单片机应用系统开发与实例PPT课件

1 第八章单片机应用系统开发与实例 2 单片机是面向工业控制设计的微型计算机 由于其 面向控制 使用灵活等一系列特点而广泛应用于工业自动控制系统 智能化产品 家电 通信和军事等领域 单片机在工业控制中是以单片机系统形式来运行的 在前面的章节中已经系统地介绍了MCS 51系列单片机的内部结构 指令系统 存储器扩充和主要接口技术 这一章主要介绍单片机应用系统的开发设计 内容包括开发过程 开发工具以及实用设计分析等 这些内容能够说明如何应用单片机组成一个实用的系统 3 8 1单片机应用系统的开发步骤和过程 1 课题 项目的提出2 项目总体分析与论证3 总体方案设计4 硬件设计与软件设计5 联机调试6 脱机运行考核7 产品 项目 定型8 交付使用或投入批量生产 4 8 1 1项目总体分析和论证 1 对项目的可行性进行调研分析 即对所研制任务的功能和技术指标详细分析 研究 明确功能的要求 对技术指标进行一些调查 分析和研究 2 对产品或项目的先进性 可靠性 可维护性 可行性以及功能 价格比进行综合考虑 同时还要对国内外同类产品或项目的应用和发展情况予以了解 5 8 1 2系统总体方案设计 单片机应用系统的总体方案设计主要包括 1 系统功能 任务 的分配2 确定软硬件任务及相互关系3 单片机系统的选型和拟定调试方案和手段 6 8 1 3硬件设计 硬件部分是单片机系统的运行平台 设计开发的第一步是电路原理图的设计 主要是对单片机及其外围功能电路进行原理设计 设计可以采用多种EDA软件 如常用的PROTEL99 PROTUS等等 根据软件版本和功能还可以采用软件模拟仿真 7 8 1 4软件设计 首先是设计语言的选择 单片机设计语言常规的主要是采用厂家提供的针对单片机的汇编语言进行的 也就是说不同系列的单片机汇编语言也是不同的 但是汇编语言语法冗长 内容抽象 还需了解内部的硬件结构 学习应用有一定难度 随着单片机的广泛应用 出现了能用高级语言C进行编程的解决办法 目前针对不同单片机的C编译器能编译多种常用的单片机程序 如Franklin Keil编译器 8 8 1 5联机调试 联机调试 就是借助开发工具对所设计应用系统的硬件进行检查 排除设计和焊接装配的故障 确认应用系统的硬件没有问题后 可将软件装入进行综合调试阶段 该阶段主要任务是排除软件逻辑设计错误 也解决硬件遗留下的问题 9 8 1 6脱机运行 联机调试完成后 可将程序写入EPROM或片内ROM中 脱机运行考核 看应用系统能否可靠 稳定地工作 这个过程一般没有问题 若有问题则大多出在复位 晶体振荡 看门狗 电路或电源方面 可针对性地予以解决 然后可将系统样机现场运行考核 进一步暴露问题 10 8 2单片机应用系统开发工具 8 2 1单片机EDA设计工具1 PROTEL软件Protel公司推出的基于Windows平台软件凭借其强大的功能 能对实际电子电路进行仿真分析 可极大地提高产品的可靠性 缩短设计周期 节省设计费用 已成为最流行的EDA工具 Protel随着时代的发展新的版本不断涌现 Protel99SE是其第6代产品 其主要的功能模块 包括电路原理图设计 印制电路板设计 可编程逻辑器件设计 电路图模拟 仿真等 11 1 电路原理图设计的步骤 设置原理图设计环境放置元件原理图布线编辑和调整检查原理图生成网络表 12 单片机最小系统 13 2 印刷电路板设计的步骤 规划电路板设置参数装入网络表元器件布局自动布线手工调整 14 2 Proteus软件 Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件 它可以仿真 分析 SPICE 各种模拟器件和集成电路 其最大的特点是可以支持许多型号的单片机仿真 该软件的单片机仿真库里有51系列 PIC系列 AVR系列 摩托罗拉的68MH1l系列等 另外还提供了SCH 原理图 与PCB 印制板 设计功能 我们可以用该软件模拟通过后再制作印制板 15 8 2 2单片机程序开发工具 Keil软件 德国KeilSoftware公司针对51系列单片机推出了基于32位Windows环境 以5l系列单片机为开发目标 高效率的C语言集成为基础开发平台的Keil Vision2IDE 即通常所说的 Vision2是一个功能强大的单片机集成开发平台 主要包括 C51交叉编译器 A51宏汇编器 BL51连接 重定位器 LIB51库管理器 OH51IntelHEX格式文件转换器 RTX一51实时操作系统以及单片机软件仿真器Dseope51 Vision2IDE将项目管理 源代码编辑 程序调试等集成到一个功能强大的windows32平台中 16 1 单片机的硬件和软件仿真 仿真有两种方式 1 通过硬件仿真器与试验样机联机进行的 