項(xiàng)目11單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用(賈好來)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程

1、1第11章單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)及實(shí)例本章內(nèi)容11.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程 11.2電噴汽車噴油嘴清洗機(jī)控制系統(tǒng) 11.3基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51的萬年歷設(shè)計(jì)211.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程11.1.1 開發(fā)者必須具備的知識(shí)和能力1.必須具有一定的硬件基礎(chǔ)知識(shí)2.需要有一定的動(dòng)手能力3.需要具備一定的軟件設(shè)計(jì)能力4.具有綜合運(yùn)用新知識(shí)和新技術(shù)的能力5.搜集、檢索、提煉有用知識(shí)和資料的能力6.必須了解生產(chǎn)工藝或制造工藝311.1.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的步驟1.確定系統(tǒng)的目標(biāo)任務(wù)開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)或者設(shè)計(jì)智能化的儀器，首先要明白做什么，然后才是怎么做。目標(biāo)任務(wù)即系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能以

2、及技術(shù)指標(biāo)。應(yīng)用的場(chǎng)合不同，具體的要求會(huì)有區(qū)別。這些目標(biāo)任務(wù)的提出一般由開發(fā)系統(tǒng)的投資方提出，開發(fā)設(shè)計(jì)人員認(rèn)可。目標(biāo)任務(wù)要盡可能清晰、完善，完整的目標(biāo)任務(wù)為后續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。有些目標(biāo)任務(wù)在開始設(shè)計(jì)時(shí)并不是非常清楚、完善，隨著系統(tǒng)的研制開發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用以及市場(chǎng)的變化可能會(huì)有不斷的更新和變化，設(shè)計(jì)方案要盡可能適應(yīng)這些變化。4 2.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包括單片機(jī)的選擇、重要環(huán)節(jié)關(guān)鍵器件的選型、技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、硬件軟件功能的劃分等。單片機(jī)以及關(guān)鍵器件的選擇一定要考慮技術(shù)是否成熟，是否滿足系統(tǒng)的精度、速度和可靠性要求，貨源是否充足等，如出現(xiàn)問題是否有可以替代的器件等。技術(shù)指標(biāo)與

3、整個(gè)系統(tǒng)的硬件與軟件都有關(guān)系，所以要綜合考慮，硬件選擇滿足精度要求的產(chǎn)品，軟件采用合適的數(shù)學(xué)模型和算法。5硬件、軟件功能在一定程度上具有互換性，即有些硬件電路的功能可用軟件實(shí)現(xiàn)，反之亦然。具體采用什么方法，要根據(jù)具體要求及整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比，加以綜合平衡后確定。一般而言，使用硬件完成速度較快，可節(jié)省CPU的時(shí)間，但價(jià)格相對(duì)昂貴，而且系統(tǒng)比較復(fù)雜，勢(shì)必增加硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試的工作量和難度。用軟件實(shí)現(xiàn)則相對(duì)經(jīng)濟(jì)，但占用CPU較多的時(shí)間。所以一般的原則是：在CPU時(shí)間允許的情況下，盡量采用軟件。所以總體設(shè)計(jì)時(shí)，必須權(quán)衡利弊，仔細(xì)劃分硬件和軟件的功能。63.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，將整個(gè)

4、系統(tǒng)劃分成若干模塊，利用框圖表示出各模塊之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)流向、控制流向，說明各模塊的工作原理、采用的核心技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)的功能。結(jié)構(gòu)框圖將整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖形化、清晰化、簡(jiǎn)單化，有助于對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步理解和掌握，并為硬件和軟件設(shè)計(jì)的模塊化打下基礎(chǔ)。74.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案以及結(jié)構(gòu)框圖，在所選擇的單片機(jī)以及關(guān)鍵元器件的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，分模塊繪制系統(tǒng)的電路原理圖，最后將各模塊的電路圖綜合起來，得到系統(tǒng)的總體電路圖，并依據(jù)電路圖設(shè)計(jì)、制作印刷電路板以及組裝樣機(jī)等。設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮各元件的驅(qū)動(dòng)和帶負(fù)載能力，要根據(jù)情況進(jìn)行擴(kuò)展，必要時(shí)做一些部件環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)

