第11章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例

1、第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用設計實例單片機應用設計實例單片機應用系統(tǒng)設計步驟單片機應用系統(tǒng)設計步驟單片機應用系統(tǒng)設計方法單片機應用系統(tǒng)設計方法第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第一節(jié)單片機應用系統(tǒng)的研發(fā)步驟11.1 11.1 研發(fā)步驟研發(fā)步驟方案論證與總體設計硬件設計與調試軟件設計與調試系統(tǒng)調試、測試與運行第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第一節(jié)單片機應用系統(tǒng)的研發(fā)步驟11.1.1 11.1.1 方案論證與總體設計 在進行方案論證與總體設計時，應對系統(tǒng)的任務、控制對象、硬

2、件資源和工作環(huán)境作出周密的調查研究，明確系統(tǒng)功能定位、成本要求、開發(fā)周期以及各項指標的要求，如被控對象的調節(jié)精度，跟蹤速度，可靠性等級，待測脈沖信號的寬度、待測模擬信號的頻譜特征等。對存儲容量，地址分配、I/O接口和出錯處理給出符合實際的明確定義 。 第一節(jié)單片機應用系統(tǒng)的研發(fā)步驟第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例11.1.2 11.1.2 硬件設計與調試硬件設計與調試 硬件設計是根據總體設計要求，在選擇完單片機機型的基礎上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的所有元器件，并設計系統(tǒng)的電路原理圖，經過必要的實驗后完成PCB布局布線設計、電路板制作和樣機的組裝，以及硬件設

3、計的驗證工作。 在硬件設計時，特別要注意單片機晶振頻率和運行速度的選擇 ，性能指標的協調優(yōu)化 ，以及電壓、電流浪涌抑制措施和接口電路的電平、驅動能力的匹配等。第一節(jié)單片機應用系統(tǒng)的研發(fā)步驟第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例11.1.3 11.1.3 軟件設計與調試軟件設計與調試 軟件設計通常包括程序整體架構的規(guī)劃、程序流程圖設計、程序單元模塊的編輯調試、系統(tǒng)功能調試等階段 。特別是在多人協同編寫程序時，不同成員之間的程序必須要規(guī)劃好單片機資源的有序使用，如單片機內外RAM、定時器、中斷等，否則不同程序模塊將無法進行有機融合。程序設計采用模塊化思想，不同模

4、塊之間最好通過子程序調用、中斷等方法實現轉移，盡量少用跳轉語句。第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第一節(jié)單片機應用系統(tǒng)的研發(fā)步驟11.1.4 11.1.4 系統(tǒng)調試、測試與運行系統(tǒng)調試、測試與運行 在系統(tǒng)調試階段，考查的重點是解決本系統(tǒng)與其它設備的連接適應性、外觀造型與機箱結構設計、長期運行可靠性、發(fā)熱情況的影響等。測試不僅包括定性測試，更要做嚴格的定量測試，以確保精度、速度等滿足設計指標，還要進行安全測試、EMC測試、高低溫工作與存儲等耐候性測試，以便于及早發(fā)現設計中的不足并改進。正式投產之前，還要進行一定數量的試生產，以驗證批量產品的一致性、是否適合批量

5、生產工藝等。第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2 11.2 硬件設計過程硬件設計過程主要器件選型原理圖設計確定器件封裝PCB圖設計制板與調試第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2.1 11.2.1 選型要考慮的因素選型要考慮的因素 器件的極限工作參數如：承受的最大工作電壓、電流、功率等。極限工作參數通常是元器件所能承受的極限值，意味著超過這個極限范圍，將導致器件損壞。而正常工作參數則是確保元器件正常工作的參數范圍，兩者概念有明顯的不同。如MAX7219芯

6、片，極限電壓范圍為-0.36V，超過此電壓范圍將會把芯片燒毀，即使沒超出此范圍，芯片也未必能正常工作；而該芯片的正常工作電壓為4.05.5V，說明只有電源電壓在該范圍內，芯片才能正常工作。 1.器件的極限工作參數第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法2.器件的常規(guī)工作參數11.2.1 11.2.1 選型要考慮的因素選型要考慮的因素 器件的常規(guī)工作參數，即一般電氣特性，如確保器件正常工作的額定電壓范圍，器件的帶寬，輸出信號的范圍等。比如運算放大器，LM324的輸出電壓比其電源電壓低至少1V以上，而運放LPV324的輸出電壓卻可以基

