单片机原理与应用实习指导书.doc

单片机原理与应用实习指导书前 言一、目的和任务通过实习，主要达到以下目的：（1）使学生增进对单片机的理性认识，加深对单片机理论知识的理解。（2）使学生掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口、串行口通讯等。（3）使学生理解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好基础。（4）通过实习学会查阅参考书、集成电路手册、科技期刊和网络等，能用计算机对设计电路仿真调试，掌握基本设计的方法、步骤和书写设计报告的格式。二、要求、内容与进度安排1. 要求（1）整个实习过程要严肃认真，科学严谨，确保实习质量。（2）在整个实习过程中要服从领导、听从指挥、遵守纪律。（3）认真及时完成实习的各阶段任务。（4）实习报告要求方案合理、原理可行、参数准确、结论正确。2. 内容（1）学习设计数字钟电路、水位控制电路、数字电压表电路、交通灯控制器、温度监测电路。（2）掌握以单片机为核心的硬件电路设计和软件编程的方法、步骤，书写设计报告。3. 进度安排本次实习时间为三周，具体进度安排如下： （1）第一周确定选题、查阅科技期刊、参考书和集成电路手册，明确设计思想、确定设计方案，阐述选用的器件及相关软件。（2）第二周设计原理图、计算电路参数和电路仿真。（3）第三周设计电路、调试程序、书写实习报告。4.本次实习请准备部分参考书如单片机、Protel软件、KEIL软件、C语言：可参考学生教材和图书馆借阅。实习室提供单片微型机原理、应用与实验（张友德等复旦大学出版社）、微型计算机原理及应用（郑学坚清华大学出版社第三版）、单片机实验指导书（西安唐都科教仪器公司）、单片机原理（北京航空航天大学出版社）、单片机C语言设计（）、C语言与应用基础（成岩科学出版社）、数据结构（严蔚敏等清华大学出版社）、电子测量与仪器（李明生高等教育出版社）、电子测量与仪器（徐杰机械工业出版社）等等。三、考核与成绩评定1. 实习成绩考核采用百分制记录；2. 实习设计报告占40； 3. 演示自己设计的系统和进行答辩占45；4. 实习表现及考勤占15；5. 组织管理：每天上午、下午各点名一次。第1章 概述1.1 单片机及其发展概况随着电子技术的迅速发展，特别是随着大规模集成电路产生而出现的微型计算机，给人类生活带来了根本性的改变。单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器(Single Chip Microcontroller)。目前国外已开始把它称作单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。如果说微型计算机的出现使现代科学技术研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张地说，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，并已走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都可见到单片机的踪影。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。如单片机家族中的主流产品MCS51系列，还有最近推出的PIC和凌阳系列都是比较优秀的单片机芯片，是构建我们不同的设计系统的最佳选择。本章我们将对其简要介绍一下。1.2 单片机技术的发展方向从半导体集成技术及微电子设计技术的发展，也可以预见到未来单片机技术的发展趋势。1 主流机型发展趋势 在未来较长一段时期内，8位单片机仍是主流机型，许多厂家还会不断改进与完善8位机，使8位机不断保持其活力；在满足高速数字处理方面，32位机会发挥重要作用；16位机空间有可能被8位机、32位机挤占。2 全盘CMOS化趋势 CMOS工艺很早就已出现，它具有十分优异的性能，只是运行速度慢，长期被冷落。HCMOS工艺出现后，HCMOS器件得到了飞速的发展。从第三代单片机起开始淘汰非CMOS工艺。全盘CMOS化是指在HCMOS基础上的CMOS化。如今，数字逻辑电路、外围器件都已普遍CMOS化。