第15章MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

1、第15章 MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)(xtng)的設(shè)計共三十二頁215.1 MCS-51 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(shj)步驟設(shè)計一個單片機(jī)測控系統(tǒng)，一般可分為四個步驟：（1）需求(xqi)分析，方案論證和總體設(shè)計階段需求分析:被測控參數(shù)的形式（電量、非電量、模擬量、數(shù)字量等）、被測控參數(shù)的范圍、性能指標(biāo)、系統(tǒng)功能、工作環(huán)境、顯示、報警、打印要求等。方案論證:根據(jù)要求，設(shè)計出符合現(xiàn)場條件的軟硬件方案，又要使系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，這是進(jìn)行方案論證與總體設(shè)計一貫堅持的原則。共三十二頁3（2）器件(qjin)選擇，電路設(shè)計制作，數(shù)據(jù)處理，軟件的編制(binzh)階段。（3）系統(tǒng)調(diào)試與性能測定。（4）文件編制

2、共三十二頁(1)單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)的擴(kuò)展部分設(shè)計包括(boku)存儲器擴(kuò)展和I/O接口擴(kuò)展。存儲器的擴(kuò)展指EPROM、EEPROM和RAM的擴(kuò)展，I/O接口擴(kuò)展是指8255、8155以及其它I/O功能器件的擴(kuò)展。(2)各功能模塊的設(shè)計如信號測量功能模塊、信號控制功能模塊、人機(jī)對話功能模塊、通訊功能模塊等，根據(jù)系統(tǒng)功能要求配置相應(yīng)的A/D、D/A、鍵盤、顯示器、打印機(jī)等外圍設(shè)備。a盡可能采用功能強(qiáng)的芯片。b.單片機(jī)可優(yōu)先考慮選用片內(nèi)帶有閃爍存儲器的產(chǎn)品。例如ATMEL公司的89C51/89C52?？墒箶U(kuò)展程序存儲器的工作省去，從而減少芯片的數(shù)目，縮小體積。c. EPROM空間和RAM空間。目

3、前EPROM容量越來越大，一般盡量選用容量大的EPROM。d. I/O端口,要留有余量。e. A/D和D/A通道，要留有余量。(3)工藝設(shè)計4機(jī)箱、面板、配線等15.2 應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計共三十二頁515.3 應(yīng)用(yngyng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計（1）根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個相對獨立的部分。（2）各功能程序?qū)嵭?shxng)模塊化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改、維護(hù)。（3）編應(yīng)用軟件前，應(yīng)繪制出程序流程圖。這不僅是程序設(shè)計的一個重要組成部分，而且是決定成敗的關(guān)鍵部分。（4）要合理分配系統(tǒng)資源，包括ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、中斷源等。*其中最關(guān)鍵的是片內(nèi)RAM分

4、配，對8031來講，片內(nèi)RAM指00H7FH單元，這128個字節(jié)的功能不完全相同，分配時應(yīng)充分發(fā)揮其特長，做到物盡其用。共三十二頁15.4 MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)(xtng)舉例介紹(jisho)幾個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，供設(shè)計時參考。15.4.1 8031的最小系統(tǒng)8031無片內(nèi)程序存儲器，因此，其最小應(yīng)用系統(tǒng)必須在片外擴(kuò)展EPROM，必須有復(fù)位及時鐘電路。下圖為8031外擴(kuò)程序存儲器的最小應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅完成數(shù)字量的輸入和輸出控制。6共三十二頁78031最小系統(tǒng)(xtng)共三十二頁815.4.2 89C51的最小系統(tǒng)(xtng)共三十二頁915.4.3 以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集(cij)系統(tǒng)

5、一、數(shù)據(jù)(shj)采集系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路、多路切換電路、采樣保持電路、A/D、CPU、RAM、EPROM組成。共三十二頁10數(shù)據(jù)采集(cij)系統(tǒng)各部分說明1. 信號調(diào)理(tio l)電路傳感器與A/D之間的橋梁，是測控系統(tǒng)中重要組成部分。主要功能：（1）目前標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)儀表通常采用010mA，420 mA信號，為了和A/D的輸入形式相適應(yīng)，經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器變換成電壓信號。（2）某些測量信號可能是非電量，這些非電壓量信號必須變?yōu)殡妷盒盘枺€有些信號即使是電壓信號，也必須經(jīng)過放大、濾波，這些處理包括信號形式的變換、量程調(diào)整、零點補(bǔ)償、線性化等。（3）某些惡劣條件下，共模電壓干擾

