第二章应用系统的基本组成与设计

第一页，共五十二页，2022年，8月28日本章内容第二章应用系统的基本组成与设计内容应用系统组成

单片机内部功能部件作用单片机基础知识与科技创新应用系统设计内容与设计思路常用的数据处理数学模型及其程序设计第二页，共五十二页，2022年，8月28日1单片机内部功能部件作用第二章应用系统的基本组成与设计内容

单硅晶片CPU存储器控制电路定时器时钟电路I/O口单片机第三页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。输入、输出串行口：一个全双工串行口。通讯用。中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ。为CPU提供时钟的。驱动单片机进行工作。其他：AD,DA显示等1单片机内部功能部件作用第四页，共五十二页，2022年，8月28日1

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313029282726252424222180318051875189C51第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-引脚简介

P3口线的第二功能VCCVSSXTAL2

XTAL1RSTP0.0

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P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP3.0

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P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.72、振荡电路：XTAL1、XTAL23、复位引脚：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址锁存控制信号1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：访问程序存储控制信号6、PSEN：外部ROM读选通信号RXD/

TXD/

INT0/INT1/

T0/

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WR/

RD/第五页，共五十二页，2022年，8月28日1

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3130292827262524242221第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-存储器

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15RAM626480318751805189C51片内RAM片内ROM256B（字节）4K64K64K第六页，共五十二页，2022年，8月28日1

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313029282726252424222180318051875189C51第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-并行I/O口

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P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.74个8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；均可作为双向I/O端口使用。特点：

P0：访问片外扩展存储器时，

复用为低8位地址线和数据线

P2：高8位地址线。P1：双向I/O端口

P3：第二功能第七页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-时钟振荡电路涤纶电容C晶振图典型的时钟电路在电路中，电容通常取30pF，晶振的取值通常为：1MHz-33MHz（不同型号的单片机的上限频率可能有差别）。单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。MCS-51单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外接振荡器，即可为各部分提供时钟信号。第八页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-时钟振荡电路单片机型号最高时钟频率803112MHz805112MHz875112MHzAT89C205124MHzAT89C5133MHzAT89C5233MHzAT89S5324MHz常用单片机的最高时钟频率第九页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-复位电路谁知道复位电路怎么起到复位的作用?复位电路的作用:

（1）上电时保证系统元件从初始状态开始，

处于一个固定的状态（2）人工能够参与复位（3）系统受到干扰后，运行异常，自动复位。第十页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-复位电路阻容上电自动复位电路手动复位电路RSTMCS-51R2R1﹠MAX813LPFIMRRESETWDOWDI稳压电源P1.0“看门狗”复位电路第十一页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-定时、计数器（1）MCS-51单片机定时器／计数器组成：定时器/计数器0(T0)：16位的加计数器定时器/计数器1(T1)：16位的加计数器（2）定时器/计数器的功能对外部输入信号的计数功能:T0对引脚P3.4上的外部脉冲输入信号计数；T1对引脚P3.5上的外部脉冲输入信号计数.定时功能：定时功能也是通过计数实现的，但它是通过对机器周期计数，实现定时功能。1

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P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7第十二页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-串行通信器●串行传送的特点：数据按位顺序传送，最少只需一根传输线，成本低。但速度慢。传送的距离远(可达几千公里）。

●并行传送的特点：各数据位同时传送，速度快、效率高。传送线多,成本高。传送距离<30米。●计算机数据传送方式：并行和串行数据传送。

(1)基本概念

第十三页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-串行通信器

(1)基本概念

信息各式上分异步通信方式—按字符传输同步通信方式—按数据块传输●串行通信通信又分为异步和同步两种方式。在单片机中使用是异步方式。

第十四页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-串行通信器●异步串行通信的字符格式：

(1)基本概念

异步串行通信以字符为单位，一个字符一个字符地传送。对异步串行通信的字符格式如下：01停止位起始位低位高位8位数据位奇偶校验停止位第N个字符第N-1个字符第十五页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-串行通信器(2)串行口的基本结构