单片机CMOS化给单片机技术发展带来广阔天地。最显著的变革是低功耗管理技术的飞速发展。3 RISC体系结构的大发展 早期单片机大多是CISC结构体系，指令复杂，指令代码、周期数不统一；指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。例如， MCS51系列单片机，时钟频率12MHz时，单周期指令运行速度仅1MIPS。虽然单片机对运行速度要求远不如通用计算机系统或数字信号处理（DSP）对指令运行速度的要求，但速度的提高会带来许多好处，并拓宽单片机应用领域。如果采用RISC体系结构，精简指令后绝大部分成为单周期指令，而且通过增加程序存储器的宽度（例如从8位增加到10位、12位、14位等），实现一个地址单元存放一条指令。在这样的体系结构中，很容易实现并行流水线操作，其结果大大提高了指令运行速度。目前在一些RISC结构的单片机已实现了一个时钟周期执行一条指令。与MCS51相比，在相同的12MHz外部时钟下，单周期指令运行速度可达12MIPS。一方面可获得很高的指令运行速度，另方面，在相同的运行速度下，可大大降低时钟频率，有利于获得良好的电磁兼容效果。4 大力发展专用型单片机专用单片机是专门针对某一类产品系统要求而设计的。使用专用单片机可最大限度地简化系统结构，使资源利用效率最高。在大批量使用时有可观的经济效益和可靠性效益。专用单片机发展的基础是半导体集成工艺和微电子设计技术。采用模块化标准单元的快速设计及快速半导体集成工艺，将加速其发展。5 OTPROM、Flash ROM成为主流供应状态 早期程序存储器的供应状态主要是 OTPROM（掩膜）、EPROM和ROM Less（片内无ROM）三种型式。掩膜ROM周期长、投资大，无法更改；EPROM型的芯片成本高；ROM Less型的系统电路结构复杂。目前绝大多数单片机系列都可提供OTPROM型式，其价格逐渐逼近掩膜ROM。OTPROM可由用户编程，软件升级、修改十分方便。Flash ROM则由于可多次编程，系统开发阶段使用十分方便，在小批量应用系统中广泛使用。目前Flash ROM的可靠性不及OTPROM，但随着Flash ROM的改进，可靠性不断提高，会有广泛的应用前景。6 ISP及基于ISP的开发环境 Flash ROM的发展，推动了在系统可编程ISP（In System Programmable）技术的发展。在ISP技术基础上，首先实现了目标程序的串行下载，促使模拟仿真开发方式的重新兴起；在单时钟、单指令运行的RISC结构单片机中，可实现PC机通过串行电缆对目标系统的仿真调试；基于上述仿真技术，现已实现远程调试，以及对原有系统方便地更新软件、修改软件和对软件进行远程诊断。7 单片机中的软件嵌入目前单片机只提供了程序空间，没有任何驻机软件。目标系统中的所有软件都是系统开发人员开发的应用程序。随着单片机程序空间的扩大，会有许多空余空间，在这些空间上可嵌入一些工具软件，这些软件可大大提高产品开发效率，提高单片机性能。单片机中嵌入软件的类型主要有：（1）实时多任务操作系统 RTOS（Real Time Operating System）。在RTOS支持下，可实现按任务分配的规范化应用程序设计。（2）平台软件。可将通用的子程序及函数库嵌入，以供应用程序调用。 (3）虚拟外设软件包。用于构成软件模拟外围电路的软件包，可用来设定虚拟外围功能电路。（4）其它用于系统诊断、管理的软件等。8 实现全面功耗管理采用CMOS工艺后，单片机具有极佳的本质低功耗和功耗管理功能。从第四代单片机开始，各家半导体厂家都在单片机中实现了全面的低功耗技术，包括：（1）传统的CMOS单片机低功耗运行方式，即休闲方式（Idle）、掉电方式 （2）双时钟技术。配置有高速（主时钟）和低速（子时钟）两个时钟系统。在不需要高速运行时，转入子时钟控制下，以节省功耗。（3）高速时钟下的分频或低时钟下的倍频控制运行技术。虽然只设置一个时钟，但可根据指令运行速度要求，通过分频、倍频来控制总线速度，以降低功耗。（4）外围电路的电源管理。对集成在片内的外围电路实行供电管理。在该外围电路不运行时，关闭其电源。 （5）低电压节能技术。 CMOS电路的功耗与电源电压有关，降低供电电压能大幅度减少器件功耗。