5、證電路的正確性。電路板設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮模擬電路、數(shù)字電路；高頻電路、低頻電路；高壓電路、低壓電路的布線規(guī)則，地線的布線方法和原則，以及印刷電路板導(dǎo)線寬度與所能承受的電壓、電流關(guān)系等，并要綜合考慮抗干擾設(shè)計(jì)。85.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案中軟件實(shí)現(xiàn)的功能，明確數(shù)學(xué)模型和算法，遵循自頂向一下、模塊化設(shè)計(jì)的原則，綜合順序程序設(shè)計(jì)、分支程序設(shè)計(jì)、子程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)的各種方法，繪制程序流程圖，并編寫相應(yīng)的程序。96.系統(tǒng)的Proteus仿真應(yīng)用傳統(tǒng)方法開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，只有當(dāng)硬件制作完成后才能執(zhí)行檢驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)的正確性，這無疑延長(zhǎng)了開發(fā)時(shí)間。Proteus提供了軟件和硬件同時(shí)開

6、發(fā)的可能性，開發(fā)者應(yīng)盡可能使用Proteus仿真系統(tǒng)功能，確認(rèn)在硬件制作前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求，以減少聯(lián)機(jī)調(diào)試?yán)щy。10 7.系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)分模塊調(diào)試，且大的模塊又可以分成小的模塊。硬件是軟件的工作平臺(tái)，軟件只有工作在正確無誤的硬件平臺(tái)上才能驗(yàn)證其正確性，所以一般的調(diào)試過程是硬件調(diào)試成功后再調(diào)試軟件。軟件利用開發(fā)系統(tǒng)先進(jìn)行模擬仿真后，再進(jìn)行在線仿真調(diào)試。整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試成功后，需要先在實(shí)驗(yàn)環(huán)境運(yùn)行，認(rèn)真仔細(xì)地記錄其運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間等，最后寫出書面報(bào)告，根據(jù)運(yùn)行報(bào)告再進(jìn)行相應(yīng)的硬件或軟件改動(dòng)。11實(shí)驗(yàn)環(huán)境運(yùn)行滿足要求后，還要在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要復(fù)雜得多

7、，一定要認(rèn)真觀察運(yùn)行情況，分析出現(xiàn)的各種故障及原因，此時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，盡量采用軟件的方法修正。系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中，可能會(huì)受到來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種各樣的干擾，使系統(tǒng)發(fā)生異常狀態(tài)。通常把瞬時(shí)的不加修理也能恢復(fù)正常的異常狀態(tài)稱為錯(cuò)誤；而必須通過修理才能恢復(fù)正常的異常狀態(tài)稱為故障。128.可靠性設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。規(guī)定的條件包括環(huán)境條件（如溫度、濕度、振動(dòng)、電磁干擾等）、使用條件、維修條件、操作水平等。常用的描述可靠性的定量指標(biāo)有可靠度、失效率、平均無故障時(shí)間?？煽慷戎府a(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。失效率又稱故障率

8、，指工作到某一時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。平均壽命又稱平均無故障工作時(shí)間，指產(chǎn)品壽命的平均值。13為了減少系統(tǒng)的錯(cuò)誤和故障，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)常從以下幾個(gè)方面提高系統(tǒng)可靠性：冗余設(shè)計(jì)，電磁兼容設(shè)計(jì)，信息冗余技術(shù)，時(shí)間冗余技術(shù)，故障自動(dòng)檢測(cè)與診斷技術(shù)，軟件可靠性技術(shù)，失效保險(xiǎn)技術(shù)等。對(duì)于一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)首先要保證可靠，其次是實(shí)時(shí)，然后是靈活和通用。1411.2電噴汽車噴油嘴清洗機(jī)控制系統(tǒng)11.2.1系統(tǒng)功能描述及工作原理系統(tǒng)功能描述噴油嘴是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件之一，它的工作狀況好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。然而不少車主根本不重視發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴的清洗，或者認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴要隔很長(zhǎng)時(shí)間才需

