《微計(jì)算機(jī)與單片機(jī)原理及應(yīng)用》第12章 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第12章單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本章重點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程；數(shù)顯定時(shí)器和數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本章難點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。12.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

12.1.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

12.1.2應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則不論單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具體如何實(shí)現(xiàn)，都必須完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)規(guī)定的各項(xiàng)要求。設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)自用戶需求，其中既包括功能需求，也包括使用環(huán)境、可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性、體積、成本、功耗等諸多方面的具體要求。開(kāi)發(fā)人員必須認(rèn)真領(lǐng)會(huì)用戶需求，反復(fù)推敲設(shè)計(jì)方案，方案確定后，盡快展開(kāi)硬件、軟件的具體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試，務(wù)求在規(guī)定的期限內(nèi)，開(kāi)發(fā)出滿足各項(xiàng)要求的目標(biāo)系統(tǒng)。12.1.3應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程

1.需求分析設(shè)計(jì)任何一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，首先必須對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)（用戶需求）進(jìn)行認(rèn)真分析，明確各項(xiàng)具體要求，不允許出現(xiàn)任何偏差和遺漏，否則，就可能造成難以彌補(bǔ)的損失。

2.總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，確定一套最優(yōu)的、合理的、切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方案。

（1）軟硬件功能劃分硬件實(shí)現(xiàn)的好處是速度快，可簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，減少存儲(chǔ)器開(kāi)銷(xiāo)，但硬件接線復(fù)雜，批量成本較高。用軟件實(shí)現(xiàn)則剛好相反。（2）單片機(jī)選型單片機(jī)選型是否合理、恰當(dāng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成本和各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有很大影響。單片機(jī)選型的主要考慮包括：

①片內(nèi)資源的種類(lèi)、數(shù)量和性能應(yīng)與設(shè)計(jì)目標(biāo)要求相匹配。

②單片機(jī)本身的性價(jià)比要高，以提高整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比。

③貨源要穩(wěn)定，以利于批量生產(chǎn)和售后服務(wù)。

④有較完善的開(kāi)發(fā)工具支持。

⑤選用加密性能相對(duì)較好的單片機(jī)，以利于保護(hù)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