7、本達到和電源電壓相等（滿擺幅）。因此，在進行設計選型時務必要注意這些參數對設計的影響。第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法3.器件的額定功率11.2.1 11.2.1 選型要考慮的因素選型要考慮的因素 對于電子器件而言，功率的最基本計算方法就是對器件瞬時電壓、電流的乘積后再積分。如三極管MJE13007的額定功率為80W，并不意味著在實際電路中就可以讓其承受80W的功率，而是必須考慮這個器件的散熱條件和工作環(huán)境溫度等因素確定其實際能夠承受的功率。其它器件也類似，其實際所承受的功率往往比其額定值低很多，最基本的確定原則就是該器件的實

8、際最高溫度不能超過其規(guī)定的額定溫度。第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法4.器件的溫度范圍11.2.1 11.2.1 選型要考慮的因素選型要考慮的因素 器件的溫度范圍通常包括工作溫度范圍和存儲溫度范圍。注意：即使在允許的工作范圍內，器件的性能參數也會隨著溫度的變化而變化的。比如通常的電阻在70 以內額定功率不變，但超過70 額定功率就會逐漸降低。而由于溫度系數的影響，只要溫度有變化，電阻的阻值就會隨之變化。這都是器件本身的屬性，在設計時需要根據產品的實際溫度范圍合理選擇器件和評估溫度對器件參數的影響。第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設

9、計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法5.器件的封裝11.2.1 11.2.1 選型要考慮的因素選型要考慮的因素 通常器件的完整型號中已經包含了封裝的信息，封裝對PCB的設計有非常重要的影響，如CPLD芯片EPM1270系列既有TQFP封裝，也有BGA封裝，前者通過2層板就能完成PCB設計，而后者則需要4層板以上才可以。因此，不同的封裝選型對PCB設計、產品的成本、焊接工藝等均有直接關系，需要根據項目的實際需要和現實條件選擇。第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2.2 11.2.2 軟件設

10、計注意事項軟件設計注意事項主程序通常是一個死循環(huán)體；循環(huán)體執(zhí)行一次所用的時間，即執(zhí)行周期，通常不是固定不變的，但存在一最小值；對需要快速響應的事件，盡量采用中斷的方法；中斷服務程序盡可能簡潔；有些事件，既可直接放在主循環(huán)體循環(huán)執(zhí)行，也可通過中斷觸發(fā)執(zhí)行，如按鍵掃描，顯示刷新等。第11章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2.3 11.2.3 抗干擾設計的措施抗干擾設計的措施1.去耦濾波 去耦濾波：通常加在集成電路的電源和地引腳之間，用于抵抗由于集成電路輸出電壓、電流的變化導致電源的波動。通常是在芯片的電源引腳處加一個微法級以上的電解電容和一個0.01uF左右的瓷介

11、電容，前者用于濾除低頻噪聲，后者用于濾除高頻噪聲。注意，這兩個電容不僅僅是容量方面的區(qū)別，更主要的是電容介質材料的區(qū)別。第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2.3 11.2.3 抗干擾設計的措施抗干擾設計的措施2.抑制浪涌 受周圍大功率用電設備的啟停及雷電等影響，在產品交流進線處經常存在遠遠高于正常工作電壓的浪涌電壓（如圖），或由于產品內部短路、啟動沖擊等造成交流進線處有很大的浪涌電流，及時有效抑制浪涌電壓和電流是保證產品正常工作的必要條件。抑制浪涌電壓可以選用TVS管、壓敏電阻等，抑制浪涌電流可以選用熱敏電阻，自恢復保險絲

12、等。第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2.3 11.2.3 抗干擾設計的措施抗干擾設計的措施3.接地 接地分為兩大類：一是真正的接大地，如設備的機箱外殼、機架等裸露的金屬部分均要求通過較低阻抗接入大地，這也稱為安全地，主要為確保接觸設備的人的安全而設置。二是工作地，即設備用電回路的電壓參考點。工作地是為保障電路系統(tǒng)正常工作而設置，一個設備中如果有多個獨立電源及用電回路，就存在多個工作地。第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2.3 11.2.3 抗