单片机的低电压技术除了不断降低单片机电源电压外，有些单片机内部还有不同的电压供给，在可以使用低电压的局部电路中，采用低压供电。低功耗是便携式系统重要的追求目标，是绿色电子的发展势向。低功耗的许多技术措施会带来许多可靠性效益，也是低功耗技术发展的推动力。因此，低功耗应是一切电子系统追求的目标。9 推行串行扩展总线目前，外围器件接口技术发展的一个重要方面是串行接口的发展。采用串行接口可大大减少引脚数量，简化系统结构。采用串行接口虽然较之并行接口数据传输速度慢，但由于串行传输速度的不断提高，加之单片机面对对象的有限速度要求，使单片机应用系统中的串行扩展技术有了很大发展。随着外围电路串行接口的发展，单片机串行扩展接口（移位寄存器接口、SPI、 I2C BUS、 Micro wire、 lWire）设置的普遍化、高速化，以及在片内的Flash ROM不必外部并行扩展EPROM，使得单片机的并行接口技术已日渐衰退。目前许多原有带并行总线的单片机系列，推出了许多删去并行总线的非总线单片机。10 ASMIC技术的启动与发展 专用单片机的巨大优势会推动ASMIC技术的发展。ASMIC（Application Specific Microcontroller Integrated Circuit）是以MCU为核心的专用集成电路（ASIC），与ASIC相比，由于是基于MCU的系统集成，有较好的柔性特性，是单片机应用系统实现系统集成的重要途径。1.3 单片机的特点及应用1 单片机的特点单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。单片机应用在检测、控制领域中，具有如下特点。（1）小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成各种智能式测、控设备及各种智能仪器仪表。（2）可靠性好，适应温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。（3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。（4）可以很方便地实现多机和分布式控制。2 单片机的应用范围(1) 工业方面：各种测控系统，数据采集系统，工业机器人，智能化仪器，机电一体化产品。(2) 智能仪器仪表方面：单片机应用在智能仪器、仪表方面，不仅使传统的仪器仪表发生根本的变革，也给传统的仪器、仪表行业改造带来了曙光。(3) 通讯方面：调制解调器、程控交换技术。(4) 民用方面：电子玩具、录像机、激光唱机。(5) 各种计算机外部设备及电器方面：打印机、硬盘驱动器、彩色与黑白复印机，磁带机等。(6)多机分布式系统：可用单片机构成分布式测控系统，它使单片机应用进入了一个新的水平。由上所述，单片机从家用电器、智能仪器仪表、工业控制直到火箭导航尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。第2章 常用系列芯片2.1 MCS 51系列单片机在单片机家族的众多成员中，MCS 51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术和高可靠性和高性价比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前，可用于其开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件业日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。2.1.1 ATMEL公司的AT89C51单片机AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51（以下简称 89C51）将具有多种功能的8位 CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比较高。 89C51的主要性能包括： （1）与MCS51微控制器产品系列兼容。 （2）片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器（Flash Memory）。 （3）存储器可循环写入擦除1000次。 （4）存储数据保存时间为10年。 （5）宽工作电压范围：Vcc可为2.7V6V。 （6）全静态工作：可从0Hz至16MHz。 （7）程序存储器具有3级加密保护。 （8）1288位内部RAM。 （9）32条可编程IO线。 （10）两个16位定时器计数器。 （11）中断结构具有5个中断源和2个优先级。 （12）可编程全双工串行通道。（13）空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。由于EEPROM具有在线改写，并在掉电后仍能保存数据的特点，可为用户的特殊应用提供便利。但是，擦除和写入对于要求数据高速吞吐的应用还显得时间过长，这是EEPROM芯片的主要缺陷。表2-1列出了几种典型EEPROM芯片的主要性能数据。 表2-1几种典型EEPROM芯片主要性能型号28162816A28172817A2864A取数时间/ms250200/250250200/250250擦/写电压/V2152155字节擦除时间/ms10915101010写入时间/ms10915101010 由上表可见，所列各种芯片的字节擦除时间和写入时间基本上均为10ms，这样长的时间对于许多实际应用是不能接受的。因此，为了将存储器集成到微控制器芯片内，设法缩短此类存储器的擦除和写入时间是一个首要的问题。片内快闪存储器（ Flash Memory）的概念就是在这种背景下提出来的。Flash存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器(简记为FPEROM)，这使开发调试更为方便。在MCS51系列产品中，凡标有89CXX的芯片均为带有此类存储器的产品系列。3 AT89C51硬件结构及引脚AT89C51的内部硬件结构如图2-1所示。除程序存储器由FPEROM取代了80C5l的EPROM外，其余部分完全相同。AT89C51的引脚与80C51的引脚也是完全兼容的，其引脚配置如图2-2所示。各引脚对应的功能简要介绍如下：Vss 接地。Vcc 电源端，接。P0.00.7 P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入，P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。P0口每位可驱动个型负载。P1.01.7 P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。P口每位可以能驱动个型负载。P2.02.7 P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址，此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式访问外部数据存储器时，P口每位可以能驱动个型负载。P3.03.7 P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P3口，会因为内部上拉而输出电流。P口每位可以能驱动个型负载。P3 口还具有以下特殊功能：图2-1 AT89C51内部结构图RxD(p3.0) 串行输入口TxD(P3.1) 串行输出口INT0(P3.2) 外部中断0INT1(P3.3) 外部中断T0(P3.4) 定时器0 外部输入T1(P3.5) 定时器1 外部输入WR(P3.6) 外部数据存储器写信号RD(P3.7) 外部数据存储器读信号RST 复位。当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平，即可复位内部。有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。图2-2 AT89C51封装引脚配置图ALE 地址锁存使能。在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE 输出信号恒定为1/6 振荡频率并可用作外部时钟或定时。PSEN 程序存储使能。当执行外部程序存储器代码时，PSEN每个机器周期被激活两次。在访问外部数据存储器时，PSEN无效。访问内部程序存储器时，PSEN无效。EA/Vpp 外部寻址使能/编程电压。