单片机原理及其应用PPT课件

1、单片机原理及其应用扬州大学1单片机原理及其应用(Principle and Application of Single Chip Microcomputer)单片机原理及其应用扬州大学2第1章 概述第2章 MCS-51单片机硬件结构第3章 MCS-51寻址方式和指令系统第4章 MCS-51汇编程序设计第5章 中断系统第6章 定时器/计数器及串行口第7章 存储器扩展第8章 接口电路扩展第9章 应用举例单片机原理及其应用扬州大学3第第9章章 单片机系统设计与调试单片机系统设计与调试9.1 应用系统设计步骤应用系统设计步骤9.2 硬件设计硬件设计9.3 软件设计软件设计9.4 应用系统举例应用系统举

2、例单片机原理及其应用扬州大学4 单片机应用系统单片机应用系统: 以单片机为核心，配以一定的外以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件、实现某种或几种功能的应用系统。应围电路和软件、实现某种或几种功能的应用系统。应用系统的设计与软件、硬件和抗干扰设计紧密相关。用系统的设计与软件、硬件和抗干扰设计紧密相关。 单片机应用系统的设计单片机应用系统的设计: 硬件设计和软件设计硬件设计和软件设计(抗干抗干扰设计扰设计) 有些情况下硬件的任务可由软件来完成有些情况下硬件的任务可由软件来完成(如某些软件如某些软件滤波、校准功能等滤波、校准功能等)； 在另一些要求系统实时性强、响应速度快的场合，在另一些要求系统

3、实时性强、响应速度快的场合，往往用硬件代替软件来完成某些功能。往往用硬件代替软件来完成某些功能。9.1 应用系统设计步骤应用系统设计步骤单片机原理及其应用扬州大学5 设计一个单片机测控系统，一般可分为四个步骤设计一个单片机测控系统，一般可分为四个步骤 (1) 需求分析，方案论证和总体设计阶段需求分析，方案论证和总体设计阶段 需求分析，方案论证是设计工作的开始与基础。需求分析，方案论证是设计工作的开始与基础。 需求分析：被测控参数的形式需求分析：被测控参数的形式(电量、非电量、模电量、非电量、模拟量、数字量等拟量、数字量等)、被测控参数的范围；、被测控参数的范围； 系统功能、性能指标、工作环境、

4、显示、报警、打系统功能、性能指标、工作环境、显示、报警、打印要求等。印要求等。 方案论证：根据用户要求，设计出符合现场条件的方案论证：根据用户要求，设计出符合现场条件的软硬件方案。软硬件方案。 (2) 器件选择，电路设计制作，数据处理，软件的器件选择，电路设计制作，数据处理，软件的编制阶段编制阶段单片机原理及其应用扬州大学6(3) 系统调试与性能测定系统调试与性能测定 编制好的程序或焊接好的线路，很难开始就正确工编制好的程序或焊接好的线路，很难开始就正确工作，需要查错和调试。作，需要查错和调试。 调试时，应将硬件和软件分成几部分，逐个部分调调试时，应将硬件和软件分成几部分，逐个部分调试。试。

5、各部分都调试通过后再进行联调。调试完成后，应各部分都调试通过后再进行联调。调试完成后，应在实验室模拟现场条件，对所设计的硬件、软件进行在实验室模拟现场条件，对所设计的硬件、软件进行性能和功能测定。性能和功能测定。 单片机原理及其应用扬州大学7(4)文档编制文档编制 文档不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维文档不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维修以及进一步再设计的依据。修以及进一步再设计的依据。 文档应包括：任务描述；设计的指导思想及设计方文档应包括：任务描述；设计的指导思想及设计方案论证；性能测定及现场试用报告与说明；使用指南；案论证；性能测定及现场试用报告与说明；使用指南；软件资料

6、软件资料 (流程图，子程序使用说明，地址分配，程流程图，子程序使用说明，地址分配，程序清单序清单)；硬件资料硬件资料 (电路原理图，元件布置图及接线图，接插电路原理图，元件布置图及接线图，接插件引脚图，线路板图，注意事项件引脚图，线路板图，注意事项)。单片机原理及其应用扬州大学89.2 应用系统的硬件设计应用系统的硬件设计 单片机单片机应用系统硬件设计应用系统硬件设计含两大部分内容：含两大部分内容： 单片机系统的扩展部分设计。它包括存储器扩展和单片机系统的扩展部分设计。它包括存储器扩展和I/O接口扩展。它们属于单片机系统扩展的内容。接口扩展。它们属于单片机系统扩展的内容。 各功能模块的设计。如

