第15章MCS-51单片机应用系统的设计、开发与调试.ppt

1、第15章MCS-51单片机应用系统的设计、开发和调试，第15.1章MCS-51单片机应用系统的设计步骤设计单片机测控系统，一般可分为四个步骤：(1)需求分析、方案论证和总体设计阶段需求分析3360型测控参数(电量、非电量、模拟量、数字量等)。)、测控参数范围、性能指标和系统方案论证：根据要求设计满足现场条件的软硬件方案，使系统简单、经济、可靠，这是方案论证和总体设计中始终坚持的原则。(2)器件选择、电路设计、数据处理和软件编译。(3)系统调试和性能测量。(4)文档，15.2应用系统的硬件设计(1)单片机系统扩展部分的设计包括内存扩展和输入输出接口扩展。内存扩展指的是可编程只读存储器、可编程只读

2、存储器和随机存取存储器的扩展，输入输出接口扩展指的是8255、8155、8279等输入输出功能设备的扩展。它们都属于单片机系统的扩展。它已经在前面介绍过了。(2)各功能模块的设计，如信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通信功能模块等。并根据系统功能要求配置相应的外围设备，如A/D、D/A、键盘、显示器和打印机。1、尽可能使用功能强大的芯片。(1)单片机可以优先考虑片上带闪存的产品。例如ATMEL公司的89C51/89C52/89C55。使用这种芯片可以节省扩展单片机程序存储器的工作，从而减少芯片数量，减小体积。(2)可编程只读存储器空间和随机存取存储器空间。目前，电子顺磁共振

3、的容量越来越大，所以一般尽可能选择大容量的电子顺磁共振。(3)输入/输出端口。(4)模拟/数字和数字/模拟通道。用软的代替硬的。3.流程设计。15.3应用系统的软件设计(1)根据软件的功能要求，系统软件分为几个相对独立的部分。(2)每一个功能程序都被模块化和替代化。便于调试、链接、移植和修改。(3)编写应用软件前，应绘制程序流程图。这不仅是编程的重要部分，也是决定成败的关键部分。(4)合理分配系统资源，包括只读存储器、随机存取存储器、定时器/计数器、中断源等。其中最关键的是片上内存分配。对于8031来说，片上内存指的是00H7FH单元，这128个字节的功能并不完全相同，所以有必要充分发挥其特色

4、，物尽其用。15.4 MCS-51单片机系统介绍了一些基本的单片机应用系统，供设计时参考。15 . 4 . 1 8031的最小系统8031没有片上程序存储器，因此其最小应用系统必须将可编程只读存储器扩展到芯片之外，并且必须具有复位和时钟电路。图15-1显示了8031扩展程序内存的最小应用系统。该系统仅完成数字输入和输出控制。15 . 4 . 2 89C 51最小系统，15.4.3以单片机为核心的数据采集系统1。数据采集系统的组成数据采集系统一般由信号调理电路、多路开关电路、采样保持电路、模数转换器、中央处理器、随机存储器和可编程只读存储器组成。其原理框图如图15-3所示。1.信号调理电路是传感

5、器和模数转换器之间的桥梁，是测控系统的重要组成部分。主要功能：(1)目前，标准化工业仪表通常使用010毫安和420毫安信号，这些信号通过输入/输出转换器转换成电压信号，以适应模数转换的输入形式.(2)一些测量信号可能是非电的，并且这些非电压信号必须被转换成电压信号，并且一些信号，即使它们是电压信号，也必须被放大和滤波。这些过程包括信号形式转换、范围调整、环境补偿、线性化等。(3)在一些恶劣条件下，共模电压干扰很强，如共模电平高达220伏，没有隔离就无法完成数据采集任务。因此，有必要考虑共模干扰的抑制综上所述，非电转换、信号形式转换、放大、滤波、共模抑制和隔离是信号调理的主要功能。信号调理电路包

6、括电桥、放大器、滤波器、隔离等电路。根据不同的调理对象，采用不同的电路。桥式电路的典型应用之一是热阻温度测量。信号放大电路通常由运算放大器承担。运算放大器的选择主要考虑精度要求(失调和失调温度漂移)、速度要求(带宽、上升速率)、幅度要求(工作电压范围和增益)和共模抑制要求。滤波和限幅电路通常使用二极管、电压调节器、电容器和其他器件。采用二极管和稳压器的限幅方法会产生一定的非线性，降低灵敏度，可以通过后级增益调整和非线性校正进行补偿。2.多通道开关电路3。采样保持电路4。模数转换2。数据采集系统设计中的地址空间分配和总线驱动有时需要扩展多个存储芯片，需要解决两个问题：(1)如何为每个芯片分配两个

