第12章 單片機應用系統(tǒng)設計

1、第第1212章章 單片機應用系統(tǒng)設計單片機應用系統(tǒng)設計12.1 單片機應用系統(tǒng)構成12.2 單片機應用系統(tǒng)設計方法12.2.1 需求分析12.2.2 可行性分析12.2.3 系統(tǒng)體系結構設計12.2.4 硬件設計12.2.5 軟件設計12.2.6綜合調試12.3 全自動洗衣機控制器設計12.3.1 需求分析12.3.2 可行性分析12.3.3系統(tǒng)體系結構設計12.3.4 硬件設計12.3.5軟件設計12.3.6 綜合調試單片機應用系統(tǒng)是以單片機為核心的軟硬件結合的智能系統(tǒng)，根據(jù)不同的應用目標，系統(tǒng)的構成、規(guī)模、功能、復雜程度都有差異，設計內容也不盡相同但系統(tǒng)的邏輯結構是相同的，設計方法是一致的

2、，設計過程中應遵循的規(guī)律和注意的問題是相似的設計開發(fā)高質量單片機應用系統(tǒng)的基礎:深入了解單片機應用系統(tǒng)的基本構成全面掌握單片機應用系統(tǒng)的設計方法12.1 單片機應用系統(tǒng)構成單片機從邏輯結構上看，任何單片機應用系統(tǒng)都可分為單片機、輸入通道、輸出通道、通信接口、人機接口等幾個部分。1.輸入通道指將被測信號正確合理輸入單片機所需的所有電路。主要任務是將被測信號轉化為單片機可以接收的標準數(shù)字信號。對于數(shù)字量，可以直接送入單片機；對于開關量，經過整形、隔離后送入單片機；對于模擬量，需要經過放大、A/D轉換后送入單片機；對于頻率信號，可以經隔離后送單片機在設計輸入通道時應注意以下問題信號形式多樣。干擾信號

3、多。電路性質復雜。2.輸出通道指將單片機輸出的數(shù)字信號轉化為控制對象需要的信號形式所需的所有電路。根據(jù)輸出控制對象的不同輸出電路可能是模擬電路或數(shù)字電路輸出信號可以是模擬信號或開關量在設計輸出通道時應注意以下問題功率隔離電路形式3.通信接口指單片機應用系統(tǒng)中的標準數(shù)字通信通道在多機系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)或與其他設備通信時，必須配置有標準的RS232、RS422/RS485通信接口或CAN現(xiàn)場總線的通信接口。單片機一般都提供串行通信接口，選擇合適的器件就能方便地將串行通信接口擴展成相應的RS232、RS422/RS485接口。在設計通信接口時應注意以下問題串行口通信協(xié)議。專用芯片傳輸距離4.人機對話人機

4、對話通道是“人機”聯(lián)系的主要手段常用的人機對話部件有鍵盤、顯示器、打印機等設計人機對話接口時應注意以下問題設備規(guī)模電路形式12.2 單片機應用系統(tǒng)設計方法 單片機應用系統(tǒng)設計過程一般包括需求分析、可行性分析、系統(tǒng)體系結構設計、軟/硬件設計、綜合調試等幾個步驟。12.2.2 可行性分析可行性分析是從原理、技術、需求、資金、材料、環(huán)境、研發(fā)/生產條件等方面分析論證產品開發(fā)研制的必要性及可行性，論證產品的經濟效益、社會效益和生態(tài)效益，決定產品的開發(fā)研制工作是否需要繼續(xù)進行下去可行性分析通常從以下幾個方面進行論證市場或用戶需求科學原理與技術資金、材料及研發(fā)/生產條件經濟效益、社會效益和生態(tài)效益現(xiàn)在的競

5、爭力與未來的生命力12.2.3 系統(tǒng)體系結構設計指產品由哪些功能模塊構成，實現(xiàn)哪些功能，怎樣實現(xiàn)這些功能。主要包括軟硬件功能分配、技術路線、核心器件的選型等內容。系統(tǒng)體系結構決定產品的綜合性能，要從正確性、可行性、先進性、可用性和經濟性等多個角度綜合考慮。體系結構可以用邏輯框圖明確表述。體系結構設計時應注意以下問題硬件和軟件功能劃分技術路線核心器件選擇12.2.4 硬件設計硬件設計的任務主要包括硬件功能模塊劃分、電路原理圖設計、系統(tǒng)仿真、印刷電路板（PCB板）繪制、元器件的焊接與測試硬件系統(tǒng)設計應采用模塊化系統(tǒng)原理圖的設計是硬件設計最重要的一步在PCB板設計過程中要充分考慮元器件分放位置的合理