13、干擾設計的措施抗干擾設計的措施續(xù)續(xù)3.接地 一個單片機應用系統(tǒng)，通常既有安全地又有工作地，而且如果單片機控制功率較大的用電設備，如繼電器、電磁閥、壓控電流設備等，這些用電器的供電也存在工作地，稱為功率地。通常單片機等弱信號工作地與功率地應進行隔離，如果不能隔離，則必須采用單點接地技術。正確接地錯誤接地第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2.3 11.2.3 抗干擾設計的措施抗干擾設計的措施4.屏蔽 高頻電源、交流電源、強電設備產生的電火花，甚至雷電、手機都能產生電磁被，從而成為電磁干擾的噪聲源。當距離較近時，電磁波會通過分布

14、電容和電感混合到信號回路而形成電磁干擾；當距離較遠時，電磁波則以輻射形式構成干擾。以金屬板、金屬網或金屬盒構成的屏蔽體能有效地對付電磁波的干擾。屏蔽體以反射方式和吸收方式來削弱電磁波，從而形成對電磁波的屏蔽作用。 第第11章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2.3 11.2.3 抗干擾設計的措施抗干擾設計的措施5.隔離 用于抗干擾的隔離技術主要是光電隔離，目的是割斷兩個電路的電氣聯系，使之相互獨立，從而也就割斷了噪聲從一個電路進入另一個電路的通路。實現光電隔離的最基本器件是光電耦合器（光耦），他還可以實現電平轉換。電平轉換光耦第第1

15、1章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第二節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計方法11.2.3 11.2.3 抗干擾設計的措施抗干擾設計的措施6.反電勢干擾的抑制 在單片機的應用系統(tǒng)中，常使用如繼電器、電動機、電磁閥等具有較大電感量的元件或設備。當電感回路的電流被切斷時，會產生很大的反電勢而形成噪聲干擾。這種噪聲不但產生電磁場干擾其他回路，而且還可能擊穿電路中晶體管之類的器件。 常用的抑制方法是在線圈的兩端并聯二極管、穩(wěn)壓管或阻容回路，以抑制線圈斷開后的瞬時高電壓。第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例 公交車輛的合

16、理調度需要準確知道車輛所在線路客流在一定時間段內的分布，公交車車上人數統(tǒng)計器就是為此設計，主要實現實時統(tǒng)計當前車內的人數并顯示。這些數據經過存儲、匯總、分析等，即可知道客流的變化規(guī)律。11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例1：公交車車上人數統(tǒng)計器功能 公交車內的人數一般不會超過100人，采用2位LED數碼管顯示即可，當前車內人數=總上車人數-總下車人數，因此，只要能夠分別檢測旅客上車和下車的信息，即可進行統(tǒng)計，為此規(guī)定公交車的前門上車，后門下車，分別在上車門和下車門上安裝開關型傳感器，人每經過上車門或下車門，即發(fā)出一個脈沖進入到單片機。信號以中斷的方式進行檢測，上車門檢測到脈沖，

17、車上人數加1，下車門檢測到脈沖，車上人數減1。總體設計第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例1：公交車車上人數統(tǒng)計器第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例1：公交車車上人數統(tǒng)計器原理圖第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例1：公交車車上人數統(tǒng)計器

18、 單片機程序采用C51編寫，分為預定義、主程序、子程序和中斷程序等?？傮w設計#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char int num;/數碼管字型碼uchar code table= 0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f, 0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71;/函數聲明void delay(uint z);void display(int a)；預定義void main( ) EA=1; /開總中

19、斷 EX0=1; /開外部中斷0 EX1=1; /開外部中斷1 IT0=1； /下降沿觸發(fā) IT1=1； num=0; while(1) /當計數小于0或大于99時則清零 if(num99) num=0; display(num); 主程序第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例1：公交車車上人數統(tǒng)計器/延時子程序void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=100;y0;y-);/數碼管動態(tài)顯示子程序void display

20、(int a) uint ge, shi; ge=a%10; shi=a/10; p20=0; /數碼管位選 p0=tableshi; /向p0口送顯示數據的十位 delay(10); p20=1; p21=0; /數碼管位選 p0=tablege; /向p0口送顯示數據的個位 p21=1;子序程/外部中斷0void exter0( ) interrupt 0 num+;/外部中斷1void exter1( ) interrupt 2 num-；中斷序程第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系

