單片機(jī)原理及接口技術(shù)課件：MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)單片機(jī)原理及接口技術(shù)單片機(jī)原理及接口技術(shù)目錄9.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)9.2抗干擾技術(shù)9.3八路溫度巡檢儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.4步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.5出租車計(jì)費(fèi)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)原理及接口技術(shù)9.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

根據(jù)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)或智能儀器儀表的設(shè)計(jì)要求，采用單片機(jī)為核心，配備一定的存儲(chǔ)器及電子元器件和相應(yīng)的軟件可構(gòu)成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)既是一個(gè)理論問(wèn)題，又是一個(gè)實(shí)際工程問(wèn)題。它包括自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和電子技術(shù)等，是多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。硬件設(shè)計(jì)不僅包括單片機(jī)、存儲(chǔ)器及I/O接口，而且還包括鍵盤及開(kāi)關(guān)、檢測(cè)各種輸入量的傳感器、控制用的執(zhí)行裝置、通信接口、打印和顯示設(shè)備等。軟件設(shè)計(jì)要根據(jù)系統(tǒng)的要求，靈活地設(shè)計(jì)所需要的管理、監(jiān)控以及應(yīng)用程序。應(yīng)用程序主要有數(shù)據(jù)采集程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、數(shù)字濾波程序，以及各種控制算法及非線性補(bǔ)償程序等。

單片機(jī)原理及接口技術(shù)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)是緊密的聯(lián)系在一起的，而且在某些場(chǎng)合，硬件和軟件具有一定的互換性。有些硬件電路的功能可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，反之亦然。通常情況下，硬件實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但將使系統(tǒng)增加投資，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易受外界干擾；軟件可避免上述缺點(diǎn)，但實(shí)時(shí)性較差。為保證系統(tǒng)能可靠工作，在軟、硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)該包括系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)步驟主要可分為明確任務(wù)、確定技術(shù)指標(biāo)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序編制、軟/硬件仿真調(diào)試、可靠性試驗(yàn)和產(chǎn)品化等幾個(gè)階段，但是各階段不是絕對(duì)分開(kāi)的，有時(shí)還需要交叉進(jìn)行，如圖9-1所示。單片機(jī)原理及接口技術(shù)圖9-1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟單片機(jī)原理及接口技術(shù)

9.1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)總體方案，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步?？傮w方案的好壞，直接影響整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的投資、調(diào)節(jié)品質(zhì)及研發(fā)周期。在實(shí)際應(yīng)用中，被控對(duì)象多種多樣，工藝要求差別很大，系統(tǒng)完成的任務(wù)也千差萬(wàn)別，所以應(yīng)用系統(tǒng)的總體方案必須根據(jù)工藝要求，結(jié)合被控對(duì)象來(lái)制定。但總體方案的設(shè)計(jì)過(guò)程大相徑庭，主要從以下幾個(gè)方面考慮。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

1.系統(tǒng)分析，明確任務(wù)

如同任何新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)一樣，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從確定目標(biāo)任務(wù)開(kāi)始的。不管是老產(chǎn)品的改造還是新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，都應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的可靠性、通用性、可維護(hù)性、先進(jìn)性及成本等因素進(jìn)行綜合的考慮。在著手進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，需對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，了解國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上發(fā)展情況、進(jìn)展程度，是否有人進(jìn)行過(guò)類似的工作。若有，則可分析它人的結(jié)果，了解有什么優(yōu)缺點(diǎn)，找出值得借鑒的部分；若沒(méi)有，則需要進(jìn)一步調(diào)研，此時(shí)的重點(diǎn)應(yīng)放在能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)環(huán)節(jié)，首先從理論上進(jìn)行分析，探討實(shí)現(xiàn)的可能性，所要求的指標(biāo)是否能滿足；其次對(duì)系統(tǒng)的工作環(huán)境準(zhǔn)確評(píng)估，了解存在哪些干擾因素，能否實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、調(diào)節(jié)和控制等。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在明確設(shè)計(jì)任務(wù)后，如果可以實(shí)施，必須確定系統(tǒng)是采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，或者是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。如果是閉環(huán)控制系統(tǒng)，還須確定出整個(gè)系統(tǒng)是選用直接數(shù)字控制（DDC）、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制（SCC）、或者是選用分布式控制（DCS）等。工作的重點(diǎn)是在該項(xiàng)目的技術(shù)難度上，可參考這一方面更詳細(xì)、更具體的資料，根據(jù)系統(tǒng)的不同要求和要實(shí)現(xiàn)的不同功能，參考國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能，提出合理、詳盡的技術(shù)指標(biāo)，編寫出設(shè)計(jì)任務(wù)書，確定性價(jià)比高的工程技術(shù)方案，并具有系統(tǒng)可靠、人機(jī)界面友好、適合非計(jì)算機(jī)人員操作和容錯(cuò)性能強(qiáng)等特點(diǎn)。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

3.硬件和軟件的功能劃分

總體方案一旦確定，下一步的工作就是將該項(xiàng)目明確化，即明確哪些部分用硬件實(shí)現(xiàn)，哪些部分用軟件實(shí)現(xiàn)。由于硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)會(huì)相互影響，因此從簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、降低成本、減少干擾、提高系統(tǒng)的靈活性與通用性方面考慮，提倡軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但也應(yīng)考慮以軟件替代硬件后會(huì)降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、增加系統(tǒng)的處理時(shí)間，而且軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用、研制周期也將增加。在一般情況下，如果所研制的產(chǎn)品生產(chǎn)批量較大，且在實(shí)時(shí)性要求允許的情況下，主張能夠用軟件實(shí)現(xiàn)的功能都由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本。但在總體設(shè)計(jì)時(shí)，必須權(quán)衡利弊，仔細(xì)劃分好硬件和軟件的功能。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

9.1.2硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括兩部分內(nèi)容：一是單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)，它包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展；二是各功能模塊的設(shè)計(jì)，如信號(hào)檢測(cè)模塊、信號(hào)控制模塊、人機(jī)接口模塊、通信接口模塊等。并且根據(jù)系統(tǒng)功能要求還需配置相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示器、打印機(jī)等外圍設(shè)備。

所謂硬件電路的總體設(shè)計(jì)，是為實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目全部功能所需要的所有硬件的電氣連線原理圖。因?yàn)殡娐返母鞑糠侄际蔷o密相關(guān)、互相協(xié)調(diào)的，任何一部分電路的考慮不充分，都會(huì)給其它部分帶來(lái)難以預(yù)料的影響，所以設(shè)計(jì)時(shí)不能急于求成，過(guò)于倉(cāng)促制板和調(diào)試。

單片機(jī)原理及接口技術(shù)

在進(jìn)行硬件的總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，所涉及的具體電路可借鑒它人在這方面進(jìn)行的工作。因?yàn)榻?jīng)過(guò)別人調(diào)試和實(shí)驗(yàn)過(guò)的電路往往具有一定的合理性。如果在此基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)目的進(jìn)行一些修改，則是一種簡(jiǎn)便、快捷的做法。當(dāng)然，大部分電路需要自己設(shè)計(jì)，完全照搬是不太可能的。

在參考別人的電路時(shí)，需對(duì)其工作原理有較為透徹的分析和理解，根據(jù)其工作機(jī)理了解其適用范圍，從而確定

其移植的可能性和需要修改的部分。對(duì)于有些關(guān)鍵和尚不完全理解的電路，需要仔細(xì)分析，在設(shè)計(jì)之前先進(jìn)行試驗(yàn)，以確定這部分電路的正確性，并檢驗(yàn)電路的可靠性和測(cè)量是否滿足精度要求。

硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在所選機(jī)型的基礎(chǔ)上，首先確定系統(tǒng)擴(kuò)展所要用的存儲(chǔ)器、I/O電路以及相關(guān)外圍電路等，然后再設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路原理圖。為使硬件設(shè)計(jì)盡可能合理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

1）應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求和各種單片機(jī)的性能，選擇最容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的單片機(jī)機(jī)型，而且要求能夠達(dá)到較高的性價(jià)比。單片機(jī)的性能包括片內(nèi)的資源、擴(kuò)展能力、運(yùn)算速度、可靠性等幾個(gè)方面，應(yīng)盡可能地選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。2）在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地選用最新的、功能強(qiáng)和集成度高的電路或芯片。因?yàn)椴捎眉呻娐房梢詼p少元器件、接插件和相互連接線的數(shù)量，體積也會(huì)相應(yīng)減小，使系統(tǒng)可靠性增加，而且成本往往比用多個(gè)元件實(shí)現(xiàn)的電路要低。

3）在設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意選擇通用性強(qiáng)、市場(chǎng)貨源充足的器件。盡可能的對(duì)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，即將中央控制單元、輸入/輸出接口、人機(jī)接口等功能電路分成獨(dú)立模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后采用一定的連接方式將其組合成一個(gè)完整的系統(tǒng)。通常情況下，系統(tǒng)選用已有的模塊，有時(shí)成本會(huì)偏高，但可大大縮短研制周期，提高工作效率。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