6、很強(qiáng)，必須根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，考慮共模干擾的抑制，甚至采用隔離措施，包括地線隔離、路間隔離等等。共三十二頁11綜上所述，非電量的轉(zhuǎn)換、信號(xnho)形式的變換、放大、濾波、共模抑制及隔離(gl)等等，都是信號調(diào)理的主要功能。信號調(diào)理電路包括電橋、放大、濾波、隔離等電路。根據(jù)不同的調(diào)理對象，采用不同的電路。信號放大電路通常由運(yùn)放承擔(dān)，運(yùn)放的選擇主要考慮精度要求（失調(diào)及失調(diào)溫漂），速度要求（帶寬、上升率），幅度要求（工作電壓范圍及增益）及共模抑制要求。濾波和限幅電路通常采用二極管、穩(wěn)壓管、電容等器件。用二極管和穩(wěn)壓管的限幅方法會產(chǎn)生一定的非線性且靈敏度下降，這可以通過后級增益調(diào)整和非線性校正補(bǔ)償。共三

7、十二頁122. 多路切換電路：通常檢測的物理量有多個(du )，不可能每一個通道都設(shè)有放大、濾波、補(bǔ)償?shù)入娐?，可采用多路切換(qi hun)降低成本。3. 采樣保持電路（S/H）：將快速變化的模擬信號進(jìn)行保持，以供A/D轉(zhuǎn)換。4. 模-數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）5. 基本單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中的地址空間分配與總線驅(qū)動有時要擴(kuò)多片存儲器芯片，要解決兩個問題：(1)如何把兩個64K存儲器空間分配給各個芯片;(2)如何解決對多片芯片的驅(qū)動問題。共三十二頁131. 地址(dzh)空間的分配下圖是一個(y )全地址譯碼的系統(tǒng)實例。共三十二頁器件(qjin)地址(dzh)線(A15-A0)片內(nèi)地址單元

8、數(shù)地址編碼62640 0 08K0000H-1FFFH8255(1)0 0 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 143FFCH-3FFFHRAMI/O0 1 0 1 1 1 1 00 1 0 1 1 1 1 11 1 1 1 125665E00H-5EFFH5FF8H-5FFDH08320 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 117FFFH27641 0 08K8000H-9FFFH148155各擴(kuò)展芯片的地址表共三十二頁152總線(zn xin)的驅(qū)動解決(jiju)多芯片驅(qū)動的問題共三十二頁16單向(dn xin)總線驅(qū)動器：74LS244。8個三態(tài)線驅(qū)動器分成兩組

9、，分別(fnbi)由1G*和2G*控制。共三十二頁17雙向驅(qū)動器：74LS245，每兩個(lin )三態(tài)門組成一路雙向驅(qū)動。DIR=0,B向A傳送(chun sn)。共三十二頁18共三十二頁19（1）直流負(fù)載下驅(qū)動(q dn)器驅(qū)動(q dn)能力的估算驅(qū)動能力(nngl)主要取決于:高電平輸出時驅(qū)動器能提供的最大電流低電平輸出時所能吸收的最大電流。設(shè) IOH:驅(qū)動器在高電平輸出時的最大輸出電流IIH:每個同類門負(fù)載所吸收的電流。IOL:驅(qū)動器在低電平輸出時的最大吸入電流IIL:每個同類門提供的電流。滿足如下關(guān)系才能使驅(qū)動器可靠工作。共三十二頁（2）交流(jioli)負(fù)載下驅(qū)動能力的估算總線上

