片机的应用设计与调试.ppt

1、10,单片机的应用设计与调试,2,本章主要内容（本章学时4学时）,单片机应用系统的设计步骤 单片机应用系统设计 3. 单片机应用系统的仿真开发与调试 4. 单片机应用系统的抗干扰设计,3,10.1 单片机应用系统的设计步骤,单片机应用系统以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件、能实现用户所要求的测控功能的系统。 一个应用系统设计，一般可分为4个阶段：,4,10.1 单片机应用系统的设计步骤,（1）需求分析及设计方案初拟,设计工作，需经过深入细致需求分析，周密科学方案论证才能使系统设计工作顺利完成。需求分析包括：被测控参数的形式（电量、非电量、模拟量、数字量等）、被测控参数的范围、性能指标、系

2、统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。 注意，方案确定时候，简单的方法往往可以解决大问题，切忌“简单的问题复杂化”。,5,10.1 单片机应用系统的设计步骤,（2）器件选型,主要从性能指标、集成外围模块、功耗、性价比等方面进行选择。对于一般的测控系统，选择8位机即能满足要求。对于要求较高的测控系统，需选择16位机或32位机。,单片机选择,6,外围器件应符合系统的精度、速度和可靠性、功耗、抗干扰等方面的要求。应考虑功耗、电压、温度、价格、封装形式等其他方面的指标，应尽可能选择标准化、模块化、功能强、集成度高的典型电路。,外围器件及电路选择,7,10.1 单片机应用系统的设计步骤,（3）总体设

3、计,总体设计就是根据设计任务、指标要求和给定条件，设计出符合现场条件的软、硬件方案。并进行方案优化。应划分硬件、软件任务，画出系统结构框图。要合理分配系统内部的硬件、软件资源。包括以下几个方面：,8,包括仿真器、编程器、元器件、语言、程序设计等。,从开发条件与市场情况选择开发软硬件方法,9,包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、控制、驱动、供电方式等。,从系统功能需求出发设计功能模块,10,包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、控制、驱动、供电方式等。,从系统功能需求出发设计功能模块,11,包括去耦、光隔、屏蔽、印制板、低功耗、散热、传输距离/速度、节电方式、掉电保护、软件措施等。,从系统

4、可靠性需求确定系统设计工艺,12,10.2 单片机应用系统设计,设计单片机应用系统主要从硬件和软件两个方面进行考虑： （1）硬件设计 由总体设计所给出功能，在确定单片机类型的基础上进行硬件设计、实验。进行必要的工艺结构设计，绘制原理图，制作出印刷电路板，组装后即完成了硬件设计。,13,硬件设计应考虑的问题,向片上系统（SOC）方向发展 以软代硬 注重标准化、模块化 工艺设计时要考虑安装、调试、维修的方便,14,硬件电路各模块设计的原则,单片机应用系统的一般结构 如下图所示,15,各模块电路设计时应考虑以下几个方面： （1）存储器扩展：类型、容量、速度和接口，尽量减少芯片的数量。 （2）I/O接

5、口的扩展：体积、价格、负载能力、功能，合适的地址译码方法。,16,（3）输入通道的设计：开关量（接口形式、电压等级、隔离方式、扩展接口等），模拟输入通道（信号检测、信号传输、隔离、信号处理、 A/D、扩展接口、速度、精度和价格等）。 （4）输出通道的设计：开关量（功率、控制方式等），模拟量输出通道（输出信号的形式、 D/A 、隔离方式、扩展接口等）,17,（5）人机界面的设计：键盘、开关、拨码盘、启/停操作、复位、显示器、打印、指示、报警、扩展接口等。 （6）通信电路的设计：根据需要选择RS-232C、RS-485、红外收发等通信标准。 （7）印刷电路板的设计与制作：专业设计软件（ Prote

6、l，OrCAD、PROTEUS等）、设计、专业化制作厂家、安装元件、调试等。,18,（8）信号逻辑电平兼容性：电平兼容和转换。 （9）电源系统的配置：电源的组数、输出功率、抗干扰。 （10）抗干扰的实施：芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。,19,10.2 单片机应用系统设计,（1）软件设计 软件设计流程图如右图所示：,20,软件结构实现结构化，各功能程序实行模块化、子程序化。一般有以下两种设计方法： （1）模块程序设计：优点是单个功能明确的程序模块的设计和调试比较方便，容易完成，一个模块可以为多个程序所共享。其缺点是各个模块的连接有时有一定难度。,21,（2）自顶向下的程序

