第7章 单片机应用系统研制

第7章单片机应用系统研制8.1系统设计一、总体设计1.确定功能技术指标2.机型和器件选择3.硬件和软件功能划分二、硬件设计1.系统结构选择2.可靠性设计⑴采用抗干扰措施抑制电源噪声：完善滤波系统、提高电源容量、模电与数电电路合理布局；抑制I/O通道干扰：双绞线、电流传输、光电隔离；抑制电磁场干扰：屏蔽。⑵提高元器件可靠性质量、老化、测试、筛选；技术参数留有余地；印刷电路、组装质量；FLASH型器件不宜在恶劣环境下使用，最终产品选择OTP型。⑶使用容错技术系统冗余；信息冗余：各种检验；使用看门狗电路。3.电路图和印刷电路设计⑴电路框图设计。⑵电路原理图设计(Protel软件)。⑶印刷电路板(PCB板)设计。三、软件设计1.软件结构设计简单系统一般采用顺序程序设计的方法。系统软件一般由初始化程序、主程序和1～n个中断服务程序组成。⑴初始化程序任务：软件标志、指针、计数器初始设置。扩展I/O器件初始设置。单片机内部数据区(堆栈、缓冲区、数据存放)、定时器、串行口、中断、I/O口初始设置。外部数据区定义。⑵主程序任务：一般完成1～n个日常事务处理。主程序是一个无限循环的程序。⑶中断程序任务：一般完成某个特定实时事务的处理。中断程序一般由现场保护、中断服务、恢复现场、中断返回四部分组成。复杂系统一般采用实时多任务操作系统。2.程序设计的方法⑴自顶向下模块化设计方法(从大到小)。⑵逐步求精设计方法(由粗到精)。⑶结构化程序设计方法(顺序、分支、循环)。3.算法和数据结构⑴选择算法标准：可靠性、简单性、易懂性、代码运算速度快、占用存贮空间少等。⑵数据结构简单，一般主要采用整型数据，少数采用浮点型或构造性数据。8.2开发工具及系统调试一、硬件故障和静态调试二、Keil编译器、宏汇编器和C51编译器1.编译器：可对源程序文件编辑。2.A51宏汇编器：支持宏汇编和条件汇编，可把汇编语言程序编译为可供调试的目标代码，并产生列表文件及HEX文件。3.C51编译器：可对C51源文件进行编译、连接产生可供调试的目标代码，并产生列表文件及HEX文件。三、KeilC51软件开发平台——uvision2IDE基于windows的软件开发平台。具有创建项目、选择程序运行方式、选择调试、模拟仿真、固化软件、脱机运行(利用FLASH单片机可反复编程的优点)等功能。四、在线仿真器具有在线硬件调试和软件调试的功能。简易仿真头对于初学者是一个不错的选择。五、编程器可用于对EPROM、EEPROM、OTP、FALSH等单片机、程序存储器烧写固化程序。8.351单片机系统设计举例例：宾馆酒店服务总台数字显示系统一、设计要求1.显示醒目。2.造价较低。3.显示要求能分别显示以下内容：⑴时间显示：2000年～2099年公历(北京时间)的年、月、日、时、分、秒、星期显示，相应农历的月、日显示，世界时包括东京、莫斯科、纽约、悉尼、伦敦、开普敦、巴西利亚七城市时间的时显示。时间显示精度：一年±60秒。⑵温度显示：设置当日最低、最高气温显示和室内温度显示。室内温度显示精度±0.1℃，测量精度±1℃。⑶天气状况显示：设置①晴、晴转多云、晴转阴、晴转雨、晴转雪，②多云、多云转晴、多云转阴、多云转雨、多云转雪，③阴、阴转晴、阴转多云、阴转雨、阴转雪，④雨、雨转晴、雨转多云、雨转阴、雨转雪，⑤雪、雪转晴、雪转多云、雪转阴、雪转雨，⑥热带风暴、强热带风暴、沙尘暴、强沙尘暴等29种天气状况显示。附加天气状况显示：设置①小雨、中雨、大雨、暴雨、雷阵雨，②小雪、中雪、大雪、暴雪、阵雪，③有雾、有大雾、有冰雹、有霜冻、有冰冻，④风力4级以下、风力5～6级、风力7～8级、风力9～10级、风力10级以上等20种附加天气状况显示。