單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用第1頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

[教學(xué)目的]

1、了解單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的基本要求；

2、掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)組成；

3、掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的步驟；

4、掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的方法；

5、通過(guò)實(shí)例，了解工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的一些方法和技巧。

[學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)]

1、掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的方法；

2、工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的一些方法和技巧。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是為完成某項(xiàng)任務(wù)而設(shè)計(jì)、研制和開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，是以單片機(jī)為核心，配以外圍電路和軟件，能實(shí)現(xiàn)給定任務(wù)、功能的實(shí)際工程應(yīng)用系統(tǒng)。根據(jù)不同的用途和要求，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的系統(tǒng)配置和軟件各略有不同，但它們?cè)趹?yīng)用系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)的過(guò)程和方法基本相同。本章介紹一些單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和調(diào)試的思路、技巧和方法；介紹抗干擾技術(shù)、常用接口驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用和實(shí)用技術(shù)。第2頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一10.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述

10.1.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從圖10.180C51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)控制組成框圖可看出,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和程序組成。下面分別介紹硬件和程序的功能。

一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件組成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件是由單片機(jī)、接口電路、外部設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器和操作控制臺(tái)組成。由于系統(tǒng)的不同，組成單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件也不同，一般可根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行擴(kuò)展。

1、單片機(jī)單片機(jī)它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)接口可向系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)出各種控制命令，對(duì)被測(cè)物理參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、控制、報(bào)警處理以及邏輯判斷等操作。目前最常用的單片機(jī)有80C51系列單片機(jī)，如AT89S51、AT89C51（已經(jīng)停產(chǎn)）、Intel公司8XC51、8XC52和Motorola公司M68HC08系列等。第3頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2、I/O接口部分目前，大部分I/O接口都是可編程的，單片機(jī)常需要擴(kuò)展接口為：①并行接口，如8155、8255。②A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)只能處理數(shù)字量，而一般的被測(cè)參數(shù)大都為模擬量，如溫度、壓力、流量、液位、速度、電壓以及電流等。因此，必須把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。同樣，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)也多為模擬量，因此單片機(jī)輸出時(shí)，還必須把數(shù)字量變成模擬量，即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。③開(kāi)關(guān)量。如按鍵、繼電器和開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)。第4頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

3、外部設(shè)備主要用來(lái)顯示、打印、存儲(chǔ)及傳送數(shù)據(jù)。

4、傳感器和執(zhí)行器在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，必須對(duì)各種數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器是把非電量轉(zhuǎn)換成電量。如壓力傳感器可以把壓力轉(zhuǎn)換成mV信號(hào)；這些信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（電壓為0～5V或電流為4～20mA）后，再送入單片機(jī)。為了控制生產(chǎn)過(guò)程，還必須有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在溫度控制系統(tǒng)中，根據(jù)溫度的誤差來(lái)控制進(jìn)入加熱爐的煤氣（或油）量；在水位控制系統(tǒng)中控制進(jìn)入容器的水的流量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有的采用電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓傳動(dòng)控制，也有的采用電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及可控硅元件等進(jìn)行控制。

5、操作控制臺(tái)操作控制臺(tái)是單片機(jī)控制系統(tǒng)中人－機(jī)對(duì)話(huà)的紐帶。通過(guò)它人們可以向單片機(jī)輸入程序，修改內(nèi)存的數(shù)據(jù)，顯示被測(cè)參數(shù)，以及發(fā)出各種控制命令等。

二、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的程序?qū)τ趩纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)而言，除了上述硬件部分以外，軟件也是必不可少的。一個(gè)控制系統(tǒng)常常要編一些應(yīng)用程序，如D/A或A/D轉(zhuǎn)換程序，數(shù)據(jù)采樣程序、數(shù)字濾波程序、標(biāo)度變換程序、鍵盤(pán)處理程序、顯示程序、過(guò)程控制程序（如PID運(yùn)算程序、數(shù)字控制程序）等。這些應(yīng)用程序用戶(hù)可以用C語(yǔ)言或匯編編寫(xiě)。第5頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

10.1.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的基本要求盡管單片機(jī)應(yīng)用控制系統(tǒng)被控對(duì)象和控制過(guò)程具有多樣性，以及單片機(jī)控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)各不相同，但它們卻有著共同的設(shè)計(jì)要求，就是可靠性要高、操作性要好、實(shí)時(shí)性要強(qiáng)、通用性要好、經(jīng)濟(jì)效益和性能價(jià)格比要高等。

