微型计算机应用系统设计2012

0 单片机原理及应用 机械类专业必修课 2012年 12月 1 教学内容 0、课程准备 1、微型计算机基础 3、中断、定时与串行通信 2、微机系统结构及编程 4、人机交互接口 5、信号转换接口 6、微型计算机应用系统设计 2 第六讲 微型计算机应用系统设计 本讲重点讲述单片机系统的 实际开发制作过程 ，以及在实际开发过程中需要了解的相关知识，如集成 开发环境的建立 、 电路板的设计与焊接 、 程序的烧写下载 、 硬件与软件的综合调试技巧 等。 3 6.1 项目开发流程 1、项目开发概述 一个实际工程项目的开发，包括用户需求分析、功能界定、总体方案设计、绘制原理图及电路板制作、软件编制和调试、程序下载、软硬件综合调试、现场环境试运行等多个阶段。 第六讲 微型计算机应用系统设计 4 第六讲 微型计算机应用系统设计 5 2、需求与系统功能分析 需求分析： 指在具体原理方案确定之前，充分分析客户对产品性能的需求，以期在原理方案制定阶段，选择恰当的单片机和主要功能部件，设计出合理的原理方案。 第六讲 微型计算机应用系统设计 产品性能分析 ： 包括功能要求、技术指标要求、功耗要求、产品体积要求、运行环境、产品批量大小、产品运行期间的维护等。 6 第六讲 微型计算机应用系统设计 原理方案设计 ： 确定单片机型号和几个主要功能部件，其余常见的功能实现，可以有较大灵活性。 对系统功能和主要技术指标分析 ：了解系统功能复杂度、了解对系统运行速度快慢的要求、对 I/O口数量及驱动能力的需求、对单片机程序存储容量大小的需求、对单片机扩展的要求等。 （ 1）主要功能和技术指标分析 7 第六讲 微型计算机应用系统设计 当功能简单、速度要求不高时 ， 常见的单片机即可胜任，就尽可能选择常见的单片机，如 AT89S51， AT89S52等型号的单片机； 若功能比较复杂、运行速度较高 ，则要选择一些集成度高，功能较强大、运行速度快的单片机，例如 AVR、 C8051F及 MSP430等类型的单片机。 8 第六讲 微型计算机应用系统设计 单片机 I/O口分析 ： 包括 I/O口数量及驱动能力分析。尽量选择有足够数量 I/O口的单片机，而无需进行扩展。 如果 I/O口具有较大的驱动能力，就可以直接用 I/O口驱动外部元件，如 AT89C2051的 I/O口可直接驱动发光管。在设计中， I/O口不能用完，要留有余地以备将来系统功能扩展之用。尤其是 P0口，最好不要用作 I/O口而是留作总线用。 9 单片机存储容量的选定 ： 现在的单片机，内部大都有程序存储器，所以主要是存储空间的选择问题。根据功能复杂程度，估计程序量的大小，选择有足够容量的单片机型号。 第六讲 微型计算机应用系统设计 如果程序量小，可以选择 AT89S51单片机， AT89S51单片机内部有 4K的程序存储器；如果程序量大，可以选择AT89S52单片机，内部有 8K的程序存储器；如果程序量再大，则可以选用 AT89S8253，其内部有 12K Flash ROM。 10 第六讲 微型计算机应用系统设计 系统的主要功能模块， 也要尽量采用单片机的片内功能块实现。如定时 /计数器、 A/D转换器、 D/A转换器、 CAN总线通信模块、串行通信模块、 SPI串行总线、 I2C总线、USB功能、 MP3功能、 PWM功能、看门狗功能等等，都可以通过选择合适的单片机，而不用外部扩展实现。 例如 AT89C51AC2、 AT89C5115内部有 10位的 A/D转换器，AT89C51CC01/02/03内部带有 CAN总线，还具有大容量 Flash ROM， AT83C5134/35/36等型号内部集成了 USB功能部件等。 11 第六讲 微型计算机应用系统设计 （ 2）功耗分析 功耗分析 ： 主要考虑系统主要部件运行时对用电的要求。当系统是固定设备，在有电源的场合运行，则功耗要求不是很重要，但也要尽量选择节能、有睡眠功能、耗电少的元器件。当系统是便携式设备，在野外工作依靠电池供电，则系统的功耗就是一个必须认真对待的问题。这时，所选择的单片机及主要元器件，就必须使用特别省电的元器件，且具有睡眠功能。 