6、性在產品開發(fā)時，IC芯片多采用焊接插座的方法，如果是批量生產，除了易損壞的IC芯片外，應把IC芯片直接焊在PCB板上。硬件電路焊接完成后，就可以進行測試。最好的測試方法是分模塊進行，再進行綜合調試。硬件設計原則盡可能選擇典型通用的電路，并符合單片機的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化奠定良好的基礎。系統(tǒng)的擴展與外圍設備配置應在滿足應用系統(tǒng)當前功能的同時，留有適當余地，便于以后產品升級和功能擴充。硬件結構應結合軟件方案一并考慮。元器件性能要匹配。單片機外圍電路較多時，必須考慮驅動能力。設計一個較復雜的系統(tǒng)時，要考慮把硬件系統(tǒng)設計成模塊化結構。電源系統(tǒng)采用穩(wěn)壓、隔離、濾波、屏蔽和去耦措施。采用交

7、流穩(wěn)壓器，以防止電網欠壓或過壓；采用初次級雙層屏蔽的隔離變壓器，以提高系統(tǒng)抗共模干擾的能力；采用低通濾波器，以除去電網中的高次諧波；濾波器要加屏蔽外殼，以防止感應和輻射耦合；在電源的不同部分（如每個芯片的電源）配置去耦電容，消除以各種途徑進入電源中的高頻干擾。選擇可靠性高的專用器件。這是保護系統(tǒng)安全運行的有效手段。對輸入輸出通道進行光電隔離，以防止干擾信號從I/O通道進入系統(tǒng)而導致系統(tǒng)程序跑飛（死機）。對于閑置的I/O口或輸入引腳，不要懸空，可直接接地或接電源。PCB設計原則晶振必須盡可能靠近CPU晶振引腳，且晶振電路下方不能走線，最好在晶振電路下方放置一個與地線相連的屏蔽層。 在雙面印制板上

8、，電源線和地線應安排在不同的面上，且平行走線，這樣寄生電容將起濾波作用。對于功耗較大的數(shù)字電路芯片，如CPU、驅動器等應采用單點接地方式，即這類芯片電源、地線應單獨走線，并直接接到印制板電源、地線入口處。電源線和地線寬度盡可能大一些。模擬信號和數(shù)字信號不能共地，即采用單點接地方式。在中低頻應用系統(tǒng)(晶振頻率小于20 MHz)中，走線轉角可取45；在高頻系統(tǒng)中，必要時可選擇圓角模式。盡量避免使用90轉角。 對于輸入信號線，走線盡可能短，必要時在信號線兩側放置地線屏蔽，防止可能出現(xiàn)的干擾；不同信號線避免平行走線，上下兩面的信號線最好交叉走線，相互干擾可減到最小。合理分區(qū)。系統(tǒng)電路可以分為三類：模擬

9、電路、數(shù)字電路和功率驅動電路。模擬地和數(shù)字地分開走線，最后在一點處匯合（一點接地）。功率驅動電路的地線也要單獨接地，以減少相互干擾。I/O驅動器件和功率放大器件盡量放在電路板邊緣，靠近引出接插件。時鐘振蕩電路要用地線隔離起來。時鐘電路是系統(tǒng)中的主要輻射源。晶振外殼接地，時鐘線盡量短。在單面板和雙面板設計中，電源線和地線盡量粗些，以確保能通過大電流。元器件選擇原則在硬件電路成本允許的情況下，盡可能選擇集成度高、功能完備的芯片對于需要大批量生產的產品，一定要選用通用性強、供貨渠道充足的元器件整個系統(tǒng)中相關的器件要盡可能做到性能匹配選擇元器件時應遵從以下原則性能參數(shù)和經濟性通用性速度匹配電路類型硬件

10、電路調試方法硬件設計完成后，要進行調試。硬件調試的任務是排查硬件電路故障，包括設計性錯誤和工藝性故障。硬件調試可按靜態(tài)調試和動態(tài)調試兩步進行靜態(tài)調試方法如下不加電檢查加電檢查動態(tài)調試方法如下把硬件系統(tǒng)按功能分為若干模塊，并逐一調試編制相應模塊的測試程序，并在開發(fā)系統(tǒng)上運行測試程序，觀察被調模塊電路工作是否正常依次排除各功能模塊的故障12.2.5 軟件設計軟件設計的任務主要包括編程語言的選擇、軟件任務劃分、算法設計、程序編寫與調試等編程語言不僅有匯編語言，還有一些高級語言開發(fā)軟件的明智選擇是盡可能采用模塊化結構軟件設計原則結構清晰、簡捷、流程合理、正確各功能程序模塊化程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)規(guī)劃合

