MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與調(diào)試

MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與調(diào)試15.1MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的步驟設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，一般可分為四個(gè)步驟：（1）需求分析，方案論證和總體設(shè)計(jì)階段需求分析:被測(cè)控參數(shù)的形式（電量、非電量、模擬量、數(shù)字量等）、被測(cè)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(bào)警、打印要求等。:根據(jù)要求，設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)場(chǎng)條件的軟硬件方案，又要使系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠，這是進(jìn)行方案論證與總體設(shè)計(jì)一貫堅(jiān)持的原則。（2）器件選擇，電路設(shè)計(jì)制作，數(shù)據(jù)處理，軟件的編制階段。（3）系統(tǒng)調(diào)試與性能測(cè)定。（4）文件編制15.2應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)(1)單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展和I/O接口擴(kuò)展。存儲(chǔ)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、8279以及其它I/O功能器件的擴(kuò)展。它們都屬于單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的內(nèi)容。前面已作介紹。(2)各功能模塊的設(shè)計(jì)如信號(hào)測(cè)量功能模塊、信號(hào)控制功能模塊、人機(jī)對(duì)話(huà)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(pán)、顯示器、打印機(jī)等外圍設(shè)備。1．盡可能采用功能強(qiáng)的芯片(1)單片機(jī)可考慮優(yōu)先選用片內(nèi)帶有閃爍存儲(chǔ)器的產(chǎn)品。例如ATMEL公司的89C51/89C52/89C55。使用此類(lèi)芯片，可使單片機(jī)擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器的工作省去，從而減少芯片的數(shù)目，縮小體積。(2)EPROM空間和RAM空間。目前EPROM容量越來(lái)越大，一般盡量選用容量大的EPROM。(3)I/O端口。(4)A/D和D/A通道。2．以軟代硬。3．工藝設(shè)計(jì)。15.3應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（1）根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。（2）各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改。（3）在編寫(xiě)應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。這不僅是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷源等。其中最關(guān)鍵的是片內(nèi)RAM分配。對(duì)8031來(lái)講，片內(nèi)RAM指00H～7FH單元，這128個(gè)字節(jié)的功能不完全相同，分配時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮其特長(zhǎng)，做到物盡其用。15.4MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)舉例介紹一些基本的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。15.4.18031的最小系統(tǒng)8031無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)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(shí)鐘電路。圖15-1為8031外擴(kuò)程序存儲(chǔ)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。15.4.289C51的最小系統(tǒng)

15.4.3以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號(hào)調(diào)理電路、多路切換電路、采樣保持電路、A/D、CPU、RAM、EPROM組成。其原理框圖如圖15-3所示。1.信號(hào)調(diào)理電路是傳感器與A/D之間的橋梁，是測(cè)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0～10mA，4～20mA信號(hào)，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(hào)。（2）某些測(cè)量信號(hào)可能是非電量，這些非電壓量信號(hào)必須變?yōu)殡妷盒盘?hào)，還有些信號(hào)即使是電壓信號(hào)，也必須經(jīng)過(guò)放大、濾波，這些處理包括信號(hào)形式的變換、量程調(diào)整、環(huán)境補(bǔ)償、線(xiàn)性化等。（3）某些惡劣條件下，共模電壓干擾很強(qiáng)，如共模電平高達(dá)220V，不采用隔離的辦法無(wú)法完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，因此，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，考慮共模干擾的抑制，甚至采用隔離措施，包括地線(xiàn)隔離、路間隔離等等。