MCS-51单片机串行接口的硬件

MCS-51单片机串行接口的控制

MCS-51单片机串行接口工作方式

P3.0位的第二功能——收端RXDP3.1位的第二功能——发端TXD寄存器SCON、PCON、SBUF

寄存器IE、IP方式0

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P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7第十六页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-串行通信器(2)串行口的基本结构多机通信系统示意图主从结构第十七页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-中断功能(1）日常中断的例子你正在专心看书，突然电话铃响，于是你记下正在看的书的页数，去接电话，接完电话后再回来接着看书。第十八页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-中断功能(2）单片机中的中断概念中断是指由于某种随机事件的发生，计算机暂停现行程序的运行，转去执行另一程序，以处理发生的事件，处理完毕后又自动返回原来的程序继续运行。将能引起中断的事件称为中断源。CPU现行运行的程序称为主程序。处理随机事件的程序称为中断服务子程序。第十九页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-中断功能(2）中断技术的优点分时操作

——CPU可以同多个外设“同时”工作实时处理

——CPU及时处理随机事件故障处理

——电源掉电、存储出错、运算溢出

第二十页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容1单片机内部功能部件作用-中断功能

MCS-51单片机具有多中断控制它由以下几部分组成：定时中断：由单片机的定时器/计数器的溢出标志触发的中断，MCS-51单片机有T0和T1两个定时中断。串行口中断：为单片机的串行数据传输设置的中断，MCS-51单片机有1个串行中断。可以设定外中断：由外部信号触发的中断，MCS-51有2个中断（INT0）和（INT1）组成。第二十一页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容2单片机应用系统组成

例子1电烤箱单片机温控系统设计

设计要求：电烤箱内温度可在40-200度范围内任意设定。利用LED数码管上显示电烤箱内温度。单片机采用89C52（内有4K程序存储器）。电热箱采用电热丝加热。能够将电烤箱内温度控制在设定。

2.1单片机应用系统实例

第二十二页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容2单片机应用系统组成

例子1电烤箱单片机温控系统设计-设计思路温度传感器检测电热箱内的温度，经放大后，并经A/D转换为数字量后。送入单片机；--硬件按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟温度值；--软件把温度模拟值送往LED数码管显示器显示（软件+硬件）。利用拨码（BCD码）键盘设定温度（硬件+软件）。控制方法：单片机将设定的温度值与检测到的电热箱中的实际温度进行比较，并调节运算后，发出控制信号（软件）经光电隔离器去驱动双向可控硅以调节加在电热丝的电压，从而控制电热箱的温度（硬件）。

2.1单片机应用系统实例

第二十三页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容2单片机应用系统组成

例子1电烤箱单片机温控系统设计—硬件电路框图

2.1单片机应用系统实例

第二十四页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容2单片机应用系统组成

2.1单片机应用系统实例

例子1电烤箱单片机温控系统设计软件程序规划：初始化程序：存储器,Ｔ１定时中断，I/O口等。控制周期计算程序：可以用Ｔ１定时中断。A/D转换器驱动程序（采样程序），得到相应的数字量，滤波程序；标度变换程序：按数字量与模拟量成正比关系运算得到对应的模拟温度值（也是数字量）；显示程序：驱动LED数码管显示器（数码转化）。键盘管理程序。控制程序。第二十五页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容2单片机应用系统组成

2.1单片机应用系统实例

例子1电烤箱单片机温控系统设计软件程序-主程序：第二十六页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容2单片机应用系统组成

2.2单片机应用系统组成单片机应用系统单片机＋接口电路及外部设备等＋软件硬件单片机应用系统:由硬件系统和软件系统组成硬件是应用系统的基础软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可第二十七页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