7、设计：优点是比较符合于人们的日常思维，设计、调试和连接同时按一个线索进行，程序错误可以较早的发现。缺点是上一级的程序错误将对整个程序产生影响，一处修改可能引起对整个程序的全面修改。,22,综合应用举例1 单片机在家用冰箱中的应用,1总体方案设计 直冷式电冰箱的控制原理：根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启动、停止，使冰箱内的温度保持在设定温度范围内。 采用单片机控制压缩机的启动和停止，可以使控制更准确、更灵活。,23,电冰箱采用单片机控制的性能指标如下： 设定3个测温点，测量范围在26+26之间，精度为0.5。 利用功能键分别控制温度设定、速冻设定、冷藏室及冷冻室温度设定等。 利用数码管显示冷冻

8、室、冷藏室温度，压缩机启动、停止和速冻、报警状态。 制冷压缩机停机后，自动延时3分钟才能再启动。,24, 电冰箱具有自动除霜功能，当霜的厚度达3cm时自动除霜。 开门延时超过2分钟发出声音报警。 连续速冻时间设定范围为18小时。 工作电压在180240V之间，当欠压或过压时，禁止启动压缩机，并用指示灯显示。,25,2硬件设计 采用89C51单片机，扩展一片A/D转换芯片ADC0809，构成基本的系统。由于本系统无通信要求，可以通过串行口扩展四片74LS164作为四位LED显示器接口和一片74LS164来实现键盘功能。本系统还有一些附加的电路，如除霜电路、电压检测电路和开关报警电路等。电冰箱控制

9、系统的电路原理图如下页图所示。,主电路,26,电冰箱控制系统原理图,27,A/D转换电路采用ADC0809。ADC0809共有8路模拟输入通道（本系统只用到其中的4路IN0IN3 ）。其中，IN0作为冷冻室温度检测通道，IN1作为冷藏室温度检测通道，IN2作为除霜检测通道，IN3作为电源电压检测通道。,A/D转换电路,28,功能键和显示电路如上页图所示。采用6个功能键控制冷冻室、冷藏室及速冻温度设定，4位LED显示器用于显示冷冻、冷藏室温度，以及压缩机启动、停止和报警等状态。 LED显示及功能键都是通过89C51的串行口扩展的。显示输出通道和键盘输入通道的选择由端口线P3.2和与门完成。当P3

10、.2为“1”时，数据输出到显示器。当P3.2为“0”时，89C51完成对键盘的扫描。,功能键和显示电路,29,选用MF53-1型热敏电阻作为温度传感器（Rt），它具有负温度系数，灵敏度较高。把热敏电阻安装在距蒸发器3mm的某个合适的位置上，当霜厚大于3mm时，热敏电阻Rt接触到霜从而感受到较低的温度，其电阻值变大，A点温度降低，运算放大器输出信号有变化，经A/D转换后送入CPU，经单片机分析、判断，给出除霜命令。除霜电路如下图所示。,除霜电路,30,加热丝和压缩机的工作原理如下： 80C51单片机控制信号经P1.3和P1.4端口输出，并通过P1.7的控制，将信号锁存在74LS273中，74LS

11、273的输出经过达林顿驱动器DS2003后，驱动固态继电器RELAY1和RELAY2。当DS2003的16脚有高电平输出时，RELAY1的3，4脚接通，使加热丝接通电源，开始除霜。当DS2003的15脚输出高电平时，RELAY2的3，4脚接通，使压缩机绕组接通电源而启动，开始制冷。74LS273的锁存控制信号，一方面增加输出功率，另一方面也防止单片机复位时引起控制的误动作。,制冷压缩机和除霜电热丝启动、停止控制电路,31,32,3软件设计,电冰箱控制程序主要分为三大部分：主程序、定时器T0中断服务程序和定时器T1中断服务程序。,主程序,主程序是整个电冰箱的总控制程序，主要实现控制各单元初始化、

12、控制中断、定时、显示、键盘程序的启动与重复等功能。主程序的程序流程图如右图所示。,33,3软件设计,T0中断服务程序,T0中断服务程序主要完成电源欠压、过压处理，开门状态检查，以及处理等功能。其程序流程图如右图所示。,34,3软件设计,T1中断服务程序,T1工作于计数方式，用于制冷压缩机停机后自动延时3分钟才能再启动的时间延时。T1的中断服务程序主要完成3分钟定时，以及温度、除霜、速冻等各种检测，根据检测结果，比较、分析得出执行元器件工作的状态，并控制对应的元器件工作。Tl中断服务程序流程图如右图所示。,35,设计要求：利用单片机实现的自行车里程/速度计能自动显示自行车行驶的总里程数及自行车行