綜上所述，非電量的轉(zhuǎn)換、信號(hào)形式的變換、放大、濾波、共模抑制及隔離等等，都是信號(hào)調(diào)理的主要功能。信號(hào)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(duì)象，采用不同的電路。電橋電路的典型應(yīng)用之一就是熱阻測(cè)溫。信號(hào)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(huì)產(chǎn)生一定的非線(xiàn)性且靈敏度下降，這可以通過(guò)后級(jí)增益調(diào)整和非線(xiàn)性校正補(bǔ)償。2.多路切換電路3.采樣保持電路（S/H）4.模-數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的地址空間分配與總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)有時(shí)要擴(kuò)多片存儲(chǔ)器芯片，要解決兩個(gè)問(wèn)題：(1)如何把兩個(gè)64K存儲(chǔ)器空間分配給各個(gè)芯片;(2)如何解決對(duì)多片芯片的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。1.地址空間的分配圖15-4是一個(gè)全地址譯碼的系統(tǒng)實(shí)例。各器件芯片所對(duì)應(yīng)的地址如表15-1所示。器件地址線(xiàn)(A15-A0)片內(nèi)地址單元數(shù)地址編碼6264000×××××××××××××8K0000H-1FFFH8255(1)00111111111111××43FFCH-3FFFH8155RAM01011110××××××××2565E00H-5EFFHI/O0101111111111×××65FF8H-5FFDH0832011111111111111117FFFH2764100×××××××××××××8K8000H-9FFFH表15-1各擴(kuò)展芯片的地址2．總線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)常用的單向總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器為74LS244。圖15-6為74LS244引腳和邏輯圖。8個(gè)三態(tài)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器分成兩組，分別由1和2控制。

常用的雙向驅(qū)動(dòng)器為74LS245，圖15-7為其引腳和邏輯圖，16個(gè)三態(tài)門(mén)每?jī)蓚€(gè)三態(tài)門(mén)組成一路雙向驅(qū)動(dòng)。（1）直流負(fù)載下驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力的估算驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力主要取決于高電平輸出時(shí)驅(qū)動(dòng)器能提供的最大電流和低電平輸出時(shí)所能吸收的最大電流?，F(xiàn)設(shè)IOH為驅(qū)動(dòng)器在高電平輸出時(shí)的最大輸出電流，IIH為每個(gè)同類(lèi)門(mén)負(fù)載所吸收的電流。IOL為驅(qū)動(dòng)器在低電平輸出時(shí)的最大吸入電流，IIL為驅(qū)動(dòng)器需要為每個(gè)同類(lèi)門(mén)提供的吸入電流。顯然，如下關(guān)系滿(mǎn)足時(shí)才能使驅(qū)動(dòng)器可靠工作。若：IOH=15mA,IOL=24mA,IIH=0.1mA和IIL=0.2mA，求得N1=150和N2=120。因此，驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際驅(qū)動(dòng)能力應(yīng)為120個(gè)同類(lèi)門(mén)。（2）交流負(fù)載下驅(qū)動(dòng)能力的估算總線(xiàn)上傳送的數(shù)據(jù)是脈沖型信號(hào)，在同類(lèi)門(mén)負(fù)載為容性（分布電容造成）時(shí)，就必須考慮電容的影響。若：CP為驅(qū)動(dòng)器的最大驅(qū)動(dòng)電容，Ci（i=1,2,…,N）為每個(gè)同類(lèi)門(mén)的分布電容。為了滿(mǎn)足同類(lèi)門(mén)電容的交流效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)器負(fù)載電路應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系：