⑥盡量選用熟悉的單片機(jī)型號(hào)或系列，以縮短研制周期，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）確定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的結(jié)果通常包括硬件結(jié)構(gòu)框圖、軟件結(jié)構(gòu)框圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和相應(yīng)的文字說(shuō)明。3.硬件設(shè)計(jì)（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)是保證單片機(jī)程序運(yùn)行的基本硬件條件。（2）單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)（3）PCB設(shè)計(jì)（4）可靠性設(shè)計(jì)4.軟件設(shè)計(jì)（1）基于模塊的功能分解根據(jù)總體設(shè)計(jì)階段確定的軟件總體框架，將軟件系統(tǒng)向下分解為不同層次的支持模塊，明確各模塊的輸入、輸出及相互調(diào)用關(guān)系。（2）定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是程序代碼的操作對(duì)象。軟件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)有些是局部的，可以封裝在模塊內(nèi)部，還有一些是全局性的，可為不同模塊共享。（3）流程圖設(shè)計(jì)對(duì)于復(fù)雜且又難以分解的模塊，應(yīng)當(dāng)用流程圖進(jìn)一步表示其程序結(jié)構(gòu)，特別是使用匯編語(yǔ)言時(shí)。（4）編寫(xiě)源程序單片機(jī)程序設(shè)計(jì)可使用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言。C語(yǔ)言還可以通過(guò)嵌入?yún)R編語(yǔ)句進(jìn)一步提高執(zhí)行效率。目前，使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)單片機(jī)程序已成為一種趨勢(shì)。（5）可靠性設(shè)計(jì)相對(duì)通用的可靠性措施包括開(kāi)機(jī)自檢、看門(mén)狗、軟件陷阱、數(shù)字濾波、越界報(bào)警、超時(shí)退出、數(shù)據(jù)緩沖、校驗(yàn)、備份與自動(dòng)恢復(fù)等。5.系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試需借助必要的開(kāi)發(fā)、測(cè)試儀器，其中以萬(wàn)用表最為常用。近年來(lái)，單片機(jī)廣泛采用在線編程（有ISP和IAP兩種方式）和在線調(diào)試（ICD）技術(shù)，將單片機(jī)1~4根相關(guān)口線通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)電路連接到PC機(jī)的串口或并口，便可進(jìn)行在線下載或仿真調(diào)試，省去了昂貴的仿真器和編程器，大大降低了開(kāi)發(fā)門(mén)檻。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)合調(diào)試。軟件調(diào)試是在沒(méi)有實(shí)際硬件支持下借助PC軟件環(huán)境（如KeilC51、Proteus等）模擬運(yùn)行單片機(jī)應(yīng)用程序，以排除可能存在的邏輯錯(cuò)誤。聯(lián)合調(diào)試就是將完整的應(yīng)用程序加載到單片機(jī)（包括支持在線調(diào)試的單片機(jī)）或仿真器，以連續(xù)、單步、斷點(diǎn)等方式控制程序運(yùn)行，通過(guò)人機(jī)交互和外設(shè)動(dòng)作的狀況，找出軟件或硬件方面存在的問(wèn)題，直到系統(tǒng)工作正常為止。6.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所設(shè)計(jì)的目標(biāo)系統(tǒng)最終需要在用戶規(guī)定的環(huán)境條件下運(yùn)行，因此，必須將實(shí)驗(yàn)室調(diào)好的樣機(jī)拿到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證其運(yùn)行效果。另外，某些性能指標(biāo)（如抗靜電、抗脈沖干擾）還必須通過(guò)認(rèn)證測(cè)試。從整體方案到具體設(shè)計(jì)（硬件、軟件），所有可以提升和優(yōu)化的地方都要認(rèn)真考慮，加以改進(jìn)，以求最終實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)。7.文檔整理規(guī)范、完整的技術(shù)文檔（方案論證報(bào)告、原理圖、流程圖、帶注釋的源程序清單、測(cè)試報(bào)告、設(shè)計(jì)總結(jié)、操作手冊(cè)等）不僅有利于系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)，為以后的設(shè)計(jì)工作提供借鑒，也是系統(tǒng)驗(yàn)收、成果鑒定、專(zhuān)利申請(qǐng)、軟件登記等工作的重要支撐材料。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程

12.2數(shù)顯定時(shí)器的設(shè)計(jì)

12.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求設(shè)計(jì)一個(gè)最長(zhǎng)為99分鐘的數(shù)顯可調(diào)定時(shí)器。具體功能如下：通電時(shí)兩位數(shù)碼管顯示為“99”，以后每分鐘自動(dòng)減一，減到零時(shí)，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出“嘀嘀…嘀嘀…”的鬧鈴聲，并通過(guò)I/O引腳輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。按下兩個(gè)控制鍵中的任一個(gè)可停止鬧鈴及控制輸出，此后任何時(shí)刻再按任一鍵又重新開(kāi)始新一輪定時(shí)?？赏ㄟ^(guò)兩個(gè)控制鍵上下動(dòng)態(tài)調(diào)整定時(shí)時(shí)間。12.2.2設(shè)計(jì)方案論證

數(shù)顯定時(shí)器總體結(jié)構(gòu)

12.2.3硬件設(shè)計(jì)數(shù)顯定時(shí)器硬件原理圖

串口電平轉(zhuǎn)換電路

12.2.4軟件設(shè)計(jì)