这种显示方式不能正确反映诸如小雨转大雨、中雪转小雪这类具体情况，只能在强弱之间显示强者；也不能正确反映诸如小雨转小雪、小雪转小雨这类具体情况，只能两者同时显示。这是缺陷。⑷房价显示：设置总统套房、豪华套房、普通套房、豪华标间、普通标间、豪华单间、普通单间、加铺的标准、当日房价显示。4.设计暂不考虑电源部分、字体大小、掉电保护以及无线遥控功能。二、总体设计㈠确定功能技术指标1.要做到显示醒目、造价较低，又能分别显示上述多组数字和状态，只能采用LED字段显示和单点显示的方式。固定不变的字符、图案直接印刷标示，变化的数字、状态用LED字段或单点显示的方式给出。2.要达到一年±60秒的时间显示精度，可通过硬件调整电路和软件编程补偿来实现。3.要达到室内温度显示精度±0.1℃、测量精度±1℃要求，可通过选择合理的传感器，适当的信号放大、AD转换电路，并经过校准予以实现。㈡机型和器件选择1.CPU选择：本系统工作环境较好，可直接选用AT89C52作为主控芯片。主要的片上资源与功能有：4KBFALSH(程序存储器)；256BRAM(静态随机存储器)；4个8位I/O口；6个中断源；1个UART(串行通信口)；超过128个可自行设置的位标志(其中可位寻址的位标志有20H～2FH共128个，ACC中的F0、F1共2个；可字节寻址的位标志有PCON中的GF0、GF1)等；有节电方式、无WTD功能。2.实时时钟电路选择：有功能强大、精度不等、品种繁多的专用芯片可供选择，如DS1302、PCF8485、RTC-4553等。本系统功能简单，为简化电路，降低成本，可利用CPU的定时方式2产生精确定时基准，再利用软件编程实现实时时钟功能。3.温度测量电路选择：⑴能实现室内温度测量的温度传感器：热电阻式(t→R转换的铂电阻、铜电阻)、半导体式(t→R转换的热敏电阻、施加正向微弱电流后进行t→V转换的PN结)、热电偶式(t→V转换的镍铬-镍硅K、铜-康铜T)。其中铂电阻、铜电阻、半导体PN结、镍铬-镍硅热电偶的输入输出均有比较好的线性关系。但铂电阻、镍铬-镍硅热电偶等本身价格较高，且以上传感器均需要信号放大、AD转换等电路的配合，电路复杂，成本高。⑵集成温度传感器①电压输出型：如LM35。②电流输出型：如AD590。以上器件应用需要适当的信号调整、AD转换电路予以配合，电路也比较复杂。③数字输出型：如DS18B20。本系统选用DS18B02作为温度测量器件。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃(12位A/D转换时)，精度±0.5℃。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。

DS18B20外形图上图是DS18B20的内部结构图。本系统只需要用一根I/O口线用于读取测量温度值。4.显示器件选择：LED显示器件均选用高亮度器件。此时数码管可选择0.5、0.8英寸规格，发光二极管可选择¢5、¢10mm规格。5.键盘显示电路选择：⑴专用键显电路芯片：Intel8279及现在MAX7219、HD7279、CH451、ZLG7289等均能驱动8个七段数码管显示、控制8×8的64个按键。其键盘为编码键盘。上述芯片中，与CPU通信采用并行方式的是8279芯片，通信线多，且外围器件多；其他芯片均为串行通信方式，通信线少，外围器件少。⑵可编程I/O电路芯片：8155、8255等芯片为主构成键显电路。与CPU通信采用并行方式，通信线多，外围器件多。其键盘为非编码键盘。