在访问整个外部程序存储器时EA必须外部置低，如果EA为高时将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址。该引脚在对FLASH编程时，接5V/12V编程电压(Vpp)，如果保密位1已编程，EA在复位时由内部锁存。XTAL1 反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。XTAL2 反相振荡放大器输出。2.1.2 ATMEL公司的AVR单片机ATMEL公司新推出的90系列单片机内含高速闪存FLASH，是基于增强精简指令RISC（Reduced Instruction Set CPU)结构的单片机，简称AVR单片机，该系列单片机在吸收PIC及8051单片机的优点的基础上，做出了重大的改进。AVR单片机的特点:1) 自带廉价的程序存储器（FLASH）和非易失的数据存储器（EEPROM）。这些存储器可多次电擦写，使程序开发实验更加方便，工作更可靠。 2) 高速度，低功耗。在和M51单片机外接相同晶振条件下，AVR单片机的工作速度是M51单片机的30-40倍；并且增加了休眠功能及CMOS技术，使其功耗远低于M51单片机。 3) 工业级产品。具有大电流输出可直接驱动SSR和继电器，有看门狗定时器，防止程序走飞，从而提高了产品的抗干扰能力。 4) 超功能精简指令，具有32个通用工作寄存器，相当于M51单片机中32个累加器！从而克服了单一累加器工作的瓶颈效应。 5) 程序下载方便。AVR单片机即可并行下载也可串行下载，无需昂贵的编程器。此外，还可以在线下载！也就是说可以直接在电路板上进行程序修改和烧录。 6) 具有模拟比较器、脉宽调制器、模数转换功能。使得工业控制中的模拟信号处理更为简单方便。 7) 并行口、定时计数器、中断系统等单片机内部重要资源的功能进行了大幅度提升，使之更适合工业生产过程的实时控制。 8) 其时钟频率既可外接也可使用单片机内部自带的振荡器，其频率可在1MHz-8MHz内设置，使得硬件开发制作更为简洁。 9) 强大的通讯功能，内置了同步串行接口SPI、通用串行接口UAST、两线串行总线接口TWI(I2C )，使网络控制、数据传送更为方便。 10)超级保密功能，应用程序可采用多重保护锁功能。可低价快速完成厂家产品商品化等等。 除上述特点外“零外设”也是AVR嵌入式单片机的重要特征。由于该芯片已内置了程序存储器、晶振并增加了在线汇编功能。所以AVR单片机芯片接上直流电源，下载个程序就可以独立工作。无需附加外部设备，无需使用昂贵的编程器和仿真装置。这给我们学习和开发带来了便利条件。总之，AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC 8位CPU与可下载的FLASH相结合使其成为适合许多要求、具有高灵活性和低成本的嵌入式高效微控制器。第3章 系统设计示例3.1 单片机应用系统的开发设计方法 单片机应用系统的研制过程如下所示。从用户提出的课题任务开始，以芯片为基础进行设计，到最后完成一个实用系统，大致可分为以下几个阶段。 课题名称课题要求硬件设计材料清单硬件装配软件设计系统调试完成1 确定课题要求 单片机应用系统的研制是以确定系统的功能和技术指标开始的。首先要细致分析、研究实际问题，明确各项任务和要求。从考虑系统的先进性、可靠性、可维护性以及成本、经济效益出发，拟订出合理可行的技术性能指标。2 硬件设计 在对应用系统进行总体设计时，应根据应用系统提出的各项技术性能指标，拟订出性能价格比最优的一套方案。首先，应根据任务繁杂程度和技术指标要求选择机型。选择机型后，再选择系统中要用到的其他元器件，其中重要的是传感器的选择。传感器仍是目前检测系统中的一个难题，一个设计合理的检测系统往往可能因传感器件精度或使用条件等因素的限制而达不到应有的效果。 在总体方案设计过程中，必须对软件和硬件综合考虑。原则上，能够由软件来完成的任务，就尽可能用软件来实现，以降低硬件成本，简化硬件结构；同时，还要求大致规定各接口电路的地址、软件的结构和功能、上下位机的通信协议、程序的驻留区域及工作缓冲区等。总体设计方案一旦确定，系统的大体规模及软件的基本框架就确定了。 硬件设计是指应用系统的电路设计，包括主机、控制电路、存储器、IO接口、A/D和DA转换电路等。