1、可靠性要高一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)核心是單片機(jī)，由于單片機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境和工作任務(wù)的特殊性，要求在設(shè)計(jì)時(shí)將安全可靠性放在第一位。包括選用可靠性、高性能的單片機(jī)及接口、外圍設(shè)備和安全可靠的控制方案等，另外還要考慮出故障時(shí)的預(yù)防措施和備用設(shè)備方案的選擇。

2、操作性要好一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)要操作方便、維修簡(jiǎn)單?？刂葡到y(tǒng)用戶(hù)見(jiàn)面要好，使用容易掌握，即使是不懂計(jì)算機(jī)的人員也能操作。系統(tǒng)中盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊式結(jié)構(gòu)，便于故障時(shí)迅速更換。

3、實(shí)時(shí)性要強(qiáng)單片機(jī)控制系統(tǒng)在對(duì)內(nèi)部事件和外部事件上要及時(shí)響應(yīng)、及時(shí)處理。針對(duì)隨機(jī)事件，系統(tǒng)設(shè)置中斷，合理分配中斷級(jí)別，確保及時(shí)處理緊急故障。

4、通用性要好一是硬件設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，配置通用的功能模板，方便擴(kuò)充功能和方便系統(tǒng)維修；二是軟件設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，按系統(tǒng)要求選擇各種功能模塊，靈活地進(jìn)行系統(tǒng)軟件組態(tài)。

5、經(jīng)濟(jì)效益和性能價(jià)格比要高系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要注意性能價(jià)格比，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡可能采用價(jià)廉的元器件，使開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。第6頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一10.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的步驟和方法

10.2.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的步驟第一步明確要設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)。第二步確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)總體方案。第三步選擇單片機(jī)及接口。第四步確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的控制算法。第五步單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。第六步單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。第七步單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試。第八步單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的試運(yùn)行。

10.2.2單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的方法單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是為了完成某一個(gè)任務(wù)而研制、開(kāi)發(fā)的用戶(hù)系統(tǒng)，雖然每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)各有不同，但是它們的研制、開(kāi)發(fā)的方法和步驟基本相同。為了縮短研制、開(kāi)發(fā)用戶(hù)系統(tǒng)的時(shí)間，這里我們介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的一般方法

第一步明確要設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)的第一步是要明確系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的就是要達(dá)到功能、滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。因此我們要細(xì)致分析應(yīng)用系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)、結(jié)合實(shí)際問(wèn)題，明確各項(xiàng)任務(wù)與要求，綜合考慮應(yīng)用系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性、可維護(hù)性以及成本、經(jīng)濟(jì)效益，擬訂出一份可行的功能和技術(shù)指標(biāo)，再與用戶(hù)進(jìn)行商談，最后確定應(yīng)用系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)。第7頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二步確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)總體方案的總體方案的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)被控對(duì)象的要求來(lái)確定，大體上從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

1、確定系統(tǒng)方案根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，確定出系統(tǒng)的被控參數(shù)，采用開(kāi)環(huán)境控制還是閉環(huán)控制，或者是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2、選擇傳感器和執(zhí)行器根據(jù)被測(cè)參數(shù)和控制對(duì)象，選擇可靠、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的傳感器和執(zhí)行器。盡可能選擇專(zhuān)門(mén)用于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的集成化傳感器。根據(jù)被控對(duì)象的狀態(tài)選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如在易燃易爆環(huán)境中采用氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥。

3、選擇I/O通道及外圍設(shè)備過(guò)程通道根據(jù)被控對(duì)象參數(shù)的多少來(lái)確定，并根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模及要求，配以適當(dāng)?shù)耐鈬O(shè)備。

4、畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)原理圖通過(guò)以上的分析和選擇，結(jié)合工業(yè)流程圖，畫(huà)出一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)原理圖，包括各種傳感器、放大器、外圍設(shè)備、輸入輸出通道及單片機(jī)。確定系統(tǒng)的總體方案時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的硬件功能和程序要作統(tǒng)一的綜合考慮。因?yàn)橐环N功能往往是既是由硬件完成也能由程序?qū)崿F(xiàn)。要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格比綜合平衡后加以確定。一般是在運(yùn)行時(shí)間允許的情況下，盡量采用程序?qū)崿F(xiàn)，如程序設(shè)計(jì)比較困難，則可考慮用硬件完成。第8頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三步選擇單片機(jī)及接口