若：Cp=15μF，Ci不大于0.3μF，則根據(jù)上式可求得N3=50。15.3.4應(yīng)用設(shè)計(jì)例1-水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）溫度控制的設(shè)定范圍為35-85℃，最小分辨率為0.1℃。（2）偏差≤0.6℃，靜態(tài)誤差≤0.4℃。（3）實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度值。（4）命令按鍵5個(gè):復(fù)位鍵,功能轉(zhuǎn)換鍵,加1鍵,減1鍵。一、硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路從功能模塊上來(lái)劃分有：(1)主機(jī)電路(2)數(shù)據(jù)采集電路(3)鍵盤(pán)、顯示電路(4)控制執(zhí)行電路1．硬件功能結(jié)構(gòu)框圖硬件功能結(jié)構(gòu)框圖如圖15-9所示。2．?dāng)?shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)主機(jī)采用89C51，系統(tǒng)時(shí)鐘采用12MHz，內(nèi)部含有4K字節(jié)的閃爍存儲(chǔ)器。無(wú)須外擴(kuò)程序存儲(chǔ)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，見(jiàn)圖15-10。3．控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)由單片機(jī)的輸出來(lái)控制風(fēng)扇或電爐。設(shè)計(jì)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(hào)要對(duì)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(qǐng)見(jiàn)小節(jié)的介紹）。其中使用P1.0控制電爐電路，P1.1控制風(fēng)扇電路，如圖15-11所示。4．鍵盤(pán)與顯示器電路的設(shè)計(jì)鍵盤(pán)共有4個(gè)鍵，采用軟件查詢(xún)和外部中斷相結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)，當(dāng)某個(gè)鍵按下時(shí)，低電平有效。4個(gè)鍵K1~K4的功能定義如表15-1所示。按鍵鍵名功能K1復(fù)位鍵使系統(tǒng)復(fù)位K2功能轉(zhuǎn)換鍵按鍵按下，L1亮，顯示溫度設(shè)定值，按鍵松開(kāi)，L1不亮，顯示當(dāng)前的溫度值K3加1鍵設(shè)定的溫度值加1K4減1鍵設(shè)定的溫度值減1表15-14個(gè)鍵K1-K4的定義

按鍵S2與INT0*(P3.2)相連，采用外部中斷方式，且優(yōu)先級(jí)定為高優(yōu)先級(jí)。K3和K4分別與P1.7和P1.6相連，采用軟件查詢(xún)方式，K1為復(fù)位鍵，與RC構(gòu)成復(fù)位電路。顯示電路部分利用串行口來(lái)實(shí)現(xiàn)3位LED的共陽(yáng)靜態(tài)顯示，顯示內(nèi)容為溫度的十位、個(gè)位以及小數(shù)點(diǎn)后的一位。利用串行口實(shí)現(xiàn)LED的共陽(yáng)靜態(tài)顯示的工作原理及軟件編程請(qǐng)見(jiàn)小節(jié)的有關(guān)內(nèi)容。二、軟件設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)，三大模塊:主程序模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和運(yùn)算控制模塊。1．主程序模塊主程序流程如圖15-12所示。在主程序中首先給定PID算法的參數(shù)值，然后通過(guò)循環(huán)顯示當(dāng)前溫度，以等待中斷，并且使鍵盤(pán)外部中斷為高優(yōu)先級(jí)，以便使主程序程序能實(shí)時(shí)響應(yīng)鍵盤(pán)處理。軟件設(shè)定定時(shí)器T0為5s定時(shí)，在無(wú)鍵按下時(shí)，應(yīng)每隔5s響應(yīng)一次，以用來(lái)采集溫度傳感器并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的溫度信號(hào)。設(shè)置定時(shí)器T1為嵌套在T0之中的定時(shí)中斷，初值由PID算法子程序提供，以用來(lái)執(zhí)行對(duì)電爐或風(fēng)扇的控制。

2．功能實(shí)現(xiàn)模塊(1)T1中斷子程序(2)鍵盤(pán)中斷子程序T0中斷子程序3．運(yùn)算控制模塊（1）標(biāo)度變換子程序（2）PID算法子程序

一、基本工作原理及功能儀器包括兩部分：（1）流量計(jì)部分，有時(shí)稱(chēng)流量變送器；（2）流量計(jì)的附加裝置，通常稱(chēng)為流量積算儀。整機(jī)原理框圖如圖15-13所示。15.3.5應(yīng)用設(shè)計(jì)例2-智能渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)二、硬件設(shè)計(jì)1.變送器