7、信号测量功能模块、信号控各功能模块的设计。如信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通信功能模块等。制功能模块、人机对话功能模块、通信功能模块等。根据系统功能要求配置相应的根据系统功能要求配置相应的AD、DA、键盘、键盘、显示器、打印机等外围设备。显示器、打印机等外围设备。单片机原理及其应用扬州大学9为使硬件设计尽可能合理，应重点考虑以下几点：为使硬件设计尽可能合理，应重点考虑以下几点： 1尽可能采用功能强的芯片尽可能采用功能强的芯片 (1) 优先选用片内带有闪烁存储器的产品。例如优先选用片内带有闪烁存储器的产品。例如ATMEL公司的公司的89C5189C5289C55。 (2)

8、 EPROM空间和空间和RAM空间。一般尽量选用容量空间。一般尽量选用容量大的大的EPROM。在软件数据处理功能较多时，往往内。在软件数据处理功能较多时，往往内部部RAM不足，要配置外部不足，要配置外部RAM，如，如6264，62256等。等。 (3) I/O端口。在硬件设计之初多设计一些端口。在硬件设计之初多设计一些I/O端口。端口。以备在系统完成后发现一些问题，且不能单靠软件措以备在系统完成后发现一些问题，且不能单靠软件措施来解决时，增加输入检测端，或增加输出端。施来解决时，增加输入检测端，或增加输出端。 (4) A/D和和D/A通道。和通道。和I/O端口设计类似，留出一端口设计类似，留出

9、一些些A/D和和D/A通道将来可能会解决大问题。通道将来可能会解决大问题。单片机原理及其应用扬州大学10 2以软代硬以软代硬 原则上，只要软件能做到的，且能满足性能要求的，原则上，只要软件能做到的，且能满足性能要求的，就不用硬件。硬件多了不但增加成本，而且系统故障就不用硬件。硬件多了不但增加成本，而且系统故障率也增大了。以软代硬的实质是以时间代空间，软件率也增大了。以软代硬的实质是以时间代空间，软件执行过程需要消耗时间，因此，这种代替带来的不足执行过程需要消耗时间，因此，这种代替带来的不足就是实时性下降。在实时性要求不高的场合，以软代就是实时性下降。在实时性要求不高的场合，以软代硬是很合算的。

10、硬是很合算的。 3工艺设计工艺设计 包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、维修的方便。硬件抗干扰措施也必须在硬装、调试、维修的方便。硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。件设计时一并考虑进去。单片机原理及其应用扬州大学119.3 应用系统的软件设计应用系统的软件设计 做应用系统的总体设计时，软件设计和硬件设计应做应用系统的总体设计时，软件设计和硬件设计应统一考虑，相结合进行。系统的电路设计定型后，软统一考虑，相结合进行。系统的电路设计定型后，软件的任务也就明确了。件的任务也就明确了。 应用软件应按系统功能要求设计。软件的功能可

11、分应用软件应按系统功能要求设计。软件的功能可分为两大类：为两大类： 执行软件：执行软件： 完成各种实质性的功能，如测量、计算、完成各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制等；显示、打印、输出控制等； 监控软件：监控软件： 专门用来协调各执行模块和操作者的关专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色。系，在系统软件中充当组织调度角色。单片机原理及其应用扬州大学12 进行程序设计时应从以下几个方面加以考虑：进行程序设计时应从以下几个方面加以考虑： (1) 根据软件功能要求，将系统软件分成若干个相对独立的根据软件功能要求，将系统软件分成若干个相对独立的部分。设计出

12、合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程部分。设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简洁、流程合理。合理。 (2) 各功能程序实行模块化、子程序化。既便于调试、链各功能程序实行模块化、子程序化。既便于调试、链接，又便于移植、修改。接，又便于移植、修改。 (3) 编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。这不仅是程编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。这不仅是程序设计的一个重要组成部分，而且是决定成败的关键部分。序设计的一个重要组成部分，而且是决定成败的关键部分。 (4) 要合理分配系统资源，包括要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时器计、定时器计数器、中断源等。其中最关键的是片内数器、中断源等

