单片机的系统开发设计方案

1 单片机的系统开发设计方案 1 绪论 统开发背景和系统设计的意义 自单片机出现至今，单片机技术已走过了近 20 年的发展路程。纵观 20 年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器 (术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域为拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。与此同时在市场上以单片机为核心控制器的产品更是层出不穷，各种家用电器、智能仪器仪表、医疗器械、机电一体化、实时工业控制、交通领域无不用到单片机。从目前单片机的发展趋势来看，单片机控制技术已成为电子设计技术及计算机 技术不可缺少的一个重要部分，因此单片机系统在电子世界里有着较好的前景，进行单片机的系统开发设计在当今电子领域有着重大的意义。 计目标 该设计要求实现： （ 1）、能够进行 D/A 转换功能； （ 2）、能够进行 A/D 转换功能； （ 3）、设计串行通信接口，实现与 的通信； （ 4）、具有人机对话功能，可通过键盘进行输入； （ 5）、 示器能够根据按键的输入进行相应的显示； （ 6）、自制 +5V 稳压电源。 设计结果要求： 完成电路的设计，硬件电路应该设计出原理图并画出 图，完成软件程序的编写（包括 流程图和部分源代码） 。 计方案的选择 2 根基设计目标的要求，此系统可以采用以下两种设计方案来实现。 方案一：设计的方框图如图 1 所示： 图 1 方案一设计方框图 从方案一的方框图中我们可以看出用此设计方案设计的系统由信号源即被测对象、传感器、多路模拟开关、采样保持电路、 A/D 转换 电路、控制电路、 、 D/A 转换电路、低通滤波电路、功率放大电路、激励装置、电源电路等部分组成。此方 案的特点是：硬件电路的实现相当的复杂，用到的 元器件也较多；而且整个系统的控制过程用软件实现起来也比较的困难。总之是软件和硬件的实现都比较的复杂。 方案二：设计的方框图如图 2 所示： 图 2 方案二设计方框图 平转换 电路 电源电路 控 制 器 单片机 示电路 按键 电路 外部存储器 D/A 转 换电路 A/D 转 换电路 外部采 集电路 被测 对象 传感 器电 路 多路 模拟 开关 采样 保持 电路 A/D 转 换 电路 控制器 单片机 源 电路 激励 装置 功率 放大 低通 滤波 D/A 转换 3 从方案二的设计方框图中可以看出用此方案设计的系统由电源电路、数据采集放大电路 、 A/D 转换电路、 D/A 转换电路、 行接口电路、单片机外围电路、 盘电路等部分组成。此方案的特点是：硬件电路的实现较为简单、所用元器件也较少、系统可以配上外部的各种传感器采集电路作 为系统的被测对象的模拟输入信号来源，如压力、温度、湿度的采集等等；配上相应的模拟采集电路和软件就可以实现各种不同的功能、还能用 码管十进制显示相应的测量数据，如可以显示测得的 压力、温度、湿度；还可以实现和 串行通信和 程下载功能，不需要编程器直接从 下载程序。 对比两种设计方案，我选择方案二来设计此系统，因为方案二的硬件电路比方案一较简单；方案二配上外部的采集电路和相应的软件就可以实现各种不同的功能，而方案一只能实现一种功能；方案二的软件控制过程也比方案一的较为简单和直观，方案二的性能 也比方案一的稳定，所以选择方案二来设计此系统。 文结构 本论文包括五个部分，分别为： 系统开发背景、设计的意义、设计目标和方案的选择等）； 括各模块的硬件电路设计、主要芯片的介绍等）； 括主程序流程图的设计、控制算法、）； 括硬件、软件的调试）； 2 硬件系统设计 件设计框图 硬件电路的设计框图就采用上面我们选择的方案二的设计框图。如图 3 所示： 平转换 电路 电源电路 控 制 器 单片机 示电路 按键 电路 D/A 转 换电路 4 图 3 系统硬件设计框图 本设计的主要硬件电路包括：电源电路、 A/D 转换电路、 D/A 转换电路、单片机与 串行通信接口和 程下载电路、单片机外围电路、 示电路、键盘电路等部分。 统的硬件详细设计 系统的硬件详细图如图 4 所示： 5 图 4 系统硬件详细设计图 3 56) / 0T X D / 13044 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5 . 0P 2 . 1P 2 . 2125 要芯片的介绍 片机 低功耗，高性能 位单片机，可反复擦写 1000 次的 读程序存储器，兼容标准 令系统及 80脚结构， 其主要 特点 为 ： （ 1）、 40 个引脚 0 封装 ， 8k 内程序存储器 ； （ 2）、 256 随机存取数据存储器（ ； （ 3）、 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 ； （ 4）、 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信 接 口 。 