總體方案確定之后，首要的任務(wù)是選擇一臺(tái)合適的單片機(jī)，主要從功能和價(jià)格方面來(lái)考慮。單片機(jī)的型號(hào)很多，有Atmel公司AT89如AT89S51、AT90、AT91系列，Intel公司MCS系列如8XC51、8XC52和Motorola公司M68HC08系列等，也可考慮16位或32位的單片機(jī)。接口的選擇如果系統(tǒng)較小或是順序控制系統(tǒng)，可選用具有存儲(chǔ)器、I/O接口、LED顯示器和小鍵盤(pán)配置，價(jià)格便宜的單片機(jī)。第四步確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的控制算法確定用什么樣的控制算法才能使系統(tǒng)達(dá)到要求的控制指標(biāo)，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題之一。對(duì)于數(shù)學(xué)模型能夠確定的系統(tǒng)，可采用直接數(shù)字控制?？衫米钌倥碾S動(dòng)系統(tǒng)，最少拍無(wú)波紋系統(tǒng)、大林算法、最小二乘法系統(tǒng)辯識(shí)、最優(yōu)控制及自適應(yīng)控制等算法。對(duì)于難以求出數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜被控對(duì)象可選用數(shù)字化PID控制。對(duì)于用前兩種方法難以達(dá)到控制效果的系統(tǒng)，如時(shí)變系統(tǒng)、非線性特性的系統(tǒng)，難以建立數(shù)學(xué)模型可選用模糊控制。第五步單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是指應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換和檢測(cè)及放大電路等。硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮留有擴(kuò)展余量，電路設(shè)計(jì)要反復(fù)分析和推敲，力求正確無(wú)誤，因?yàn)樵趹?yīng)用系統(tǒng)調(diào)試中硬件結(jié)構(gòu)不易修改。另外單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題。第9頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、程序存儲(chǔ)器ROM

80C51單片機(jī)片內(nèi)有4KBROM，若不夠用，需要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器ROM時(shí)，一般可選用容量相對(duì)大一的EPROM芯片，如2764（8KB）、27128（16KB）或27256（32KB）等。盡量避免用小容量的芯片組合擴(kuò)充成大容量的存儲(chǔ)器，線路多，可靠性差。程序存儲(chǔ)器容量大些，則編程空間寬裕些，價(jià)格相差也不會(huì)太大。2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O接口

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，如果需要擴(kuò)展外部RAM或I/O口，那么RAM芯片可選用6116（2KB）、6264（8KB）或62256（32KB），原則上應(yīng)盡量減少芯片數(shù)量，使譯碼電路簡(jiǎn)單。I/O接口芯片一般選用8155（帶有256KB靜態(tài)RAM）或8255。這類(lèi)芯片具有口線多、硬件邏輯簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。若口線要求很少，且僅需要簡(jiǎn)單的輸入或輸出功能，則可用不可編程的TTL電路或CMOS電路。

A/D和D/A電路芯片主要根據(jù)精度、速度和價(jià)格等來(lái)選用，同時(shí)還要考慮與系統(tǒng)的連接是否方便。3.總線驅(qū)動(dòng)能力

80C51單片機(jī)的4個(gè)8位并行口的負(fù)載能力是有限的。

P0口能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電路，P1～P3口只能驅(qū)動(dòng)3個(gè)TTL電路。在實(shí)際應(yīng)用中，這些端口的負(fù)載不應(yīng)超過(guò)總負(fù)載能力的70%，以保證留有一定的余量。如果滿(mǎn)載，會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾。在外接負(fù)載較多的情況下，如果負(fù)載是MOS芯片，因負(fù)載消耗電流很小，所以影響不大。如果驅(qū)動(dòng)較多的TTL電路，則應(yīng)采用總線驅(qū)動(dòng)電路，以提高端口的驅(qū)動(dòng)能力和系統(tǒng)的抗干擾能力。數(shù)據(jù)總線宜采用雙向8路三態(tài)緩沖器74LS245作為總線驅(qū)動(dòng)器，地址和控制總線可采用單向8路三態(tài)緩沖區(qū)74LS244作為單向總線驅(qū)動(dòng)器。4、抗干擾措施單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境往往都是具有多種干擾源的現(xiàn)場(chǎng)，抗干擾措施在硬件電路設(shè)計(jì)中顯得尤為重要,具體見(jiàn)第9章。第10頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第六步單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件主要是指應(yīng)用軟件。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)是研制過(guò)程中任務(wù)最繁重的一項(xiàng)工作，難度也比較大。對(duì)于某些較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，不僅要使用匯編語(yǔ)言來(lái)編程，有時(shí)還要使用高級(jí)語(yǔ)言。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)出來(lái)是否好、應(yīng)用系統(tǒng)是否靈活和好用等，關(guān)系到應(yīng)用系統(tǒng)的成敗，所以應(yīng)好好分析，換位思考多替用戶(hù)考慮。在設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾個(gè)方面問(wèn)題：1、系統(tǒng)應(yīng)用軟件的要求