7、64K的存储空间；(2)如何解决驱动多个芯片的问题。1.地址空间分配图15-4是全地址解码的系统示例。每个器件芯片对应的地址如表15-1所示。表15-1每个扩展芯片的地址，2个总线驱动器，常用的单向总线驱动器是74LS244。图15-6是74LS244的引脚和逻辑图。八个三态线驱动器分为两组，分别由1和2控制。常用的双向驱动器是74LS245，其引脚和逻辑图如图15-7所示。十六个三态门构成每两个三态门的一个双向驱动。(1)DC负载下驾驶员驾驶能力的评估驾驶员的驾驶能力主要取决于驾驶员在高电平输出时能提供的最大电流和在低电平输出时能吸收的最大电流。现在，IOH是驱动器在高电平输出时的最大输出电

8、流，IIH是同一类型的每个栅极负载吸收的电流。IOL是驱动器在低电平输出时的最大吸入电流，而IIL是驱动器需要为同一类型的每个门提供的吸入电流。显然，只有满足以下关系，驱动程序才能可靠地工作。当IOH=15mA，IOL=24毫安，IIH=0.1毫安，IIL=0.2毫安，N1=150，N2=120时得到。因此，驾驶员的实际驾驶能力应该是120个同类车门。(2)交流负载下的驱动能力评估总线上传输的数据是脉冲信号。当同一个门的负载是容性的(由分布电容引起)时，必须考虑电容的影响。如果CP是驱动器的最大驱动电容，则Ci(i=1，2，N)是同一类型的每个栅极的分布电容。为了满足类似栅极电容的交流效应，驱

9、动器负载电路应满足以下关系：如果Cp=15F且Ci不大于0.3F，则可根据上述公式获得N3=50。15.3.4应用设计实例1-水温控制系统设计，(1)温度控制的设定范围为3585，最小分辨率为0.1。(2)偏差为0.6，静态误差为0.4。(3)实时显示当前温度值。(4)命令键：五个：复位键、功能转换键、加一键和减一键。1.硬件电路设计硬件电路分为：(1)主机电路(2)数据采集电路(3)键盘、显示电路(4)控制执行电路(1)硬件功能结构框图硬件功能结构框图如图15-9所示。2数据采集电路的设计采用89C51作为上位机，12兆赫兹作为系统时钟，内置4K字节闪存。没有必要扩展程序内存。数据采集电路主

10、要由温度传感器、模数转换器和放大电路组成，如图15-10所示。3控制执行电路设计风扇或电炉由单片机输出控制。设计中应使用光电耦合器隔离强电流和弱电流，但输出信号应触发晶闸管接通风机或电炉电路。因此，晶闸管选择具有光电隔离和触发功能的MC3041(请参考第12.2.3节的介绍)。其中P1.0用于控制电动f表15-1四个键K1K4的定义，键S2与INT0* (P3.2)连接，采用外部中断方式，优先级设置为高优先级。K3和K4分别与P1.7和P1.6相连，采用软件查询方式。K1是复位键，与RC形成复位电路。在显示电路部分，利用串口实现3位发光二极管的同正静态显示，显示内容为温度十位、小数点后一位和一

11、位。第10.3.2节的相关内容介绍了利用串口实现发光二极管同正静态显示的工作原理和软件编程。二是软件设计的模块化设计，包括三个模块：主程序模块、功能实现模块和操作控制模块。1主程序模块主程序流程如图15-12所示。在主程序中，首先给出PID算法的参数值，然后循环显示当前温度以等待中断，并赋予键盘外部中断高优先级，使主程序能够实时响应键盘处理。软件将定时器T0设置为5s，当没有按键时，每5s响应一次，采集温度传感器的温度信号，并进行模数转换。将定时器T1设置为嵌套在T0中的定时中断，初始值由PID算法子程序提供，控制电炉或风机。功能实现模块(1)T1中断子程序(2)键盘中断子程序T0中断子程序3

