单片机应用系统设计与实例.ppt

本章内容 0 1单片机应用系统的设计 0 2单片机应用系统的开发与调试 附篇单片机应用系统设计与实例 0 3单片机应用系统实例 9 1单片机应用系统设计 单片机应用系统是指以单片机为核心 配以一定的外围电路和软件 能实现某种或几种功能的应用系统 单片机应用系统的设计应包括 硬件设计和软件设计 单片机应用系统由硬件和软件两部分组成 一 需求分析 方案论证和总体设计阶段 9 1 1设计步骤 需求分析 被测控参数的形式 电量 非电量 模拟量 数字量等 被测控参数的范围 性能指标 系统功能 工作环境 显示 报警 打印要求等 方案论证 根据用户要求 设计出符合现场条件的软硬件方案 既要满足用户要求 又要使系统简单 经济 可靠 总体设计 根据方案论证的结果 进行系统的总体设计 二 硬件设计 单片机基本系统设计 主要完成时钟电路 复位电路 供电电路的设计 单片机系统的扩展部分设计 主要包括 存储器扩展和接口扩展 存储器的扩展指程序存储器和数据存储器的扩展 接口的扩展指I O接口和其它功能器件的扩展 人机界面设计 主要完成按键 开关 显示器 报警等电路的设计 绘制系统的电路原理图 底板图 手工 PROTEL 组装样机 制电路板 购买元件 焊接 三 软件设计 应用软件数据采集数据处理控制算法实现人机联系数据管理 设计方法模块化设计自顶向下设计 设计单片机应用系统时 在完成硬件设计之后 必须配备相应的应用软件 设计注意绘制程序流程图合理分配系统资源 9 2单片机应用系统开发与调试 9 2 1单片机应用系统的开发与开发工具 一 单片机应用系统的开发 正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标 完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发 二 单片机应用系统的开发工具 目前 使用较多的仿真开发系统分为两类 通用型单片机开发系统 软件模拟开发系统 这种系统是由通用PC加模拟开发软件构成 常用的模拟开发软件有 1 Keil公司的 Vision2 Proteus 9 2 2单片机应用系统的开发过程 一 电路板 用户样机 制作 硬件电路 原理图 底板图 制板 电路板 焊接 二 目标文件生成 利用PC上的集成开发软件编写用户源程序 经汇编 或编译 生成目标文件 hex 三 仿真调试 仿真调试包括 对用户源程序的软件调试对用户样机的硬件调试 仿真调试可以分为两种方式 软件模拟 模拟开发软件硬件仿真 硬件仿真器 四 目标程序写入 单片机程序仿真通过后 可将最终生成的目标文件 hex 装入到单片机芯片或存储器芯片中 常用的方法 利用编程器 利用在系统编程 ISP 技术 用ISP应用软件将程序写入到CPU中 五 运行 写入了目标程序的单片机或存储器芯片插到单片机应用系统电路板上 这一应用系统就可以独立运行了 设计开发过程 9 2提高系统可靠性的一般方法 9 2 1电源干扰及其抑制 一 交流电源干扰及其抑制 交流电源综合配置 二 直流电源抗干扰措施 集成稳压路单独供电采用低纹波高质量集成稳压电路 每个稳压电路单独对电压过载进行保护 直流开关电源无工频变压器 体积小 重量轻 效率高 电网电压范围宽 变化时不易输出过电压和欠电压 同时还具有较好的初 次级隔离作用 DC DC变换器输入电压范围大 输出电压稳定且可调整 效率高 体积小 有多种封装形式 9 2 2地线干扰及其抑制 一 一点接地和多点接地的应用 低频电路 采用一点接地寄生电感影响小 一点接地可以减少地线造成的地环路 高频电路 采用多点接地寄生电感及分布电容将造成各接地线间的耦合 影响突出 频率小于1MHz时 采用一点接地 频率高于10MHz时 采用多点接地 频率处于1至10MHz时 若采用一点接地 其地线长度不应超过波长的二十分之一 否则 应采用多点接地 二 数字地与模拟地的连接原则 数字地是数字逻辑电路的接地端 以及A D D A转换器的数字地 模拟地是指放大器 采样保持器和A D D A中模拟信号的接地端 数字地和模拟地应分别接地 避免数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源对模拟信号产生影响 三 印刷电路板的地线分布原则 逻辑器件接地线呈辐射网状 避免环形地线尽量加宽 最好不小于3mm旁路电容地线不要太长功率地应较宽 必须与小信号地分开 四 信号电缆 屏蔽层最佳的接地点在信号源侧 一点接地 双绞线 有抑制电磁干扰的作用屏蔽线 有抑制静电感应干扰的作用 一 使用微处理器监控电路 基本功能 上电复位监控电压变化Watchdog功能片使能备份电池切换开关等 9 2 3其它提高系统可靠性的方法 典型产品MAX703 MAX709 813L MAX791等 二 软件抗干扰措施 输入 输出抗干扰开关量输入 多次读入 比较无误再确认 开关量输出 