1）實(shí)時(shí)性。單片機(jī)控制系統(tǒng)在對(duì)內(nèi)部事件和外部事件上要及時(shí)響應(yīng)、及時(shí)處理。針對(duì)隨機(jī)事件，系統(tǒng)設(shè)置中斷，合理分配中斷級(jí)別，確保及時(shí)處理緊急故障

2）靈活性和通用性。軟件設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)，按系統(tǒng)要求選擇各種通用的功能模塊，方便擴(kuò)充功能和方便系統(tǒng)維修，靈活地進(jìn)行系統(tǒng)軟件組態(tài)。

3）安全、可靠性要高。由于單片機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境和工作任務(wù)的特殊性，要求抗干擾能力要強(qiáng)，在設(shè)計(jì)時(shí)將安全可靠性放在第一位。要選用安全可靠的控制方案，另外還要考慮出故障時(shí)的預(yù)防措施和備用方案的選擇。2、操作方便、維修簡(jiǎn)單一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)要操作方便、維修簡(jiǎn)單。應(yīng)用系統(tǒng)用戶(hù)見(jiàn)面要好，使用容易掌握，即使是不懂計(jì)算機(jī)的人員也能操作。系統(tǒng)中盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊式結(jié)構(gòu)，便于故障時(shí)能及時(shí)維修和迅速更換。3、軟件、硬件折中問(wèn)題因?yàn)橐环N功能往往是既是由硬件完成也能由程序?qū)崿F(xiàn)。要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格比綜合平衡后加以確定。一般是在運(yùn)行時(shí)間允許的情況下，盡量采用程序?qū)崿F(xiàn)，如程序設(shè)計(jì)比較困難，則可考慮用硬件完成。第11頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程大體有如下幾步驟：