11、理運行狀態(tài)標志化經過調試修改后的程序應進行規(guī)范化設置冗余指令設置軟件陷阱采用“看門狗”（WATCHDOG）軟件調試方法軟件調試的任務是通過對系統(tǒng)應用程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中的語法及邏輯錯誤，并加以糾正應用程序必須在聯(lián)機狀態(tài)下進行仿真調試先單步/斷點，后連續(xù)。單步運行可以方便地觀察程序中每條指令執(zhí)行的情況，從而確定是硬件錯誤、數(shù)據(jù)錯誤還是程序設計錯誤先獨立，后聯(lián)合。將各個軟件模塊獨立仿真調試。當各個程序模塊都調試成功后，再將所有模塊連接起來進行聯(lián)調，以解決在程序模塊連接中可能出現(xiàn)的邏輯錯誤12.2.6綜合調試系統(tǒng)軟件、硬件獨立調試成功后，可將程序固化到程序存儲器中，用單片機芯片替換仿真

12、器，進行系統(tǒng)脫機綜合運行，檢查系統(tǒng)軟硬件的結合錯誤。若綜合測試正常，則可進行產品的安裝運行。綜合調試出現(xiàn)錯誤，就要針對出現(xiàn)的問題形式、性質，分析修改硬件、軟件或體系設計方案，直至系統(tǒng)運行正常為止。綜合調試完成后，可將樣機拿到工作現(xiàn)場進行測試，進一步暴露問題。經過現(xiàn)場運行、調試后，確認系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，并己達到設計要求，產品即可定型?？梢哉碣Y料，編寫技術說明書，進行產品鑒定或驗收。投入批量生產、銷售。12.3 全自動洗衣機控制器設計12.3.1 需求分析自從洗衣機發(fā)明以后，由于其操作方便、安全可靠，既節(jié)省了手工洗衣所需的體力，又節(jié)省了手工洗衣所需的時間，徹底把人們從繁重的洗衣家務中解脫出來，

13、大大提高了人們的生活質量，因此倍受人們青睞。但隨著人們生活質量的不斷提高，全自動洗衣機是消費者追捧的對象。 市場調查表明：目前全世界洗衣機年總產量近5000萬臺，全自動洗衣機的產量和比例呈逐年增長趨勢。2009年，全自動洗衣機在中國增長40%左右，在日本、意大利、英國分別增長20%、50%、71%。 由此可見，無論從用戶需求還是市場需求，全自動洗衣機都有巨大的發(fā)展空間。市場需要全自動洗衣機，用戶需要全自動洗衣機。12.3.2 可行性分析 全自動洗衣機主要通過單片機執(zhí)行程序完成洗衣流程的自動化，科學原理明確，設計、制造技術成熟，不存在技術障礙；全自動洗衣機控制器不需特殊材料，不需要特殊的設計、開

14、發(fā)、生產環(huán)境；生產洗衣機控制器資金投入少，勞動力投入少，生產效率高。 綜合上述分析，全自動洗衣機節(jié)能、環(huán)保，經濟效益好，社會效益好，技術成熟，市場需求旺盛，產品發(fā)展空間廣闊，產業(yè)前景良好，項目切實可行。12.3.3系統(tǒng)體系結構設計全自動洗衣機控制器的任務是控制洗衣機自動完成洗衣流程。包括：按鍵識別、指示燈提示、進水/放水閥控制、水量檢測、浸泡時間控制、洗滌時間控制、出水閥控制、脫水時間控制、甩干時間控制、鳴笛提示等12.3.4 硬件設計全自動洗衣機控制器硬件主要由單片機、按鍵、指示燈、進水/放水閥、壓力傳感器、電機驅動電路、時間/狀態(tài)顯示電路、蜂鳴器等部件組成。電源為5V直流電源，通過一個LE