4）系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)留有余地，以備將來(lái)修改、擴(kuò)展之需。在進(jìn)行ROM和RAM擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)盡量選用較大容量芯片，這樣不僅將來(lái)升級(jí)方便，成本也會(huì)降低；在進(jìn)行I/O接口擴(kuò)展時(shí)，也應(yīng)給出一定的裕量，這樣對(duì)臨時(shí)增加一些測(cè)量通道或被控對(duì)象就比較容易實(shí)現(xiàn)了。

5）在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動(dòng)能力。MCS-51單片機(jī)的外部擴(kuò)展功能很強(qiáng)，但4個(gè)8位并行口的負(fù)載能力是有限的。P0口能夠驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電路，P1～P3口只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL電路。在實(shí)際應(yīng)用中，所有端口的負(fù)載不應(yīng)超過(guò)總負(fù)載能力的70%，以保證留有一定的裕量。在外接負(fù)載較多的情況下，如果負(fù)載是MOS芯片，因負(fù)載消耗電流很小，影響不是很大。如果負(fù)載是TTL電路，那么應(yīng)采用總線驅(qū)動(dòng)電路，以提高端口的驅(qū)動(dòng)能力和系統(tǒng)的抗干擾能力。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

6）單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性是最重要、最基本的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，也是在硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的一個(gè)方面?？煽啃酝ǔＪ侵赶到y(tǒng)在一定的工作條件下以及時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能的能力。工作條件主要包括環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)和供電條件等；時(shí)間一般指平均故障時(shí)間、平均無(wú)故障時(shí)間和連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等。系統(tǒng)在實(shí)際工作中，可能會(huì)受到來(lái)自內(nèi)部和外部的各種干擾，特別是測(cè)控系統(tǒng)常常工作在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，容易受到電網(wǎng)電壓、電磁輻射、高頻干擾等因素的影響，使系統(tǒng)工作產(chǎn)生錯(cuò)誤或故障。為減少這種情況的發(fā)生，必須要采取各種措施提高硬件的可靠性。

7）工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員容易疏忽但又十分重要的問(wèn)題，主要包括機(jī)箱、面板、配線、接插件等部分的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到安裝、調(diào)試和維修的方便。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

在進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(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。當(dāng)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)定型后，軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)也就明確了。

系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的。一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)中的軟件功能可分為兩大類：一類是監(jiān)控軟件，是用來(lái)協(xié)調(diào)各模塊和操作者之間的關(guān)系，充當(dāng)組織調(diào)度角色，也稱為Debug程序，是最基本的調(diào)試工具。另一類是執(zhí)行軟件，它用來(lái)完成各種具體的功能，如測(cè)量、計(jì)算、顯示、打印和輸出控制等。監(jiān)控程序功能不足會(huì)給應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)帶來(lái)麻煩，反之，用大量精力設(shè)計(jì)監(jiān)控程序會(huì)延長(zhǎng)軟件開(kāi)發(fā)周期。所以把監(jiān)控程序控制在適當(dāng)?shù)囊?guī)模是明智的。由于應(yīng)用系統(tǒng)種類繁多，程序編寫者風(fēng)格不一，因此應(yīng)用軟件因系統(tǒng)而異、因人而異。盡管如此，作為優(yōu)秀的應(yīng)用軟件還是有其共同特點(diǎn)和規(guī)律的。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面加以考慮。9.1.3軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

1.初始化定義

初始化定義是指在軟件設(shè)計(jì)前，首先要明確軟件所要完成的任務(wù)，確定輸入/輸出的形式，對(duì)輸入/輸出的數(shù)據(jù)和中間變量以及可能發(fā)生的錯(cuò)誤如何處理。主要有以下幾點(diǎn)：

1）定義并說(shuō)明各輸入/輸出口的功能，是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)以及電平范圍、與系統(tǒng)的接口方式、占用端口地址、讀取和輸入方式等。

2）要合理分配系統(tǒng)資源，包括ROM、RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷源等。其中最關(guān)鍵的是片內(nèi)RAM的分配。例如對(duì)8031來(lái)講，片內(nèi)RAM是指00H～7FH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)。在工作寄存器的8個(gè)單元中，R0和R1具有指針功能；20H～2FH這16個(gè)字節(jié)具有位尋址功能，可用來(lái)存放各種標(biāo)志位、狀態(tài)變量、邏輯變量等；單片機(jī)原理及接口技術(shù)

設(shè)置堆棧區(qū)時(shí)應(yīng)事先估算子程序的數(shù)量和中斷嵌套的級(jí)數(shù)以及程序中堆棧操作指令的使用情況，并留有一定的裕量。若系統(tǒng)中擴(kuò)展了RAM存儲(chǔ)器，應(yīng)把使用頻率最高的數(shù)據(jù)安排在片內(nèi)RAM中，以提高處理速度。當(dāng)RAM資源規(guī)劃好后，應(yīng)列出一張RAM資源詳細(xì)分配表，以備編程人員查用。3）鍵盤等控制輸入量的定義與軟件編制密切相關(guān)，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程和運(yùn)算結(jié)果的顯示、正常運(yùn)行和出錯(cuò)顯示等也都應(yīng)該由軟件編制，所以必須事先定義，作為編程的依據(jù)。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

2.軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理的軟件結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)出一個(gè)性能優(yōu)良的應(yīng)用系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)可分解為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的操作，根據(jù)這些操作的相互聯(lián)系的時(shí)間關(guān)系，設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的軟件結(jié)構(gòu)。對(duì)于簡(jiǎn)單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，通常采用順序程序設(shè)計(jì)方法，這種方法的軟件是由主程序和若干個(gè)中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。主程序和中斷服務(wù)子程序之間的信息交換一般采用數(shù)據(jù)緩沖器和軟件標(biāo)志（置位或清“0”位尋址區(qū)的某一位）方法。根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)操作的性質(zhì)，指定哪些操作由中斷服務(wù)程序完成、哪些操作由主程序完成，并指定各個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)。

因?yàn)轫樞虺绦蛟O(shè)計(jì)方法容易被理解和掌握，也能滿足大多數(shù)簡(jiǎn)單的應(yīng)用系統(tǒng)，所以是一種很常用的方法。順序程序設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是軟件的結(jié)構(gòu)不夠清晰、軟件的修改擴(kuò)充比較困難、實(shí)時(shí)性較差。這是因?yàn)楣δ軓?fù)雜時(shí)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序要花費(fèi)較多的時(shí)間，單片機(jī)原理及接口技術(shù)

CPU執(zhí)行中斷程序時(shí)不響應(yīng)低級(jí)或同級(jí)的中斷，這可能導(dǎo)致某些實(shí)時(shí)中斷請(qǐng)求得不到及時(shí)的響應(yīng)，甚至?xí)G失中斷信息。這時(shí)只有在主程序里多設(shè)置一些緩沖器和標(biāo)志位，中斷服務(wù)程序只完成一些特定功能的操作，從而縮短中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間，這在一定程度上能夠提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。但是眾多的標(biāo)志會(huì)使軟件結(jié)構(gòu)變亂，很容易發(fā)生錯(cuò)誤，給調(diào)試帶來(lái)困難。針對(duì)以上情況，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，可采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。

3.模塊化程序設(shè)計(jì)

通常人們?cè)O(shè)計(jì)程序時(shí)習(xí)慣于自頂向下設(shè)計(jì)，即先從主程序開(kāi)始設(shè)計(jì)，子程序用符號(hào)來(lái)代替。主程序編好后再編制各個(gè)子程序，最后完成整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。程序調(diào)試也是按這個(gè)順序進(jìn)行。這種程序設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是：比較符合人們的日常思維，可以較早地發(fā)現(xiàn)程序錯(cuò)誤。其缺點(diǎn)是：上一級(jí)的程序錯(cuò)誤將對(duì)整個(gè)程序產(chǎn)生影響，前面程序的修單片機(jī)原理及接口技術(shù)

改可能會(huì)引起整個(gè)程序的修改。所以對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，一般不主張這樣設(shè)計(jì)，而提倡模塊化的程序設(shè)計(jì)方法。

模塊化的程序設(shè)計(jì)思想是根據(jù)軟件的功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。根據(jù)它們之間的聯(lián)系和時(shí)間上的關(guān)系，把一個(gè)功能完整的較長(zhǎng)的程序分解為若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的較小的程序模塊，各個(gè)程序模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編制和調(diào)試，最后把各個(gè)調(diào)試好的程序模塊組合成一個(gè)大的程序。

模塊化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)功能明確的程序模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試比較方便、容易完成，一個(gè)模塊可以為多個(gè)程序所共享，還可以利用已有的程序模塊（如各種已有的子程序）。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改。缺點(diǎn)是各個(gè)模塊的連接有時(shí)有一定的困難。程序模塊的劃分沒(méi)有一定的標(biāo)準(zhǔn)，但每個(gè)模塊不宜太大，各模塊之間界限明確，在邏輯上相對(duì)獨(dú)立，盡量利用已有的程序模塊。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

4.程序設(shè)計(jì)在選擇好軟件結(jié)構(gòu)和所采用的程序設(shè)計(jì)技術(shù)后，便可著手進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，把問(wèn)題的定義轉(zhuǎn)化為具體的程序。1）建立數(shù)學(xué)模型