第1步劃分功能模塊及安排程序結(jié)構(gòu)。第2步畫(huà)出各程序模塊詳細(xì)流程圖。第3步選擇合適的語(yǔ)言編寫(xiě)程序。第4步將各個(gè)模塊連接成一個(gè)完整的程序。應(yīng)用軟件盡可能采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)應(yīng)用軟件的總體構(gòu)思，按照先粗后細(xì)的方法，把整個(gè)應(yīng)用軟件劃分成多個(gè)功能獨(dú)立、大小適當(dāng)?shù)哪K。應(yīng)明確規(guī)定各模塊的功能，盡量使每個(gè)模塊功能單一，各模塊間的接口信息簡(jiǎn)單，盡可能使各模塊間的聯(lián)系減少到最低限度。這樣，各個(gè)模塊可以分別獨(dú)立設(shè)計(jì)、編制和調(diào)試，最后再將各個(gè)程序模塊連接成一個(gè)完整的程序進(jìn)行總調(diào)試。在編應(yīng)用程序，有些程序是可以直接調(diào)用監(jiān)控程序來(lái)完成，例如鍵盤(pán)管理程序、顯示程序等我們可直接調(diào)用監(jiān)控程序，這樣可大大減少軟件設(shè)計(jì)的工作量，提高編程效率。目前單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的監(jiān)控程序功能相當(dāng)強(qiáng)，并附有豐富的實(shí)用子程序，因此，我們?cè)诰幊虝r(shí)要盡量調(diào)用，在程序設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)。有些應(yīng)用程序要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求來(lái)編程。例如，數(shù)據(jù)采集、控制算法的實(shí)現(xiàn)、接口驅(qū)動(dòng)、故障處理及報(bào)警程序等等。第12頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第七步單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，就要進(jìn)行硬件調(diào)試和軟件調(diào)試?？梢岳瞄_(kāi)發(fā)及仿真系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。1、硬件調(diào)試硬件調(diào)試的任務(wù)是排除系統(tǒng)的硬件電路故障，包括設(shè)計(jì)性錯(cuò)誤和工藝性故障。一般原則是先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)。按照設(shè)計(jì)方案制作好樣機(jī)后，便可進(jìn)行硬件調(diào)試。包括脫機(jī)檢查和聯(lián)機(jī)調(diào)試。利用萬(wàn)用表或邏輯測(cè)試儀器，檢查電路中的各器件以及引腳是否連接正確，是否有短路故障。必要時(shí)將芯片取下，對(duì)電路板進(jìn)行通電檢查。然后將樣機(jī)上的CPU，EPROM取下，接上仿真機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試觀察各接口線路是否正常。2、軟件調(diào)試軟件調(diào)試是利用仿真工具進(jìn)行在線仿真調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯(cuò)誤外，也可以發(fā)現(xiàn)硬件故障。程序調(diào)試一般是一個(gè)模塊一個(gè)模塊地進(jìn)行，一個(gè)子程序一個(gè)子程序地調(diào)試，最后聯(lián)起來(lái)統(tǒng)調(diào)。在單片機(jī)上把各模塊程序分別進(jìn)行調(diào)試使其正確無(wú)誤，可以用在系統(tǒng)編程器將程序固化到89S51的FLASHROM中，接上電源脫機(jī)運(yùn)行。為了保證軟件運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，在軟件中可采取加軟件陷井和看門(mén)狗的辦法，避免程序跑飛。3、硬件、軟件聯(lián)合調(diào)試經(jīng)硬件、軟件單獨(dú)調(diào)試后，即可進(jìn)行硬件、軟件聯(lián)合調(diào)試，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，進(jìn)行反復(fù)修改和調(diào)試。4、抗干擾能力的調(diào)試可以模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，如電機(jī)、電焊機(jī)啟停等，提供多種干擾源的現(xiàn)場(chǎng)，考驗(yàn)硬件、軟件的抗干擾能力強(qiáng)弱、抗干擾措施是否設(shè)計(jì)合理，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改和調(diào)試5、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試聯(lián)合調(diào)試完成后，可進(jìn)行組裝成機(jī)器，移至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及調(diào)試出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)硬件、軟件進(jìn)行修改。第13頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第八步單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)步驟，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可進(jìn)入試運(yùn)行階段。在試運(yùn)行階段還要出現(xiàn)許多問(wèn)題，如抗干擾問(wèn)題、元件的老化問(wèn)題等等。應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)三個(gè)月到半年的試運(yùn)行后，問(wèn)題沒(méi)有，可進(jìn)入到正式運(yùn)行或交用戶(hù)投入運(yùn)行階段。10.3單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)實(shí)例溫度是一個(gè)典型的被控參數(shù)，而溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，在冶金、建材、化工、機(jī)制造等領(lǐng)域中，如加熱爐、反應(yīng)爐等；在家庭應(yīng)用方面就更廣泛了，如電烤箱、電熱水器、微波爐和空調(diào)等。采用單片機(jī)溫度控制的特點(diǎn)是控制方便，操作簡(jiǎn)單，擴(kuò)展靈活，功能多和控制精確高等。下面通過(guò)一個(gè)典型的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的例子，介紹單片機(jī)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法，希望達(dá)到舉一反三的效果。

10.3.1明確要設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)。用單片機(jī)控制一個(gè)電烤箱，而且要滿(mǎn)足如下技術(shù)指標(biāo)：

(1)電烤箱由1kW電爐加熱，最高溫度為120℃。

(2)電烤箱溫度可設(shè)置，電烤過(guò)程恒溫控制，溫度控制誤差≤±2℃。

(3)實(shí)時(shí)顯示溫度和設(shè)置溫度，顯示精確為1℃。

(4)溫度超出設(shè)置溫度±5℃時(shí)發(fā)超限制報(bào)警，對(duì)升溫和降溫過(guò)程不作要求。

10.3.2確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)總體方案的

根據(jù)系統(tǒng)的要求，畫(huà)出單片機(jī)控制電烤箱框圖如圖10-2所示。系統(tǒng)包括溫度測(cè)量（溫度傳感器、放大器、ADC轉(zhuǎn)換器）、溫度控制（光電隔離、驅(qū)動(dòng)電路、可控硅、電爐）、溫度給定（按鍵）、溫度顯示和報(bào)警等幾部分組成。由于系統(tǒng)對(duì)升降溫過(guò)程不作要求，控制精度上要求不高。本系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用最簡(jiǎn)單的通斷控制方式，即當(dāng)電烤箱溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)斷開(kāi)加熱電爐，當(dāng)溫度降到低于某值時(shí)接通電爐開(kāi)始加熱，從而保持恒溫控制。

