单片机应用系统设计举例

+ C14 47 μ F
图12-2 声光报警电 路
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3、RS232通信接口电路 RS232通信接口电路如图12-3所示。
C7 1 1μ F 5 9 4 8 3 7 2 6 1 DB9 C8 5 1μ F 4 13 14 C2C2+ VGND 3 U3 C1+ C1VCC V+ 16 2 6 15 12 11 C10 1μ F RXD TXD C9 1μ F C11 1μ F VCC
（6）上位机监控软件设计
通过计算机显示当前的压力值以及报警值。
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§12.2 需求分析
1、单片机选型 进行单片机选型时，应尽量了解较多种类单片 机的性能指标和所集成的资源。 根据系统的要求，选用合适的单片机。 目前许多单片机具有较高的集成度，因此，如 果有模拟量检测的要求时，应尽量选择带有 A/D转换模块的单片机。并且，应该注意所设 计系统的应用场合，选择适当的芯片等级（军 用级、工业级和商用级）。
R1IN R1OUT TIOUT T1IN MAX232
图12-3 RS232通信接口电路
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4、继电器控制电路图 继电器控制电路图如图12-4所示。
VCC VCC R5 390 U4 Positive TLP521-1 R6 1K VD3 1N4007 5VSPDT VT2 8050 Negative TLP521-1 R8 1K RLY1 VCC R7 390 U5 VD4 1N4007 5VSPDT VT3 8050 VCC RLY2
第十二章 单片机应用系统设计举例
本章学习目标
掌握单片机应用系统设计的方法和步骤
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§12.1 系统要求
设计一压力测控系统，系统的具体要求如下： （1）压力检测
检测来自压力传感器输出的电压信号（0～5V），通过 A/D转换器进行转换。
（2）工程变换
将转换结果进行工程变换，即将转换结果再转换为压 力大小（仅保留整数部分）。
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除了 LED 显示外，常见的信息显示方式还有 LCD 显示（即液晶显示）。限于篇幅，有关 LCD显示的内容从略。 为了显示系统的工作状态，设计一个运行指示 灯。当系统正常运行时，以一定的频率闪烁。
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3、继电器控制 单片机 I/O 引脚本身的驱动能力有限，因此， 一般情况下，不能使用单片机的 I/O 引脚直接 控制继电器。 在常见的控制系统中，往往利用单片机 I/O 引 脚加上驱动电路驱动小功率继电器，这个小功 率继电器作为中间继电器，再用中间继电器驱 动控制大功率继电器。
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STC15F2K60S2 单片机片内集成了 8 通道 10 位 高速模数转换器，并且，具有较多的通用 I/O 和片上外设（定时器、UART等）。 因此，在本系统的设计中，可以采用 STC15F2K60S2作为系统的检测与控制中心。
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2、人机接口的设计选型
系统要求使用键盘设置压力的报警上限值和下限值， 使用 LED进行显示。在此，使用 4个按键作为系统键 盘，选用 8位 LED 显示，用以显示压力的报警值（上 限、下限）、当前值和当前时间。 传统的键盘和LED显示电路设计，一般采用扫描的方 式。即，键盘采用扫描方式，LED显示采用动态扫描 方式。键盘和LED设计时，公用其中的某些口线。在 本例中，键盘采用扫描方式，而LED采用串行－并行 转换芯片74HC595进行显示。
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使用中间继电器控制大功率继电器的方法，在 一般的电器控制教材上都有详细的介绍，在此 从略。 连接单片机 I/O 引脚和中间继电器的驱动电路， 可以使用现成的集成驱动电路，如ULN2803， 也可以利用分离元件自行设计。 为了提高系统的抗干扰能力，在单片机的 I/O 引脚和中间继电器之间最好采用光电隔离技术。 由于本系统只需要控制两个继电器，因此，这 里的驱动电路使用分离元件进行设计。
475Ω×8
ห้องสมุดไป่ตู้
U7 /SCLR VCC SCK SER RCK /G GND 74HC595 b) QA QB QC QD QE QF QG QH
SPICLK MOSI P27 P21
a b c d e f g dp
SPICLK MOSI P26 P22
10 16 11 14 12 13 8
15 1 2 3 4 5 6 7
图12-4 继电器控制电路图
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5、键盘和显示控制电路 LED显示电路图如图12-5a、图12-5b、图12-5c 和图12-5d所示。
VCC 10 16 11 14 12 13 8 GND /SCLR VCC SCK SER RCK /G GND 74HC595 a) U6 QA QB QC QD QE QF QG QH VCC 15 1 2 3 4 5 6 7
VT9 9012 COM5
DIG6
VT10 9012 COM6
DIG7
VT11 9012 COM7
c)
COM7 com a f e d b c
DS0 a b c d e f g dp a b c d e f g dp e d f g
COM0 com a b c a b c d e dp f g dp
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§12.3 系统硬件设计
1、CPU基本单元电路
C1 15 16 15pF C2 15pF VCC C3 0.1μF + C9 10μF 11.0592MHz PWM 10 R26 1KΩ 18 20 AIN2 11 P21 P22 P26 P27 33 34 38 39 VCC GND P1.2/ADC2 P2.1 P2.2 P2.6 P2.7 17 STC15F2K60S2 XTAL2 XTAL1 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P1.0 P1.1 P2.3 P2.5 RXD/P3.0 TXD/P3.1 P1.2/SS P1.3/MOSI P1.4/MISO P1.5/SCLK 1 2 3 4 P00 P01 P02 P03
DS7 a b c d e f g dp g
dp
......