即根據(jù)系統(tǒng)功能要求，描述出各個(gè)輸入和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，它是關(guān)系到系統(tǒng)性能好壞的重要因素。例如：在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，采用數(shù)字PID控制算法或其改進(jìn)形式，參數(shù)的整定是至關(guān)重要的。在測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng)中，從模擬量輸入通道得到的溫度、流量、速度、加速度等現(xiàn)場(chǎng)信息與該信息對(duì)應(yīng)的物理量之間常常存在非線性關(guān)系，采用什么樣的公式來(lái)描述和修正這種關(guān)系，達(dá)到線性化處理的目的，這對(duì)儀器的測(cè)量精度是起決定性的作用。另外，為了削弱或消除干擾信號(hào)的影響，選用何種數(shù)字濾波方法等。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

2）繪制程序流程圖

為提高軟件設(shè)計(jì)的總體效率，以簡(jiǎn)明、直觀的方法對(duì)任務(wù)進(jìn)行描述，在編寫應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。這不僅是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，而且是決定成敗的關(guān)鍵部分，故對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)尤為重要。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，先畫出簡(jiǎn)單的功能性流程圖（框圖），然后對(duì)功能流程圖進(jìn)行擴(kuò)充和具體化。對(duì)存儲(chǔ)器、寄存器、標(biāo)志位等工作單元作具體的分配和說(shuō)明，把功能流程圖中每一個(gè)具體的操作轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)具體的存儲(chǔ)單元、工作寄存器或I/O口的操作，從而繪出詳細(xì)的程序流程圖。3）編寫程序

在完成了程序流程圖設(shè)計(jì)以后，接著便可編寫程序。單片機(jī)應(yīng)用程序大多用匯編語(yǔ)言編寫，如果有條件可以用高級(jí)語(yǔ)言編寫，如MBASIC51、PL/M51、C51等。編寫程序時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)和格式書寫，必要時(shí)給出若干功能性注釋，提高程序的可讀性。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

在完成了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以后，便進(jìn)入了系統(tǒng)的調(diào)試階段。其主要任務(wù)是排除系統(tǒng)的硬件故障，并完善其硬件結(jié)構(gòu)，運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序，排除程序錯(cuò)誤，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達(dá)到期望的功能，進(jìn)而固化軟件，使其產(chǎn)品化?？刂葡到y(tǒng)的調(diào)試步驟和方法基本上是相同的，但具體細(xì)節(jié)與所采用的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)以及用戶所選用的單片機(jī)型號(hào)有關(guān)。1.硬件調(diào)試

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是密不可分的，許多硬件故障是在軟件調(diào)試時(shí)才發(fā)現(xiàn)的，但通常情況是先排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障后才與軟件結(jié)合起來(lái)調(diào)試。（1）常見(jiàn)的硬件故障9.1.4系統(tǒng)調(diào)試單片機(jī)原理及接口技術(shù)

1）邏輯錯(cuò)誤。邏輯錯(cuò)誤是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和加工過(guò)程中的工藝性錯(cuò)誤所造成的。這類錯(cuò)誤包括錯(cuò)線、相位錯(cuò)、開(kāi)路、短路等幾種，其中開(kāi)路常常是由于印制電路板的金屬孔質(zhì)量不好或接插件接觸不良引起的。短路是最常見(jiàn)也較難排除的故障。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通常要求體積小，從而使印制電路板的布線密度高，往往會(huì)造成引線之間的短路。2）電源故障。若系統(tǒng)中存在電源故障，則加電后將造成器件損壞，因此電源必須單獨(dú)調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)的各個(gè)部件中。電源的故障主要包括：電壓、電流值不符合設(shè)計(jì)要求，紋波系數(shù)過(guò)大，不同電源之間的短路，變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負(fù)載能力差等。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

3）元器件失效。主要原因有兩個(gè)方面：一是由于組裝錯(cuò)誤造成的元器件失效，如電容、二極管、三極管的極性錯(cuò)誤和集成塊安裝的方向錯(cuò)誤等；二是器件本身已損壞或性能差，諸如電阻電容的型號(hào)、參數(shù)不正確，集成電路已損壞，器件的速度、功耗等技術(shù)指標(biāo)不符合要求等。4）可靠性差。系統(tǒng)不可靠的因素很多，如金屬孔、接插件接觸不良會(huì)造成系統(tǒng)時(shí)好時(shí)壞；內(nèi)部和外部的干擾、器件負(fù)載過(guò)大等會(huì)造成邏輯電平不穩(wěn)定。此外，走線和布局的不合理等也會(huì)引起系統(tǒng)的可靠性變差。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

（2）硬件調(diào)試方法

硬件調(diào)試是指利用硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、基本測(cè)試儀器，通過(guò)執(zhí)行開(kāi)發(fā)系統(tǒng)有關(guān)命令或運(yùn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)試程序（也可以是與硬件有關(guān)的部分用戶程序段）來(lái)檢查系統(tǒng)硬件中存在的故障。硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試與動(dòng)態(tài)調(diào)試。1）靜態(tài)調(diào)試。首先，在上電之前，用萬(wàn)用表等工具，根據(jù)硬件電氣原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查系統(tǒng)線路是否正確，并核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格。應(yīng)特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯(cuò)誤，并重點(diǎn)檢查擴(kuò)展系統(tǒng)總線（數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）是否存在相互間的短路或與其它信號(hào)線之間的短路。

其次，上電后檢查各插件上引腳的電壓，仔細(xì)測(cè)量各點(diǎn)電壓是否正常，尤其應(yīng)注意單片機(jī)插座上的各點(diǎn)電壓。若有高壓，聯(lián)機(jī)時(shí)將會(huì)損壞仿真器。

最后，在斷電情況下，除單片機(jī)以外，插上所有的元器件，用仿真插頭將單片機(jī)插座和開(kāi)發(fā)工具的仿真接口相連。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

2）動(dòng)態(tài)調(diào)試。在靜態(tài)調(diào)試中，只能對(duì)硬件進(jìn)行初步測(cè)試，排除一些明顯的硬件故障。其余故障只能靠聯(lián)機(jī)調(diào)試來(lái)排除。靜態(tài)調(diào)試完成后分別閉合整個(gè)系統(tǒng)和仿真器電源，就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試了。動(dòng)態(tài)調(diào)試是在系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)部故障、器件之間連接邏輯錯(cuò)誤等的一種硬件檢查。由于單片機(jī)系統(tǒng)的硬件動(dòng)態(tài)調(diào)試是在開(kāi)放系統(tǒng)的支持下完成的，故又稱為聯(lián)機(jī)仿真或聯(lián)機(jī)調(diào)試。

動(dòng)態(tài)調(diào)試的一般方法是由近及遠(yuǎn)、由分到合，進(jìn)行分步、分層調(diào)試。

在有些情況下，由于功能要求較高或設(shè)備較復(fù)雜，使某些邏輯功能塊電路較為復(fù)雜龐大，給檢查排除故障帶來(lái)一定的難度。這時(shí)按照每塊電路信號(hào)的流向?yàn)榫€索，將信號(hào)流經(jīng)的各器件按照距離單片機(jī)的邏輯距離進(jìn)行由遠(yuǎn)及近的分層，然后分層進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時(shí)采用去掉無(wú)關(guān)器件的方法，逐層依次調(diào)試，從而將故障定位在具體器件或位置上。

單片機(jī)原理及接口技術(shù)

由分到合指的是首先按照邏輯功能將系統(tǒng)硬件電路分為若干塊，如程序存儲(chǔ)器電路、A/D轉(zhuǎn)換器電路、輸入/輸出控制電路，再分塊進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)調(diào)試某電路時(shí)，仍將與該電路無(wú)關(guān)的器件全部從系統(tǒng)中去掉，這樣可將故障范圍限定在某個(gè)局部的電路上。當(dāng)分塊電路調(diào)試無(wú)故障后，將各電路逐塊加入系統(tǒng)中，再對(duì)各塊電路及電路間可能存在的相互聯(lián)系進(jìn)行檢驗(yàn)。若此時(shí)出現(xiàn)故障，則最大的可能是電路協(xié)調(diào)關(guān)系上出了問(wèn)題，如相互間信息聯(lián)絡(luò)是否正確、時(shí)序是否達(dá)到要求等，直到所有電路加入系統(tǒng)后各部分的電路仍能正確工作為止。

動(dòng)態(tài)調(diào)試借助開(kāi)發(fā)系統(tǒng)資源（單片機(jī)、存儲(chǔ)器等）來(lái)調(diào)試用戶系統(tǒng)中單片機(jī)的外圍電路。利用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)友好的人機(jī)界面，可以有效地對(duì)系統(tǒng)的各部分電路進(jìn)行訪問(wèn)、控制，使系統(tǒng)在運(yùn)行中暴露問(wèn)題，從而發(fā)現(xiàn)并排除故障。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