其引脚封装如图 5 所示；主要引脚介绍如下： 图 5 单片机 装图 （ 1） 源、接地引脚； （ 2） 部振荡器接入的两个引脚； （ 3） 复位信号输入引脚； （ 4） 3 口 作第二功能引脚用作串行通信接口输入、输出引脚； （ 5） 据 /地址总线引脚 ； 般的 I/O 口； 般的I/口。 7 ,内含高速采样保 持器和基准电源， 3 条串口线，接口标准与 容，其主要特性如下： （ 1） +5V 单电源供电； （ 2）正常工作电流小于 （ 3）最大转换时间为 s， 采样时间为 s； （ 4）采样频率达 75行数据输出速率可达到 5 封装图如图 6 所示：、 图 6 封装图 （ 1） +5V 电源； （ 2） 模拟量输入，电压范围 0 （ 3） 操作模式选择 ,低电平为休眠模式，正常操作模式为高电平或悬 空 ， 高电时使用内部参考模式 ， 悬空时禁止 使用内部参考 ； （ 4） 参考电压，内部参考为 用内部参考时此引脚对地接一个 用外部参考时，接 基准 电压； （ 5） 接地引脚； （ 6） 据输出引脚； （ 7） 片选信号输入引脚； （ 8） 钟信号输入引脚，最高为 5 ， 特点 ： （ 1） 可编程至 建立时间 ； （ 2） 3 线串行接口 ； （ 4） 高阻抗基准输入 ； （ 5） 电压输出范围为基准电压的两倍 。 引脚排列如图 7 所示 ， 各个引脚的功能如下所述： 图 7 引脚封装 （ 1） 数据输入； （ 2） 串行时钟输入； （ 3） 芯片选择，低电平有效； （ 4） 拟输出； （ 5） 模拟地； （ 6） 基准电压输入； （ 7） 拟输出； （ 8） 正电源 。 功能模块电路的设计 行通信电路 单片机与 串行通信接口电路及编程下载电路如图 8 所示： 9 1627384959R 1 I I I I O U O U O U O U +1C 1 +4C 2 X 2 3 2 ( 1 6 )1 1 1 1 D / P 3. 0T X D / P 3. 1V C 3 45 67 89 10 . 5P 1. 6P 1. 7R E S E 单片机与 串行通信接口的电路 本设计的串行通信部分主要是由 平转换电路和 程下载电路组成，其原理是： 片把单片机引脚的 平（ 0 5V）转换为 平（ +12V）， 片机有一个全双工的串行通信口，而 有一个 通信接口。只要用 型 9 针的引脚的 双边母头接到 上，而另一头和 连接，输出再和 连就可以实现单片机和 的串行通信 1。具体连线如上图 8 所示， 串行通信引脚的 别接到 ， 别接到 2、 3 上， 5 脚接地。围元件只有四个电容，根据 典型应用电路，可 取 50 程口和 连线为： 别连接到 3、 4、 5、 7 脚上， 1、 2 脚联合接电源 9、 10 脚联合接地即可 须外加写读器 。 下载指示灯， 限流电阻，发光二极管的压降为 2V，电流取 5阻值为： 00，考虑到和 起共电，在此取 1K。 片机外围电路 10 单片机外围电路如图 9 所示： M H 52 2 42 2 2 1 0 K+ 5 3 1 0 / V S E T 012I N T 113 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E E / 2A T 8 9 S 5 2R 2 71K+ 5 C C D 02 4 C 0 2R 4 5 1 0 4 1 0 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5+ 5 单片机外围电路 单片机外围电路由复位电路、晶振电路、外部存储器电路组成。复位电路采用上电和按键都有效的复位电路。此电路能 实现开机和单片机在运行时的复位，开机复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作，开机瞬间单片机的 脚获得高电平，随着电容 充电 高电平将逐渐下降。 脚的高电平只要能保持足够的时间（ 2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。此电路还可以实现单片机在运行期间，手动来实现复位操作，在晶振 为 12， 10F、 10K、 1K。单片机的时钟信号为内部时钟方式，单片机内部有 一振荡电路，只要在单片机的 构成了自激振荡器并在单片机内部 产生了时钟脉冲信号，图中 作用是稳定频率和快速起振，电容值选为 22F2。 24外部存储器，它 的 脚是地址脚，当一个电路中有多个 线元 11 器件时，单片机通过设置这三个管脚来区分是与那个元器件通信。现只有这一个 线芯片，所以 传输的 号只能是与这个芯片进行通信 3。我们将此三个管脚接地，表示其地址为 000B。 ： v i hd e ou c l X 1 8 7V C 24 00 14 . 