实时 在线仿真 2 在微机上通过软件进行的模拟仿真 17 实时 在线仿真的优点是可以利用仿真器的软 硬件完全模拟样机的工作状态 使试验样机在真实的工作环境中运行 可以随时观察运行结果和解决问题 缺点是价格较高 软件模拟仿真的方式简单易行 它是在PC机上通过运行仿真软件来创造一个模拟目标单片机的模拟环境 不需单独购买硬件仿真器 18 2 单片机在keilc51集成开发环境下的软件模拟仿真 KEIL公司的内嵌的软件模拟仿真器可以仿真ATMEL公司的89C S 51 89C S 52 89C58和华邦公司的W78E51 78E52以及PHILIPS公司的绝大多数标准51内核的单片机 除了可以模拟单片机的I O口 定时器 中断外 甚至可以仿真单片机的串行通信 19 进行软件仿真的一般过程 仿真参数设置 选择菜单Projeet 工程 OptionforTarget Simulator 目标属性选择 程序的编译和修改 project buildtaget 完成程序编译软件仿真时的单片机内部参数及其状态查看程序文件的模拟仿真 源文件编译通过后 选择Debug 调试 菜单中的开始 Start 停止 StopDebug 项 便可进入模拟仿真状态 20 8 3单片机应用系统设计开发实践 实例1单片机流水灯设计1 系统硬件设计单片机采用AT89C51 P1口作LED发光管输出控制用 P3 0 P3 2为闪烁方式控制开关K1 K2 K3按键接口 P3 3口的按键作备用 限流电阻为310 发光管工作电流约为10mA 采用12MHz晶振 如下图所示 21 22 2 系统主要程序的设计 1 主程序通过扫描P3 0 P3 2口 判断是否有按键按下 然后在20H内存单元的低3位的对应位置l标志 确定应执行的闪烁功能 当20H 0为1时 发光管轮流点亮 当20H 1为1时 发光管逐点点亮 当20H 2为1时 发光管间隔闪亮 在主程序对20H的低3位进行使值判定后 转入相应的闪烁控制程序 上电初始化时 对20H的最低位置1 系统进入轮流点亮方式 23 2 键扫描子程序因按键较少 采用直接端口扫描键开关 用软件延时去抖动确认后 对20H内存单元相应的位置1 并把其余位清零 3 闪烁控制程序闪烁控制程序用来控制P1口的发光管发光变化方式 其中 执行功能程序0 FUN0 时的P1口输出值变化为11111110一延时 111111101一延时一11111011一延时一11110111一延时111101111一延时111011111一延时一l0111111一延时一01111111延时 结束转主程序 24 执行功能程序1 FUN1 时的P1口输出11111110一延时一11111100 延时 111111000一延时一11110000一延时一11100000 延时 结束转主程序 执行功能程序2 FUN2 时的P1口输出变化为101010101 延时 01010101 延时 结束转主程序 4 延时子程序延时子程序有10ms和0 5s两个 用作键扫描消抖及发光管闪烁延时 发光管闪烁的快慢可由R4寄存器内的初值进行改变 25 主程序流程图 26 实例2单片机电子时钟的设计 单片机电子时钟可实现24h计时方式 时 分 秒用六位数码管显示的功能 该电路采用AT89C52单片机 使用9V电池供电 只使用一个按键开关即可进入调时 省电 不显示LED数码管 和正常显示三种状态 27 1 时钟电路硬件的设计 采用AT89C52单片机最小系统应用设计 LED显示采用动态扫描方式实现 Pl口输出段码数据 P3 0 P3 5口作扫描输出 P3 7接按钮开关 为了提供LED数码管的驱动电流 用三极管9012作电源驱动输出 为了提高秒计时的精确性 采用12MHz晶振 原理图如下 28 29 2 系统主要程序的设计 1 主程序本设计中的计时采用定时器T0中断完成 其余状态循环调用显示子程序 当P3 7端口开关按下时 转入调时功能程序 如下图所示 2 显示子程序数码管显示的数据存放么内存单元70H一75H中 其中70H一71H存放秒数据 72H一73H存放分数据 74H一75H存放时数据 每一地址单元内均为十进制BCD码 由于采用软件动态扫描实现数据显示功能 显示用十进制BCD码数据的对应段码存放在ROM表中 显示时 先取出70H一75H某一地址中的数据 然后查得对应的显示用段码从P1口输出 P3口将对应的数码管选中 就能显示该地址单元的数据值 30 31 3 定时器T0中断服务程序定时器T0用于时间计时 定时溢出中断周期设为50ms 中断累计20次 即1s 时对秒计数单元进行加1操作 时间计数单元地址分别在70H一71H s 76H一77H min 78H一79H h 7AH单元内存放 熄灭符 数据 0AH 在计数单元中采用十进制BCD码计数 