2.軟件調(diào)試（1）常見(jiàn)的軟件錯(cuò)誤1）程序失控。這種錯(cuò)誤的現(xiàn)象是當(dāng)運(yùn)行程序時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有按規(guī)定的功能進(jìn)行操作或什么結(jié)果也沒(méi)有，這是由于程序出現(xiàn)死循環(huán)或轉(zhuǎn)移到?jīng)]有預(yù)料到的地方所造成的。產(chǎn)生這類錯(cuò)誤的原因有：程序中轉(zhuǎn)移地址計(jì)算錯(cuò)誤、堆棧溢出、工作寄存器沖突等。在采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)時(shí)，錯(cuò)誤可能在操作系統(tǒng)中，沒(méi)有完成正確的任務(wù)調(diào)度操作；也可能在高優(yōu)先級(jí)任務(wù)程序結(jié)束時(shí)沒(méi)有釋放處理器，使CPU在該任務(wù)中處于死循環(huán)狀態(tài)。2）中斷錯(cuò)誤。主要有兩種情況，一種是不響應(yīng)中斷，這種錯(cuò)誤的現(xiàn)象是連續(xù)運(yùn)行時(shí)不執(zhí)行中斷服務(wù)程序的規(guī)定操作。產(chǎn)生這類錯(cuò)誤的原因主要有：中斷控制寄存器（IE、IP）的初值設(shè)置不正確，使CPU沒(méi)有開(kāi)放中斷或不允許某個(gè)中斷源的請(qǐng)求；外部中斷源的硬件故障使外部設(shè)備無(wú)法申請(qǐng)中斷；對(duì)特殊功能寄存器和擴(kuò)展的I/O接口編程有錯(cuò)誤，造成單片機(jī)原理及接口技術(shù)

中斷不能被激活；中斷服務(wù)子程序沒(méi)有正確地返回到主程序，或者是CPU雖返回到主程序，但內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器沒(méi)有被清除，從而不響應(yīng)中斷。第二種是循環(huán)響應(yīng)中斷，這種錯(cuò)誤是CPU循環(huán)地響應(yīng)同一個(gè)中斷，使CPU不能正常地執(zhí)行主程序或其它中斷服務(wù)子程序，這種錯(cuò)誤大多發(fā)生在外部中斷中。若外部中斷（如INT0或INTl）以電平觸發(fā)方式請(qǐng)求中斷，當(dāng)中斷服務(wù)程序沒(méi)有有效清除外部中斷或硬件故障使中斷源一直有效時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致CPU一直響應(yīng)該中斷。3）輸入/輸出錯(cuò)誤。這類錯(cuò)誤包括輸入輸出結(jié)果不正確或根本不動(dòng)作，產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因主要有：輸入/輸出程序沒(méi)有和I/O硬件協(xié)調(diào)好（如地址錯(cuò)誤、寫入的控制字和規(guī)定的I/O操作不一致等），時(shí)間上不同步，硬件中還存在故障等。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

（2）軟件調(diào)試方法。

軟件調(diào)試是通過(guò)對(duì)用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來(lái)發(fā)現(xiàn)程序中存在的語(yǔ)法錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤并加以排除糾正的過(guò)程。軟件調(diào)試與所選用的軟件結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)技術(shù)有關(guān)。如果選用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，一般是逐個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試某一個(gè)具體任務(wù)時(shí)，同時(shí)也調(diào)試相關(guān)的子程序、中斷服務(wù)子程序和一些操作系統(tǒng)的程序。若采用模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，則逐個(gè)模塊（子程序、中斷服務(wù)子程序、I/O程序等）進(jìn)行調(diào)試，再聯(lián)成一個(gè)完整的程序，然后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。軟件調(diào)試的一般方法是先獨(dú)立后聯(lián)機(jī)、先分塊后組合、先單步后連續(xù)。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

1）計(jì)算程序的調(diào)試方法。計(jì)算程序的錯(cuò)誤是一種靜態(tài)和固定的錯(cuò)誤，因此主要采用單步或斷點(diǎn)運(yùn)行方式來(lái)調(diào)試。根據(jù)計(jì)算程序的功能，事先準(zhǔn)備好測(cè)試數(shù)據(jù)，然后從計(jì)算程序開(kāi)始運(yùn)行到結(jié)束，將運(yùn)行的結(jié)果和準(zhǔn)備好的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果對(duì)所有的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則該計(jì)算程序是正確的；如果發(fā)現(xiàn)結(jié)果不正確，就改用單步運(yùn)行方式，即可檢查出錯(cuò)誤所在的位置。2）I/O處理程序的調(diào)試。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換一類的I/O處理程序，要求實(shí)時(shí)性比較高，因此要采用全速斷點(diǎn)方式或連續(xù)運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)試。3）綜合調(diào)試。在完成了各個(gè)模塊程序（或各個(gè)任務(wù)程序）的調(diào)試工作以后，便可以進(jìn)行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試一般采用全速斷點(diǎn)運(yùn)行方式，這個(gè)階段的主要工作是排除系統(tǒng)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

中遺留的錯(cuò)誤，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和精度。在綜合調(diào)試的最后階段，應(yīng)使系統(tǒng)的晶振電路工作，系統(tǒng)全速運(yùn)行。若都能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，便可將軟件固化，然后再運(yùn)行固化程序后的系統(tǒng)，成功后意味著系統(tǒng)可脫機(jī)運(yùn)行。一般情況下，一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)就算研制成功了。如果脫機(jī)后出現(xiàn)了異常情況，大多是由于系統(tǒng)的復(fù)位電路中有故障，或上電復(fù)位電路中元器件參數(shù)有誤等引起的。3.運(yùn)行與維護(hù)

在進(jìn)行綜合調(diào)試后，還需進(jìn)行一段時(shí)間的試運(yùn)行。只有經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)才可能會(huì)暴露出它的問(wèn)題和不足之處。在系統(tǒng)試運(yùn)行階段，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，是否達(dá)到預(yù)期效果。

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的烤機(jī)和試運(yùn)行后，就可投入正式運(yùn)行。在正式運(yùn)行中還需建立一套健全的維護(hù)制度，以確保系統(tǒng)的正常工作。單片機(jī)原理及接口技術(shù)9.1.5印制電路板設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件單元電路設(shè)計(jì)完成后，需要通過(guò)電路設(shè)計(jì)軟件在計(jì)算機(jī)上完成印制電路板圖的制作?？梢圆捎玫碾娐钒鍒D設(shè)計(jì)軟件有很多種，如Altium、CAD等。但現(xiàn)在大部分電子設(shè)計(jì)者都采用Altium軟件輔助設(shè)計(jì)。首先，繪制電路原理圖，圖樣要整潔美觀大方；其次，根據(jù)原理圖繪制印制電路板圖。印制電路板一般分為2層板、4層板，8層板。層數(shù)越高，電路板的造價(jià)越高。1.電路板布局的基本原則1）遵循先難后易、先大后小的原則。2）布局可以參考硬件設(shè)計(jì)原理圖大致的布局，根據(jù)信號(hào)流向規(guī)律放置主要元器件。3）連線盡可能的短，關(guān)鍵信號(hào)線最短。4）模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)分開(kāi)。5）強(qiáng)信號(hào)、弱信號(hào)、高電壓信號(hào)和弱電壓信號(hào)要完全分開(kāi)。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

6）相同結(jié)構(gòu)的電路部分應(yīng)盡可能采取對(duì)稱布局。7）按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)優(yōu)化布局。8）雙列直插式元器件相互的距離要大于2mm。9）元器件的放置要便于調(diào)試和維修。大元器件邊上不能放置小元件；需要調(diào)試的元器件周圍應(yīng)有足夠的空間；發(fā)熱元器件應(yīng)有

足夠的空間以利于散熱；熱敏元器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件。10）旁路電容應(yīng)均勻地分布在集成電路周圍。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

11）集成電路的去耦電容應(yīng)盡量靠近芯片的電源腳，使之與電源和地之間形成的回路最短。12）用于阻抗匹配目的的阻容元器件的放置，應(yīng)根據(jù)其屬性合理布局。13）匹配電阻在布局時(shí)要靠近該信號(hào)的驅(qū)動(dòng)端，距離一般不超過(guò)500mil。14）匹配電容、電阻的布局要分清楚其用法，對(duì)于多負(fù)載的終端匹配一定要放在信號(hào)的最遠(yuǎn)端進(jìn)行匹配。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

2.板層的設(shè)置規(guī)則1）在印制電路板內(nèi)分配電源層與地層，且盡量相互鄰近，這樣可以很好地抑制印制電路板上固有的共模RF干擾，并且能減少高頻電源的分布阻抗。一般接地平面應(yīng)在電源平面之上，這樣可以利用兩金屬平板間的電容做電源的平滑電容，同時(shí)接地平面還可以對(duì)電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。2）在多層印制電路板中，電源平面和接地平面上的分布電阻為最小。這是由于電源平面與接地平面中充滿了電磁輻射頻段的浪涌，可能會(huì)引起邏輯混亂、瞬間短路、總線上信號(hào)過(guò)載等現(xiàn)象。而且由于不同邏輯部件的導(dǎo)通和截止電流比是不同的，分布電阻小就能使信號(hào)線平面與接地平面間的電磁干擾通量比信號(hào)線平面與電源平面的通量要小得多。信號(hào)平面鄰近電源平面時(shí)將會(huì)引起信號(hào)相移、產(chǎn)生大的電感和變化的噪聲。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