13、驶速度，具有超速信号提醒功能，里程数据自动记忆。,综合应用举例2 自行车测速及里程表,36,1. 总体设计 控制器采用AT89C52单片机，速度及里程传感器采用霍尔元件，显示器通过AT89C52的P0口和P2口扩展。外部存储器采用E2PROM存储器AT24C01，用于存储里程和速度等数据。并用控制器来控制里程/速度指示灯，里程指示灯亮时，显示里程；速度指示灯亮时，显示速度。超速报警采用扬声器，用一个发光二极管来配合扬声器，扬声器响时，二极管亮，表明超速。,37,2. 硬件电路设计 电路原理图如图所示。P0口和P2口用于七段LED显示器的段码及扫描输出。在显示里程时，第三位小数点用P3.7口控制

14、点亮。P1.0口和P1.1口分别用于显示里程状态和速度状态。P1.2，P1.3，P1.6和P1.7口分别用于设置轮圈的大小。P3.0口的开关用于确定显示的方式。当开关闭合时，显示速度；断开时，显示里程。,38,外中断用于对轮子圈数的计数输入，轮子每转一圈，霍尔传感器输出一个低电平脉冲。外中断用于控制定时器T1的启停，当输入为0时关闭定时器。此控制信号是将轮子圈数的计数脉冲经二分频后形成，这样，每次定时器T1的开启时间正好为轮子转一圈的时间，根据轮子的周长就可以计算出自动车的速度。P1.4口和P1.5口用于E2PROM存储器24C01的存取控制。11脚（TXD）输出用于速度超速时的报警。,39,

15、40,3. 软件设计 软件主要包括：主程序、初始化程序、里程计数子程序、数据处理子程序、计数器中断服务程序、E2PROM存取程序、显示子程序。,41,主程序,根据P0口的开关状态切换显示状态，即选择里程显示和速度显示。其流程图如右图所示。,42,初始化程序主要功能是将T1设为外部控制定时器方式，外中断0及1设为边沿触发方式，将部分内存单元清0，设置车轮周长值，开中断、启动定时器，将AT24C01中的数据调入内存中，设置车轮圈出错处理程序。,初始化程序,43,外中断0服务程序用于对输入的车轮圈数脉冲进行计数，定时器1计时，配合计算里程及速度。,里程测速程序,44,将外部信息写入AT24C01存储

16、器，把外部信息从AT24C01存储器中读出，送CPU进行处理。,E2PROM存取程序,45,当显示里程时，先要将计数器中的数据进行运算，求出总里程，并送入里程显示缓冲区；当要显示速度时，要将轮子的周长和转一圈的时间相除，然后换算成km/h（千米/小时）。,显示子程序,46,47,48,10.3 单片机应用系统对软件开发与调试,仿真的种类 （1）软件仿真 （2）硬件仿真,仿真开发的种类与基本功能,49,仿真开发工具的功能 （1）用户程序输入与修改 （2）程序的运行、调试（单步运行、设置断点运行）、排错、状态查询等。 （3）用户样机硬件电路的诊断与检查。 （4）丰富的子程序库或库函数供开发者调用。

17、 （5）将调试正确的程序写入到程序存储器中。,50,10.3 单片机应用系统对软件开发与调试,在线仿真器 仿真软件（PTOTEUS）,仿真开发的系统简介,51,10.4 单片机应用系统的抗干扰与可靠性设计,干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。 电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。,干扰的定义,52,1.干扰源 产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空

18、中电磁信 2.传播途径 传播途径是指干扰信号的传播路径。 3.接收载体 接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数。,形成干扰的三个因素,53,1.屏蔽 屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。,硬件抗干扰的措施,54,2. 隔离 光电隔离 光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而

19、是借助于光作为媒介物进行耦合的，因而具有较强的隔离和抗干扰能力。,55,2. 隔离 变压器隔离 对于交流信号的传输,一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。,56,2. 隔离 继电器隔离 继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。,57,软件滤波 （1）算数平均值滤波 （2）滑动平均值滤波 （3）中值滤波 （4）去极值平均值滤波,软件抗干扰措施,58,软件陷阱 从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离预定的程序指针，进入未使用的RAM区和ROM区，引起一些莫名其妙的现象，其中死循环和程序“飞掉”是常见的。为了有效地排除这种干扰故障，常采用软件“陷阱”法。,软件抗干扰措施,59,这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（RAM和ROM）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序。一般当CPU执行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址，从这一起始地