn)定；走線和布局不合理等也會引起系統(tǒng)可靠性差。電源故障：包括電壓值不符合設計要求，電源引線和插座不對、電源功率不足、負載能力差等。10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試1.常見的硬件故障10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試2.硬件調(diào)試方法脫機調(diào)試：脫機調(diào)試亦稱靜態(tài)調(diào)試。

對于樣機所用的電源事先必須單獨調(diào)試。聯(lián)機調(diào)試：聯(lián)機調(diào)試亦稱動態(tài)調(diào)試。

聯(lián)機前先斷電，將單片機開發(fā)系統(tǒng)的仿真頭插到樣機的單片機插座上，檢查一下開發(fā)機與樣機之間的電源、接地是否良好。如一切正常，即可打開電源。

通電后執(zhí)行開發(fā)機的讀寫指令，對用戶樣機的存儲器、I／O端口進行讀寫操作、邏輯檢查。主機部分調(diào)試好后，再調(diào)試外部設備10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試2.硬件調(diào)試方法10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試3.軟件調(diào)試方法軟件調(diào)試與所選用的軟件結構和程序設計技術有關。如果采用模塊程序設計技術，則逐個模塊分別調(diào)試，一個子程序一個子程序地調(diào)試，最后聯(lián)起來統(tǒng)調(diào)。各模塊通過以后，可以把有關的功能塊聯(lián)合起來一起進行綜合調(diào)試。單步和斷點調(diào)試后，還應進行連續(xù)調(diào)試。采用實時多任務操作系統(tǒng)時，逐個任務進行調(diào)試。程序聯(lián)調(diào)運行正常后，還需在模擬的各種現(xiàn)場條件和惡劣環(huán)境下調(diào)試、運行，以檢查系統(tǒng)是否滿足原設計要求。10.2.5單片機應用系統(tǒng)的調(diào)試3.軟件調(diào)試方法10.2.6程序固化軟件和硬件聯(lián)機調(diào)試反復運行正常后，則可將用戶系統(tǒng)程序固化到程序存儲器，程序固化需要借助開發(fā)系統(tǒng)的編程器來完成。再將已固化的程序存儲器芯片插入用戶樣機，用戶系統(tǒng)即可脫離開發(fā)系統(tǒng)獨立工作。（Flash型單片機已經(jīng)不需要這一步步驟了）應用系統(tǒng)還要到生產(chǎn)現(xiàn)場投入實際工作，檢驗其可靠性和抗干擾能力，直到完全滿足要求，至此，系統(tǒng)才算研制成功。10.2.6程序固化軟件和硬件聯(lián)機調(diào)試反復運行正常后，則可將10.3模塊化軟件設計模塊化結構的基本組成各模塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立模塊化程序設計方法系統(tǒng)監(jiān)控程序設計10.3模塊化軟件設計模塊化結構的基本組成10.3.1模塊化結構的基本組成各功能模塊以子程序的形式出現(xiàn)。模塊結構一般分三層。最低一層最低一層是一個通用子程序庫，這個子程序庫包括三個方面的功能子程序：一般性子程序。過程控制通用子程序。打印機及顯示器的驅(qū)動子程序、數(shù)據(jù)傳送和變換子程序執(zhí)行功能模塊層它能完成各種實質(zhì)性的功能。即在以上通用子程序庫的基礎上，根據(jù)對過程控制系統(tǒng)結構的歸納、分類和規(guī)范化，組成各執(zhí)行功能模塊。系統(tǒng)監(jiān)控與管理模塊層協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系，在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度的角色。監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊的安排整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序(背景程序)和前臺程序。10.3.1模塊化結構的基本組成各功能模塊以子程序的10.3.2各模塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立模塊之間的聯(lián)系是通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及控制字進行聯(lián)系的1.數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結構規(guī)劃將每一個執(zhí)行模塊要用到的參數(shù)和要輸出的結果一并列出來。規(guī)劃數(shù)據(jù)類型。從數(shù)據(jù)類型上來分類，數(shù)據(jù)可分為邏輯型與數(shù)值型。2.各模塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的確定資源分配的主要工作是RAM資源的分配。常用的方法如下：片內(nèi)RAM指00H~7FH單元。片內(nèi)RAM常用于作為棧區(qū)、位尋址區(qū)和公共子程序的工作緩沖區(qū)，如存放參數(shù)、指針、中間結果等片外RAM的容量比片內(nèi)RAM大，通常用來存放批量大的數(shù)據(jù)，可作為執(zhí)行模塊運算存儲器用于存放需要保留時間較長的數(shù)據(jù)10.3.2各模塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的建立模塊之間的聯(lián)系是通過10.3.3模塊化程序設計方法模塊化程序編程有2種方法：一種是自上而下，逐步細化；一種是自下而上，先設計出具體模塊（子程序），然后再慢慢擴大，象搭積木一樣，最后形成系統(tǒng)（主程序）。兩種方法各有優(yōu)缺點。自上而下方法在前期看不到什么具體效果，對于初學者來說，心中不塌實；而自下而上的方法一開始就有效果，每設計一個模塊，即可進行調(diào)試，就能看到一個實際效果，給人一種一步一個足印的感覺，對于初學者比較有利，能樹立信心。10.3.3模塊化程序設計方法模塊化程序編程有2種方法：10.3.4系統(tǒng)監(jiān)控程序設計1.監(jiān)控程序的任務系統(tǒng)監(jiān)控程序是控制單片機系統(tǒng)按預定操作方式運轉(zhuǎn)的程序。它完成人機會話和遠程控制等功能，使系統(tǒng)按操作者的意圖或遙控命令來完成指定的作業(yè)。它是單片機系統(tǒng)程序的框架。2.監(jiān)控程序的結構作業(yè)順序調(diào)度型鍵碼分析作業(yè)調(diào)度型