3）把模擬電路單元與數(shù)字電路單元分開(kāi)，模擬電源與數(shù)字電源要絕對(duì)分開(kāi)、不能混用。4）對(duì)于多層印制電路板中有多個(gè)接地平面時(shí)，其中高速信號(hào)的布線平面應(yīng)該靠近接地平面，這是由于當(dāng)高頻信號(hào)的布線平面接近接地平面就能迅速將高頻干擾信號(hào)泄放到結(jié)構(gòu)大地，而如果布線平面接近電源平面時(shí)就會(huì)干擾電源而影響其它電路工作。5）電子系統(tǒng)設(shè)備中的時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源，所以必須進(jìn)行分區(qū)，單獨(dú)安排。一般采用空間分離技術(shù)，使此類電路遠(yuǎn)離其它敏感電路以避免對(duì)其形成干擾。3.走線的基本規(guī)則1）信號(hào)走線盡量粗細(xì)一致，有利于阻抗的匹配，一般為0.2~0.3mm，對(duì)于電源線和地線應(yīng)盡可能加大，地線排在印制板的四周對(duì)電路防護(hù)有利。盡量減小信號(hào)電流環(huán)路的面積，尤其是減小高頻信號(hào)的電流環(huán)路面積。還要注意整體外觀形象。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

2）作為高速數(shù)字電路的輸入端和輸出端，應(yīng)避免相鄰平行布線。必要時(shí)，在這些導(dǎo)線之間要加接地線。3）仔細(xì)選擇接地點(diǎn)以使環(huán)路電流、接地電阻及電路的公共阻抗最小。4）時(shí)鐘芯片的上拉或下拉電阻應(yīng)盡量靠近時(shí)鐘芯片。對(duì)于時(shí)鐘頻率大于等于66MHz的時(shí)鐘線，每條線的過(guò)孔數(shù)不要超過(guò)2個(gè)，平均不得超過(guò)1.5個(gè)；時(shí)鐘頻率小于66MHz的時(shí)鐘線，每條線的過(guò)孔數(shù)不要超過(guò)3個(gè)，平均不得超過(guò)2.5個(gè)；長(zhǎng)度超過(guò)12inch的時(shí)鐘線，如果頻率大于20MHz，過(guò)孔數(shù)不得超過(guò)2個(gè)。時(shí)鐘線要遠(yuǎn)離I/O一側(cè)板邊500mil以上，并且不要和I/O線并行布線。整板設(shè)計(jì)完成后，要及時(shí)檢查信號(hào)走線和連接是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，器件標(biāo)注是否正確完整，同時(shí)還要注意整體外觀形象。單片機(jī)原理及接口技術(shù)9.2抗干擾技術(shù)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大多用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，環(huán)境較為惡劣，且有很多種干擾。干擾嚴(yán)重影響著控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)特殊的環(huán)境中，要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要有足夠高的抗干擾能力。干擾的產(chǎn)生是由多種因素決定的，所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，分析干擾的來(lái)源，常采用硬件和軟件相結(jié)合的有效措施來(lái)抑制或消除干擾。1.干擾的來(lái)源

干擾又稱為噪聲，是指有用信號(hào)以外的信號(hào)或在信號(hào)輸入、傳輸和輸出過(guò)程中出現(xiàn)的一些有害的電氣變化現(xiàn)象。這些噪聲或變化迫使信號(hào)的傳輸值、指示值或輸出值出現(xiàn)誤差，出現(xiàn)假像。干擾對(duì)電路的影響，輕則降低信號(hào)的質(zhì)量，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；重則破壞電路的正常功能，造成邏輯關(guān)系混亂、控制失靈。常見(jiàn)的干擾主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。9.2.1干擾源及其分類單片機(jī)原理及接口技術(shù)

（1）電源噪聲

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力設(shè)備多，功率大、類型復(fù)雜、操作頻繁。大功率設(shè)備的啟停，特別是大感性負(fù)載的啟停會(huì)造成電網(wǎng)電壓大幅度漲落。這些都會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。（2）接地不良引起的干擾

地線與所有的設(shè)備都有聯(lián)系，良好的接地可以消除部分干擾。如果接地不良，會(huì)產(chǎn)生接地電位差，從而進(jìn)入地線，就會(huì)傳遞到所有設(shè)備，從而導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作。（3）其它干擾

工業(yè)環(huán)境的溫度、濕度、震動(dòng)、灰塵、腐蝕性氣體等，還有電路感應(yīng)產(chǎn)生的干擾都會(huì)影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

2.干擾源的分類（1）從干擾的來(lái)源劃分1）內(nèi)部干擾

內(nèi)部干擾是應(yīng)用系統(tǒng)本身引起的干擾，包括固定干擾和過(guò)渡干擾兩種。固定干擾是指信號(hào)間的相互串?dāng)_、長(zhǎng)線傳輸阻抗不匹配時(shí)的反射噪聲、負(fù)載突變?cè)肼曇约梆侂娤到y(tǒng)的浪涌噪聲等。過(guò)渡干擾是指電路在工作時(shí)引起的干擾。2）外部干擾

外部干擾是由系統(tǒng)外部竄入到系統(tǒng)內(nèi)部的各種干擾。包括某些自然現(xiàn)象（如閃電、雷擊、地球或宇宙輻射等）引起的自然干擾和人為干擾（如電臺(tái)、車輛、家用電器、電器設(shè)備等發(fā)出的電磁干擾，以及電源的干擾）。一般來(lái)說(shuō)，自然干擾對(duì)系統(tǒng)影響不大，單片機(jī)原理及接口技術(shù)

而人為干擾則是外部干擾的關(guān)鍵。（2）從干擾與輸入信號(hào)的關(guān)系劃分1）串模干擾

串模干擾就是串聯(lián)在被測(cè)信號(hào)回路上的干擾，如圖9-2a）所示。圖中Us為信號(hào)電壓，Un為串模干擾電壓，Un既可以來(lái)自干擾源，也可以由信號(hào)源本身產(chǎn)生。產(chǎn)生串模干擾的原因主要有分布電容的靜電耦合、長(zhǎng)線傳輸?shù)幕ジ?、空間電磁場(chǎng)引起的磁場(chǎng)耦合和工頻電壓干擾等。2）共模干擾

共模干擾就是指模擬量輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端上共有的干擾電壓。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于控制器和被控被測(cè)的參量相距較遠(yuǎn)，這樣被測(cè)信號(hào)Ui的參考地（模擬地）和控制器輸入信號(hào)的參考地（模擬地）之間往往存在一定的電位差Uc，如圖9-2b）所示。圖中Uc就是共模干擾電壓。它可能是交流電壓，也可能是直流電壓，其數(shù)值可達(dá)幾伏甚至幾百伏，主要取決于控制器和其它設(shè)備的接地情況以及現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生干擾的因素。(a)串模干擾(b)共模干擾圖9-2干擾示意圖單片機(jī)原理及接口技術(shù)

抗干擾是指把對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的干擾（噪聲）消除或者減小到最小，以保證系統(tǒng)能夠正常工作。抗干擾主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。（1）消除干擾源

有些干擾，可以采取一些合理的方法予以消除。比如通過(guò)合理布線，可以消除或減少分布電容和線間感應(yīng)；在集成電路的電源和地線之間連接去耦電容，可以抑制傳輸線的反射，消除信號(hào)波形的毛刺和臺(tái)階；集成電路的閑置端不要懸空；改進(jìn)制造工藝和焊接技術(shù)，也可以消除部分干擾；采用屏蔽措施，把干擾源或控制系統(tǒng)屏蔽起來(lái)，也是一種消除干擾源的有效措施。9.2.2硬件抗干擾技術(shù)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

（2）遠(yuǎn)離干擾源

離干擾源越遠(yuǎn)，干擾就會(huì)衰減的越小。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)房、包括有終端設(shè)備的操作室都應(yīng)該盡可能地遠(yuǎn)離干擾源，比如遠(yuǎn)離具有強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)的地方。（3）防止干擾的竄入

干擾都是通過(guò)一定的途徑進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的。如果能在干擾進(jìn)入途徑上采取有效的措施，就可以避免干擾對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的入侵。1.電源系統(tǒng)的抗干擾措施

實(shí)踐表明，電源系統(tǒng)的干擾是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要干擾，必須給予足夠的重視。電源系統(tǒng)可分為交流電源和直流電源系統(tǒng)。9.2.2硬件抗干擾技術(shù)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

（1）交流電源系統(tǒng)的抗干擾措施1）選用供電比較穩(wěn)定的進(jìn)線電源；2）對(duì)電源變壓器設(shè)置合理的屏蔽；3）為了克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，在電源輸入端接一個(gè)交流穩(wěn)壓器；4）為了消除頻率高于50Hz的高次諧波干擾信號(hào)，在電源輸入端接一個(gè)低通濾波器；5）對(duì)于要求很高的控制系統(tǒng)可利用不間斷電源（UPS）供電，從而消除惡性干擾。9.2.2硬件抗干擾技術(shù)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

（2）直流電源系統(tǒng)的抗干擾措施1）采用直流開(kāi)關(guān)電源；2）如果系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)較大，或者對(duì)直流電源的精度要求較高，可采用DC-DC變換器；3）對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊采用分散獨(dú)立的電源供電。2.過(guò)程通道干擾的抑制