9、進(jìn)行清洗，殊不知噴油嘴阻塞會(huì)嚴(yán)重影響汽車性能。一般來說，在行駛20000km30000km左右進(jìn)行清洗，清除噴油嘴上的積炭和污物，使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)其動(dòng)力特性。15過去這類保養(yǎng)通常要交汽修廠進(jìn)行，費(fèi)用昂貴?，F(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)的一種電噴汽車噴油嘴清洗機(jī)，結(jié)合專用的燃油系統(tǒng)清洗劑，不需拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)，只需用接頭與發(fā)動(dòng)機(jī)供油管及回油管連接，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下， 讓清洗混合液進(jìn)入燃油供給系統(tǒng)，在 30min 內(nèi)即可溶解發(fā)動(dòng)機(jī)供油管、噴油嘴針閥和燃燒室各組件的積炭、油泥、膠質(zhì)及漆類污染物，經(jīng)由循環(huán)燃燒分解過程，從汽車排放系統(tǒng)排出，恢復(fù)該車的性能，使其啟動(dòng)順暢，怠速平穩(wěn)，加油輕快，增加動(dòng)力，達(dá)到省油及降低空氣污染的

10、效果。下面就對(duì)電噴汽車噴油嘴清洗機(jī)的原理與設(shè)計(jì)作一介紹。162電噴汽車噴油嘴清洗機(jī)的工作原理把汽油和清洗劑混合，通過高壓汽油泵為發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。由于清洗劑對(duì)噴油嘴上的污染物有清洗作用，使噴油嘴清除堵塞。電噴汽車噴油嘴清洗機(jī)的工作過程及技術(shù)要求如下所述:(1)按啟動(dòng)停止鍵，數(shù)碼管顯示器顯示“00”。(2)按時(shí)間+、-鍵選擇工作時(shí)間，每次累加（減）1 min，時(shí)間的選擇范圍為0060min。(3)選好時(shí)間，延時(shí)5s繼電器吸合工作，汽油泵運(yùn)行在額定電壓12V狀態(tài)，數(shù)碼管同時(shí)顯示剩余的工作時(shí)間。汽油泵的額定功率為70W，額定電壓為12V。17(4)按壓力+、-鍵通過改變直流電機(jī)上的電壓（即改變汽油泵轉(zhuǎn)

11、速）調(diào)整清洗壓力，電壓調(diào)整范圍為7V12V。(5)當(dāng)剩余工作時(shí)間小于4min時(shí)，蜂鳴器開始鳴叫，直到定時(shí)結(jié)束，繼電器釋放，汽油泵停止工作，蜂鳴器停止鳴叫，數(shù)碼管顯示“00”。(6)5min內(nèi)無任何操作則自動(dòng)斷電，數(shù)碼管無顯示。18(7)保護(hù)措施油面過低保護(hù)。為防止無油損壞汽油泵，油面過低時(shí)，傳感器開關(guān)閉合，汽油泵自動(dòng)斷電，數(shù)碼管g段顯示“”，但不閃爍;油溫過高保護(hù)。為防止油溫過高起火，溫度過高時(shí)，溫度繼電器開關(guān)閉合，汽油泵自動(dòng)斷電，數(shù)碼管g段顯示“”，閃爍。1911.2.2系統(tǒng)方案及電路設(shè)計(jì)1. 系統(tǒng)方案20圖11-1 電噴汽車噴油嘴清洗機(jī)系統(tǒng)組成方框圖21AT89S51單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心

12、，負(fù)責(zé)控制檢測(cè)輸入/輸出顯示和電機(jī)調(diào)速等。按鍵輸入電路負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)清洗過程一系列工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定輸入。數(shù)碼管顯示器在工作過程中顯示剩余工作時(shí)間。電機(jī)調(diào)速利用了單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，配合軟件產(chǎn)生脈寬調(diào)制波(PWM)，再通過功率場(chǎng)效應(yīng)管去驅(qū)動(dòng)低壓直流電機(jī)，具有效率高、能耗低、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)。輸出控制電路在油溫過高或油面過低的情況下，切斷高壓汽油泵電機(jī)的供電，防止發(fā)生事故。電噴汽車噴油嘴清洗機(jī)的工作電源取自汽車上的12V蓄電池，經(jīng)降壓穩(wěn)壓后得到5V的穩(wěn)定工作電壓。 2.電路設(shè)計(jì)電噴汽油嘴清洗機(jī)電路共有6個(gè)模塊，如圖11-2(a)(f)。22(a)單片機(jī)及其接口電路(b) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路23 (c)油位