3.1系统设计内容1）单片机主系统设计-硬件2)接口电路及外设设计(包括抗干扰设计）-硬件3)应用软件设计(包括抗干扰设计）单片机主系统主系统设计内容

a.单片机选型；

b.MSC-51系列片内有程序存储器的机型，只需在片外配上电源、复位电路、振荡电路，这样便于对单片机系统进行测试与调试。

c.配置能满足应用系统要求的一些外围功能器件。第二十八页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

3.2单片机应用系统设计思路经历四个主要步骤：

总体设计阶段、硬件设计、软件设计及系统调试和维护。总体设计：需求分析，方案论证。需求分析: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、系统功能、工作环境、显示、报警、打印要求等。方案论证:根据要求设计出符合现场条件的软硬件方案，又要使系统简单、经济、可靠，这是进行方案论证与总体设计一贯坚持的原则。第二十九页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

3.2单片机应用系统设计思路硬件设计:选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。软件设计:软件流程设计、编程和调试。系统调试与性能测定：硬件软件联调与优化。文件编制:设计思想及设计方案论证、硬件电路图及元器件清单、软件流程图及程序清单、调试记录、性能测定及现场试用报告、使用说明等。经历四个主要步骤：

总体设计阶段、硬件设计、软件设计及系统调试和维护。第三十页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

流程图第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

3.3单片机应用系统硬件设计

1）单片机主系统设计；

2)接口电路及外设设计(包括抗干扰设计）

包括：选择器件、电路设计、电路板制作和硬件调试。

单片机内容的功能单元如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。--系统开展按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、模拟量/数字量的转换器等，设计合适的接口电路。

（1）硬件设计内容：第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

3.3单片机应用系统硬件设计

1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

2）应充分满足应用系统的功能要求，并留有余地。

3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但应注意，系统运行速度,实时性.

4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

5）必须进行可靠性及抗干扰设计.包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

6）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。

（2）硬件设计原则：第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

3.3单片机应用系统软件设计

建立数学模型；编程序。应对被控对象的物理过程和计算任务进行全面分析，并从中提炼出数学表达式，即建立数学模型。数学模型的形式是多样的，可以是一系列数学表达式，可以是数学推理和判断，也可以是运行状态的模拟。例如：在测量系统中从模拟输入通道得到的温度、流量、压力等现场信息与该信号对应的实际值往往存在非线性关系，需要进行非线性补偿。非线性补偿常用方法有：查表法、插值法、曲线拟合等。

（1）软件设计内容：第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

3.3单片机应用系统软件设计

（2）程序采用结构设计--模块化结构

1)最低一层，(通用子程序库)，包括:

a.一般性子程序,如四则运算、开方运算、数的转换等。

b.过程控制通用子程序。包括过程控制中常用的控制算法.打印机及显示器的驱动子程序、数据传送和变换子程序。

2)执行功能模块层在通用子程序库的基础上，根据对过程控制系统结构的归纳、分类和规范化，组成各执行功能模块.3)系统监控与管理模块层它是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的角色。它包括主程序和管理程序整个程序体现一个橄榄球状，即：通用子程序和管理程序相对要小第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

3.3单片机应用系统软件设计

（3）程序编写

方法：

1）先从上到下得到程序流程图。

分解为多个子模块。要根据系统的任务和控制对象的数学模型，结合数学模型确立具体的算法和步骤，将其演化成计算机能处理的形式，然后画出子模块的所有流程图。第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容3单片机应用系统设计内容与设计思路

3.3单片机应用系统软件设计

（3）程序编写

方法：

2）完成软件流程设计后，进行程序编写和调试.

原则:自下而上,先基本子程序后功能子程序,再形成系统程序.这样编程每进行一步都有结果,好调试.