第14頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第15頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

根據(jù)系統(tǒng)框圖10-2所示，可以設(shè)計(jì)出單片機(jī)控制電烤箱的硬件電路圖如圖10-3所示，各部分的選擇如下：

1、單片機(jī)的選擇單片機(jī)的品種較多，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)量的大小來(lái)確定，由于本系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，程序和數(shù)據(jù)量都不大，因此我們選用89S51單片機(jī)，片內(nèi)帶4KFlashISP程序存儲(chǔ)器和128B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。89S51的晶振頻率采用6MHz。

2、溫度顯示功能

溫度顯示電路，利用單片機(jī)串行口外接移位寄存器74LS164,采用3位靜態(tài)LED數(shù)碼顯示器，停止加熱時(shí)顯示設(shè)定溫度，啟動(dòng)加熱時(shí)顯示當(dāng)前電烤箱溫度。

3、按鍵功能按鍵采用3個(gè)功能鍵，分別是“百位+1”、“十位+1”和“個(gè)位+1”鍵，由P1口的P1.0、P1.1和P1.2低3位作為按鍵接口。利用+1按鍵可以分別對(duì)預(yù)置溫度的百位、十位和個(gè)位進(jìn)行加1設(shè)置，并在LED上顯示當(dāng)前設(shè)置值。連續(xù)按動(dòng)相應(yīng)位的加1鍵即可實(shí)現(xiàn)0℃～120℃的溫度設(shè)置。

4、報(bào)警功能超限報(bào)警電路，當(dāng)電烤箱溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，由P1.3口送出的低電平經(jīng)反向器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。第16頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

5、溫度傳感器溫度傳感器采用AD590集成溫度傳感器，它測(cè)量溫度的范圍為-55℃～+150℃，有非常好的線性輸出特性。

6、放大器放大器采用集成運(yùn)算放大器μA741,主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表10-4。

7、ADC轉(zhuǎn)換器

ADC轉(zhuǎn)換器的選擇主要取決于溫度的控制精度。本系統(tǒng)要求溫度控制誤差≤±2℃，采用8位ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器，其最大量化誤差為±(×120℃)=±0.2℃，完全能夠滿(mǎn)足精度要求。調(diào)整:電路焊接好后,調(diào)整放大器的輸出，使0℃～60℃的溫度變化對(duì)應(yīng)于放大器的輸出0～4.9V，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為00H～FAH，則轉(zhuǎn)換結(jié)果乘以2正好是溫度值。這樣標(biāo)度變換非常簡(jiǎn)單。

8、溫度控制單片機(jī)的P1.4口通過(guò)光電隔離器MOC3011送出控制信號(hào)給可控硅的控制端來(lái)控制電爐，雙向可控硅和電爐電阻絲串接在交流220V回路中。通過(guò)P1.4口的高低電平來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通與斷開(kāi)，從而控制電阻絲的加熱時(shí)間。第17頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

RAM地址功能40H44HADC轉(zhuǎn)換后的溫度值41H設(shè)定溫度值42H~44HBCD碼顯示緩沖區(qū)（百位、十位、個(gè)位）45二進(jìn)制顯示緩沖區(qū)50H以后堆棧區(qū)10.3.3軟件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)資源分配（1）內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器RAM的分配情況如表10-1所示。表10-1內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器RAM的分配情況第18頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）I/O口分配情況如表10-2所示。I/O口功能P0數(shù)據(jù)總線P1.0～P1.2按鍵輸入，用于設(shè)定溫度值P1.3報(bào)警控制P1.4電爐控制P1.0確定ADC端口地址(3)ADC0809轉(zhuǎn)換器：通道0～通道7的地址為FEF0H～FEF7H，使用通道0。第19頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、軟件設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)包括主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。（1）主程序