满60进位 T0中断服务程序流程图如下图所示 4 T1中断服务程序T1中断服务程序用于指示调整单元数字的亮闪 在时间调整状态下 每过0 3s 将对应单元的显示数据换成 熄灭符 数据 0AH 这样 在调整时间时 对应调整单元的显示数据就会间隔闪亮 32 33 5 调时功能程序调时功能程序的设计方法是 按下按键 若按下时间小于ls 进入省电状态 数码管不亮 时钟不停 否则进入调分状态 等待操作 此时计时器停止走动 当再次按下按钮时 若按下时间小于0 5s 则时间加1min 若按下时间大于0 5s 则进入小时调整状态 在小时调整状态下 当按键按下的时间大于0 5s时退出调整状态 时钟继续走动 34 实例3多路模拟信号数据采集系统设计 采用单片机AT89C52为核心的多路模拟信号数据采集系统可自动轮流采集显示8路输入模拟信号0 5V的数值 最小分辨率为0 02V 最大显示数值为255 输入为5v时 可作为数字电压表用 35 1 系统硬件电路的设计 8路输入模拟信号AD1 AD8由A D转换电路 单片机最小系统及4位LED显示等组成 A D转换由A D转换芯片ADC0809完成 ADC0809具有8路模拟输入端口 选端口地址线 23 25脚CBA 接单片机的P2 0 P2 1 P2 2 三者组合可决定对哪一路模拟输入作A D转换 第22脚ALE为地址锁存控制 当输入为高电平时 对地址信号进行锁存接单片机P2 3 6脚STRAT为AD启动控制 当输入一个2 s宽高电平脉冲时 就开始A D转换接P2 4 7脚EOC为A D转换结束标志 当A D转换结束时 7脚输出高电平接P3 7 9脚OE为A D转换数据输出允许控制 当OE脚为高电平时 A D转换数据从端口输出接P2 5 10脚CLK为ADC0809的时钟输入端 利用单片机30脚ALE的六分频晶振信号再通过14024二分频得到 单片机的P1 P3端口作四位LED数码管显示控制 如图 36 37 2 系统软件设计 1 初始化程序系统上电时 将70H一77H内存单元清零 P2口置零 2 主程序在刚上电时 因为70H 77H内存单入的数据为0 则每一通道的数码管显示值都为000 当进行一次测量后 将显示出每一通道的A D转换值 每个通道的数据显示时间在1s左行 主程序在调用显示程序和测试程之间循环 其流程图如下图所示 3 显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示 测量所得的A D转换数据放在70H 77H内存单元中 测量数据在显示时需经过转换成为十进制BCD码放在78H 7BH中 其中7BH存放通道标志数 寄存器R3用来作8路循环控制 Ro用作显示数据地址指针 4 模数转换测量子程序模数转换测量子程序是用来控制对0809八路模拟输入电压的A D转换 并将对应的数值移入70H 77H内存单元 其程序流程如图下图所示 38 主程序流程 A D转换测量程序流程图 39 实例4单片机液晶显示汉字菜单设计 液晶显示 LCD 以其功耗低 显示内容丰富寿命长等优点广泛应用于现代智能仪器仪表中 SED1335是日本SEIKOEPSON公司生产的图形液晶控制器 它在同类产品中功能是最强的 具有较强功能的I O缓冲器 功能丰富的指令 支持字符 图形合成显示 作图功能强 支持多屏图形合成及滚屏模式 SED1335常用于控制中大规模的点阵图形液晶模块 设计中采用日本OPTREX公司的DMF50081液晶显示模块 它具有320 240点阵的单屏结构 分辨率高 0 27 0 27mm 能显示16 16点阵的汉字20行 15列 SED1335与单片机接口原理图如图 40 41 设计中采用SED1335与单片机采用直接访问方式连接 SED1335的数据线直接挂在单片机的数据总线上 片选信号 CS与单片机的A15 P2 7 相连 控制液晶的选通 数据 指令选择A0连接在单片机的A8 P2 0 上 低为数据 高为命令 液晶驱动电源为VEE 20V Vadj连接到电位器上调节液晶显示的对比度 SED1335控制器与DMF50081液晶模块通过相应的口线连接 根据图示连接 SED1335控制器数据端口地址为7EFFH 指令端口地址为7FFFH 设计可以采用大屏幕的液晶显示和若干功能键 并且通过液晶显示多级功能菜单形式进行人机交互 42 1 SED1335初始化函数 要实现正确显示 首先必须根据需要对SED1335控制器的各个参数进行设定 以规定液晶显示器的显示窗口 显示区域 显示合成以及显示方式等 这些参数一经正确设定 液晶才能进入工作状态 初始化程序如下 43 defineucharunsignedchar defineuintunsignedintucharcodesys code 8 0 x32 