12 第六讲 微型计算机应用系统设计 （ 3）系统安装空间分析 安装空间小，要求系统体积小，可以选择贴片元件或少管脚单片机。如 AT89C2051只有 20个管脚，内部有 2K Flash ROM， AT89C4051也是 20个管脚的单片机，内部有4K Flash ROM。如果有足够的安装空间，则可以选择管脚更多的单片机，以便有更多的 I/O口和功能资源。 13 第六讲 微型计算机应用系统设计 （ 4）运行环境分析 运行环境分析 主要考虑系统工作的具体环境条件，包括是否有强电磁干扰，是否处于寒冷的室外环境，或工作于高温环境。有强电磁干扰的环境，要求在设计之初就必须认真设计系统的抗干扰措施，系统工作于过冷或过热环境，就必须选择工作温度范围宽的工业级或军品级元器件，确保器件在恶劣的工作环境能够正常运行。 14 第六讲 微型计算机应用系统设计 商业级芯片的工作温度范围为 0 70 C， 工业级芯片的工作温度范围为 40 +85 C， 军品级芯片的工作范围为 55 +125 C。 工作范围越宽价格越高，可以根据具体的工作环境选用不同工作范围的芯片。如果系统是大屏幕显示，则要区分是室内屏还是室外屏。对于室外屏，要充分考虑阳光的照射，可能在室内很亮的屏幕，在室外阳光的照射下只有较低的亮度。 15 第六讲 微型计算机应用系统设计 在满足性能指标、功耗、及环境条件等要求的前提下，如果有多种元器件可供选择，还要考虑自身对哪种器件更熟悉，哪种器件容易开发。 当器件开发需要专用开发设备时，还要有相应的开发设备。在学习阶段，我们的主要目的是掌握基本原理和基本开发流程，可以暂时不用考虑这些因素。 16 第六讲 微型计算机应用系统设计 3、系统总体设计 1划分硬件和软件任务，绘制系统总体结构框图。 单片机应用系统是由硬件和软件组成的，而硬件和软件的设计是紧密相关的。为了降低成本，简化硬件结构，能由软件完成的工作尽量用软件完成；若为了提高系统的实时性、可靠性，降低软件复杂程度，也可以采用硬件实现。 根据对软件和硬件任务的划分，可以画出系统的结构框图，包括硬件框图和软件结构框图。 在总体设计阶段需要完成以下工作： 17 第六讲 微型计算机应用系统设计 2确定机型及关键器件。 选择机型要掌握几个原则：首先是能够满足应用系统的工作要求，并且性能价格比高。其次该机型应是应用广泛、成熟、市场供应充足，在一定时间内不会停产的产品。第三为提高效率、缩短开发周期，最好使用自己熟悉的机型。 应用系统除单片机外，通常还有传感器， A/D、 D/A转换器、放大器等关键器件 这些器件的选择应满足系统精度、速度和功率等方面的要求。 18 第六讲 微型计算机应用系统设计 6.2 硬件电路设计 1、 PCB设计的一般原则 PCB即印刷电路板， PCB设计时主要考虑信号的完整性和抗干扰能力，对于高速信号尤为重要。在实际 PCB设计的时候，通常都需要从布局和布线两个角度来综合考虑这些问题。 硬件设计的主要任务是根据总体设计要求，逐一设计出每一个单元电路，最后组合起来，形成一个完整的硬件系统原理图 。 19 第六讲 微型计算机应用系统设计 （ 1）布局 首先要考虑 PCB尺寸大小。 PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降 ，过小则散热性能不好。在确定 PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置布局。最后根据电路的功能单元，对电路全部元器件进行布局。 20 第六讲 微型计算机应用系统设计 （ 2）布线 21 第六讲 微型计算机应用系统设计 （ 3） PCB及抗干扰措施 在设计电源线的时候，要根据线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，使电源线、地线的走向和数据线的走向一致。 地线设计要把数字地和模拟地分开，使用合适的去耦电容， 22 第六讲 微型计算机应用系统设计 2、准备工作 首先依据需要实现的功能和实现方案绘制原理图。在不需要制板的情况下，可以把详细的电路图先画在纸上，依据电路图用万用板焊接。