功能：①完成系統(tǒng)的初始化；②定時(shí)器0設(shè)置；③溫度設(shè)定及顯示。流程圖：如圖10-3（a）所示。程序如下：

ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP TT0 ORG 0100H

第20頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

MAIN：MOVSP，#50H ；設(shè)置堆棧指針

MOV40H,#00H；RMA區(qū)清零

MOV41H,#00HMOV42H,#00HMOV43H,#00HMOV44H,#00HMOV45H,#00H MOVTMOD，#01H ；T0工作在方式1MOVTL0，#0B0H；置定時(shí)器初值（定時(shí)時(shí)間50ms）

MOVTH0，#3CHSETBTR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器0MOVIE,#82H；允許定時(shí)器0中斷

MOVR5，#100 ；置5s循環(huán)次數(shù)

LOOP:ACALL KIN ；調(diào)按鍵管理子程序

SJMPLOOP第21頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(2)中斷服務(wù)程序，中斷由T0產(chǎn)生，每隔5s中斷一次。功能：①溫度檢測(cè)；②A/D轉(zhuǎn)換；③讀入采樣數(shù)據(jù)；④數(shù)字濾波；⑤越限溫度報(bào)警；⑥溫度控制；⑦顯示。

流程圖：如圖10-3(b)所示。程序如下：

T0中斷服務(wù)子程序TT0：

TT0:PUSHPSW；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

PUSHACCPUSHR5MOV TL0，#0B0H；重設(shè)T0初值

MOV TH0，#3CH DJNZR5，LPP ；5s到否，不到返回

MOV R5，#100 ；置5s循環(huán)次數(shù)

ACALLTADC；調(diào)用溫度檢測(cè)子程序

MOV45H，40H；ADC轉(zhuǎn)換后的溫度值送顯示緩沖區(qū)

ACALLDISP；調(diào)用顯示當(dāng)前溫度

ACALLCONT；溫度控制

LCALLALARM；溫度越限報(bào)警

POPR5；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POPACCPOPPSWLPP：RETI第22頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第23頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）功能子程序

①按鍵管理子程序上電或復(fù)位后系統(tǒng)處于按鍵管理狀態(tài)，其功能是監(jiān)測(cè)按鍵輸入，接收溫度預(yù)置。按鍵管理子程序KEY：

KEY：MOV45H，41H；預(yù)置溫度送顯示緩沖區(qū)

LCALLDISP；顯示預(yù)置溫度

KEY0：ACALLKEY1；讀按鍵值

JZ KEY0；無(wú)鍵按下循環(huán)，直到有鍵按下

LCALLDISPLCALLDISP ；二次調(diào)用顯示子程序延時(shí)去抖動(dòng)

LACALLKEY1 ；再檢測(cè)有無(wú)鍵按下

JZ KEY0 ；無(wú)鍵按下重新檢測(cè)

JB ACC.0，K10

第24頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

MOVA，#100 ；百位鍵按下

LJMPKEY3K10：JB ACC.1，K1 MOV A，#10 ；十位鍵按下

LJMP KEY2K1：JB ACC.2，K0 MOVA，#01 ；個(gè)位鍵按下

KEY2：ADDA，41H ；預(yù)置溫度按鍵+1MOV41H，AKEY3：LCALLKEY1；判斷閉合鍵釋放

JNZ KEY3 ；未釋放繼續(xù)判斷

LJMPKEY ；閉合鍵釋放繼續(xù)掃描鍵盤(pán)

RET ；返回

KEY1：MOVA，P1 ；讀鍵值子程序

CPL A ANL A，#0FH RET 第25頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一②顯示子程序顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)45H的二進(jìn)制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成三個(gè)BCD碼，分別存入百位、十位和個(gè)位顯示緩沖區(qū)（42H、43H和44H單元），然后通過(guò)串口送出顯示。顯示子程序DISP：

DISP：LCALLBINBCD；將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼

MOVSCON，#00H；置串行口為方式0 MOVR2，#03H；顯示位數(shù)送R2 MOVR0，#42H；顯示緩沖區(qū)首地址送R0DISP0：MOVDPTR，#TAB；指向字型碼表首地址

MOVA，@R0 ；取顯示數(shù)據(jù)

MOVCA，@A+DPTR；查表

MOVSBUF，A ；字型碼送串行口

DISP1：JBCTI，DISP2；發(fā)送結(jié)束轉(zhuǎn)下一個(gè)數(shù)據(jù)并清中斷標(biāo)志

SJMPDISP1 ；發(fā)送未完等待

第26頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

DISP2：INC R0 ；修改顯示緩沖區(qū)指針

DJNZR2，DISP0；判3位顯示完否，未完繼續(xù)