10、傳送的數(shù)據(jù)是脈沖型信號，在同類門負(fù)載為容性（分布電容造成）時，就必須考慮電容的影響。若：CP：驅(qū)動器的最大驅(qū)動電容，Ci（i=1,N）：每個同類門的分布電容。為了滿足同類門電容的交流(jioli)效應(yīng)，驅(qū)動器負(fù)載電路應(yīng)滿足如下關(guān)系：20共三十二頁2115.4.4 水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計（1）溫度(wnd)控制的設(shè)定范圍為 3585 ，最小分辨率為0.1。（2）偏差0.6，靜態(tài)誤差0.4。（3）實時顯示當(dāng)前的溫度值。（4）命令按鍵(n jin)4個：復(fù)位鍵,功能轉(zhuǎn)換鍵,加1鍵,減1鍵。一、硬件電路設(shè)計硬件電路從功能模塊上來劃分有：(1) 主機(jī)電路(2) 數(shù)據(jù)采集電路(3) 鍵盤、顯示電路(4) 控制

11、執(zhí)行電路共三十二頁221硬件功能(gngnng)結(jié)構(gòu)框圖共三十二頁232數(shù)據(jù)采集(cij)電路的設(shè)計主機(jī)采用(ciyng)89C51，系統(tǒng)時鐘采用12MHz，內(nèi)部含有4K字節(jié)的閃存。無須外擴(kuò)程序存儲器。數(shù)據(jù)采集電路主要由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、放大電路等組成。共三十二頁243控制執(zhí)行(zhxng)電路的設(shè)計由單片機(jī)的輸出來控制風(fēng)扇或電爐。設(shè)計中要采用光電耦合器進(jìn)行強(qiáng)電和弱電的隔離，但還要考慮到輸出信號要對可控硅進(jìn)行觸發(fā)，以便接通風(fēng)扇或電爐電路，所以可控硅選用了既有光電隔離又有觸發(fā)功能的MC3041（請見功率驅(qū)動(q dn)的介紹）。其中使用P1.0控制電爐電路，P1.1控制風(fēng)扇電路。共三十二

12、頁25共三十二頁264鍵盤與顯示器電路的設(shè)計鍵盤共有4個鍵，采用軟件(run jin)查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計(shj)，當(dāng)某個鍵按下時，低電平有效。4個鍵S1-S4的功能定義如表所示。按鍵S1鍵名復(fù)位鍵功能使系統(tǒng)復(fù)位S2功能轉(zhuǎn)換鍵 按鍵按下，LED1亮，顯示溫度設(shè)定值，按鍵松開，LED1不亮，顯示當(dāng)前的溫度值S3加1鍵設(shè)定的溫度值加1S4減1鍵設(shè)定的溫度值減14個鍵K1-K4的定義共三十二頁27按鍵S2與 INT0* (P3.2)相連，采用外部中斷方式，且優(yōu)先級定為高優(yōu)先級。S3和S4分別與P1.7和P1.6相連，采用軟件查詢方式，S1為復(fù)位鍵，與RC構(gòu)成(guchng)復(fù)位電路。顯

13、示電路部分利用(lyng)串行口來實現(xiàn)3位LED的共陽靜態(tài)顯示，顯示內(nèi)容為溫度的十位、個位以及小數(shù)點后的一位。共三十二頁二、軟件設(shè)計模塊化設(shè)計，三大模塊(m kui):主程序模塊、功能實現(xiàn)模塊和運(yùn)算(yn sun)控制模塊。1主程序模塊在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值，然后通過循環(huán)顯示當(dāng)前溫度，以等待中斷，并且使鍵盤外部中斷為高優(yōu)先級，以便使主程序程序能實時響應(yīng)鍵盤處理。軟件設(shè)定定時器T0為5s定時，在無鍵按下時，應(yīng)每隔5s響應(yīng)一次，以用來采集溫度傳感器并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的溫度信號。設(shè)置定時器T1為嵌套在T0之中的定時中斷。初值由PID算法子程序提供，以用來執(zhí)行對電爐或風(fēng)扇的控制。28共三十二頁29主程序流程圖共三十二頁302功能(gngnng)實現(xiàn)模塊(1)T0中斷子程序(2)鍵盤中斷子程序(3)T1中斷子程序3運(yùn)算控制(kngzh)模塊(1)溫度變換子程序(2)PID算法子程序共三十二頁31The end共三十二頁內(nèi)容摘要第15章 MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。包括存儲器擴(kuò)展和I/O接口擴(kuò)展。接口擴(kuò)展是指8255、8155以及其它I/O功能器件的擴(kuò)展。目前EPROM容量越來越大，一般盡量選用容量大的EPROM。統(tǒng)必須在