硬件设计时，应考虑留有充分余量，电路设计力求正确无误，因为在系统调试中不易修改硬件结构。下面我们指出在设计MCS51单片机应用系统硬件电路时应注意的几个问题。(1)程序存储器 一般可选用容量较大的EPROM芯片，如2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）、或快闪存储器等。尽量避免用小容量的芯片组合扩充成大容量的存储器。程序存储器容量大些，则编制程序时宽裕，而价格相差不会太多。(2)数据存储器和IO接口 根据系统功能的要求，如果需要扩展外部 RAM或I/O口，那么RAM芯片可选用6116（2 KB）、 6264（8 KB）或62256（32 KB），原则上也应尽量减少芯片数量，使译码电路简单。IO接口芯片一般选用8155（带有256 KB静态RAM）或8255。这类芯片具有接口线多、硬件逻辑简单等特点。若接口线要求很少，且仅需要简单的输入或输出功能，则可用不可编程的TTL电路或CMOS电路。AD和DA电路芯片主要根据精度、速度和价格等来选用，同时还要考虑与系统的连接是否方便。(3)地址译码电路 通常采用全译码、部分译码或线译码，应考虑充分利用存储空间和简化硬件逻辑等方面的问题。MCS51系统有充分的存储空间，包括64KB程序存储器和 64KB数据存储器，所以在一般的控制应用系统中，主要是考虑简化硬件逻辑。当存储器和IO芯片较多时，可选用专用译码器 74LS138或 74LS139等。(4)总线驱动能力 MCS51系列单片机的外部扩展功能很强，但4个8位并行口的负载能力是有限的。 PO口能驱动8个LSTTL电路，PlP3口只能驱动4个LSTTL电路。在实际应用中，这些端口的负载不应超过总负载能力的70，以保证留有一定的余量。如果满载，会降低系统抗干扰能力。在外接负载较多的情况下，如果负载是MOS芯片，因负载消耗电流很小，影响不大。如果驱动较多的 TTL电路，则应采用总线驱动电路，以提高端口的驱动能力和系统的抗干扰能力。数据总线可以采用双向8路三态缓冲器74LS245作为总线驱动器；地址和控制总线可采用单向8路三态缓冲器74LS244作为单向总线驱动器。(5)系统速度匹配 MCS51系列单片机时钟频率可在212MHz之间任选，在不影响系统技术性能的前提下，时钟频率选择低一些为好，这样可降低系统中对元器件工作速度的要求，从而提高系统的可靠性。(6)抗干扰措施 单片机应用系统的工作环境往往都是具有多种干扰源的现场，为提高系统的可靠性。抗干扰措施在硬件电路设计中显得尤为重要。根据干扰源引人的途径，抗干扰措施可以从以下两个方面考虑。以电源供电系统考虑。为了克服电网以及来自本系统其他部件的干扰，可采用隔离变压器、交流稳压、线滤波器、稳压电路各级滤波等防干扰措施。以电路上考虑。为了进一步提高系统的可靠性，在硬件电路设计时，应采取一系列防干扰措施。 大规模IC芯片电源供电端Vcc都应加高频滤波电容，根据负载电流的情况，在各级供电节点还应加足够容量的退耦电容；开关量IO通道与外界的隔离可采用光电耦合器件，特别是与继电器、可控硅等连接的通道，一定要采取隔离措施；可采用CMOS器件提高工作电压，这样干扰门限也相应提高；传感器后级的变送器尽量采用电流型传输方式，因为电流型比电压型抗干扰能力强；电路应有合理的布线及接地方法；与环境干扰的隔离可采用屏蔽措施。3 材料清单根据系统要求填写材料清单。4 硬件装配在万能实验板上，根据硬件原理图进行装配。5 软件设计单片机应用系统的软件设计是研制过程中任务最繁重的一项工作，其难度也比较大。对于某些较复杂的应用环境，不仅要使用汇编语言来编程，有时还要使用高级语言。单片机应用系统的软件主要包括两个大部分，即用于管理单片微机系统工作的系统管理程序和用于执行实际具体任务的功能程序。对于前者，尽可能利用现成微机系统的监控程序（为适应各种应用的需要，现代的单片机开发系统的监控软件功能相当强，并附有丰富的实用子程序，可供用户直接调用），例如键盘管理程序、显示程序等，因此在设计系统硬件逻辑和确定应用系统的操作方法时，就应充分考虑这一点。这样可大大减轻软件设计的工作量，提高编程效率。后者要根据应用系统的功能要求来编写程序，例如，外部数据采集、控制算法的实现、外设驱动、故障处理及报警程序等等。