进行回读 比较无误再输出 按钮 开关 软件延时避免抖动误读条件控制 循环采样 处理 控制输出 可能酿成重大事故的输出 要设置人工干预 2 避免系统 死机 的方法 硬件Watchdog软件陷阱办法是在未用到的中断矢量区及其它未使用的EPROM区设置如下指令 NOPNOPLJMP0000H 9 3多路数字电压表的设计 9 3 1多路数字电压表的原理及功能 多路数字式电压表应用系统主要利用A D转换器 处理过程如下 先用A D转换器对各路电压值进行采样 得到相应的数字量 再按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟电压值 然后把模拟值通过显示器显示出来 功能要求如下 假设待测的输入电压为8路 电压值的范畴为0 5V 要求能在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示 测量的最小分辨率为0 019V 测量误差为 0 02V 9 3 2方案设计 器件选择单片机 AT89C52A D转换器 ADC0809 8路8位A D转换器 分辨率为0 0196V 5 255 LED数码管 4位 共阳极 采用动态显示方式 独立按键 通过按键选择8路循环 单路显示 单路显示可通过按键选择显示的通道数 设计方案 时钟电路 9 3 3系统硬件电路的设计 简易数字电压表硬件电路主要由A D转换电路 显示控制电路及按键电路等组成 原理图如下 在连接时 ADC0809的数据线D0 D7与AT89C52的P0口相连 ADC0809的地址引脚 地址锁存端ALE 启动信号START 数据输出允许控制端OE分别与AT89C52的P2口相连 转换结束信号EOC与AT89C52的P3 7相连 时钟信号输入端CLOCK由单片机的地址锁存信号ALE通过14024二分频后得到 AT89C52的P1 P3 0 P3 3端口作为4位LED数码管显示控制 P1口为LED数码管的字段码输出端 P3 0 P3 3为LED数码管的位选码输出端 K1和K2是两个按键开关 它与单片机的P3 5和P3 6相连 K1用于单路显示或多路循环显示转换控制 K2用于单路显示时选择显示的通道 9 3 4系统软件程序的设计 一 主程序 主程序包含初始化部分 调用A D转换子程序和调用显示程序 如下图 二 A D转换子程序 用于对8路输入模拟电压进行A D转换 并将转换的数值存入8个相应的存储单元中 如下图 三 显示子程序 LED数码管采样软件译码动态扫描方式 显示子程序包括 多路循环显示程序 把8个存储单元的数值依次取出送到四个数码管上显示 每一路显示1秒单路显示程序 只对当前选中的一路数据进行显示 每路数据显示时 需经过转换变成十进制BCD码 放于四个数码管的显示缓冲区中 单路或循环显示通过标志位00H控制 初始化时00H位设置为0 默认为循环显示当它为1时改变为单路显示控制 9 3 5汇编语言源程序清单 略 9 3 6C语言源程序清单 略 9 4智能二线制温度变送器设计实例 9 4 1智能温度变送器简介 9 4 2硬件设计 一 电源管理模块 二 信号处理模块 三 数据运算模块 四 V I变换模块 五 系统功耗 电源管理部分MAX1615 80 AMAX619 100 A 总体静态电流 3 73mA 4mA 信号处理部分X9c104 500 AX9c504 500 ATLC27L2 120 A 数据运算部分C8051F007 1mA V I转换部分TLE2021 230 AICL7660 200 A 其他部分 500 A AD Change AXM0CF 0 x00 ADCS2 1 ADCS1 0 ADCS0 0 AMPGN2 0 AMPGN1 1 AMPGN0 0 增益为4ADM0SL 0 x00 选择A D通道0ADCEN 1 for i 0 i 100 i 启动A D转换ADCBUSY 1 while ADCBUSY 1 等待转换结束ad result1 ADC0H 0 x03 256 ADC0L 读结果ADBUSY 0 清A D转换标志 一 A D转换 9 4 3软件设计 二 线性化处理 对非线性的补偿 采用查表法和计算法结合的插值法 先建立被测温度与A D转换数值之间的对应曲线 将温度被分成30个均匀的区间 每个区间的端点A D转换值Nk都对应一个Tk 当A D转换值为Ni时 实际测量温度值Ti一定会落在某个区间 Tk Tk 1 采用线性插值法进行插值 用通过 Nk Tk 和 Nk 1 Tk 1 两点的直线近似代替原特性 unsignedlongCount Tem unsignedintad counter unsignedlongjs1 js2 unsignedcharjs 0 while 1 js1 counter js js2 counter js 1 if ad counter js1 ad counter61