10.3.4系統(tǒng)監(jiān)控程序設計1.監(jiān)控程序的任務10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機的開發(fā)系統(tǒng)由仿真器（或編程下載器）

、微型計算機和配套軟件構成。10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)單片機的開發(fā)系統(tǒng)由仿真器（或編程下載10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)簡易開發(fā)系統(tǒng)結構單片機應用系統(tǒng)下載器計算機10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)簡易開發(fā)系統(tǒng)結構單片機應用系統(tǒng)下載10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)簡易開發(fā)系統(tǒng)結構10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)簡易開發(fā)系統(tǒng)結構10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)（Keil軟件）10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)（Keil軟件）10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)（IAR軟件）10.4單片機開發(fā)系統(tǒng)（IAR軟件）10.5單片機應用系統(tǒng)設計舉例在實際的單片機工程開發(fā)中，我們需要進行下面的工作：分析工程需求，確定單片機需要哪些外圍器件。外圍器件要盡量選擇通用器件。根據(jù)工程要求，設計控制方案。根據(jù)單最小系統(tǒng)以及外圍器件的要求設計電路板，將元器件焊接到電路板上。逐個調(diào)試外圍元器件程序，并將其編輯成函數(shù)形式，如液晶顯示函數(shù)、按鍵讀取函數(shù)、溫度讀取函數(shù)、電機旋轉(zhuǎn)控制函數(shù)。編輯主函數(shù)、中斷函數(shù)。按照控制的要求，主函數(shù)、中斷函數(shù)調(diào)用其他函數(shù)操作外圍器件，這就是工程的核心所在，也是困惑初學者的難點之一。10.5單片機應用系統(tǒng)設計舉例在實際的單片機工程開發(fā)中，我10.5.1單片機系統(tǒng)與傳感器傳感器信號的輸出方式:模擬信號和數(shù)字信號傳感器功能生產(chǎn)公司總線接口DS18B20溫度傳感器美國DALLAS1-WireMAX6626溫度傳感器美國MAXIMI2CLM74溫度傳感器美國國家半導體SPIMAX6691配熱電偶的四通道智能溫度傳感器美國MAXIM單線PWM輸出MAX6674有冷端溫度補償?shù)腒型熱電偶轉(zhuǎn)換器美國MAXIMSPISHT11單片智能化濕度/溫度傳感器瑞士Sensirion2線數(shù)字MAX1458數(shù)字式壓力信號調(diào)理器美國MAXIMSPISB5227超聲波測距重慶中易電測技術研究所RS-485FCD4B14單片指紋傳感器美國ATMELEPP、USB、數(shù)字MC1446B離子型煙霧檢測MOTOROLA數(shù)字表10-1常見的傳感器舉例10.5.1單片機系統(tǒng)與傳感器傳感器信號的輸出方式:模擬信10.5.2光電隔離技術在驅(qū)動大電流電器或有較強干擾的設備時，常使用光電隔離技術，以切斷單片機與受控對象之間的電氣聯(lián)系。光電耦合器有晶體管輸出型和晶閘管輸出型。晶體管輸出型光電耦合器10.5.2光電隔離技術在驅(qū)動大電流電器或有較強干擾的設備10.5.2光電隔離技術晶閘管輸出型光電耦合器10.5.2光電隔離技術晶閘管輸出型光電耦合器10.5.3單片機驅(qū)動低壓電器固態(tài)繼電器SSR(solidstatereleys)固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷電子開關10.5.3單片機驅(qū)動低壓電器固態(tài)繼電器SSR(solid固態(tài)繼電器的應用使用單片機和固態(tài)繼電器驅(qū)動交流220V電器的電路固態(tài)繼電器的應用使用單片機和固態(tài)繼電器驅(qū)動交流220V電器的10.5.3單片機驅(qū)動低壓電器交流接觸器10.5.3單片機驅(qū)動低壓電器交流接觸器交流接觸器應用電路使用單片機和交流接觸器驅(qū)動3相電機的電路KM是交流接觸器的電磁線圈（以交流380V線圈為例），單片機控制固態(tài)繼電器的通斷狀態(tài)，進而控制接觸器的電磁線圈是否吸和。固態(tài)繼電器有光電隔離功能，所以380V的交流電對單片機的控制不會有干擾。交流接觸器應用電路使用單片機和交流接觸器驅(qū)動3相電機的電路10.5.4單片機的看門狗電路看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)或防止單片機死機由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，程序有時會陷入死循環(huán)，并造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài)。出于對單片機安全運行進行實時監(jiān)測的考慮，便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片,俗稱“看門狗”（WDT）。單片機的WDT其實是一個定時器看門狗工作時啟動了看門狗的定時器，看門狗就開始自動計數(shù)。在單片機正常工作的時候，需要每隔一端時間給定時器清零（即喂狗信號）。如果超過了定時器規(guī)定的時間還沒有輸入喂狗信號，看門狗的定時器會溢出，就會輸出一個復位信號到單片機，并使單片機復位。10.5.4單片機的看門狗電路看門狗的作用就是防止程序發(fā)生2.AT89S51單片機的內(nèi)置看門狗功能AT89S51單片機內(nèi)部集成了看門狗功能?？撮T狗的計數(shù)器叫WDTRST寄存器，是14位長度，最大計數(shù)值是16383，即3FFFH。WDTRS寄存器在內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM的地址是0A6H。看門狗的使用：激活AT89S51看門狗的方法是先向該地址寫01EH，然后寫