单片机应用系统的软件设计千差万别，不存在统一模式。开发一个软件的明智方法是尽可能采用模块化结构。根据系统软件的总体构思，按照先粗后细的办法，把整个系统软件划分成多个功能独立、大小适当的模块。划分模块时要明确规定各模块的功能，尽量使每个模块功能单一，各模块的接口信息简单、完备，接口关系统一，尽可能使各模块之间的联系减少到最低限度。根据各模块的功能和接口关系，可以分别独立设计，某一模块的编程者可不必知道其他模块的内部结构和实现方法。在各个程序模块分别进行设计、编制和调试后，最后再将各个程序模块连接成一个完整的程序进行总调试。6系统调试系统调试包括硬件调试和软件调试两项内容。硬件调试的任务是排除应用系统的硬件电路故障，包括设计性错误和工艺性故障。通常借助电气仪表进行故障检查。软件调试是利用一些开发工具进行在线仿真调试，在软件调试过程中也可以发现硬件故障。几乎所有的在线仿真器和简易的开发工具都为用户调试程序提供了以下几个基本方法。（1）单步 一次只执行一条指令，在每步执行后，返回监控调试程序。（2）运行 可以从程序任何一条地址处启动，然后全速运行。（3）断点运行 用户可以在程序任何位置设置断点，当程序执行到断点时，控制返回到监控调试程序。（4）检查和修改存储器单元的内容。（5）检查和修改寄存器的内容。（6）符号化调试。能按汇编语言程序中的符号进行调试。程序调试可以采用一个模块接一个模块地进行，一个子程序接一个子程序地调试，最后连起来总调。利用开发工具提供的单步运行和设置断点运行方式，通过检查应用系统的CPU现场、RAM的内容和IO的状态，检查程序执行的结果是否正确，观察应用系统 IO设备的状态变化是否正常，从中可以发现程序中的死循环错误、机器码错误及转移地址的错误，也可以发现待测系统中软件算法错误及硬件设计错误。在调试过程中，不断地调整修改应用系统的硬件和软件，直到正确为止。7 产品的试用阶段和研制完成最后，需要把设计的东西拿到现场试运行一段时间，如果运行正常，将软件固化到EPROM中，系统研制完成。就可以形成产品，投向市场了。3.2示例 基于单片机的数字式温度计1 课题名称基于单片机的数字式温度计2 课题的设计要求本课题适于已经系统的学习完单片机基础原理的同志。通过本设计要求设计人员掌握单片机开发的基础知识。能够独立完成一个简单项目的设计。在日常生活中，自动化控制系统经常需要采集一些如压力、温度、流量和速度等物理量，同时通过对这些参数的分析而进行相应的控制。本节就简要的介绍一个基于单片机控制的数字温度计的设计。本设计的基本要求如下：（1）温度计的测温范围10150。（2）精度误差1（3）LED数码直读显示。利用P1 口做为数码管显示的段码（既字型码输出口），利用P3口数码管显示的位码（既字型位选输出口）。3 系统的硬件设计（1）温度传感器的选择及设计热敏电阻是近年来发展起来的一种新型半导体感温元件。由于它具有灵敏度高、体积小、重量轻、热惯性小、使用寿命长以及价格便宜等优点，因此应用非常广泛。故本设计首选热敏电阻做为温度采集器件。下面简要介绍一下其工作原理。图3-2 热敏电阻特性曲线热敏电阻和普通电阻不同，其具有负的电阻温度特性，当温度升高时，其电阻值减小。其特性曲线如图3-2所示。热敏电阻的阻值和温度特性曲线是一条指数曲线，非线性度较大，因此在使用时要进行线性化处理。线性化处理虽然能改善热敏电阻的特性曲线，但比较复杂。为此常在要求不高的一般应用中，做出在一定温度范围内温度与阻值成线性关系的假定，以简化计算。热敏电阻的应用是为了感知温度，为此给热敏电阻通一恒定的电流，通过测量该电阻两端的电压，就可以通过下面的公式求得温度：T=T0KVT其中 T 被测温度 T0 与热敏电阻特性有关的温度参数K 与热敏电阻特性有关的系数VT 热敏电阻两端的电压根据这一公式，如果测得热敏电阻两端的电压，再知道参数T0和系数K，则可计算出热敏电阻的环境温度，也就是被测的温度。这样就把电阻随温度的变化关系转化为电压随温度变化的关系了。数字式电阻温度计设计工作的主要内容就是把热敏电阻两端的电压值经A/D（模拟量转化为数字量）转换为数字量，然后通过软件方法计算得到温度值，再进行显示等处理。（2）A/D器件的选择及设计根据设计需要选用ADC0809做为本系统的A/D器件。