13、。其中最关键的是片内RAM分配。分配。 R0, R1作指针；作指针；20H2FH具有位寻址功能；具有位寻址功能； 堆栈的设置堆栈的设置;片外片外RAM和片内和片内RAM的存取速度不同。的存取速度不同。单片机原理及其应用扬州大学139.4 MCS51单片机系统举例单片机系统举例9.4.1 8031的最小系统的最小系统 8031无片内无片内ROM，其最小应用系统必须在片外扩，其最小应用系统必须在片外扩展展EPROM，必须有复位及时钟电路。该系统仅能，必须有复位及时钟电路。该系统仅能完成数字量的输入和输出控制。完成数字量的输入和输出控制。单片机原理及其应用扬州大学149.4.2 89C51的最小系统

14、的最小系统 89C51内部有内部有4KBFLASH存储器，芯片本身就是存储器，芯片本身就是1个最小系个最小系统。在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种统。在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。方案。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。89C51 + 时钟电路时钟电路 + 复位电路，该最小应用系统只能用作一复位电路，该最小应用系统只能用作一些小型的数字量的测控单元。些小型的数字量的测控单元。单片机原理及其应用扬州大学159.4.3 以单片机为核心的数据采集系统以单片机为核心的数据采集系统 一个单片机数据采集系统对工业现场的各种非电

15、量经传感一个单片机数据采集系统对工业现场的各种非电量经传感器转换得到的模拟电信号进行采集。器转换得到的模拟电信号进行采集。 系统首先要进行数据采集系统首先要进行数据采集(A/D)，然后对数据进行处理，再，然后对数据进行处理，再加上数字量输出、加上数字量输出、D/A转换器以及各种功率驱动部件，构成转换器以及各种功率驱动部件，构成典型的单片机测控系统。典型的单片机测控系统。1数据采集系统的组成数据采集系统的组成 数据采集系统一般由信号调理电路、多路切换电路、采样数据采集系统一般由信号调理电路、多路切换电路、采样保持电路、保持电路、A/D、CPU、RAM、EPROM组成。组成。单片机原理及其应用扬州

16、大学16(1) 信号调理电路信号调理电路信号调理的主要功能是：信号调理的主要功能是： 工业仪表通常采用工业仪表通常采用010mA，420mA信号，为了和信号，为了和A/D的输入形式相适应，经的输入形式相适应，经IV转换器变换成电压信号。转换器变换成电压信号。 某些测量信号可能是非电量，这些非电压量信号必须变某些测量信号可能是非电量，这些非电压量信号必须变为电压信号，还有些信号即使是电压信号，也必须经过放为电压信号，还有些信号即使是电压信号，也必须经过放大、滤波，这些处理包括信号形式的变换、量程调整、环大、滤波，这些处理包括信号形式的变换、量程调整、环境补偿、线性化等。境补偿、线性化等。 某些恶

17、劣条件下，共模电压干扰很强，如共模电平高达某些恶劣条件下，共模电压干扰很强，如共模电平高达220V，不采用隔离的办法无法完成数据采集任务，因此，不采用隔离的办法无法完成数据采集任务，因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施，包括地线隔离、路间隔离等。措施，包括地线隔离、路间隔离等。单片机原理及其应用扬州大学17 (2) 多路切换电路多路切换电路 被检测的物理量有多个，每一通道都设放大、采样保持和被检测的物理量有多个，每一通道都设放大、采样保持和ADC就很不经济，且电路复杂。就很不经济，且电路复杂。 采用模拟多路开关使多个通道

18、共用一个放大器、采用模拟多路开关使多个通道共用一个放大器、S/H和和ADC。经济，电路简单。经济，电路简单。 模拟多路开关的选择主要考虑导通电阻，截止电阻和速模拟多路开关的选择主要考虑导通电阻，截止电阻和速度。常用的模拟多路开关有度。常用的模拟多路开关有CD4051、CD4066、AD7501、AD7507等。等。 (3) 采样保持电路采样保持电路(S/H) 采样保持电路是为了保证模拟信号高精度转换为数字信号采样保持电路是为了保证模拟信号高精度转换为数字信号的电路。的电路。S/H将快速变化的模拟信号进行采样与保持，保证将快速变化的模拟信号进行采样与保持，保证在在ADC转换过程中模拟信号保持不变

