第10章单片机应用系统设计与实例（ghl）课件.ppt

第10章 单片机应用系统设计与实例,东北大学信息学院高宏亮,单片机原理及应用,第10章 单片机应用系统设计,10.1 单片机应用系统的基本结构,10.1.1 单片机应用系统的硬件组成,10.1.2 单片机应用系统开发的基本过程,一系统需求与方案调研,系统需求与方案调研的目的是通过市场或用户了解用户对拟开发应用系统的设计目标和技术指标。通过查找资料，分析研究，解决以下问题：1)了解国内外同类系统的开发水平、器材、设备水平、供应状态；对接收委托研制项目，还应充分了解对方技术要求、环境状况、技术水平，以确定课题的技术难度。2)了解可移植的硬、软件技术。能移植的尽量移植，以防止大量低水平重复劳动。3)摸清硬、软件技术难度，明确技术主攻方向。4)综合考虑硬、软件分工与配合方案。单片机应用系统设计中，硬、软件工作具有密切的相关性。,可行性分析的目的是对系统开发研制的必要性及可行性作出明确的判定结论。根据这一结论决定系统的开发研制工作是否进行下去。可行性分析通常从以下几个方面进行论证：1)市场或用户的需求情况。2)经济效益和社会效益。3)技术支持与开发环境。4)现在的竞争力与未来的生命力。,二可行性分析,系统功能设计包括系统总体目标功能的确定及系统硬、软件模块功能的划分与协调关系。系统功能设计是根据系统硬件、软件功能的划分及其协调关系，确定系统硬件结构和软件结构。系统硬件结构设计的主要内容包括单片机系统扩展方案和外围设备的配置及其接口电路方案，最后要以逻辑框图形式描述出来。系统软件结构设计主要完成的任务是确定出系统软件功能模块的划分及各功能模块的程序实现的技术方法，最后以结构框图或流程图描述出来。,三系统方案设计,应学会技能:网上查找芯片电子手册,系统详细设计与制作就是将前面的系统方案付诸实施，将硬件框图转化成具体电路，并制作成电路板，软件框图或流程图用程序加以实现。,四系统详细设计与制作,应学会技能:购买芯片、接插件(电子市场购买或邮购)画PCB电路板，画器件封装,六生成正式系统或产品,系统硬件、软件调试通过后，就可以把调试完毕的软件固化在EPROM中，然后脱机(脱离开发系统)运行。如果脱机运行正常，再在真实环境或模拟真实环境下运行，经反复运行正常，开发过程即告结束。,系统调试是检测所设计系统的正确性与可靠性的必要过程。单片机应用系统设计是一个相当复杂的劳动过程，在设计、制作中，难免存在一些局部性问题或错误。系统调试可发现存在的问题和错误，以便及时地进行修改。调试与修改的过程可能要反复多次，最终使系统试运行成功，并达到设计要求。,五系统调试与修改,10.2 单片机应用系统的硬件设计,10.2.1 硬件系统设计原则,一个单片机应用系统的硬件电路设计包括三个部分内容：一是单片机芯片的选择，二是单片机系统扩展，三是系统配置。,一、单片机芯片的选择,二、单片机系统扩展,单片机系统扩展是指单片机内部的功能单元(如程序存储器、数据存储器、I/O口、定时器/计数器、中断系统等)的容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，这时应选择适当的芯片，设计相应的扩展连接电路；系统配置是按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D转换器、D/A转换器等，设计相应的接口电路。,三、系统配置,系统扩展和配置设计遵循的原则：(1)尽可能选择典型通用的电路，并符合单片机的常规用法。(2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统当前的功能要求，并留有适当余地，便于以后进行功能的扩充。(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。(4)整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。(5)可靠性及抗干扰设计是硬件设计中不可忽视的一部分。(6)单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。,10.2.2 硬件设计,1)程序存储器,2)数据存储器,3)I/O接口,4)译码电路,5)总线驱动器,6)抗干扰电路,10.3 单片机应用系统的软件设计,一个应用系统中的软件一般是由系统监控程序和应用程序两部分构成的。