⑶通用I/O电路芯片：并行芯片：输入的74LS(HC)240、244、245；输出的74LS(HC)273、373、377。与CPU通信采用并行方式，通信线多。非编码键盘。串行芯片：输入的74LS(HC)165、166；输出的74LS(HC)164。与CPU通信采用串行方式，通信线少。非编码键盘。本系统输入线少、输出线多。为使电路器件品种少、成本低，可考虑采用与CPU用串行通信方式的专用芯片或通用I/O芯片构成键盘显示电路。结合所学知识，本系统采用74LS(HC)164构成显示输出电路，用AT89C52的I/O引脚作键盘输入电路。㈢软件和硬件功能划分前以述及，本系统为简化电路，降低成本，利用AT89C52的定时功能和软件编程实现实时时钟功能。三、硬件设计㈠系统结构选择由于数据量不多，程序量不大，不需要外接EPROM和RAM。并且在总体设计中，已经确定的I/O芯片主要是74LS164，其与CPU的通信只需要两根信号线，而74LS164本身又具有串接的功能，因而不需要用到AT89C52中P0、P2的第二功能。所以可认为本系统是一个扩展了众多74LS164芯片的小系统。㈡可靠性设计1.抗干扰设计⑴抑制电源噪声干扰：加强电源滤波、电源容量留有余地、合理布线。⑵抑制I/O通道干扰：使用双绞线、降低传输速率。2.提高元器件可靠性⑴选择质量好的元器件，并进行测试、筛选。⑵设计时技术参数留有一定的余地。⑶提高印刷电路板和电路组装的工艺质量。3.采用容错技术⑴软件经长时间运行测试检验通过。⑵经现场运行后，确有必要时可增加WTD电路。㈢电路图和印刷电路板设计1.电路框图设计⑴CPU电路：系统主控电路。采用AT89C52芯片。⑵晶振电路：产生系统时钟信号。教材P34电路。⑶复位电路：产生系统上电复位信号。教材P37电路。⑷温度测量电路：测量室内即时温度。采用DS18B20，其DQ端连接一4.7K的上拉电阻与CPU的I/O口相连。⑸显示电路：完成各参数的数字、状态显示。采用P180电路(应为共阳数码管，并串接限流电阻)。第1组：公历年4字、月2字、日2字。第2组：时2字、分2字及农历月2字、日2字。第3组：星期1字、室内温度3字、当日最低2字、最高气温2字(零下的“-”也用一个数码管显示，借温度的十位dp端驱动其g端)。第4～5组：东京等7个城市的时显示共14字。后部加2字天气状况显示。第6组：29种天气状况做成6字(每字5个状态，前2字加入第5组)和附加的20种天气状况4字(每字5个状态)，用点亮相应状况前的LED灯表示。第7～14组：8种房间的标准4字、当日房价4字，共64字。其中，因为秒调整比较困难，通常秒显示可以采取秒闪烁(两个LED灯点亮0.5秒、熄灭0.5秒)来表示，这时可直接用单片机的一个I/O口直接驱动，从而减少两个LED数码管。室内气温可以每分钟测量一次。结论：本系统显示电路共14组，需要112块74LS164芯片、105个数码管、51个发光二极管。⑹键盘电路：输入、修改有关参数。①参数设定A.非经常的一次性需要设定的参数年、月、日、时、分和标准房价B.每天需要调整的参数(每日零时根据天气预报调整)当天的气温、天气状况、房价。C.不需要调整的参数a.星期：星期是与年月日对应的参数，可通过计算法(公式、推理演算)或查表法得到。b.农历的月、日：与公历的年、月、日对应，也可通过计算法(公式、推理演算)或查表法得到。c.室内温度：即时测量值。②按键设置A.设定、确认键：开始、结束按键。B.工况选择键：按第1次选择调整当天天气状况，第2次是调整当天的气温、附加天气状况，第3次是调整当天房价，第4次是调整标准房价，第5次是调整年、月、日、时、分。五次一个轮回。