。如:Y=(A*B)+(C*D)=Y1+Y2子程序1(A*B)子程序2(C*D)第三十七页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容4常用的数据处理数学模型及其程序设计

4.1标度变换及其程序设计

（1）概念

各种被测量不仅量纲不同，其数值变化范围也相差很大。为了便于数据采集，各信号对应的传感器均将他们要处理成与A/D转换器输入特性相匹配的电压信号（如0～5V）送至计算机。即：无论何种量纲信号，计算机通过A/D得到的数字信号是一样的，不是实际数值。为了使显示、记录、打印等结果能反映被测量的实际数值，就必须对A/D转换后的数字信号进行变换。这种测量结果的数字变换就是标度变换第三十八页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容4常用的数据处理数学模型及其程序设计

4.1标度变换及其程序设计

（2）线性仪表的标度变换对于具有线性特性的仪表，其标度变换可用如下公式表示：Am为测量上限；Nm为上限所对应的数字量；A0为测量下限；N0为下限所对应的数字量。AX为实际测量值；

NX为实际测量值所对应的数字量；式中第三十九页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容4常用的数据处理数学模型及其程序设计

4.1标度变换及其程序设计

（2）线性仪表的标度变换一般测量下限A0所对应的数字量N0为0，即N0=0，计算式可简化为：

例如:某热处理炉温度测量仪表的量程设定为200～800℃，在某一时刻仪表进行数据采集所得结果为CDH(8位)。按标度变换公式可知，A0=200℃,Am=800℃,Nm=FFH,NX=CDH，因此通过标度变换计算可以确定此时的温度为：第四十页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容4常用的数据处理数学模型及其程序设计

4.1标度变换及其程序设计

（2）线性仪表的标度变换程序设计

标度变换需要进行加、减、乘、除算术运算。为了实现上述运算，可以设计一个专用的标度变换子程序，需要时调用这一子程序即可。变换运算中所需常数可由程序到存储器中约定单元提取。例如约定A0、Am、A0、Nm分别存放在以符号ALOWER、AUPPER、NLOWER、NOPPER表示的内存单元中，和分别存放在符号SAMP、DATA表示的单元中.

可用右图所示程序框图设计程序进行标度变换。程序全部采用字型操作数指令。第四十一页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容4常用的数据处理数学模型及其程序设计

4.1标度变换及其程序设计

（3）非线性测量的标度变换1)分段拟合法序(分段线性化)

在（xi，xi＋1）之间(段)，其对应的线性逼近值为：实现线性插值的步骤如下：①将校准曲线进行分段，选取各插值基点。②确定各插值点值，计算值，拟合直线段的斜率值，全部按一定规律存放在存储器中。第四十二页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容4常用的数据处理数学模型及其程序设计

4.1标度变换及其程序设计

（3）非线性测量的标度变换1)分段拟合法序(分段线性化)编程:(1)根据测量结果，确定Nx所在区间（Ni，Ni＋1），取得该段斜率ki，插值基点值Yi。

(2)计算:

(3)计算

(4)计算第四十三页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容4常用的数据处理数学模型及其程序设计

4.1标度变换及其程序设计

（3）非线性测量的标度变换

2)查表法

分段拟合法序(分段线性化)缺点:

需要仪表在线工作中作大量的、甚至是复杂的计算；若计算中处理不当（如字节数不够等），就可能造成计算误差；

计算必然使得程序变长，处理速度降低。

查表法：

可以避开处理计算，以较高的精度和较快的速度进行线性化处理。第四十四页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容4常用的数据处理数学模型及其程序设计

4.1标度变换及其程序设计

（3）非线性测量的标度变换

2)查表法

查表法要求:(1)事先用表格形式确定采样结果与被测量之间关系；

(2)将表格按一定方法（例如大小顺序）存入内存单元。

查表法处理过程中先取得测量结果，然后查表得到被测量数值。第四十五页，共五十二页，2022年，8月28日第二章应用系统的基本组成与设计内容4常用的数据处理数学模型及其程序设计

4.2数字滤波

（1）算术平均滤波程序

对目标参数进行连续采样，然后去掉最大值和最小值；最后，求取