单片机应用系统设计方法与实例

第11章单片机应用系统设计方法与实例,单片机应用设计实例,单片机应用系统设计步骤,单片机应用系统设计方法,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第一节单片机应用系统的研发步骤,方案论证与总体设计,硬件设计与调试,软件设计与调试,系统调试、测试与运行,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第一节单片机应用系统的研发步骤,在进行方案论证与总体设计时，应对系统的任务、控制对象、硬件资源和工作环境作出周密的调查研究，明确系统功能定位、成本要求、开发周期以及各项指标的要求，如被控对象的调节精度，跟踪速度，可靠性等级，待测脉冲信号的宽度、待测模拟信号的频谱特征等。对存储容量，地址分配、I/O接口和出错处理给出符合实际的明确定义。,第一节单片机应用系统的研发步骤,第11章单片机应用系统设计方法与实例,硬件设计是根据总体设计要求，在选择完单片机机型的基础上，具体确定系统中所要使用的所有元器件，并设计系统的电路原理图，经过必要的实验后完成PCB布局布线设计、电路板制作和样机的组装，以及硬件设计的验证工作。在硬件设计时，特别要注意单片机晶振频率和运行速度的选择，性能指标的协调优化，以及电压、电流浪涌抑制措施和接口电路的电平、驱动能力的匹配等。,第一节单片机应用系统的研发步骤,第11章单片机应用系统设计方法与实例,软件设计通常包括程序整体架构的规划、程序流程图设计、程序单元模块的编辑调试、系统功能调试等阶段。特别是在多人协同编写程序时，不同成员之间的程序必须要规划好单片机资源的有序使用，如单片机内外RAM、定时器、中断等，否则不同程序模块将无法进行有机融合。程序设计采用模块化思想，不同模块之间最好通过子程序调用、中断等方法实现转移，尽量少用跳转语句。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第一节单片机应用系统的研发步骤,在系统调试阶段，考查的重点是解决本系统与其它设备的连接适应性、外观造型与机箱结构设计、长期运行可靠性、发热情况的影响等。测试不仅包括定性测试，更要做严格的定量测试，以确保精度、速度等满足设计指标，还要进行安全测试、EMC测试、高低温工作与存储等耐候性测试，以便于及早发现设计中的不足并改进。正式投产之前，还要进行一定数量的试生产，以验证批量产品的一致性、是否适合批量生产工艺等。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,主要器件选型,原理图设计,确定器件封装,PCB图设计,制板与调试,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,器件的极限工作参数如：承受的最大工作电压、电流、功率等。极限工作参数通常是元器件所能承受的极限值，意味着超过这个极限范围，将导致器件损坏。而正常工作参数则是确保元器件正常工作的参数范围，两者概念有明显的不同。如MAX7219芯片，极限电压范围为-0.36V，超过此电压范围将会把芯片烧毁，即使没超出此范围，芯片也未必能正常工作；而该芯片的正常工作电压为4.05.5V，说明只有电源电压在该范围内，芯片才能正常工作。,1.器件的极限工作参数,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,2.器件的常规工作参数,器件的常规工作参数，即一般电气特性，如确保器件正常工作的额定电压范围，器件的带宽，输出信号的范围等。比如运算放大器，LM324的输出电压比其电源电压低至少1V以上，而运放LPV324的输出电压却可以基本达到和电源电压相等（满摆幅）。因此，在进行设计选型时务必要注意这些参数对设计的影响。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,3.器件的额定功率,对于电子器件而言，功率的最基本计算方法就是对器件瞬时电压、电流的乘积后再积分。如三极管MJE13007的额定功率为80W，并不意味着在实际电路中就可以让其承受80W的功率，而是必须考虑这个器件的散热条件和工作环境温度等因素确定其实际能够承受的功率。其它器件也类似，其实际所承受的功率往往比其额定值低很多，最基本的确定原则就是该器件的实际最高温度不能超过其规定的额定温度。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,4.器件的温度范围,器件的温度范围通常包括工作温度范围和存储温度范围。注意：即使在允许的工作范围内，器件的性能参数也会随着温度的变化而变化的。比如通常的电阻在70以内额定功率不变，但超过70额定功率就会逐渐降低。而由于温度系数的影响，只要温度有变化，电阻的阻值就会随之变化。