0 x87 7 39 47 239 40 0 ucharcodescr code 8 0 x00 0 x00 240 0 x00 0 x40 240 defineiow cXBYTE 0 x7EFF 写指令地址 defineiow dXBYTE 0 x7FFE 写数据地址voidconfig1335 void 初始化配置SED1335 uchari j iow c 0 x40 系统初始化指令for i 0 i 8 i iow d sys code i 写指令参数iow c 0 x44 设置显示RAM区起始地址指令for j 0 j 8 j iow d scr code j iow c 0 x5B 设置显示合成指令iow d 4 iow c 0 x59 显示开指令iow d 0 x54 开所有显示区 关闪烁 无光标 44 2 汉字显示函数设计 SED1335控制的DMF50081是一种点阵图形式液晶显示模块 其显示汉字有两种方式 一种是利用字符发生器来显示汉字 另一种是利用图形方式把汉字字型显示在液晶屏上 前者显示的汉字数量少且字型单调 故本文设计中采用图形方式显示汉字 其原理是将汉字取字模 在液晶上按字模点亮字型显示 例如一个16 16点阵的汉字需取32字节的字模存储在程序中 由程序逐字节地向图形显示区相应单元写入 在显示屏上显示出相应的汉字 用这种方式显示汉字 其显示的汉字数量不受限制 并且字型大小可变 45 voidwrhz g ucharox ucharoy uchartmp 32 bitfx uinttmpadr i j tmpadr oy 40 ox 求得相对地址iow c CSRDIR DOWN 光标下移j tmpadr iow c CSRW 光标指针设置iow d uchar tmpadr 写入汉字代码右半边 46 3 绘制波形函数设计 SED1335控制器突出的优点是绘图的能力很强 绘制波形实际上是通过移动光标在液晶屏相应的位置写点来绘制波形曲线 为此首先编制画点函数voiddrawdot uintox ucharoy bitflag 其中ox为点横坐标 0 319 oy为点的纵坐标 0 239 flag为控制点亮标志 1为亮0为灭 逐点比较前后点的值用阶梯折线来逼近曲线 绘制电压电流实时波形曲线时 首先把接受DSP传输过来的一组电压电流值放到显示缓冲区 tmp 256 数组 然后直接调用绘制波形函数就可得到该周期时刻的电压波形 47 voiddraw wave uintdatai ucharxdatatmp 256 ucharj x intm n c1 drawdot i tmp 0 1 画起始点for j 1 j1 m n 1 for x m 1 x n x drawdot i 1 x 1 else m n 1 for x m 1 x n x drawdot i x 1 48 8 5 3单片机系统设计实例 基于单片机的高精度位置检测系统设计 一 系统硬件设计 系统硬件电路设计分为单片机最小系统 键盘显示部分 位置距离测量和存储器扩展部分 角度测量等四部分进行 以下分别加以说明 49 1 单片机最小系统 所谓最小系统指的是所选用单片机的最基本的电路构成 包括单片机 电源电路 晶振电路和复位电路 本设计中采用的单片机为与51系列兼容的AT89C52 其性价比高 内部有8KFlashROM存储器 系统不需扩展外部ROM 电源部分 系统需要 5V稳压电源供给单片机和外围接口芯片 需要15V稳压电源给A D芯片 所以设计中采用三端稳压器结合滤波电容组成直流稳压电源电路 电源可采用交流220V经过变压器和整流桥供电 也可以通过电池给三端稳压芯片供电 50 51 2 单片机键盘显示电路 键盘显示是单片机系统和操作者对话的接口 系统根据检测要求采用8155扩展接口 控制16键盘和8位数码管显示 键盘功能有0 9数字键和部分功能键 8位数码管可分别显示距离测量和角度测量的数值 在8155的片选信号 CE P2 7 0 和IO M P2 6 0 时 8155选中它内部的RAM工作 在CE P2 7 0 和IO M P2 6 1 时 8155选中片内三个I 0端口 相应地址分配为 52 3F00H 3FFFH8155内部RAM7F00H命令 状态口7F01HA口7F02HB口7F03HC口7F04H定时器低8值口7F05H定时器高8位口 53 3 位置距离测量和存储器扩展电路 位置距离测量电路采用以12位精度的AD574芯片 可以完成较高精度的位置和距离测量 如图8 16所示 AD574的13脚和传感器的输出端AD1端相连 输入的0 10V范围的传感模拟电压 经A D转换后可由单片机通过程序从P0口分两次输入电压的转换值 先高8位 再低4位 然后送到单片机内部RAM单元 