13、過低傳感器輸入電路和油溫過高傳感器輸入電路24 (d)顯示器電路25 (e)報(bào)警電路26(f) 電機(jī)供電控制電路圖11-2 電噴汽油嘴清洗機(jī)電路原理圖27圖11-3 主程序流程圖狀態(tài)282變量定義及初始化模塊程序設(shè)計(jì)時(shí)需設(shè)立一系列的變量和標(biāo)志，具體如下。uint deta; /*1 ms計(jì)時(shí)單元*/uchar sec; /*計(jì)時(shí)秒*/char set_min; /*設(shè)定分*/uchar min_5m; /*5min計(jì)數(shù)器*/uchar val; /*中間變量*/uchar pwm_val; /*調(diào)寬脈沖變量值*/char push_val; /*壓力變化值*/sfr WDT=0 xa6; /*

14、定義看門狗定時(shí)器*/sbit pushdec_key=P14; /*壓力鍵*/sbit pushinc_key=P13;/*壓力鍵*/29sbit timedec_key=P12; /*時(shí)間鍵*/sbit timeinc_key=Pl1; /*時(shí)間鍵*/sbit buzz=P35; /*驅(qū)動(dòng)蜂鳴器端*/sbit out=P36; /*調(diào)寬脈沖輸出端*/sbit relay=P37; /*驅(qū)動(dòng)繼電器端*/uchar dis_sel; /*顯示內(nèi)容散轉(zhuǎn)標(biāo)志*/bit over_5m; /*5 min溢出標(biāo)志*/bit flag_5m; /*5min標(biāo)志*/bit flag_5s; /*5s標(biāo)志*/

15、bit start; /*啟動(dòng)標(biāo)志 */bit dis_flag; /*顯示標(biāo)志*/bit key_flag; /*按下鍵標(biāo)志*/bit buzz_sound; /*蜂鳴器聲響標(biāo)志*/30bit y; /*中間變量*/bit out_flag; /*PWM輸出標(biāo)志*/*初始化*/void init( ) IT0=1; IE=0 x8b; reset( ) ;31/*定時(shí)器T0初始化*/void init_timer0( ) TMOD=0 x11; TH0=-(1150/256) ; /*1ms初值 */ TL0=-(1150%256) ; TR0=0; ET0=1; EA=1;32/*定時(shí)器T

16、1初始化*/void init_timerl( ) TH1=-(5000/256) ; /*5ms初值 */ TL1=-(5000%256) ; TR1=1; ET1=1; EA= 1;333. 調(diào)寬脈沖輸出子程序模塊AT89S51內(nèi)部沒有集成PWM部件，這里利用了內(nèi)部定時(shí) 器，與軟件配合產(chǎn)生出調(diào)寬脈沖波。34 if(pwm_val=50) pwm_val=0; else out=OFF;void pwm_out(void) if(out_flag) if(pwm_val2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)。S

17、CLK為時(shí)鐘輸入端。 43DS1302有12個(gè)寄存器，其中有7個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘有關(guān)，數(shù)據(jù)格式為BCD，其日歷、時(shí)間寄存器及其控制字如表11-1所示。DS1302 與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，首先由微處理器向電路發(fā)送命令字節(jié)，命令字節(jié)最高位Write Protect(D7)必須為邏輯1，如果D7=0，則禁止寫DS1302，即寫保護(hù)；D6=0，指定時(shí)鐘數(shù)據(jù)，D6=1，指定RAM數(shù)據(jù)；D5D1指定輸入或輸出的特定寄存器；最低位LSB(D0)為邏輯0，指定寫操作(輸入)， D0=1，指定讀操作(輸出)。4445讀寄存器寫寄存器BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0范圍81h

18、80hCH10秒秒00-5983h82h010分分00-5985h84h010時(shí)時(shí)1-120-23AM/PM87h86h0010日日1-3189h88h00010月月1-128Bh8Ah00000 周日1-78Dh8Ch 10年年00-998Fh8EhWP0000000 -表11-1 DS1302的日期和時(shí)間寄存器765432101RAMA4A3A2A1A0RDCKWR46表11-2 控制字（即地址與命令字節(jié)）DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類:一類是單個(gè)RAM單元，共31個(gè)，每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè)8位的字節(jié)，其命令控制字為C0HFDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性讀、寫所有的RAM的31個(gè)字節(jié)。單片機(jī)控制DS1302的程序主要包括對(duì)寄存器的地址定義