把当天的有关工况调整放在前面进行是为了操作的方便，因为标准房价、时间是不需要经常调整的。C.状态选择键：a.在调整当天天气状况时：按第1次调整天气状况①，第2次是天气状况②，第3次是天气状况③，第4次是天气状况④，第5次是天气状况⑤，第6次是天气状况⑥，六次一个轮回。b.在调整当天气温、附加天气状况时：按第1次调整最低气温，第2次是最高气温，第3次是附加天气状况①，第4次是附加天气状况②，第5次是附加天气状况③，第6次是附加天气状况④，六次一个轮回。c.在调整当天房价时：按第1次调整总统套房房价，第2次是豪华套房房价，……，第8次是加铺价格。八次一个轮回。d.在调整标准房价时：同前。e.在调整时间时：按第1次调整时、分时间，第2次是月、日时间，第3次是年时间。三次一个轮回。把时、分调整放在前面进行是为了操作的方便，因为月、日、年时间是不需要经常调整的。选择到某种调整时，要求用闪烁方式(字段或点显示点亮0.5秒、熄灭0.5秒)显示准备调整的参数。D.数字调整键a.数字直接输入：需要0～9共10个按键。优点操作方便、编程容易，缺点按键多。b.数字逐位调整：只需加一、减一2个按键(也可只设置加一调整键)。如果要在本系统中大范围调整数值，可以在长按该键(例如3秒以上)后，数字快速调整(例如每秒上升或下调若干数位)，这可通过软件编程来实现。优点按键少，缺点操作较难、程序复杂。调整是应注意参数的表示范围，如0～59秒、分，0～12或24时，1～28、29、30日、31，1～12月，2000～2099年，室外温度-40～50℃，房价50～9999元，天气状况1～29与附加天气状况为1～5等。具体操作时，设置键按下激活工况键；工况键已按激活状态键；状态键已按激活数字键。确认键按下恢复初态。结论：考虑操作者的操作方便，本系统采用14个按键，可考虑按矩阵结构设计键盘。教材P100电路。

⑺电源电路：系统电源供给(此处暂不考虑)。⑻WTD电路：程序运行监控(此处暂不考虑)。2.电原理图设计按照电路框图要求，在Protel软件下启动原理图编辑器，按相关步骤设计电原理图。电源采用成品开关电源。晶振频率选12MHZ，/EA接VCC。为达到去耦和增强滤波效果，所有IC的电源VCC、地GND之间均需加接旁路高频电容，CMOS芯片0.01µF，TTL芯片0.1µF。①秒闪烁电路：输出口，占用P2.7。②温度测量电路：输入/输出口，占用P3.7，需要加接4.7K上拉电阻。③键盘4×4电路：占用P0口，需要接8个(可4个)10K上拉电阻。其中P0.0～P0.3输出，P0.4～P0.7输入。输入输出CLEARCLOCKABQAQB……QHL×××LLLHL××QA0QB0QH0H↑HHHQANQGNH↑L×LQANQGNH↑×LLQANQGN④显示电路(设计重点)：每组显示均有2个信号，14组需要28根I/O信号线，如何解决？74LS164真值表如下：方法：数据输出线并接，移位时钟线单接。其中P1.0～P1.7和P2.0～P2.5分别连接第1～第14组的移位时钟端，P2.6并接所有数据端。数据输出时，由软件控制产生移位时钟输出信号。俗称模拟串口。3.系统成品结构与外观设计4.印刷电路板设计在设计好电原理图和系统成品结构与外观设计基础上，按照用途和摆放位置，视情况确定设计：主板一块〔包括CPU、晶振电路、复位电路、部分显示电路(如公历的年、月、日、时、分，农历的月、日，星期，当日最高、最低气温，室内温度等显示、测温电路插座、显示板连接插座若干、键盘插座、电源插座等〕。键盘板一块。通用显示板若干块(如天气状态板10块，每块5个状态；世界时显示板7块，每块1个城市；标准、当天房价显示板8块)。