这都是器件本身的属性，在设计时需要根据产品的实际温度范围合理选择器件和评估温度对器件参数的影响。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,5.器件的封装,通常器件的完整型号中已经包含了封装的信息，封装对PCB的设计有非常重要的影响，如CPLD芯片EPM1270系列既有TQFP封装，也有BGA封装，前者通过2层板就能完成PCB设计，而后者则需要4层板以上才可以。因此，不同的封装选型对PCB设计、产品的成本、焊接工艺等均有直接关系，需要根据项目的实际需要和现实条件选择。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,主程序通常是一个死循环体；循环体执行一次所用的时间，即执行周期，通常不是固定不变的，但存在一最小值；对需要快速响应的事件，尽量采用中断的方法；中断服务程序尽可能简洁；有些事件，既可直接放在主循环体循环执行，也可通过中断触发执行，如按键扫描，显示刷新等。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,1.去耦滤波,去耦滤波：通常加在集成电路的电源和地引脚之间，用于抵抗由于集成电路输出电压、电流的变化导致电源的波动。通常是在芯片的电源引脚处加一个微法级以上的电解电容和一个0.01uF左右的瓷介电容，前者用于滤除低频噪声，后者用于滤除高频噪声。注意，这两个电容不仅仅是容量方面的区别，更主要的是电容介质材料的区别。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,2.抑制浪涌,受周围大功率用电设备的启停及雷电等影响，在产品交流进线处经常存在远远高于正常工作电压的浪涌电压（如图），或由于产品内部短路、启动冲击等造成交流进线处有很大的浪涌电流，及时有效抑制浪涌电压和电流是保证产品正常工作的必要条件。抑制浪涌电压可以选用TVS管、压敏电阻等，抑制浪涌电流可以选用热敏电阻，自恢复保险丝等。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,3.接地,接地分为两大类：一是真正的接大地，如设备的机箱外壳、机架等裸露的金属部分均要求通过较低阻抗接入大地，这也称为安全地，主要为确保接触设备的人的安全而设置。二是工作地，即设备用电回路的电压参考点。工作地是为保障电路系统正常工作而设置，一个设备中如果有多个独立电源及用电回路，就存在多个工作地。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,续3.接地,一个单片机应用系统，通常既有安全地又有工作地，而且如果单片机控制功率较大的用电设备，如继电器、电磁阀、压控电流设备等，这些用电器的供电也存在工作地，称为功率地。通常单片机等弱信号工作地与功率地应进行隔离，如果不能隔离，则必须采用单点接地技术。,正确接地,错误接地,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,4.屏蔽,高频电源、交流电源、强电设备产生的电火花，甚至雷电、手机都能产生电磁被，从而成为电磁干扰的噪声源。当距离较近时，电磁波会通过分布电容和电感混合到信号回路而形成电磁干扰；当距离较远时，电磁波则以辐射形式构成干扰。以金属板、金属网或金属盒构成的屏蔽体能有效地对付电磁波的干扰。屏蔽体以反射方式和吸收方式来削弱电磁波，从而形成对电磁波的屏蔽作用。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,5.隔离,用于抗干扰的隔离技术主要是光电隔离，目的是割断两个电路的电气联系，使之相互独立，从而也就割断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路。实现光电隔离的最基本器件是光电耦合器（光耦），他还可以实现电平转换。,光耦,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第二节单片机应用系统设计方法,6.反电势干扰的抑制,在单片机的应用系统中，常使用如继电器、电动机、电磁阀等具有较大电感量的元件或设备。当电感回路的电流被切断时，会产生很大的反电势而形成噪声干扰。这种噪声不但产生电磁场干扰其他回路，而且还可能击穿电路中晶体管之类的器件。常用的抑制方法是在线圈的两端并联二极管、稳压管或阻容回路，以抑制线圈断开后的瞬时高电压。,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,公交车辆的合理调度需要准确知道车辆所在线路客流在一定时间段内的分布，公交车车上人数统计器就是为此设计，主要实现实时统计当前车内的人数并显示。这些数据经过存储、汇总、分析等，即可知道客流的变化规律。