19、。转换过程中模拟信号保持不变。单片机原理及其应用扬州大学18 采样保持器的选择要综合考虑捕获时间、孔径时间、保持采样保持器的选择要综合考虑捕获时间、孔径时间、保持时间、下降率等参数。常用的采样保持器有：时间、下降率等参数。常用的采样保持器有：AD582、AD583、LF398等。等。 (4) 模数转换模数转换 (ADC) 2. 数据采集系统设计中的地址空间分配与总线驱动数据采集系统设计中的地址空间分配与总线驱动 数据采集系统的设计中，有时候要外接多个芯片。数据采集系统的设计中，有时候要外接多个芯片。要解决要解决2个问题：个问题： 如何把如何把64KB程序存储器和程序存储器和64KB数据存储器的

20、空间分配给数据存储器的空间分配给各个芯片，各个芯片， 如何解决对多个芯片的驱动问题。如何解决对多个芯片的驱动问题。单片机原理及其应用扬州大学19(1) 地址空间的分配地址空间的分配 线选法和译码法。线选法和译码法。27646264单片机原理及其应用扬州大学2027646264单片机原理及其应用扬州大学21 (2) 总线的驱动总线的驱动 在应用系统中，所有系统扩展的外围芯片都通过总在应用系统中，所有系统扩展的外围芯片都通过总线驱动，外围芯片工作时有一定输入电流，不工作时线驱动，外围芯片工作时有一定输入电流，不工作时也有漏电流存在，因此总线只能带动一定数量的电也有漏电流存在，因此总线只能带动一定数

21、量的电路。路。 MCS-51系列单片机的系列单片机的P0口可驱动口可驱动8个个LSTTL电电路，而其他口只能驱动路，而其他口只能驱动4个个LSTTL电路。若应用系统电路。若应用系统规模过大，就可能造成负载过重，致使驱动能力不规模过大，就可能造成负载过重，致使驱动能力不够，系统不能可靠地工作。够，系统不能可靠地工作。单片机原理及其应用扬州大学22单片机原理及其应用扬州大学239.4.4 水温控制系统的设计水温控制系统的设计 水温控制是经常遇到的过程控制。介绍以水温控制是经常遇到的过程控制。介绍以89C51为核心的为核心的水温控制系统的设计。系统采用水温控制系统的设计。系统采用3位位LED静态显示

22、水温，温度静态显示水温，温度控制采用改进的控制采用改进的PID数字控制算法。数字控制算法。 系统基本功能：系统基本功能： 温度控制设定范围：温度控制设定范围：3585 ，键盘输入分辨率，键盘输入分辨率0.1 。 偏差偏差0.6，静态误差，静态误差0.4。 实时显示当前的温度值。实时显示当前的温度值。 命令按键命令按键4个：复位键，功能转换键，加个：复位键，功能转换键，加1键，减键，减1键。键。单片机原理及其应用扬州大学241硬件电路设计硬件电路设计硬件电路从功能模块上来划分有：硬件电路从功能模块上来划分有： 主机电路主机电路 (采用采用89C51，系统时钟，系统时钟12MHz)。 数据采集电路

23、数据采集电路 (AD590, 0809) 键盘、显示电路键盘、显示电路 控制执行电路控制执行电路(1) 硬件功能结构框图硬件功能结构框图单片机原理及其应用扬州大学25(3) 数据采集电路的设计数据采集电路的设计(2) 系统工作原理系统工作原理 系统实时采集水温数据，经过系统实时采集水温数据，经过A/D转换为数字信号，存入转换为数字信号，存入89C51内部内部RAM, 送显示器显示，并与设定值进行比较，经送显示器显示，并与设定值进行比较，经过过PID算法得到控制量并由单片机输出去控制电炉加热或开算法得到控制量并由单片机输出去控制电炉加热或开动风扇进行降温。动风扇进行降温。 温度传感器采用二端式电

24、流型集成温度传感器温度传感器采用二端式电流型集成温度传感器AD590。温。温度每变化度每变化1，其输出电流变化，其输出电流变化luA。在。在25时，输出电流为时，输出电流为298.2uA。AD590具有较高精度和重复性，测温的范围为：具有较高精度和重复性，测温的范围为：-55 +150，重复性优于，重复性优于0.1，激光校准精度可达士，激光校准精度可达士0.5。单片机原理及其应用扬州大学26 A/D转换器采用了转换器采用了ADC0809。分辨率满足控制精。分辨率满足控制精度要求。考虑到水温信号为缓变信号，没有加采样度要求。考虑到水温信号为缓变信号，没有加采样保持器保持器单片机原理及其应用扬州大