2P 1 . 3P 1 . 4D I c l ut gn e f i ut 6 1 8V C . 0P 2 . 1P 2 . 2O U T 1 4 0 3 0 A/D 和 D/A 转换电路 A/D 转 换电路主要由 A/D 转换芯片 外围电容 组成 ； D/A 转换电路主 D/成， 为 供基准参考电压而设置的。 12 位 A D 转换芯片， 联起电源去藕的作用 。为保证采样精度，最好 将 开供电。 4 脚为参考端接一个 是使用内部 参考电压方式。输入模拟信号的电压范围为 0 ，如模拟输入电压不在这个范围要外加电路进行电压范围的变换。 其工作过程是：使用内部参考时， 电源开启 后 ， 经过 20 参考引脚的 进行正常的转换操作。当为低电平时，在下降沿 T H 电路进入保持状态，并开始转换， 时可在 12 读入单片机中处理。数据读取完成后将置为高电平。要注意的是：在置为低电平启动 A/测到 效（或者延时 才能发 位脉冲读数据， 3 个 ， 发完脉冲后应将置为高电平。 整的操作时序如图 11所示。 图 11 操作时系 D/A 转换电路主要 由 D/A 转换芯片 成， 带有缓冲基准输入的可编程双路 12 位数 /模转换器。 内部结构如下图图 12 所示， 12 位的 A/D 转换器、 A 逻辑控制器、双缓冲寄存器、 16 位移位寄 存器、上电复位电路及寄存器 A、 B 组成。上电复位功能可确保重复启动 。 出电压范围为基准电压的两倍，其输出极性与基准电压输入相同 ；基准电压来自基准电压芯片 输出端，其输出基准电压为 上电时内部电路把 存器复位至 0， 输出缓冲器具有可达电源电压幅度的输出 。 图 12 内部结构 13 16 位的数据中，前 4 位（ 编程控制位，其功能如下表 1 所示；后 12位（ 为数据位，用于模拟数据的输出。从表 1 中可以看出， 工作在三种数据传送方式。 最大串行时钟速率为 ： f(H)L)20据的更新速率受片选周期限制，此 时 tp(16XH)+L)+820于满度输入阶跃跳变，移位寄存器 至 12 位寄存器的建立时间限制了更新速率。表 1 可知建立时间可选为 35s。 当片选 （ 为低电平时，输入数据由时钟定时，以最高有效位在前的方式读入 16位移位寄存器， 下降沿把数据移入寄存器 A、 B，然后 上升沿把数据送到12 位 换 器。所 有 跳变应当发生在 入为低电平时 。 程控制位如下表 1 所示 ,时序如图 13 所示。 图 13 操作时序 表 1 程控制位的功能 编 程 位 代 码 功 能 14 12 1 X X X 把串行接口寄存器的数据写入锁存器 A 并用缓冲器锁存数据更新锁存器 B 0 X X 0 写锁存器 B 和双缓冲锁存器 0 X X 1 仅写双缓冲锁存器 X 1 X X 14S 建立时间 X 0 X X 3S 建立时间 X X X X 上电（ 作 X X 1 X 断电（ 式 14 码管显示电路 码显示电路如图 14 所示： 24 L S 1 3 8R 1 21 31 41 51 / R B L S 4 7R 1 8100R 1 9100R 2 0100R 2 1100R 2 2100R 2 3100R 2 4 100 3 4 5 6 7a b c d e f D 1 3 4 5 6 7a b c d e f D 2 3 4 5 6 7a b c d e f D 3 3 4 5 6 7a b c d e f D 4P 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7 61 3 4 5 6 7a b c d e f D 5 71 3 4 5 6 7a b c d e f D 6图 14 码显示电路 示电路由 74码器，三极管放大电路，限流电阻电路、共阳极 码管、驱动共阳级 4组成。电路的工作原理是 3 8 译码器将单片机输出的三位二 进制代码不同的八种组合“翻译”成不同的对应输出信号，其对应的 8种组合分别与一个输出对应， 8 个输出在任何情况下都只有一个有效，在此我们只用其中的 6种对应信号。因为只有 6只数码管；分别用来选择 6只数码管到底哪一只被点亮，如输出输入 01时，则第一个数码管被选择点亮； 10 时，第二个数码 管被点亮，其余的依此类推。采用逐个扫描哪个 于人的视觉具有残留效应，因此感觉不到闪烁 4。同时 74动共阳的 74码是低电平有效，当 输入 的段 为逻辑 “ 0” 时，对应 点 亮。 如 74输入 001 时，它转换为十进制就是 1，那么此时选中 15 的数码管就要显示十进制的 1，那对应的输出就 110000，其他情况是依此类推。图中三极管起驱动 作用，电阻用作限流作用，取三极管基极限流电阻 1K， 00。 盘电路 键盘输入电路与单片机的连接电路如图 15所示： . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4 N 5V C . 