過(guò)程通道是I/O接口與主機(jī)之間進(jìn)行信息傳輸?shù)耐緩?，在過(guò)程通道中干擾信號(hào)通過(guò)輸入線竄入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。過(guò)程通道干擾主要從I/O接口和傳輸線兩個(gè)方面考慮。（1）I/O接口的抗干擾措施單片機(jī)原理及接口技術(shù)

1）在信號(hào)加到輸入通道之前，可以外加硬件濾波器濾除交流干擾。如果干擾信號(hào)頻率比信號(hào)頻率高，選用低通濾波器；如果干擾信號(hào)頻率比信號(hào)頻率低，選用高通濾波器；當(dāng)干擾信號(hào)頻率在信號(hào)頻率的兩側(cè)時(shí)，選用帶通濾波器。使用濾波器是抑制串模干擾的常用方法；2）由于差動(dòng)放大器只對(duì)差動(dòng)信號(hào)起放大作用，而對(duì)共模電壓不起放大作用，因此可以利用差動(dòng)方式傳輸和接收信號(hào)，從而抑制共模干擾；3）為了避免輸入端對(duì)輸出端的干擾或輸出端對(duì)輸入端的反饋干擾，可以采用光電耦合器進(jìn)行光電隔離，光電耦合器采用了電-光-電的信號(hào)傳遞方式，具有很高的絕緣性；4）利用變壓器將模擬電路和數(shù)字電路隔離開(kāi)來(lái)，使共模干擾電壓不能形成回路，從而抑制共模干擾。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

（2）I/O傳輸線的抗干擾措施1）由于雙絞線是一對(duì)導(dǎo)線按照設(shè)定行波的長(zhǎng)度對(duì)絞，每一個(gè)小環(huán)路上感應(yīng)的電勢(shì)會(huì)互相抵消，所以傳輸線采用雙絞線；2）在干擾嚴(yán)重、精度要求很高的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)采用屏蔽信號(hào)線。屏蔽信號(hào)線可以防止外部干擾竄入；3）光纖是利用光傳輸信號(hào)，可以不受任何形式的電磁干擾影響，傳輸損耗很小。因此在周圍環(huán)境電磁干擾大，傳輸距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，可以使用光纖傳輸；4）長(zhǎng)線傳輸除了會(huì)受到外部干擾，還可能產(chǎn)生波的反射。如果傳輸線的終端阻抗和傳輸線的波阻抗不匹配，入射波到達(dá)終端時(shí)會(huì)引起反射，反射波到達(dá)始端后，如果始端阻抗不匹配，又會(huì)引起新的反射。如此反復(fù)，會(huì)在信號(hào)中引起很多干擾。因此對(duì)長(zhǎng)線可采用阻抗匹配的辦法抑制干擾。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

3.接地技術(shù)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中存在的地線有數(shù)字地、模擬地、功率地、信號(hào)地和屏蔽地。數(shù)字地與模擬地應(yīng)分開(kāi)，最后單點(diǎn)相連。一般高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，在高頻電路中，地線上具有電感，從而增加了地線阻抗，而且地線變成了天線，向外輻射噪聲信號(hào)，因此要多點(diǎn)就近接地。低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地，在低頻電路中，接地電路若形成環(huán)路，對(duì)系統(tǒng)影響很大，因此應(yīng)一點(diǎn)接地。交流地、功率地與信號(hào)地不能共用。流過(guò)交流地和功率地的電流較大，會(huì)產(chǎn)生幾毫伏、甚至幾伏電壓，這會(huì)嚴(yán)重地干擾低電平信號(hào)的單片機(jī)原理及接口技術(shù)

電路，因此交流地、功率地與信號(hào)地要絕對(duì)分開(kāi)。信號(hào)地與屏蔽地的連接不能形成死循環(huán)回路，否則會(huì)感生出電壓，形成干擾信號(hào)。

用金屬外殼將部分元器件或整機(jī)包圍起來(lái)，再將金屬外殼接地，就能起到屏蔽的作用，可以抑制各種通過(guò)電磁感應(yīng)引起的干擾。屏蔽外殼的接地點(diǎn)要與系統(tǒng)的信號(hào)參考點(diǎn)相接，而且只能單點(diǎn)接地。若要有引出線，應(yīng)采用屏蔽線，其屏蔽層應(yīng)和外殼的接地點(diǎn)接同一系統(tǒng)參考點(diǎn)。參考點(diǎn)不同的系統(tǒng)應(yīng)分別屏蔽，不可共處一個(gè)屏蔽盒內(nèi)。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

為了有效地抑制干擾，僅僅采取硬件措施是不夠的，還必須采取軟件措施。適當(dāng)采用軟、硬件相結(jié)合的方法，可以獲得較理想的抗干擾效果。軟件抗干擾措施主要有：1.指令冗余

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)系統(tǒng)要求，規(guī)定了程序運(yùn)行的唯一途徑。但當(dāng)干擾嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使程序偏離正常的運(yùn)行途徑，出現(xiàn)改變操作數(shù)數(shù)值以及將操作數(shù)誤認(rèn)為操作碼等問(wèn)題，即通常所說(shuō)的程序“跑飛”或“死機(jī)”。發(fā)生程序“跑飛”是因?yàn)槌绦蛑杏卸嘧止?jié)指令。此時(shí)的首要工作，就是盡快將程序納入正常路徑。所謂“指令冗余”就是在一些關(guān)鍵的地方將有效單字節(jié)指令重復(fù)書寫或插入一些單字節(jié)的空操作指令（NOP）。當(dāng)程序“跑飛”到某條NOP指令之上時(shí)，不會(huì)9.2.3軟件抗干擾技術(shù)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

發(fā)生把操作數(shù)作為指令碼執(zhí)行的錯(cuò)誤。但在程序中加入太多的冗余指令會(huì)降低程序正常運(yùn)行的效率。因此，通常僅僅在一些對(duì)程序流向起決定作用的指令的前面插入兩條NOP指令，以保證“跑飛”的程序迅速恢復(fù)正常運(yùn)行。2.軟件陷阱

指令冗余使“跑飛”的程序恢復(fù)正常運(yùn)行有兩個(gè)條件，一是“跑飛”的程序必須落到程序區(qū)，二是必須執(zhí)行所設(shè)置的冗余指令。如果“跑飛”的程序落到非程序區(qū)（如EPROM中未使用的空間或某些數(shù)據(jù)表格等）時(shí)，或者當(dāng)“跑飛”的程序在沒(méi)有碰到冗余指令之前，已經(jīng)不能正常運(yùn)行，可采用設(shè)置軟件陷阱的方法，引導(dǎo)“跑飛”的程序進(jìn)入指定的指令操作。9.2.3軟件抗干擾技術(shù)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

所謂“軟件陷阱”，就是利用一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將掉到陷阱中的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有程序運(yùn)行出錯(cuò)處理程序，會(huì)將程序納入正軌。根據(jù)“跑飛”的程序落入陷阱區(qū)的位置不同，可將軟件陷阱設(shè)置在以下區(qū)域：1）未使用的中斷區(qū)。當(dāng)未使用的中斷因干擾而開(kāi)放時(shí)，在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，以及時(shí)捕捉錯(cuò)誤的中斷，從而返回到正常路徑。2）未使用的EPROM空間。EPROM的存儲(chǔ)空間很少全部用完，可在空白處插入軟件陷阱指令。軟件陷阱指令為L(zhǎng)JMP0000H，機(jī)器碼為020000H。當(dāng)程序“跑飛”時(shí)，PC指針指向02H操作碼，失控程序?qū)⑥D(zhuǎn)向復(fù)位入口地址0000H。3）運(yùn)行程序區(qū)。將陷阱指令組分散放置在用戶程序各模塊之間的空余單元里。在正常單片機(jī)原理及接口技術(shù)

程序中不執(zhí)行這些指令，不會(huì)影響程序執(zhí)行的效率。在當(dāng)前EPROM容量不成問(wèn)題的條件下，“軟件陷阱”應(yīng)多設(shè)置一些為好，“跑飛”的程序一旦落入此區(qū)，便迅速拉到正常路徑。4）中斷服務(wù)程序區(qū)。設(shè)用戶主程序運(yùn)行區(qū)間為CODE1～CODE，并設(shè)定時(shí)器T0產(chǎn)生10ms定時(shí)中斷?？稍谥袛喾?wù)程序中判斷中斷斷點(diǎn)地址CODEx，若CODEx＜CODE1或CODEx＞CODE2，說(shuō)明發(fā)生了程序“跑飛”，則應(yīng)使程序返回到復(fù)位地址0000H，將“跑飛”程序拉到正常路徑。5）外部RAM寫保護(hù)。單片機(jī)外部RAM中保存了大量數(shù)據(jù)，其寫入指令為MOVX@DPTR，A。當(dāng)CPU受到干擾而非法執(zhí)行該指令時(shí)，會(huì)改寫RAM中的數(shù)據(jù)。為減小RAM中數(shù)據(jù)丟失或被改寫的可能性，可在對(duì)RAM寫操作之前加入條件陷阱指令，不滿足條件時(shí)不允許寫，并進(jìn)入陷阱，形成死循環(huán)。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