21、統(tǒng)設計實例實例2：數字電壓表 利用ADC0809實現測量值為05V的電壓，基準電壓采用+5V電源電壓。由于ADC0809為8位AD轉換器，則AD采樣的最小分辨電壓為5/256=0.02V，即20mV。由此可知，顯示的電壓值只要小數點后保留2位即可。本實例采用4位數碼管顯示，其中最左邊為符號位，其次是顯示電壓的個位和十分位、百分位?？傮w設計第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例2：數字電壓表對采集到的數字量按下式處理5256XVx 提取Vx的個位、十分位和百分位后顯示即可。涉及無

22、符號兩字節(jié)乘法運算和兩字節(jié)除法運算，比較麻煩。 算法1第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例505256XXVx算法2 得到的整數部分就是采樣電壓的個位值，得到的余數再除以5，結果的整數部分為十分位，結果的余數即為百分位。算法非常簡單，但誤差相對較大，相對誤差約2%。本設計采用算法2的流程圖如圖所示。實例2：數字電壓表第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例2：數字電

23、壓表原理圖第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例2：數字電壓表 程序分為預定義、主程序、子程序三個部分。采用匯編語言設計。;存放三個數碼管的段碼 LED1 EQU 30H LED2 EQU 31H LED3 EQU 32H;存放采樣數據 ADC EQU 35H ST BIT P3.2 OE BIT P3.0 EOC BIT P3.1預定義第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3.11.3.系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設

24、計實例實例2：數字電壓表 ORG 0000H LJMP MAIN ;跳轉到主程序執(zhí)行 ORG 0030HMAIN： MOV LED1，#00H MOV LED2，#00H MOV LED3，#00H ;寄存器初始化 CLR P3.4 SETB P3.5 CLR P3.6 ;選擇模擬量輸入通道WAIT： CLR ST SETB ST CLR ST ;在脈沖下降沿啟動AD轉換 JNB EOC，$ ;等待轉換結束 SETB OE ;允許輸出信號 MOV ADC，P1 ;暫存模數轉換結果 CLR OE ;關閉輸出 MOV A，ADC MOV B，#50 DIV AB MOV LED1，A ;個位值送顯

25、示緩沖區(qū)LED1 MOV A，B MOV B，#5 DIV AB MOV LED2，A ;將十分位值送LED2 MOV LED3，B ;最后的余數作百分位值送LED3 LCALL DISP ;調用顯示程序 AJMP WAIT主程序第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例2：數字電壓表DISP： MOV R1，#LED1 GO： MOV R2，#3 ;顯示位數賦初值，用到3位數碼管 MOV R3，#0FDH ;掃描初值送R3DISP1： MOV A，R1 ;顯示值送A MOV DP

26、TR，#TAB ;送表首地址給DPTR MOVC A，A+DPTR ;查表取段碼 CJNE R2，#3，GO1 ;判斷是否個位數碼管?否，則跳到GO1 ORL A,#80H ;將整數的數碼管顯示小數點GO1： MOV P0，A ;送段碼給P0口 MOV A，R3 MOV P2，A ;送位碼給P2口 LCALL DELAY ;調用延時 RL A MOV R3，A INC R1 ;改變位碼 DJNZ R2，DISP1 ;三位是否顯示完？否，則跳到DISP1 RETDELAY： MOV R6，#10 D1： MOV R7，#250 DJNZ R7，$ DJNZ R6，D1 RETTAB： ;共陰極數碼管的顯示碼表 DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H DB 6DH，7DH，07H，7FH，6FH END子程序第第1111章章 單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例單片機應用系統(tǒng)設計方法與實例第三節(jié) 單片機應用系統(tǒng)設計實例11.3. 11.3. 系統(tǒng)設計實例系統(tǒng)設計實例實例3：水塔水位控制器 水塔是居民供水裝置，當水塔水位低到一定程度時，需要及時啟動水泵注水，當水位達到一定高度后，要及時停止水泵。本設計由單片機檢測水位的變化并進一步控制水泵。在水塔的不同高度安裝3根金屬棒A、B、C，由于自來水具有一定的導電