AD574的控制功能表如下 54 其中 CLRP3 0 MOVDPTR 0FDF9H MOVX DPTR A 启动12位A D转换MOVDPTR 0FDFBH MOVXA DPTR 读取高8位数字量MOVDPTR 0FDFFH MOVXA DPTR 读取低4位数字量给CS P3 0 写低 写FDF9H地址时选通控制信号端从而启动12位A D转换 读FDFBH地址时选通控制信号读得高8位数字量 读FDFFH用于读取低4位数字量 这点可以对照表8 1看出来 12 引脚接地表示89C52需要分两次从AD574A输人A D转换后的12位数字量 存储器扩展只扩展了一片8KB的RAM6264 根据下图所示 CS1片选端接P2 5 CS2接电源 操作地址空间可为C000H DFFFH 可以通过DPTR寻址的方式访问6264 55 56 4 角度测量电路 角度测量采用增量式光电编码器 随着测量对象的旋转 编码器输出三个通道输出信号 A B z或者六个通道信号A A B B z z 如下图如果A相超前B相 即为顺时针旋转 反之如果B相超前A相则为逆时针旋转 光电编码器每旋转一圈 输出一个基准脉冲 即z相 z相提供准确的零点信息 基准脉冲的波形中心对准通道A输出的波形中心 编码器的精度由旋转一周产生方波数决定 当旋转一周可产生1024个脉冲时 即精度为l0位 每一个脉冲表示为360 1024 电路设计如图所示 57 58 59 二 系统软件设计 1 主程序设计主程序的功能主要是内部初始化 初始界面的显示等待和参数设置等 初始化包括8155初始化 中断初始化和接口定义等等 然后是键盘扫描 初始显示等待工作命令 voidmain uchari j k 定义单片机接口和参数uintdisled uchardisjq disjb disjs disjg ucharqian1 bai1 shi1 ge1 ucharqian2 bai2 shi2 ge2 bitflag 60 uintAD result1 AD result2 uintADLB 10 uintAA1 16 AAA1 AAA2 RN1 BBB1 BBB2 RN2 IE 0 中断初始化IP 0X04 IE 0X85 10000101TCON 0 disled 0 XZZ 0 counter 0 disp 0 5 1显示初始化disp 1 4 2disp 2 3 3disp 3 2 4disp 4 1 5disp 5 0 6disp 6 7 7disp 7 6 8 61 while 1 switch keyint 角度测量caseq key 如果角度键jiao du test 角度测量函数if keyint c key break break 距离测量casec key weizhi test 位置距离测量函数if keyint q key break 第一次扫描结束 主程序循环结束 62 2 角度测量程序角度测量要解决两个问题 角度的转向和角度值 利用编码器的原理 在物体转动时A相和B相的输出波形总是相差1 4T 也就是说A和B相在一个周期内的值必然为01 11 10 00 程序把4种状态编号为1 2 3 4 通过可编程逻辑GAL16V8将运算信号输入到单片机INT1完成编码器的鉴相中断 中断程序判断正反转和计数角度变化值 以旋转一周可产生1200个脉冲为例 每一个脉冲表示为360 1200 0 3 具体程序如下 include include defineucharunsignedchar defineuintunsignedintsbitP10 P1 0 定义单片机接口sbitP11 P1 1 sbitP34 P3 4 63 sbitXZZ P3 4 T0sbitXZA P1 3 sbitXZB P1 2 uintcounter 转动脉冲计数uchardirection bm1 q direction转向 bm1位置变化编码voidbm int0 interrupt0using1 INT0编码器中断计数 uchari bm1 bm2 XZZ 1 if XZZ 1 XZZ 1 清零 counter 0 q 1 P1 0XFF 读P1bm2 P1 64 counter if bm2 bm1 1 bm2 bm1 3 direction 2 反转bm1 bm2 if q 1 counter 4799 q 0 elsecounter counter 0 xffff voidjiao du test 角度测量函数 while 1 disled counter 5 4 6 计数值显示数据处理disjq disled 10000 disjb disled 10000 1000 disjs disled 10000 1000 100 disjg di