,实例1：公交车车上人数统计器,功能,公交车内的人数一般不会超过100人，采用2位LED数码管显示即可，当前车内人数=总上车人数-总下车人数，因此，只要能够分别检测旅客上车和下车的信息，即可进行统计，为此规定公交车的前门上车，后门下车，分别在上车门和下车门上安装开关型传感器，人每经过上车门或下车门，即发出一个脉冲进入到单片机。信号以中断的方式进行检测，上车门检测到脉冲，车上人数加1，下车门检测到脉冲，车上人数减1。,总体设计,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,实例1：公交车车上人数统计器,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,实例1：公交车车上人数统计器,原理图,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,实例1：公交车车上人数统计器,单片机程序采用C51编写，分为预定义、主程序、子程序和中断程序等。,总体设计,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,实例1：公交车车上人数统计器,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,实例2：数字电压表,利用ADC0809实现测量值为05V的电压，基准电压采用+5V电源电压。由于ADC0809为8位AD转换器，则AD采样的最小分辨电压为5/256=0.02V，即20mV。由此可知，显示的电压值只要小数点后保留2位即可。本实例采用4位数码管显示，其中最左边为符号位，其次是显示电压的个位和十分位、百分位。,总体设计,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,实例2：数字电压表,对采集到的数字量按下式处理,提取Vx的个位、十分位和百分位后显示即可。涉及无符号两字节乘法运算和两字节除法运算，比较麻烦。,算法1,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,算法2,得到的整数部分就是采样电压的个位值，得到的余数再除以5，结果的整数部分为十分位，结果的余数即为百分位。算法非常简单，但误差相对较大，相对误差约2%。本设计采用算法2的流程图如图所示。,实例2：数字电压表,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,实例2：数字电压表,原理图,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,实例2：数字电压表,程序分为预定义、主程序、子程序三个部分。采用汇编语言设计。,;存放三个数码管的段码LED1EQU30HLED2EQU31HLED3EQU32H;存放采样数据ADCEQU35HSTBITP3.2OEBITP3.0EOCBITP3.1,预定义,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,11.3.系统设计实例,实例2：数字电压表,ORG0000HLJMPMAIN;跳转到主程序执行ORG0030HMAIN：MOVLED1，#00HMOVLED2，#00HMOVLED3，#00H;寄存器初始化CLRP3.4SETBP3.5CLRP3.6;选择模拟量输入通道WAIT：CLRSTSETBSTCLRST;在脉冲下降沿启动AD转换JNBEOC，$;等待转换结束SETBOE;允许输出信号MOVADC，P1;暂存模数转换结果CLROE;关闭输出MOVA，ADCMOVB，#50DIVABMOVLED1，A;个位值送显示缓冲区LED1MOVA，BMOVB，#5DIVABMOVLED2，A;将十分位值送LED2MOVLED3，B;最后的余数作百分位值送LED3LCALLDISP;调用显示程序AJMPWAIT,主程序,第11章单片机应用系统设计方法与实例,第三节单片机应用系统设计实例,实例2：数字电压表,DISP：MOVR1，#LED1GO：MOVR2，#3;显示位数赋初值，用到3位数码管MOVR3，#0FDH;扫描初值送R3DISP1：MOVA，R1;显示值送AMOVDPTR，#TAB;送表首地址给DPTRMOVCA，A+DPTR;查表取段码CJNER2，#3，GO1;判断是否个位数码管?否，则跳到GO1ORLA,#80H;将整数的数码管显示小数点GO1：MOVP0，A;送段码给P0口MOVA，R3MOVP2，A;送位码给P2口LCALLDELAY;调用延时RLAMOVR3，AINCR1;改变位码DJNZR2，DISP1;三位是否显示完？否，则跳到DISP1RET,DELAY：MOVR6，#10D1：M