25、学27(4) 控制执行电路的设计控制执行电路的设计 温度的调节靠单片机的输出来控制风扇或电炉。它们的接温度的调节靠单片机的输出来控制风扇或电炉。它们的接通与断开用晶闸管控制，晶闸管与单片机之间采用光电耦合通与断开用晶闸管控制，晶闸管与单片机之间采用光电耦合器隔离，所以晶闸管的触发驱动选用了既有光电隔离又有触器隔离，所以晶闸管的触发驱动选用了既有光电隔离又有触发功能的发功能的MC3041。(5) 越限报警越限报警 在设计中还要考虑到当水温超出所能控制的上下限温度时在设计中还要考虑到当水温超出所能控制的上下限温度时，要有越限报警，当温度低于，要有越限报警，当温度低于35时黄色发光二极管亮，当时黄色

26、发光二极管亮，当温度高于温度高于85时红色发光二极管亮。时红色发光二极管亮。单片机原理及其应用扬州大学28单片机原理及其应用扬州大学29(6) 键盘与显示器电路的设计键盘与显示器电路的设计 键盘共有键盘共有4个键，用软件查询和外部中断相结合的方法设计，个键，用软件查询和外部中断相结合的方法设计，当某个键按下时，低电平有效。当某个键按下时，低电平有效。S1，复位键，与，复位键，与RC构成复位电路。构成复位电路。 S2与与INT0(P3.2)相连，采用外部中断方式，且优先级定为相连，采用外部中断方式，且优先级定为高优先级。高优先级。S3和和S4，分别与，分别与P1.7和和P1.6相连，采用软件查询

27、方式。相连，采用软件查询方式。单片机原理及其应用扬州大学30 显示电路部分利用串行口来实现显示电路部分利用串行口来实现3位位LED的共阳的共阳静态显示，显示内容为温度的十位、个位以及小数静态显示，显示内容为温度的十位、个位以及小数点后的点后的1位。位。单片机原理及其应用扬州大学312软件设计软件设计 软件设计采用了模块化设计：主程序模块、功能实现模软件设计采用了模块化设计：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。块和运算控制模块。(1)主程序模块主程序模块 在主程序中首先给定在主程序中首先给定PID算法的参算法的参数值，然后通过循环显示当前温度，数值，然后通过循环显示当前温度，等待中断。等待中

28、断。 键盘外部中断为高优先级，以便使键盘外部中断为高优先级，以便使主程序能实时响应键盘处理。主程序能实时响应键盘处理。 定时器定时器T0为为5 s定时中断，在无键按定时中断，在无键按下时，每隔下时，每隔5s响应响应1次，采集温度传感次，采集温度传感器经器经A/D转换的温度信号。转换的温度信号。 定时器定时器T1为嵌套在为嵌套在T0之中的定时中之中的定时中断，初值由断，初值由PID算法子程序提供，以算法子程序提供，以用来执行对电炉或风扇的控制。用来执行对电炉或风扇的控制。单片机原理及其应用扬州大学32(2) 功能实现模块功能实现模块 功能实现模块主要由功能实现模块主要由A/D转换子程序、中断处理

29、子程序、转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序和显示子程序等组成。键盘处理子程序和显示子程序等组成。 T0中断子程序中断子程序 该中断是单片机内部该中断是单片机内部5 s定时中断，为低优先级，但却是最定时中断，为低优先级，但却是最重要的子程序。重要的子程序。 在中断响应中，单片机要完成如下工作：在中断响应中，单片机要完成如下工作： A/D转换和数据采集、数字滤波、判断是否超限、标度变转换和数据采集、数字滤波、判断是否超限、标度变换处理、显示当前温度、与设定值进行比较，调用换处理、显示当前温度、与设定值进行比较，调用PID算法算法子程序并输出控制信号等。子程序并输出控制信号等。单片机原理及其应用扬州大学33 键盘中断子程序键盘中断子程序 系统对功能控制键系统对功能控制键S2，要优先实时响应该中断。中断响应，要优