12、操作控制模块(1)比例变换子程序(2)PID算法子程序(1)基本工作原理和功能仪表包括两部分：(1)流量计部分，有时也称为流量变送器；(2)流量计的附加装置，通常称为流量积算仪。整机原理框图如图15-13所示。15.3.5应用设计实例2智能涡街流量计的设计，2。硬件设计1。变送器，从传感器的角度来看，压力涡街流量计是一个压电测试系统。变送器的电子电路由完整的压电传感器信号调理电路组成，包括电荷放大级、偏置放大级、低通滤波器和施密特整形电路。电荷放大级属于静电测试系统，是仪器的核心部分。应采用高输入阻抗、高增益和低漂移的放大器。2.单片机系统结构和硬件配置根据设计要求，单片机应用系统包括：接收与

13、流量成正比的变送器发出的脉冲并计数的电路；显示器和键盘接口电路；温度和压力传感器发出的两个信号的数据处理和转换电路；TPP16打印机接口和报警二极管指示电路；转换驱动电路，用于控制与流量成比例的电流；外部存储器的扩展电路。单片机系统总体框图如图15-14所示，主要电路介绍如下：(1)显示/键盘接口，(2)打印机接口，(3)A/D和D/A转换器与单片机的接口，(3)外部存储器的扩展，(1)程序存储器的扩展，(2)数据存储器的扩展。程序设计1。主程序2。中断服务程序图15-20 3。功能框图程序框图15-21，15.4.1仿真开发系统简介1。仿真开发系统的功能应具备以下基本功能：(1)用户原型硬件

14、电路的诊断和检查(2)用户原型程序的输入和修改(3)程序运行和调试(单步运行，设置断点)(4)将程序固化到EPROM芯片中。不同的仿真开发系统必须具备上述基本功能，但对于一个完善的仿真开发系统来说，还应该具备：15.4单片机应用系统的开发与调试，以及(1)完整的开发软件。(2)跟踪、调试和运行的能力。(3)为了便于模块化软件调试，还应配置软件转储、程序文本打印功能和设备。2.模拟开发系统的类型1。通用计算机仿真开发系统。软件模拟开发系统，15.4.2用户原型开发和调试流程1。用户原型软件设计和调试用户原型软件设计和调试的过程如图15-23所示，可分为以下四个步骤：第一步是建立用户源程序。用户通

15、过开发系统的键盘、阴极射线管显示器和编辑软件WS，按照汇编语言源程序所要求的格式和语法，将源程序输入开发系统并存储在磁盘上。其次，在开发系统计算机上，用汇编程序汇编第一步输入的用户源程序，直到所有语法错误都被纠正。如果没有语法错误，继续下一步。第三步，动态在线调试。这一步调试用户的源程序。上面的第一步和第二步是一个纯软件运行过程，在这一步中，用户源程序必须在在线模拟器的配合下进行调试。用户程序分为与用户原型硬件无关的程序和与其原型密切相关的程序。第四步是通过EPROM编程器(也称为EPROM编写器)将调试好的用户程序固化在EPROM中。15.4.3用户原型1的硬件调试。静态调试静态调试分为两个

16、步骤：第一步是在用户样机通电前，使用万用表等工具，根据硬件逻辑设计图纸，仔细检查样机电路是否连接正确，检查元器件的型号、规格、安装是否符合要求。应特别注意电源系统的检查，防止电源短路和极性错误，重点检查系统总线(地址总线、数据总线和控制总线)。第二步是上电后检查每个芯片插座上相关引脚的电位，并仔细测量各点的电平是否正常，特别要注意8031插座各点的电位。如果电压过高，在线模拟器在线调试时会损坏在线模拟器。具体步骤如下：(1)检查电源；(2)检查各部件的电源；(3)检查相应芯片的逻辑关系；(2)检查内存，检查内存中的可编译程序，将其写入并再次读取，比较写入和读取的数据，如果发现错误，立即停止。插入内存芯片并执行以下程序：MOV，00H，MOV，DPTR，内存；第一个地址是循环：movxdptr，amovro，amovx a，dptrclr csubb a，r0jnzloop1 Inc dptrmova，ro Inc a sjmp循环1:错误停止，(3)检查I/O扩展接口，如果一块8255连接到外围端口，如果端口地址是B00003H，端口A在模式0中输入，端口B和C在模式0中输出，以下程序可用于检查：MOV DPTR，# 0B03H MOV A90H是模式控制字movxdptr，anopmovdptr，# 0b000h，movxa，