其中，应用程序是用来完成诸如测量、计算、显示、打印、输出控制等各种实质性功能的软件；系统监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运行的程序，它负责组织调度各应用程序模块，完成系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令、处理条件触发和显示等功能。,软件设计时，应根据系统软件功能要求，将软件分成若干个相对独立的部分，并根据它们之间的联系和时间上的关系，设计出软件的总体结构，画出程序流程框图。画流程框图时还要对系统资源作具体的分配和说明。根据系统特点和用户的了解情况选择编程语言，现在一般用汇编语言和C语言。汇编语言编写程序对硬件操作很方便，编写的程序代码短，以前单片机应用系统软件主要用汇编语言编写；C语言功能丰富，表达能力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效率高，可移植性好，现在单片机应用系统开发很多都用C语言来进行开发和设计。,10.3.1 软件设计的特点,一个优秀的应用系统的软件应具有以下特点：(1)软件结构清晰、简捷、流程合理。(2)各功能程序实现模块化，系统化。这样，既便于调试、连接，又便于移植、修改和维护。(3)运行状态实现标志化管理。各个功能程序运行状态、运行结果以及运行需求都设置状态标志以便查询，程序的转移、运行、控制都可通过状态标志来控制。(4)实现全面软件抗干扰设计。软件抗干扰是计算机应用系统提高可靠性的有力措施。(5)为了提高运行的可靠性，在应用软件中设置自诊断程序，在系统运行前先运行自诊断程序，用以检查系统各特征参数是否正常。,10.3.3 单片机应用系统开发工具,一个单片机应用系统经过总体设计，完成硬件开发和软件设计，就进行硬件安装。硬件安装好后，把编制好的程序写入存储器中，调试好后系统就可以运行了。但用户设计的应用系统本身并不具备自开发的能力，不能够写入程序和调试程序，这必须借助于单片机开发系统才能完成这些工作。单片机开发系统是能够模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程和结果，从而能对现场进行模仿的仿真开发系统。通过它能很方便的对硬件电路进行诊断和调试，得到正确的结果。,目前国内使用的通用单片机的仿真开发系统很多，如复旦大学研制的SICE系列启东计算机厂制造的DVCC系列中国科大研制的KDV系列南京伟福公司的各系列上海星研公司的各系列等。它们都具有程序输入、编辑、汇编和调试的功能。此外，有些还具备在线仿真功能，能够直接将程序固化到EEPROM中。一般都支持汇编语言编程，有的可以通过开发软件，支持C语言编程。例如可通过Keil C51软件来编写C语言源程序，编译连接生成目标文件、可执行文件，仿真、调试、生成代码并下载到应用系统中。,第11章 单片机应用系统设计实例,东北大学信息学院高宏亮2011年,单片机原理及应用,第11章 单片机应用系统设计实例,11.1 单片机电子时钟的设计,通常通过用单片机设计电子时钟有两种方法：一是通过单片机内部的定时器/计数器。这种方法硬件线路简单，采用软件编程实现时钟计数，一般称为软时钟。系统的功能一般与软件设计相关，通常用在对时间精度要求不高的场合；二是采用时钟芯片，它的功能强大，功能部件集成在芯片内部，自动产生时钟等相关功能。硬件成本相对较高，软件编程简单。通常用在对时钟精度要求较高的场合。,11.1.1 软时钟的基本原理,软时钟是利用单片机内部的定时器/计数器来实现，它的处理过程如下：首先设定单片机内部的一个定时器/计数器工作于定时方式，对机器周期计数形成基准时间（如10ms），然后用另一个定时器/计数器或软件计数的方法对基准时间计数形成秒（对10ms计数100次），秒计60次形成分，分计60次形成小时，小时计24次则计满一天。然后通过数码管把它们的内容在相应位置显示出来即可。,11.1.2 系统硬件电路的设计,图11.1电子时钟电路原理图,电子时钟的软件系统由主程序和子程序组成，主程序程序包含初始化参数设置、按键处理、数码管显示模块等，在设计时各个模块都采用子程序结构设计，在主程序中调用。由于定时器/计数器采用中断方式处理，因此还要编写定时器/中断服务子程序，在定时器/计数器中断服务程序中对时钟进行调整。,11.1.3 系统软件程序的设计,电子时钟的软件系统由主程序和子程序组成，主程序程序包含初始化参数设置、按键处理、数码管显示模块等，在设计时各个模块都采用子程序结构设计，在主程序中调用。由于定时器/计数器采用中断方式处理，因此还要编写定时器/中断服务子程序，在定时器/计数器中断服务程序中对时钟进行调整。