3R 2 01 0 11 0 21 0 31 0 41 0 5 键盘电路 键盘用以控制程序的执行时数据的输入或是特殊功能的设置及操作，在此设计中用到 5 个按键，在硬件电路上采用 口的 5 条 I/O 线当作输入用，用程序来控制，在键没有按下的时候对应的输入端为高电平，当有一个键按下时对应的输入端为低电平，经过轮流扫描判断输入端是否为低电平，便可以知道是按下了哪个键 4。当按下复位键时系统复位，单按下功能 1键时发光二极管 动 2次，当按下功能 2 键 动 3次，当按下功能 3 键 动 4次，相应的按下功能 4键 次。图中的电阻为上拉电阻 ,在此我们选择阻值为 10K。 源电路 16 电源电路如图 16 所示： C 2 12 2 0 0 34 7 FV i 5 7L M 7 8 0 5C 2 20 A N S 11234D 1 - D 4A C 2 2 0 V+ 5 6 电源电路 电源电路是整个系统工作的能量来源，主要由变压器、桥式整流电路、滤波电容电路、低功率三端稳压器 组成。上图中我们设计的是系统中所需的 +5V 的电源。其工作原理是变压器把市电 220V 的交流电降压为低压交流电，通过桥式整流电路把低压交流整流为含有脉动和谐波成份的直流电，再通过滤波电容把其中含有的脉动的交流 成份滤出，就成为平缓的直流电，直流电压不够稳定，它再通过三端稳压器 电压稳定在一个基本不变的数值上， 出的稳定的电压 就可以作系统的电源用了。 17 3 软件系统设计 程序流程图 系统由 片机作为中央控制器 ,控制各功能模块的正常工作及数据的接收和处理。系统分为五个模块 ,分别为：时钟、串行通信、键盘扫描、显示子程序。但在此我们没有外部传感器采集电路，因而不能进行 A/D 和 D/A 转换 ,整个软件系统是这样来设计的：首先上位机编辑好源程序再转换为相应的可执行的二进制代码文 件由串口通信程序经过串口传送到单片机中存储。通过按键来控制系统的功能，主程序的流程图如图所 17 示： 子模块程序设计 钟处理模块 时钟子程序 的流程图如图 18 所示 : 图 17 系统主程序主程序流程图 开 始 系统初始化 键盘处理 时 钟 串行通信 A/D、 D/A 转换 键盘处理子程序 时钟处理子程序 串行处理子程序 示 返 回 18 Y N N Y Y Y N Y 图 18 时钟流程图 盘处理模块 设有 5 个按键分别由 检测，当开关被按下时为“ 0”电平，因此要取反向和 0 算，但同时只能按下一个键，其源程序如下所示： / (& 0 /”0”:f (=1) 定时中断 10 始 秒加 1,毫秒复位 是 否 为60? 分钟加 1,秒复位 是 否 为60? 小时加 1,分钟复位 是 否 为24? 返 回 小时复位 19 =2) =4) if(=8) if(=16) 示模块 显示模块程序的流程较简单，在此就不画流程图，其源程序如下所示： /*六位数码管顺序左移 */ i; i=5;i0; i= = /*清屏 */ i; i=0;i #_ # #00 /*/ /* 6=0 /*键盘 1,2,3,A*/ 0 /*键盘 4,5,6,B*/ 0 /*键盘 7,8,9,C*/ 0 /*键盘 *,0,#,D*/ /* /*/ /*化 13; /定义 串行数据口 14; /串行时钟端 S =; /片选端 /*化 ; /钟 17; /选 30; /据输出 /* 0; ; ; ,; 32 ; /* /*/ /* /*系统主程序 */ /*扫描键盘模块 */ /*按键预处理 */ /*按键处理模块 */ /*流水灯方案选择 */ /*开始流水灯自动循环演示 */ /*停止流水灯自动循环演示 */ /*水滴方案 */ /*环扫方案 */ /*渐明渐暗方案 */ /*慢闪方案 */ /*快闪方案 */ /*六位数码管顺序左移 */ /*清屏 */ /*下位机状态反馈（串口） */ /*10时 */ /*调整时间 */ ; /*数码管扫描显示 */ /* /*/ /*/ /*主程序入口 */ /*作在案 6 位定时器， 作在动重新装载模式 */ /*| 定时器 1 | 定时器 1 |*/ /*| | | */ 65536256; /*设定 隔 断一次 */ 65536256; ; /*启动 65536256; /*设定 10断一次 */ 65536256; /*令定时器 2 作为串口波特率发生器 /*|; /*设定串口波特率为 9600，晶振为 12 33 /*根据串口波特率 9600 设定自动重载寄存器 */ ; /*启动定时器 2*/ /*设定 作在 式，可传送和接收数据 ,*/ /*| */ /*使能总中断、 中断、外部中断 1,2*/ /*| - | ; /*优先 断 */ /*| - | - | (); /*预清屏 */ ; /*关喇叭 */ /*点亮 8 个发光二极管 */ ) ; *系统登录模块 */ ; /*启动