ADC0809是CMOS工艺、采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28引脚DIP（双列直插式封装）封装，可以进行8路模拟量到数字量的变换。热敏电阻RT串上一个普通电阻R再接到电源+5V，取RT两端的电压（既是VT）经INT0送ADC0809转换。转换启动信号（START）和地址锁存信号（ALE）连接在一起，由WR信号控制地址写入，进行通道的选择。转换后的数据以定时传送方式送到AT89S51，所以这里要运行一个100s的延时子程序，以等待A/D转换完成后进行数据的读操作，为此口地址和RD信号相与后送OE。当RD有效时，转换数据送上数据总线，由AT89S51接收。具体A/D转换电路如图3-3所示图3-3 A/D转换电气原理图（3）显示电路的设计由于本设计的温度测温范围为10150，精度误差不大于1。所以温度显示采用三位数码管来实现，同时采用并口方式控制显示。具体电路如图3-4所示。图3-4 并口显示电气原理图（4）系统总器件清单（加上单片机最小系统的基本电路，如表3-2所示）表3-2 器件清单元器件编号规格数量元器件编号规格数量R11/4W、2001个VT1VT3S85503个R2 1/4W、1K1个LED1LED3共阳数码管3个R3R101/4W、2402个IC1 AT89S51一块R11R131/4W、4.7K1个IC2 74LS245一块R1/4W、3.3K1个IC374LS373一块RT小型热敏电阻1个IC474LS02一块C1、C230PF（瓷片）2个IC5ADC0809一块C3 22F（电解）1个SB小按钮开关1个JZ12MHZ1个4 软件的设计（主要子程序设计）（1）温度计算程序设计在温度计算公式中，系数K是一个很小的数，为了计算方便，取扩大256倍后的K值与VT做乘法运算，既256KVT。相乘后如果对乘积只取高8位而舍弃其低8位，就可以抵消K的256倍的扩大，得到正确的结果。设定3位数码管显示缓冲区的存储单元为片内RAM 30H32H（分别对应数码管LED1、LED2和LED3）。输入的A/D转换电压（VT）在累加器A中，扩大256倍的K值为XXH，T0值为YYH。具体温度计算子程序清单如下：WENDU： MOV B，#XXH ；扩大256倍的K值送B MUL AB ；256KVT MOV A, #YYH ；T0值送A，舍弃乘积低8位CLR CY；清进位位SUBB A, BCJNE A, #0AH, WENDU1 ；T0-KVTWENDU1：JNC WENDU 3 ；温度高于10转移CJNE A, #96H, WENDU2WENDU2：JC WENDU3 ；温度低于150转移MOV 30H, #88H ；超出有效温度范围显示AMOV 31H, #88HMOV 32H, #88HACALL DISP ；调用显示子程序WENDU3：RET（2）温度值转换为十进制数程序设计（16进制转换为十进制）计算得到的温度值放在A中，但以16进制数的形式存在，为LED显示的需要应转换为10进制数。由于有效温度不超过150，所以温度显示用三位数码管，具体子程序清单如下：MOV R1,#00HMOV R2,#00HCLR CCANN: SUBB A, #64H ；减100JC CHAN1 ；不够减，转INC R1 ；够减，有效位置1AJMP CHAN2CHAN1：ADD A, #64H ；恢复系数CHAN2：SUBB A, #0AH ；减10JC CHAN3 ；不够减，转INC R2 ； 够减，十位数加1AJMP CHAN2 ；重复减10CHAN3：ADD A, #0AH ；还原个位数RET（3）显示子程序设计设计中设定P1口为3位数码管的字型码的输出端，P3.03.2为3位数码管（LED1、LED2和LED3）各位对应的位选控制端。具体的显示子程序清单如下：DISP：MOV A，30H ；点亮LED1MOV DATR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV P1，A；SETB P3.0ACALL DELAY ；调用延时1ms子程序MOV A，31H ；点亮LED2MOV DATR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV P1，A；SETB P3.1ACA