,一主程序主程序执行流程如图11.2，主程序先对显示单元和定时器/计数器初始化，然后重复调用数码管显示模块和按键处理模块，当有键按下，则转入相应的功能程序。,图11.2主程序流程图,本系统共用8个数码管，从右到左依次显示秒个位、秒十位、横线、分个位、分十位、横线、时个位和时十位。数码管显示的信息用8个内存单元存放，这8个内存单元称为显示缓冲区，其中秒个位和秒十位、分个位和分十位、时个位和时十位分别由秒数据、分数据和小时数据分拆得到。本系统中数码管显示采用软件译码动态显示。在存储器中首先建立一张显示信息的字段码表，显示时，先从显示缓冲区中取出显示的信息，然后通过查表程序在字段码表中查出所显示的信息的字段码，从P0口输出，同时在P2口将对应的位选码输出选中显示的数码管，就能在相应的数码管上显示显示缓冲区的内容。,二数码管显示模块,定时器/计数器T0用于时间计时。选择方式1，重复定时，定时时间设为50ms，定时时间到则中断，在中断服务程序中用一个计数器对50ms计数，计20次则对秒单元加1，秒单元加到60则对分单元加1，同时秒单元清0；分钟单元加到60则对时单元加1，同时分钟单元清0；小时单元加到24则对时单元清0，标志一天时间计满。在对各单元计数的同时，把它们的值放到存储单元的指定位置。定时器/计数器T0中断服务程序流程图如图11.3 所示。,三定时器/计数器T0中断服务程序,图11.3 T0定时中断函数流程图,四按键处理模块按键处理设置为：如没有按键，则时钟正常走时。当按下K0按键时，进入调分状态，时钟停止走动；按K1可K2按键可进行加1或减1操作；继续按K0键可分别进行分和小时的调整；最后按K0键将退出调整状态，时钟开始计时运行。,五C语言源程序清单,#include reg51.h#define uchar unsigned char/共阳数码管显示码,0-9,全灭和-的字码uchar code dis_712=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 xb2,0 xf8,0 x80,0 x90,0 xff,0 xbf;/键盘位选择码uchar code scan_con8=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7,0 xef,0 xdf,0 xbf,0 x7f;/显示缓冲区,小时,分钟,秒，-对应显示码第12个位置，对应内容为11(以0起始)uchar data dis8=0,0,11,0,0,11,0,0;/从右向左的显示缓冲区uchar data timedata3=0,0,0;/秒,分钟,小时数值变量uchar data ms50=0;/50ms中断发生次数计数uchar data con=0;/当前修改时间位置(0:不调整,1:秒,2:分钟,3:小时)uchar data con1=0;/临时变量uchar data con2=0;/临时变量sbit key0=P10;/键扫描线,key0为调时选择键sbit key1=P11;/键扫描线,key1为调节加1键sbit key2=P12;/键扫描线,key2为调节减1键,void delay1ms(int t)/1ms延时函数int i,j;for(i=0;it;i+)for(j=0;j1000;j+);/时钟晶振12Mhz,一个机器周期1usvoid scan()/数码管显示函数uchar k=0;dis0=timedata0%10;/秒个位数字dis1=timedata0/10;/秒十位数字dis3=timedata1%10;/分钟个位数字dis4=timedata1/10;/分钟十位数字dis6=timedata2%10;/小时个位数字dis7=timedata2/10;/小时十位数字for(k=0;k8;k+)P0=dis7disk;/输出显示数值对应的显示码P2=scan_conk;/选择输出,点亮对应位置的数码管delay1ms(1);/延迟1msP2=0 xff;/全部LED灭掉,用于切换显示数码,关键!,void keyscan()/按键处理函数EA=0;/停止所有中断响应if(key0=0)/key0键已按下delay1ms(10);/延时10mswhile(key0=0);/等待key0键抬起con+;TR0=0;ET0=0;/调表位置改变if(con=3)con=0;TR0=1;ET0=1;/移到最高位后处理if(con!