然后在Protel软件下启动PCB板编辑器，按相关步骤分别设计各印刷电路板。设计时要求：①布线合理、美观；②根据电流大小选择合适的线宽；③主板及各显示板的VCC、GND分别由开关电源处引入，各VCC、GND接入处加装适当容量的电解电容加强滤波效果，一般按1000μF/1A设计。这一情况应反映到电原理图中。由于显示板品种多、重板多，所以主板和各显示板电原理图可分开设计，显示电路只需要在主板电路上用框图标明连接方式即可。这一做法简化了图纸，可读性也强。④考虑印刷电路板本身组装与外部安装问题。四、软件设计㈠设计准备1.计时方式设计计时基准：Tj＝12/12MHZ=1µs为使计时准确，选用T0的8b自动重装常数的定时/计数方式2进行定时。在8b状态下，便于凑成计时1s的最长定时时间Tmax为250µs，则计数初值a可计算如下：

TH0=TL0=a＝256-250µs×12MHZ/12=6方式字：TMOD=02H，中断入口地址：000BH，并且1s=250µs×4000=250µs×200×200.5s=250µs×4000=250µs×200×102.初步确定内存分配⑴堆栈区60H～7FHDZEQU5FH⑵显示缓冲区50H～57HXS0EQU50HXS1EQU51HXS2EQU52HXS3EQU53HXS4EQU54HXS5EQU55HXS6EQU56HXS7EQU57H⑶工作寄存器区：0区、1区⑷位标志区：20H、21H标志可以事先考虑，也可在编程过程中逐步建立。各标志必须定义，以便于编程和修改。KSZBZEQU00H；设置键有效标志。用于键盘导航H05SBZEQU01H；0.5秒标志。用于秒闪烁、参数；调整时闪烁HFBZEQU02H；分标志。用于测温HSBZEQU03H；时标志。用于调整世界时HRBZEQU04H；日标志。用于星期、农历调整以上标志“1”有效，“0”无效。具体操作时，设置键按下，则KSZBZ有效，才能激活工况键；工况键已按，才能激活状态键；状态键已按，才能激活数字键。确认键按下，设置键KSZBZ标志位单元和工况键KGK、状态键KZT字节单元均清“0”，恢复初态。⑸数据暂存区：80H～C4HHGLNGEQU80H；⑴压缩BCD数据存放HGLNDEQU81H；公历年、月、日、时、分、秒HGLYEQU82HHGLREQU83HHGLSEQU84H；⑵HGLFEQU85HHGLMEQU86HHNLYEQU87H；农历月、日HNLREQU88HHXQEQU89H；⑶星期TSWGEQU8AH；室内温度符号、十位数据TSWDEQU8BH；个位、小数数据TZGHEQU8CH；最高气温低4位符号TZGSEQU8DH；十位、个位数据TZDHEQU8EH；最低气温TZDSEQU8FHTDJSEQU90H；⑷世界时TMSKSEQU91HTNYSEQU92HTXNSEQU93HTLDSEQU94H；⑸TKPDSEQU95HTBXLYSEQU96HW1EQU97H；天气状况低5位有效，对应5种状W2EQU98H；态，“1”表示是，“0”表示否，W3EQU99H；⑹通过循环移位改变状态。W4EQU9AH；天气状况可以通过位寻址方式W5EQU9BH；的位标志来表示，这时必须在W6EQU9CH；20H～2FH等单元内实现。WFJ1EQU9DH；附加天气状况WFJ2EQU9EH；W1～W6只能29选1，WFJ3EQU9FH；WFJ1～WFJ4均为5选1。WFJ4EQUA0HPBZ1GEQUA1H；⑺标准房价千、百数据PBZ1DEQUA2H；十、个数据PBZ2GEQUA3HPBZ2DEQUA4HPBZ3GEQUA5H；⑻PBZ3DEQUA6HPBZ4GEQUA7HPBZ4D