3.程序運(yùn)行監(jiān)控

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，即使采用了上述的抗干擾措施，但當(dāng)程序“跑飛”到一個(gè)冗余指令和“軟件陷阱”都無(wú)能為力的死循環(huán)中時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)癱瘓。此時(shí)只能依靠本身不依賴于CPU而獨(dú)立工作的程序運(yùn)行監(jiān)視器Watchdog（看門狗）來(lái)解決程序“跑飛”問(wèn)題。Watchdog可以做成硬件電路，也可以由軟件設(shè)計(jì)，但軟件的可靠性不如硬件電路，也可由兩者結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Watchdog是利用CPU在一定的時(shí)間間隔（根據(jù)程序運(yùn)行要求而定）內(nèi)發(fā)出正常信號(hào)的條件工作的，當(dāng)CPU進(jìn)入死循環(huán)后，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并使系統(tǒng)復(fù)位。

單片機(jī)原理及接口技術(shù)

3.程序運(yùn)行監(jiān)控

軟件看門狗基本思路是：在主程序中對(duì)T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行監(jiān)視；在T1中斷服務(wù)程序中對(duì)主程序進(jìn)行監(jiān)視；T0中斷又監(jiān)視T1中斷。這種相互依存、相互制約的抗干擾措施將使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

Watchdog的硬件電路可以由單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成，也可以使用集成電路uP監(jiān)控電路。uP監(jiān)控電路有多種規(guī)格和種類，有的除了具有看門狗功能，還具有上電復(fù)位、監(jiān)控電壓變化、片使能WDO和備份電源切換開(kāi)關(guān)等功能。

單片機(jī)原理及接口技術(shù)9.3.1設(shè)計(jì)任務(wù)及硬件電路設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一個(gè)八路溫度巡檢儀控制系統(tǒng)，測(cè)量范圍為0~300oC，要求8路輸入溫度值，能在4位LED數(shù)碼管上輪流顯示，其中最高位顯示通道數(shù)。2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

要對(duì)8路溫度進(jìn)行采集并顯示，電路主要由A/D轉(zhuǎn)換模塊，多路數(shù)據(jù)選擇模塊，數(shù)據(jù)處理及顯示控制模塊組成。A/D轉(zhuǎn)換模塊由集成電路AD7705組成，數(shù)據(jù)選擇開(kāi)關(guān)由多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051組成，地址線決定對(duì)哪一路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。外圍擴(kuò)展的芯片采用串行接口芯片，使整個(gè)系統(tǒng)體積小、功耗低，具有良好的可維護(hù)性和較強(qiáng)的抗干擾性能。單片機(jī)選用AT89C51，晶振為12MHz，AD7705的時(shí)鐘線接單片機(jī)的ALE9.3八路溫度巡檢儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)原理及接口技術(shù)端，它將產(chǎn)生2MHz的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)的P0口接數(shù)碼管的段碼，P2口接位選。P3.0為A/D數(shù)據(jù)輸入端，采用串行通信方式0進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀入。（1）A/D采樣模塊

在這一部分電路中，AD7705是用于低頻測(cè)量系統(tǒng)的前端器件，它分辨率高，且有節(jié)電模式，能夠滿足高精度和低功耗的要求。此外，AD7705片內(nèi)還有數(shù)字濾波電路、校準(zhǔn)電路和補(bǔ)償電路，因而能更好地保證高精度溫度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)。

AD7705有兩個(gè)模擬差分輸入通道，電源電壓為+5V、參考電壓為+3.3V。AD7705可直接接收傳感器產(chǎn)生的信號(hào)以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并輸出串行數(shù)字信號(hào)。它采用Σ-Δ技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)16位A/D轉(zhuǎn)換。采樣速率由MCLKIN端的主時(shí)鐘和放大器的可變?cè)鲆鎭?lái)

單片機(jī)原理及接口技術(shù)決定。實(shí)際上，AD7705同時(shí)可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行片內(nèi)放大、調(diào)制轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波處理。其數(shù)字濾波器的阻帶可通過(guò)編程控制，以便調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率和輸出數(shù)據(jù)的更新速率。

關(guān)于AD7705基準(zhǔn)電壓的選擇，為了保證測(cè)量精度，沒(méi)有直接將電源電壓作為基準(zhǔn)電壓，而是選用專門的穩(wěn)壓集成芯片ASM1117，并且進(jìn)行了去耦處理。該模塊的電路如圖9-3所示。

單片機(jī)原理及接口技術(shù)圖9-3AD采樣電路圖單片機(jī)原理及接口技術(shù)

（2）多路數(shù)據(jù)選擇模塊：

CD4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼ABC來(lái)決定?！?EN”是禁止端，當(dāng)/EN=1時(shí)，各通道均不接通。此外，CD4051還設(shè)有另外一個(gè)電源端VEE，以作為電平位移時(shí)使用，從而使在單組電源供電情況下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號(hào)能直接控制多路開(kāi)關(guān)，并使多路開(kāi)關(guān)可傳輸峰-峰值達(dá)15V的交流信號(hào)。例如，若模擬開(kāi)關(guān)的供電電源VDD=＋5V，VSS=0V，當(dāng)VEE=－5V時(shí)，只要對(duì)此模擬開(kāi)關(guān)施加0～5V的數(shù)字控制信號(hào)，就可控制幅度范圍為－5V～＋5V的模擬信號(hào)。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

圖9-4差分信號(hào)多路選擇開(kāi)關(guān)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

由于A/D7705的模擬輸入是以差分信號(hào)的方式輸入，所以系統(tǒng)選用兩片CD4051作八通道的選擇控制，將兩片CD4051的地址線（A、B、C）分別連到一起，使輸入的差分信號(hào)同時(shí)選通。如圖9-4所示U3與U4的第3管腳分別接AD7705的模擬輸入端。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使得它們的導(dǎo)通特性相同，應(yīng)盡量選擇同一型號(hào)的CD4051。（3）數(shù)碼管顯示模塊：

該系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示。在硬件設(shè)計(jì)中將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理是輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選信號(hào)，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺(jué)暫留作用，使人的感覺(jué)好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的限流電阻。該方案與靜態(tài)顯示相比，硬件電路比較簡(jiǎn)單，成本較低。動(dòng)態(tài)顯示模塊電路如圖9-5所示。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

圖9-5動(dòng)態(tài)LED顯示電路單片機(jī)原理及接口技術(shù)

在該電路中選用限流電阻為330Ω，因?yàn)槊恳粋€(gè)段碼的發(fā)光二極管所能承受的最大電流為10mA~20mA。在電源電壓為+5V時(shí)，如果不加限流電阻，則流過(guò)發(fā)光二極管的電流將達(dá)到幾百毫安，這樣會(huì)燒壞發(fā)光二極管。

需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，該系統(tǒng)選用共陽(yáng)極數(shù)碼管，這樣在段碼控制端口（P0口）為低電平時(shí)數(shù)碼管導(dǎo)通點(diǎn)亮。在MCS-51單片機(jī)或者是其它的一些集成電路中，灌電流要大于其輸出電流，所以選用共陽(yáng)極數(shù)碼管，讓P0口以灌電流的方式提供驅(qū)動(dòng)電流，以提高驅(qū)動(dòng)能力。還需要特別說(shuō)明的一點(diǎn)是，所用端口不能直接去驅(qū)動(dòng)每個(gè)數(shù)碼管的位選端口，因?yàn)镸CS-51單片機(jī)的每個(gè)端口只能提供20mA的電流，如果去驅(qū)動(dòng)的話，可能會(huì)燒壞單片機(jī)的端口。

八路溫度巡檢儀控制系統(tǒng)的硬件連接如圖9-6所示。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

圖9-6

8路巡檢儀系統(tǒng)原理圖單片機(jī)原理及接口技術(shù)

首先上電復(fù)位AD7705，配置AT89C51單片機(jī)的串行接口，然后將AD7705的通道1初始化。查詢DRDY引腳，若為低電平，則讀數(shù)據(jù)寄存器，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為溫度值，再調(diào)用顯示子程序及延時(shí)子程序，之后返回繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，查詢DRDY并顯示，直到結(jié)束。（1）主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，對(duì)AD7705進(jìn)行初始化。然后調(diào)用顯示子函數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量子函數(shù)進(jìn)入循環(huán)，系統(tǒng)默認(rèn)依次循環(huán)顯示8個(gè)通道的電壓值，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間在0.5s，溫度測(cè)量的周期為4s。主程序流程如圖9-7所示。9.3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

（2）顯示子函數(shù)

顯示程序采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)4位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。測(cè)量所得的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)放在8個(gè)事先定義的ad_data[8]內(nèi)存單元中，測(cè)量所得的A/D數(shù)據(jù)在在顯示時(shí)需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變成十進(jìn)制BCD碼。列掃描采用掃描字代碼，每位LED顯示時(shí)間為1ms，每路溫度數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為0.5秒。（3）模/數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量子函數(shù)

模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換測(cè)量子函數(shù)用來(lái)控制對(duì)AD7705和CD4051的八路模擬輸入的微小信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將對(duì)應(yīng)的數(shù)值存入內(nèi)存單元。程序流程如圖9-8所示。單片機(jī)原理及接口技術(shù)