RETTAB：DB0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ；字型碼表二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成三個(gè)BCD碼的轉(zhuǎn)換子程序BINBCD：

BINBCD：MOV A，45H ；取二進(jìn)制顯示數(shù)據(jù)

MOV B，#100；除100，確定百位數(shù)

DIV AB MOV 42H，A ；百位數(shù)送42H單元

MOV A，#10 ；除10，確定十位

XCHA，BDIVA，BMOV43H，A；十位數(shù)送43H單元

MOV 44H，B ；個(gè)位數(shù)送44H單元

RET ；返回第27頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一③溫度檢測(cè)子程序

A/D轉(zhuǎn)換采用查詢(xún)方式。為提高數(shù)據(jù)采樣的可靠性，對(duì)采樣溫度進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的算法很多，這里采用4次采樣取平均值的方法。如前所述，本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果乘2正好是溫度值，因此，4次采樣的數(shù)字量之和除以2就是檢測(cè)的當(dāng)前溫度。溫度檢測(cè)子程序TADC：

TADC：MOV40H，#00H ；清檢測(cè)溫度緩沖區(qū)

MOVR2，#04H ；取樣次數(shù)送R2 MOVDPTR，#FEF0H ；指向A/D轉(zhuǎn)換器0通道

TADC0：MOVX@DPTR，A ；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

TADC1：JNBIE1，TADC1 ；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

MOVXA，@DPTR ；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果

ADDA，40H ；累加

MOV 40H，A DJNZ R2，TADC0 ；4次采樣完否，未完繼續(xù)

CLR C ；累加結(jié)果除2 MOV A，40HRRC A MOV 40H，A RET第28頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一④溫度控制子程序?qū)?dāng)前溫度與預(yù)置溫度比較，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器閉合，接通電阻絲加熱；當(dāng)前溫度大于預(yù)置溫度時(shí)，繼電器斷開(kāi)，停止加熱；當(dāng)二者相等時(shí)電爐保持原來(lái)狀態(tài)；當(dāng)前溫度降低到比預(yù)置溫度低2℃時(shí)，再重新啟動(dòng)加熱；當(dāng)前溫度超出報(bào)警上下限時(shí)將啟動(dòng)報(bào)警，并停止加熱。溫度控制子程序TCONT：

TCONT：MOV A，40H ；當(dāng)前溫度→A CLR C；0→CY SUBBA，41H；“當(dāng)前溫度”-“預(yù)置溫度”

JNC TCONT1

；無(wú)借位，表示當(dāng)前溫度≥預(yù)置溫度，轉(zhuǎn)TCONT1JNB F0，TCONT0

；當(dāng)前溫度<預(yù)置溫度，判是否達(dá)到過(guò)預(yù)置溫度

CLRCSUBBA，#02H

；若達(dá)到過(guò)預(yù)置溫度，判二者差值是否大于2JNCACC.7，TCONT1；差值不大于2，轉(zhuǎn)TCONT1TCONT0：CLR P1.4 ；開(kāi)電爐

SJMP TCONT2 ；返回

TCONT1：SETB F0 ；設(shè)置允許報(bào)警標(biāo)志

SETBP1.4 ；關(guān)電爐

TCONT2：RET第29頁(yè)，共34頁(yè)，2023年，2月20日，星期一⑤溫度越限報(bào)警子程序報(bào)警上限溫度值為當(dāng)前溫度上升到高于預(yù)置溫度+5℃時(shí)報(bào)警，并停止加熱；報(bào)警下限溫度值為當(dāng)前溫度下降到低于預(yù)置溫度-5℃，且報(bào)警允許時(shí)報(bào)警，這是為了防止開(kāi)始從較低溫度加溫時(shí)誤報(bào)警。報(bào)警的同時(shí)也關(guān)閉電爐。報(bào)警子程序ALARM

ALARM：MOV A，40H ；當(dāng)前溫度→A CLR C SUBB A，41H ；（當(dāng)前溫度-預(yù)置溫度）→AJCALARM0；有借位，當(dāng)前溫度小于預(yù)置溫度轉(zhuǎn)ALARM0 SETBF0 ；當(dāng)前溫度≥預(yù)置溫度，允許報(bào)警 AJMPALARM1ALARM0：MOVA，41H；預(yù)置溫度→A CLR C SUBBA，40H；（預(yù)置溫度-當(dāng)前溫度）→A