=0)/不为零，表示为调表状态if(key1=0)/key1键已按下delay1ms(10);/延时10mswhile(key1=0);/等待key1键抬起timedatacon+;/内容加1/con1表示调整内容的循环上限if(con=2)con1=24;/调整小时，上限为24else con1=60;/调整分钟和秒，上限为60if(timedatacon=con1)timedatacon=0;/调整,if(con!=0)/不为零，表示为调表状态if(key2=0)/key2键已按下delay1ms(10);/延时10mswhile(key2=0);/等待key2键抬起timedatacon-;/内容减1/con2表示调整内容的从零再减1时的值if(con=2)con1=23;/调整小时，变为23else con1=59;/调整分钟和秒，变为59if(timedatacon=0)timedatacon=con2;/调整内容EA=1;/重新开启中断,void main()TH0=0 x3c;/初始化Timer0计数值,0 x3CB0对应计数周期50000,12MHz晶振，机器周期1us,Timer0中断周期为50msTL0=0 xb0;TMOD=0 x01;/设置Timer0工作模式1ET0=1;/使能定时器0中断TR0=1;/启动定时器0EA=1;/开启单片机整体中断while(1)scan();/数码管显示keyscan();/扫描键盘,void time_int0(void)interrupt 1/Timer0中断响应函数ET0=0;/关闭中断TR0=0;/关闭定时器Timer0TH0=0 x3c;TL0=0 xb0;/再次给定时器赋值TR0=1;/开启定时器Timer0ms50+;/50ms计数变量加1if(ms50=20)/当计数值达到20,达到1mms50=0;/清零timedata0=+;/秒变量加1if(timedata0=60)/秒数达到60timedata0=0;timedata1+;/更新if(timedata1=60)/分钟数达到60timedata1=0;timedata2+;/更新if(timedata2=24)/小时数达到60timedata2=0;/更新ET0=1;,11.2 多路数字电压表的设计,11.2.1 多路数字电压表的原理及功能,多路数字式电压表应用系统主要利用A/D转换器，处理过程如下：先用A/D转换器对各路电压值进行采样，得到相应的数字量，再按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟电压值，然后把模拟值通过显示器显示出来。设计时假设待测的输入电压为8路，电压值的范畴为05V，要求能在四位LED数码管上轮流显示或单路选择显示。测量的最小分辨率为0.019V，测量误差为0.02V。,根据系统的功能要求，控制系统采用AT89C52单片机，A/D转换器采用ADC0809。ADC0809是8位的A/D转换器。当输入电压为5.00V时，输出的数据值为255（0FFH），因此最大分辨率为0.0196V（5/255）。ADC0809的具有8路模拟量输入端口，通过3位地址输入端能从8路中选择一路进行转换。如每隔一段时间轮流依次改变3位地址输入端的地址，就能依次对8路输入电压进行测量。LED数码管显示采用软件译码动态显示。通过按键选择可8路循环显示，也可单路显示，单路显示可通过按键选择显示的通道数。,11.2.2 系统硬件电路的设计,11.2.3 系统软件程序的设计,1主程序 主程序包含初始化部分、调用A/D转换子程序和调用显示程序，如下图。初始化包含存放通道数据的缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。另外，对于单路显示和循环显示，系统设置了一个标志位00H控制，初始化时00H位设置为0，默认为循环显示，当它为1时改变为单路显示控制，00H位通过单路/循环按键控制。,2A/D转换子程序,A/D转换子程序用于对ADC0809八路输入模拟电压进行A/D转换，并将转换的数值存入8个相应的存储单元中，如下图。A/D转换子程序每隔一定时间调用一次，也即隔一段时间对输入电压采样一次。,4显示子程序,显示子程序首先把温度转换子程序得到的值变换后放入显示缓冲区，然后调用四位数码管动态显示程序显示。,5C语言源程序清单(略),本章小结,单片机应用系统的基本结构(硬件、软件)单片机系统的设计开发流程单片机电子时钟的设计(LED动态扫描显示,键盘控制,时钟逻辑实现)多路数字电压表的设计(AD转换,数字显示),