d)
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键盘电路如图12-6所示。
VCC
P00 P01 P02 P03
330Ω×4
10KΩ×4
S1 S2 S3 S4 GND
图12-6 键盘电路图
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§12.4 系统软件设计
压力的检测报警程序采用C语言编写。
系统采用每 10ms 循环采样的方式采集压力信号（在此 假设采用8位转换精度）。 使用定时器0实现10毫秒的定时。 报警声音通过PWM控制蜂鸣器发出，监测的压力值超 过上限时，发出上限报警声音（高音调）. 监测的压力值低于下限时，发出下限报警声音（低音 调）。不管发生哪种报警，报警指示灯闪烁（亮500ms， 灭500ms，通过对定时器0的中断计数50次实现）。 如果没有报警，则不出现报警声音和闪烁信号。 系统运行指示灯通过对定时器0的中断计数50次实现定 时输出高低脉冲控制D1。
CCP0/P1.1 RST
9 Run 10 Alarm 35 Negative 37 Positive 21 RXD 22 TXD 11 12 MOSI 13 14 SPICLK
图12-1 CPU基本单元电路
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2、声光报警电路 声光报警部分的电路如图12-2所示。
Run VD1 R1 1KΩ VD2 Alarm R2 1KΩ PWM R4 VT1 1KΩ BELL VD5 VCC VCC U2 VCC R21 1KΩ
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4、上位机监控软件的设计 计算机和单片机的串行通信可以采用RS-232、RS-422 或RS-485总线标准接口。 从硬件上讲，计算机的串行口是 RS232电平的，而单 片机的串口是TTL电平的。因此，要实现单片机与计 算机之间的串行通信，必须通过电路实现TTL电平和 232 电 平 的 转 换 。 常 用 的 电 平 转 换 集 成 电 路 是 MAX232。 从软件的角度讲，要实现上位机监控软件的设计，需 要掌握目前流行的基于Windows操作系统的软件设计。 可以选择较容易上手的 Visual Basic 开发环境，进行 监控软件的设计。也可以选择Visual C++等。
详细程序见教材
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5.1KΩ×8
DIG0 DIG1 DIG2 DIG3 DIG4 DIG5 DIG6 DIG7
GND
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VCC
DIG0
VT4 9012 COM0
DIG1
VT5 9012 COM1
DIG2
VT6 9012 COM2
DIG3
VT7 9012 COM3 VCC
DIG4
VT8 9012 COM4
DIG5
（3）键盘
用于设置压力的报警值和当前时间。
（4）数码LED显示
用于显示压力报警值的上限和下限，并显示当前压力 值。压力值在0～100之间。
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（ 5）当前压力值超过报警值时，通过蜂鸣器报 警，并控制电机执行相应的动作。
压力值低于下限时，合上控制电机正转的继电 器，控制电机正转，压力升高，压力值升高到 正常范围后，打开正转继电器，电机停转；压 力值高于上限时，合上控制电机反转的继电器， 控制电机反转，压力值下降到正常范围后，打 开反转继电器，电机停转。没有超过报警值时， 继电器都打开，电机不转。