如果需要印刷制板，就要用到专用的电路设计工具软件，例如： orCAD、 protel99 se、 protel dxp、 Altium等软件。 （ 1）画原理图 23 第六讲 微型计算机应用系统设计 24 第六讲 微型计算机应用系统设计 主要工具有：数字万用表、电烙铁、焊锡、松香、导线等。 辅助工具有：剪刀，镊子，吸锡器等。 最小系统元器件准备： AT89S51单片机（以 51单片机为例）， 12MHz晶振一个， 30pF独石电容两个， 10F极性电容两个， 0.1F电容一个， 10K电阻一个，普通小按键一个，单列排针，管座，万能板等 （ 2）硬件准备 25 第六讲 微型计算机应用系统设计 26 第六讲 微型计算机应用系统设计 3、最小系统硬件电路焊接 首先焊接 40脚管座， 把带锁紧机构的管座放到万用板的中间位置，在附铜面焊接即可，使用时将单片机插在管座上锁紧。这样便于后续下载程序时随时插拔单片机，也可以防止在焊接过程中烧坏单片机。 （ 1） 40脚管座的焊接 27 第六讲 微型计算机应用系统设计 晶振和 30pF独石电容不分正负极，焊接时要尽量靠近单片机的 18、 19管脚，以减少干扰。晶振一般用 11.0592MHz或 12MHz，前者在通信中经常使用利于波特率的计数，后者利于定时计算，视情况而定。 （ 2）晶振的连接 28 第六讲 微型计算机应用系统设计 复位电路可分为上电复位和手动复位。 10F电容和10K电阻组合用来产生上电复位，跨接在电容两端的小按键用于手动复位。 （ 3）复位电路的连接 （ 4）电源管脚的焊接 29 第六讲 微型计算机应用系统设计 按照电路图，将每个管脚都焊接在电路板上，并将 4个 8位端口，分别连接到一个 8根的插针上，以便在将来使用时用排线引出来。焊接好的最小系统如图所示。 （ 5）其余管脚的焊接 30 第六讲 微型计算机应用系统设计 4、电路板焊接效果检查 按照原理图将电路板焊接完毕，还要对电路板作认真的检查，确保相互之间该连接的管脚电气上一定相连，不该连接的管脚之间完全断开。电路板的检查是硬件焊接的基本功，在今后的所有电路板制作中，都要坚持在焊接完之后，对焊接结果进行详细的检查。 31 第六讲 微型计算机应用系统设计 （ 1）检测方法 32 第六讲 微型计算机应用系统设计 对于两个焊接在一起或通过导线相连的管脚，检查的目的是发现虚焊或漏焊。检测时应该出现蜂鸣器有鸣叫声，同时显示两管脚之间电阻值为 0或接近于 0的结果。否则表明两管脚之间有断路错误，需要重新焊接。 （ 2）断路错误的检测 33 第六讲 微型计算机应用系统设计 （ 3）短路错误的检测 34 第六讲 微型计算机应用系统设计 6.3 综合调试 综合排错的顺序是 ，首先保证电源正常，其次是最小系统能够正常工作，第三是调试显示部分，在调试其它复杂功能之前，保证显示器能够正常显示信息，依次是调试其它各项功能，最后调试按键功能。 35 第六讲 微型计算机应用系统设计 系统制作完成， 第一次上电时要特别小心 。在上电前，要再次检查板路上电源焊接是否有短路。为防止电源有短路在上电时烧坏单片机和其它元件，在上电时，要一手操作上电按钮，一手摸着单片机上表面，一旦感到单片机发热烫手，说明有短路就赶快断电。如果有短路现象，需要认真排除。 正常上电后，如果系统没有正常运行，要首先检查单片机电源是否正常。用万用表测量单片机的电源（ 40）和地（ 20）引脚，正常的电压为 5V左右。如果没有电压，或电压过大过小，要认真检查电源电路和电源本身。 （ 1）上电检查 36 第六讲 微型计算机应用系统设计 系统制作完成 ， 首先要保证最小系统工作 ，即单片机能够启振 。 如果有示波器 ， 用示波器检测单片机 ALE（ 30） 管脚 ， 如果有均匀的脉冲 ， 表明系统已经启振 ， 否则 ，需要认真检查复位电路和时钟电路 。 如果手边没有示波器 ， 可以采用下面的方法判断 。 （ 2）起振检查 37 第六讲 微型计算机应用系统设计 当手边没有示波器和硬件仿真器时，系统是否启振无从判断。各项功能中，要首先调试显示功能，使之工作正常。借助特定的显示内容，判断其它功能错误所在。 调试显示功能的方法是，从程序上暂时屏蔽掉其它功能，只留