從傳感器的角度分析，壓力式渦街流量計(jì)是一個(gè)壓電測(cè)試系統(tǒng)。變送器的電子線(xiàn)路部分由完整的壓電傳感器的信號(hào)調(diào)理電路組成，其中包括電荷放大級(jí)、失調(diào)放大級(jí)、低通濾波器及施密特整形電路等。電荷放大級(jí)屬于靜電測(cè)試系統(tǒng)，為儀表的核心部分，應(yīng)該采用高輸入阻抗、高增益、低漂放大器。2.單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其硬件配置根據(jù)設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)包括：①接受變送器送來(lái)的與流量成正比的脈沖，并對(duì)其定時(shí)、計(jì)數(shù)的電路；②顯示器與鍵盤(pán)接口電路；③溫度、壓力傳感器送來(lái)的兩路信號(hào)的數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換電路；④TPμP16打印機(jī)接口及報(bào)警二極管指示電路；⑤與流量成正比的控制電流的轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路；⑥外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路。單片機(jī)系統(tǒng)的整體框圖如圖15-14所示，現(xiàn)將其中主要電路介紹如下：（1）顯示器/鍵盤(pán)接口（2）打印機(jī)接口（3）A/D與D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口3.外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展（1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展程序設(shè)計(jì)1.主程序2.中斷服務(wù)程序圖15-203.功能塊程序圖15-2115.4.1仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)介一、仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的功能應(yīng)具有如下最基本的功能：（1）用戶(hù)樣機(jī)硬件電路的診斷與檢查（2）用戶(hù)樣機(jī)程序的輸入與修改（3）程序的運(yùn)行、調(diào)試（單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)運(yùn)行）、排錯(cuò)、狀態(tài)查詢(xún)等功能；（4）將程序固化到EPROM芯片中。不同的仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)都必須具備上述基本功能，但對(duì)于一個(gè)較完善的仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)還應(yīng)具備：15.4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試（1）有較全的開(kāi)發(fā)軟件。（2）有跟蹤調(diào)試、運(yùn)行的能力。（3）為了方便模塊化軟件調(diào)試，還應(yīng)配置軟件轉(zhuǎn)儲(chǔ)、程序文本打印功能及設(shè)備。二、仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的種類(lèi)1.通用機(jī)仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)2.軟件模擬開(kāi)發(fā)系統(tǒng)15.4.2用戶(hù)樣機(jī)開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程一、用戶(hù)樣機(jī)軟件的設(shè)計(jì)、調(diào)試用戶(hù)樣機(jī)軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試的過(guò)程如圖15-23所示，可為以下4個(gè)步驟:第一步，建立用戶(hù)源程序。用戶(hù)通過(guò)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的鍵盤(pán)、CRT顯示器及開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的編輯軟件WS，按照匯編語(yǔ)言源程序所要求的格式、語(yǔ)法規(guī)定，把源程序輸入到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，并存在磁盤(pán)上。第二步，在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)機(jī)上，利用匯編程序?qū)Φ谝徊捷斎氲挠脩?hù)源程序進(jìn)行匯編，直至語(yǔ)法錯(cuò)誤全部糾正為止。如無(wú)語(yǔ)法錯(cuò)誤，則進(jìn)入下一個(gè)步驟。第三步，動(dòng)態(tài)在線(xiàn)調(diào)試。這一步對(duì)用戶(hù)的源程序進(jìn)行調(diào)試。上述的第一步、第二步是一個(gè)純粹的軟件運(yùn)行過(guò)程，而在這一步，必須要有在線(xiàn)仿真器配合，才能對(duì)用戶(hù)源程序進(jìn)行調(diào)試。用戶(hù)程序中分為與用戶(hù)樣機(jī)硬件無(wú)聯(lián)系的程序以及與其樣機(jī)緊密關(guān)聯(lián)的程序。第四步，將調(diào)試完畢的用戶(hù)程序通過(guò)EPROM編程器（也稱(chēng)EPR