1.主控模塊主控模塊的流程

2.定時(shí)中斷處理模塊定時(shí)中斷處理模塊的流程

3.數(shù)碼顯示模塊數(shù)碼顯示模塊的流程

4.鍵盤(pán)掃描模塊鍵盤(pán)掃描模塊的流程

12.2.5系統(tǒng)調(diào)試首先按圖進(jìn)行電路焊接與裝配，用萬(wàn)用表進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)連接無(wú)誤后，先分別編寫(xiě)與數(shù)碼管、蜂鳴器、按鍵有關(guān)的測(cè)試程序，利用KeilC51集成開(kāi)發(fā)軟件生成代碼并下載到單片機(jī)運(yùn)行，以確認(rèn)各硬件單元都能正常工作。接下來(lái)，編寫(xiě)完整的數(shù)顯定時(shí)器程序，生成代碼后下載到單片機(jī)連續(xù)運(yùn)行或在線調(diào)試。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)從多方面查找原因。每次修改源程序后，都必須重新生成代碼并下載到單片機(jī)，再次進(jìn)行調(diào)試，直到系統(tǒng)完全正常工作。12.2.6數(shù)顯定時(shí)器的完整程序（C51）/***********************頭文件聲明*********************/#include<reg51.h>/*****************符號(hào)常量及口線分配聲明****************/#defineDISP_SEGP0sbitDISP_D1=P2^7;sbitDISP_D2=P2^6;sbitCTRL_OUT=P2^0;sbitBUZZ=P1^0;sbitKEY1=P1^2;sbitKEY2=P1^4;#defineKEY_NULL0#defineKEY1_PRESSED1#defineKEY2_PRESSED2/**********************函數(shù)原型聲明********************/voidInitTimer();unsignedcharScanKey();voidDisplayTime();voidDiDi();voidDelay(intms);voidDelay1ms();/****************常量數(shù)組（段碼表）聲明****************/unsignedcharcodeSegCode[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};/********************全局變量聲明*********************/unsignedintCount50ms=0;unsignedcharMinute=99;void(*codeRESET)()=0x0000;//函數(shù)指針RESET指向復(fù)位入口/*******************中斷服務(wù)函數(shù)**********************/voidT0ISR(void)interrupt1{TH0=(65536-50000)>>8;//重裝T0定時(shí)初值（50ms@12Mhz）

TL0=(65536-50000)&0xFF;if(++Count50ms<1200)return;//未滿1分鐘的話直接返回

Count50ms=0;//1分鐘已到，Count50ms清0Minute--;//Minute減1}/**********************主函數(shù)*********************/voidmain(){unsignedchari,KeyPress;

InitTimer();//定時(shí)器初始化

while(1)//無(wú)限循環(huán)

{

Delay(10);//延時(shí)10ms

DisplayTime();//顯示分鐘值

if(Minute==0)//分鐘值是否已減到0？

{TR0=0;//定時(shí)時(shí)間已到，T0停止

CTRL_OUT=0;//輸出控制信號(hào)

while(1){

DiDi();//蜂鳴器發(fā)聲

for(i=0;i<70;i++) { Delay(10);

if(ScanKey()!=KEY_NULL) {CTRL_OUT=1;//有鍵按下，關(guān)閉控制輸出

while(ScanKey()!=KEY_NULL);//等待按鍵釋放

while(ScanKey()==KEY_NULL);//等待有鍵按下

while(ScanKey()!=KEY_NULL);//等待按鍵釋放

(*RESET)();//重新啟動(dòng)系統(tǒng)

} }} }

if((KeyPress=ScanKey())!=KEY_NULL)//是否有鍵按下

{

if(KeyPress==KEY1_PRESSED){

if(Minute<99)Minute++;//KEY1按下，分鐘值加1}elseif(KeyPress==KEY2_PRESSED){

if(Minute>1)Minute--;//KEY2按下，分鐘值減1 }

while(ScanKey()!=KEY_NULL)DisplayTime();//等待按鍵釋放

Count50ms=0;//Count50ms清0}}}/********************定時(shí)器初始化函*********************/voidInitTimer(){TMOD=0x01;//設(shè)T0為定時(shí)方式1（16位方式）