圖9-7主程序流程圖圖9-8A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量子程序流程圖單片機(jī)原理及接口技術(shù)

整個(gè)系統(tǒng)的參考程序如下：#include<reg51.h>#defineAddr_channelP1 /*八路通道地址端口*/typedefunsignedcharuchar; /*用關(guān)鍵字宏定義，其效率高*/typedefunsignedintuint;sbitDRDY=P3^2;sbitDP=P0^7;/***********內(nèi)存單元定義*************//*code以節(jié)省內(nèi)存單元*/ucharcodeseg7[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};/*0~9段碼譯碼數(shù)組*/ucharcodescan_con[4]={0xf7,0xfb,0xfd,0xfe}; /*4位列掃描控制字0xf7，0xfb，0xfd，0xfe*/uintdataad_data[8]={0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000,0x0000};/*8個(gè)通道AD數(shù)據(jù)內(nèi)存單元*/單片機(jī)原理及接口技術(shù)

uint_dataad_data_buff[3]={0x0000,0x0000,0x0000};uchardatadis[4]={0x00,0x00,0x00,0x00};/*3個(gè)顯示單元和1個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元*//************延時(shí)1ms函數(shù)*******************//*減運(yùn)算以節(jié)省代碼存儲(chǔ)空間*/voiddelay1ms(uintt){ uinti,j;

for(i=t;i>0;i--)

for(j=120;j>0;j--);}/*******對(duì)8位數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序處理函數(shù)*******/ucharreverse_order(ucharold_dat){

uchari，new_dat;

new_dat=old_dat&0x01; /*取要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最低位*/單片機(jī)原理及接口技術(shù)

for(i=0;i<7;i++)

{ new_dat<<=1; /*將最低位左移一次*/ old_dat>>=1; /*數(shù)據(jù)的第二位移到最低位*/ new_dat|=(old_dat&0x01);

}

returnnew_dat; }/***********向AD7705寫一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)******************/voidWrite_AD_reg(uchardat){

SBUF=dat;

while(!TI); /*等待發(fā)送完成*/

TI=0; }/********從AD7705讀出兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，AD轉(zhuǎn)換值*******//*返回值為unsignedint類型*/單片機(jī)原理及接口技術(shù)

uintRead_AD_reg(){ucharlow8,high8;uintAD_out;SCON=0x00;Write_AD_reg(0x1c); /*讀數(shù)據(jù)通道0x38*/while(DRDY); /*為低電平時(shí)讀取數(shù)據(jù)*/REN=1; /*接收使能*/while(!RI); /*等待接收完*/RI=0;high8=SBUF; while(!RI);RI=0;low8=SBUF;REN=0;high8=reverse_order(high8); /*對(duì)讀回的高8位倒序*/low8=reverse_order(low8);AD_out=high8;單片機(jī)原理及接口技術(shù)

AD_out<<=8;AD_out|=low8;returnAD_out; }/************對(duì)AD7705初始化*****************/voidAD_Init(void) /*用串行數(shù)據(jù)輸入時(shí)一定要將數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序處理*/{

Write_AD_reg(0x04);

/*寫0x20到通信寄存器，選擇通道ANI(+)和ANI(-)，下一個(gè)

寄存器指向時(shí)鐘寄存器。倒序：0x04*/

Write_AD_reg(0x30); /*寫0x0c到時(shí)鐘寄存器，接2MHz時(shí)鐘，時(shí)鐘二分頻，輸出更

新率為50Hz。倒序：0x30*/

Write_AD_reg(0x08); /*寫0x10到通信寄存器，到通信寄存器，下一個(gè)寄存器指向

設(shè)置寄存器。倒序：0x08*/

Write_AD_reg(0x62); /*寫0x46到設(shè)置寄存器，自動(dòng)校準(zhǔn)，單極性，gain=1；緩沖

模式FASYNC=0。倒序：0x62*/單片機(jī)原理及接口技術(shù)

Write_AD_reg(0x6e); /*寫0x76到設(shè)置寄存器，自動(dòng)校準(zhǔn)，單極性，

gain=64；緩沖模式，F(xiàn)ASYNC=0。倒序：0x6e*/

Write_AD_reg(0x76); /*寫0x6e到設(shè)置寄存器，自動(dòng)校準(zhǔn)，單極性，

gain=32；緩沖模式，F(xiàn)ASYNC=0。倒序：0x76*/}/************溫度采樣函數(shù)*****************/voidAD_samp(void){uchari,m,n;ucharj=0;intk;Addr_channel=j;for(i=0;i<8;i++)

{ad_data_buff[0]=Read_AD_reg();/*在此也可以做中值濾波處理*/單片機(jī)原理及接口技術(shù)

ad_data_buff[1]=Read_AD_reg();ad_data_buff[2]=Read_AD_reg();for(m=0;m<3;m++)

{

for(n=0;n<3-m;n++)

if(ad_data_buff[n]>value_buf[n+1])

{

k=ad_data_buff[n];

ad_data_buff[n]=ad_data_buff[n+1];

value_buf[n+1]=k;

}

} ad_data[i]=ad_data_buff[1];

/*使模擬開(kāi)關(guān)選通可靠，起延時(shí)的作用*/

j++; Addr_channel=j;

}

單片機(jī)原理及接口技術(shù)

Addr_channel=0x00;}/************顯示處理函數(shù)*****************/voiddisplay(void){ucharm,n;floath;uinta,k,d;dis[3]=0x01; /*通道初值為1*/for(m=0;m<8;m++)

{ h=ad_data[m]/65535.0; k=h*300; dis[2]=k/100; /*對(duì)溫度值取百位數(shù)*/ dis[1]=k/10%10; /*對(duì)溫度值取十位數(shù)*/ dis[0]=k%10; /*對(duì)溫度值取個(gè)位數(shù)*/ for(a=0;a<50;a++) {

單片機(jī)原理及接口技術(shù)

for(n=0;n<4;n++) {

P0=seg7[dis[n]]; /*P0為數(shù)碼管段選端口*/

P2=scan_con[n];

delay1ms(5); /*穩(wěn)定顯示*/

P2=0xff; /*確保下次寫數(shù)據(jù)正確*/ }

} /*通道加1*/ dis[3]++;

}}單片機(jī)原理及接口技術(shù)

voidmain(void){

Addr_channel=0x00; /*通道地址初始為0*/

AD_Init();

SCON=0x00;/*串口初始化*/

while(1)

{ AD_samp(); display();

} }單片機(jī)原理及接口技術(shù)

9.4步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)任務(wù)

利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)兩種工作方式。方式1：通過(guò)T2自動(dòng)送出控制脈沖，使步進(jìn)電機(jī)以某一速度恒定轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)利用數(shù)碼管顯示脈沖頻率；方式2：通過(guò)向外部中斷0（P3.2）送入脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一次。2.硬件電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件。步進(jìn)電機(jī)的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。正常運(yùn)動(dòng)情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù)；做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)9.4.1設(shè)計(jì)任務(wù)及硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)原理及接口技術(shù)

系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用單片機(jī)進(jìn)行控制。

所采用步進(jìn)電機(jī)為四相六線制，當(dāng)通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA時(shí)，步進(jìn)角為1.8度，通電時(shí)序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA時(shí)，步進(jìn)角為0.9度。

基本操作：方式1下K1、K2鍵控制T2的定時(shí)長(zhǎng)度，進(jìn)而控制送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，同時(shí)數(shù)碼管顯示頻率，K3鍵控制方式1、2間的轉(zhuǎn)換。注：方式2下數(shù)碼管不再顯示。

要實(shí)現(xiàn)將單片機(jī)送出的控制脈沖經(jīng)功率放大以后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，選用集成功放芯片L298作為驅(qū)動(dòng)電路。L298芯片是一種雙H橋式驅(qū)動(dòng)器，每一路輸出由標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號(hào)控制，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。H橋可承受46V電壓，相電流高達(dá)2.5A。

為了減小設(shè)計(jì)成本，選用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描方式顯示。系統(tǒng)硬件連接如圖9-9所示。 單片機(jī)原理及接口技術(shù)

圖9-9

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖單片機(jī)原理及接口技術(shù)

9.4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)硬件設(shè)計(jì)要求，編寫相應(yīng)參考程序如下：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchartypedefunsignedintuint;sfrT2MOD=0xc9;ucharcyc; /*定時(shí)器定時(shí)長(zhǎng)度，單位毫秒*/ucharstepcode; /*指向step_code中的某一數(shù)據(jù)*/ucharcodestep_code[]={0xf3,0xf6,0xfc,0xf9}; /*雙四拍*/ucharcodestep_code[]={0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9};/*單雙八拍*/ucharcodediscode[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff}; /*數(shù)碼管段碼，0~9，off*/uchardis_buf[]={10,10,10,10,10,10,3,3}; /*顯示緩沖*/單片機(jī)原理及接口技術(shù)

ucharindex;

/*用于掃描時(shí)選通某一數(shù)碼管*/uchardigit; /*標(biāo)記本次掃描要選通那個(gè)數(shù)碼管*/sbitK1=P1^0;sbitK2=P1^1;sbi