15、D燈來顯示電源通斷情況通過LM044L液晶屏，顯示當前洗衣機的運行狀態(tài)設置一個復位按鈕設置一個蜂鳴器，發(fā)出警告信息選用44鍵盤，以方便使用者實現(xiàn)快速功能設定選用L298電機驅動芯片作為洗衣機電機、進水閥門、排水閥門的驅動芯片選用ADC0808來完成水位檢測、電壓檢測功能單片機選用AT89C51，和單片機直接連接的器件有：按鍵、LCD顯示器、A/D轉換器、電機驅動電路、電磁閥驅動電路、蜂鳴器等。引腳分配如下表所示。引腳編號引腳編號 使用說明使用說明引腳編號引腳編號使用說明使用說明P0.0P0.0AD轉換芯片輸出LCD數(shù)據(jù)輸入P2.0按鍵P0.1P0.1P2.1P0.2P0.2P2.2P0.3P0

16、.3P2.3P0.4P0.4P2.4AD轉換芯片EOCP0.5P0.5P2.5AD轉換芯片START，AD轉換芯片ALEP0.6P0.6P2.6報警控制P0.7P0.7P2.7P1.0P1.0PWM脈沖信號P3.0AD轉換芯片ADDAP1.1P1.1PWM脈沖信號P3.174LS373輸出使能信號P1.2P1.2進水閥門使能P3.274C922輸出中斷信號P1.3P1.3排水閥門使能P3.3P1.4P1.4電機運轉使能P3.4P1.5P1.5液晶RS信號P3.5AD轉換輸出使能信號P1.6P1.6液晶RW信號P3.6P1.7P1.7液晶E信號P3.712.3.4 硬件設計時鐘與復位。單片機采用

17、外接晶振給單片機提供時鐘信號，并且接有復位RST按鍵，提供復位功能LED顯示電路：為了指示電路是否上電，在設計中，利用5V電源、LED與電阻組成電源指示電路，當電源一開啟，電源指示LED燈即會亮起，作為提示信號LCD顯示電路：選用LM044L LCD顯示模塊用于顯示洗衣狀態(tài)。單片機P1.5引腳作為RS信號，P1.6引腳作為RW信號，P1.7引腳作為LCD使能信號，P0口配置為LCD數(shù)據(jù)輸入引腳，通過設置P1.5，P1.6，P1.7引腳的高低電平來設置LCD的功能。按鍵：選擇MM74C922芯片作為按鍵掃描控制電路，可以實現(xiàn)44鍵盤掃描。當有按鍵按下后，MM74C 922 會產生一個中斷信號，將

18、此中斷信號接至單片機外部中斷輸入引腳P3.2，用于按鍵中斷請求；將按鍵信息接至P2.0至P2.3口按鍵值與功能對應關系P2.3-P2.0P2.3-P2.0對應按鍵功能對應按鍵功能P2.3-P2.0P2.3-P2.0對應按鍵功能對應按鍵功能00000000浸泡1000漂洗00010001脫水1001方式一00100010方式二1010方式四00110011速度1/41011速度3/401000100洗滌1100ON01010101進水1101OFF01100110方式三111001110111速度2/41111速度4/4AD采樣電：選用ADC0808作為AD采樣轉換模塊。由于系統(tǒng)只需要對電源電壓

19、、水位位置進行檢測，只需要兩路模擬信號。因此將ADC0808的位選信號ADD B和ADD C直接接地，通過P3.0引腳對ADD A位進行高低電平設置，來實現(xiàn)電壓檢測和水位檢測的切換。電機驅動電路：選用L298芯片作為洗衣機電機驅動電路。通過脈寬調制PWM波和使能信號，對電機的正轉和反轉等運行狀態(tài)進行控制。蜂鳴器電路：通過單片機引腳P2.6和三極管實現(xiàn)對蜂鳴器的電壓控制，當P2.6引腳為高電平時，三極管導通，蜂鳴器響，報警提示；當P2.6為低電平時，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)聲。12.3.5軟件設計選用C語言為編寫語言，以增加程序的可讀性，方便程序修改，方便程序維護定時中斷子程序：在定時中斷中，主要完成LCD顯示、電機PWM波輸出高低電平、電機運行狀態(tài)設置等功能。按鍵中斷子程序：外部中斷0設按鍵中斷。當有按鍵按下后，就會產生外部中斷0中斷，就進入按鍵中斷程序。首先讀取P2口的電平值將P2口信息和0X0F相與后獲得對應的按鍵信息根據(jù)按鍵鍵值設置過程process、方式method、速度speed、PWM高電平值MOTOR_ON、洗衣機狀態(tài)state等全局變量，以控制洗衣機的運行狀態(tài)。蜂鳴器控制子程序：蜂鳴器控制子程序由兩部分組成，分別為蜂鳴器運行與蜂鳴器停止。通過設置speaker參數(shù)來控制