TH0=(65536-50000)>>8;//設(shè)T0定時(shí)初值（50ms@12Mhz）

TL0=(65536-50000)&0xFF;TR0=1;//啟動(dòng)T0ET0=1;//允許T0中斷

EA=1;}/******************鍵盤(pán)掃描函數(shù)*********************/unsignedcharScanKey(){if(KEY1==1&&KEY2==1)returnKEY_NULL;//無(wú)鍵按下,返回KEY_NULLDelay(10);//消抖

if(KEY1==1&&KEY2==1)returnKEY_NULL;//無(wú)鍵按下,返回KEY_NULLif(KEY1==0)returnKEY1_PRESSED;//KEY1按下，返回KEY1_PRESSEDif(KEY2==0)returnKEY2_PRESSED;//KEY2按下，返回KEY2_PRESSEDreturnKEY_NULL;//無(wú)鍵按下,返回KEY_NULL}/******************時(shí)間顯示函數(shù)*********************/voidDisplayTime(){

DISP_SEG=SegCode[Minute/10];//輸出分鐘值十位的段碼

DISP_D1=0;//高位數(shù)碼管顯示

DISP_D2=1;//低位數(shù)碼管熄滅

Delay1ms();//延時(shí)1ms//DISP_SEG=SegCode[Minute%10];//輸出分鐘值個(gè)位的段碼

DISP_SEG=SegCode[Minute%10]&((Count50ms/10%2)==0?0x7f:0xff);DISP_D1=1;//高位數(shù)碼管熄滅

DISP_D2=0;//低位數(shù)碼管顯示

Delay1ms();//延時(shí)1msDISP_D2=1; //低位數(shù)碼管熄滅}/******************蜂鳴器發(fā)聲函數(shù)*******************/voidDiDi(){unsignedchari;

for(i=0;i<2;i++)//蜂鳴器響兩聲

{BUZZ=0;//蜂鳴器通電50msDelay(50);BUZZ=1;//蜂鳴器斷電100msDelay(100);}} /*******************延時(shí)函數(shù)*******************/voidDelay(intms){do{Delay1ms();}while(--ms);}/*****************延時(shí)1ms函數(shù)*******************/voidDelay1ms(){unsignedchari;

for(i=164;i;i--);}/********************程序結(jié)束*******************/12.3數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

12.3.1設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的數(shù)字溫度計(jì)，可在數(shù)碼管上顯示出溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)，超過(guò)37.5℃時(shí)，由蜂鳴器給出報(bào)警提示。溫度測(cè)量范圍為0~99.9℃，誤差在±0.5℃以內(nèi)。

12.3.2設(shè)計(jì)方案論證數(shù)字溫度計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

12.3.3硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字溫度計(jì)硬件原理圖

12.3.4軟件設(shè)計(jì)主控模塊流程圖

溫度采集模塊的流程

12.3.5系統(tǒng)調(diào)試數(shù)碼管顯示器的調(diào)試：先編寫(xiě)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的測(cè)試程序，利用KeilC51集成開(kāi)發(fā)軟件生成代碼并加載到仿真器或直接下載到單片機(jī)觀察運(yùn)行效果。如果不能正常顯示，可檢查數(shù)碼管是否用錯(cuò)或接錯(cuò)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管公共陽(yáng)極的三極管是否損壞或有連接題。DS18B20的調(diào)試：DS18B20對(duì)工作時(shí)序有嚴(yán)格要求，程序中與DS18B20驅(qū)動(dòng)有關(guān)的延時(shí)時(shí)間可能需要多次調(diào)整后，才能與單片機(jī)進(jìn)行正常的通信。有條件的話，可使用數(shù)字示波器觀察延時(shí)時(shí)間是否達(dá)到要求。12.3.6數(shù)字溫度計(jì)的完整程序（C51）/*******************頭文件聲明******************/#include<REG51.h>/******************數(shù)據(jù)類(lèi)型定義*****************/typedefunsignedcharuint8;typedefunsignedintuint16;/************符號(hào)常量及口線分配聲明**************/#defineDISP_SEGP0sbitDISP_D1=P2^2;sbitDISP_D2=P2^1;sbitDISP_D3=P2^0;sbitBUZZ=P1^7;sbitDS18B20_DATA=P1^0;/*******************函數(shù)原型聲明**********************/voidDS18B20Init();voidDS18B20BitWrite(bitBit);bitDS18B20BitRead();voidDS18B20ByteWrite(uint8Byte);uint8DS18B20ByteRead();voidGetTemperature();voidDispTemperature();voidCheckTemperature();voidDelay(uint16ms);voidDelay1ms();/****************常量數(shù)組（段碼表）聲明****************/uint8codeSegCode[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};/*****************全局變量聲明*****************/intTemperature;/******************主函數(shù)*********************/voidmain(){while(1){

GetTemperature();//獲取當(dāng)前溫度

DispTemperature();//顯示當(dāng)前溫度

CheckTemperature();//超溫報(bào)警處理

}} /************DS18B20初始化函數(shù)****************/voidDS18B20Init(){uint8i;while(1){DS18B20_DATA=0;i=200;while(--i!=0);//延時(shí)800usDS18B20_DATA=1;i=15;while(--i!=0);//延時(shí)60usif(DS18B20_DATA==1)continue;//重發(fā)復(fù)位脈沖

i=30;while(--i!=0);//延時(shí)120usif(DS18B20_DATA==1)break;//復(fù)位成功

}i=75;while(--i!=0);//延時(shí)300us}/*************DS18B20位寫(xiě)操作函數(shù)**************/voidDS18B20BitWrite(bitBit){uint8i;DS18B20_DATA=0;i=1;while(--i!=0);//延時(shí)4usDS18B20_DATA=Bit;//發(fā)送1位數(shù)到DS18B20i=14;while(--i!=0);//延時(shí)56usDS18B20_DATA=1;}/************DS18B20位讀操作函數(shù)***************/bitDS18B20BitRead(){bittemp;uint8i;DS18B20_DATA=0;i=3;while(--i!=0);//延時(shí)12usDS18B20_DATA=1;temp=DS18B20_DATA;//讀來(lái)自DS18B20的1位數(shù)

i=12;while(--i!=0);//延時(shí)48usreturntemp;}/****************DS18B20字節(jié)寫(xiě)操作函數(shù)***************/voidDS18B20ByteWrite(uint8Byte){uint8count;

for(count=0;count<8;count++)//一共發(fā)送8位

{

if((Byte&0x01)==0x01)//先發(fā)最低位

DS18B20BitWrite(1);//發(fā)送1elseDS18B20BitWrite(0);//發(fā)送0Byte>>=1;}}/************DS18B20字節(jié)讀操作函數(shù)*************/uint8DS18B20ByteRead(){uint8count,temp;temp=0;

for(count=0;count<8;count++)//一共讀8位

{

temp>>=1;//字節(jié)變量右移

if(DS18B20BitRead()==1)//讀取1位數(shù)據(jù)并存入臨時(shí)變量temp中

temp|=0x80;//temp最高位置1}returntemp;//返回讀到的8位數(shù)}/*****************溫度獲取函數(shù)*****************/voidGetTemperature(){

uint8ADResult[2];DS18B20Init();DS18B20ByteWrite(0xcc);//跳過(guò)ROM（只有一個(gè)DS18B20）

DS18B20ByteWrite(0x44);//啟動(dòng)溫度采集（轉(zhuǎn)換）

while(DS18B20BitRead()==0)DispTemperature();//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，期間不斷刷新顯示

DS18B20Init();//溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束，再次初始化

DS18B20By