单片机应用系统设计.
单片机应用系统设计实例
初始化：
uchar code a[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //段码组合,共阴极
uchar m=0; //计数循环变量
uint n=0; //计数值
3
2
1
void timer0(void) interrupt 1 { TH0=0x3C; TL0=0xB0; m++; if(m==19) {m=0; n++; P1_0=~P1_0; } }
05
中断初始化
06
延时功能
07
中断服务程序设计
3.2软件设计
中断服务程序设计
中断初始化
触发方式设置
中断允许控制
中断初始化
IT0=1;
EA=1;
EX0=1;
中断服务程序
函数名（）interrupt n [using m ]
{ }
Void int0(void) interrupt 0
/* 外部中断0的服务函数定义，使用第二组工作寄存器组*/
}
如何设计硬件和软件？
用1个LED发光二极管，设计一个循环闪烁的指示灯。
注意：在接下来的仿真中，省略时钟及复位电路。
1.2软件设计
01
初始化
02
51头文件、宏定义
03
主程序，即main（）程序
04
灯的亮灭控制
05
延时功能
06
延时子程序设计
void main(void) { while(1) { P1_0=0; delay(5000); P1_0=1; delay(5000); } }
MCS-51单片机应用系统设计
6 通信电路的设计 单片机应用系统一般需要其具有数据通信的能力，通常采用RS-
232C、RS-485、I2C、CAN、工业以太网、红外收发等通信标准。
7 印刷电路板的设计与制作 电路原理图和印制电路板常采用专业设计软件进行设计， 如
Protel、Proteus、OrCAD等。设计印制电路板需要有很多的技巧和经 验。设计好印制电路板图后，应送到专业厂家制作生产，在生产出来 的印制电路板上安装好元件，则完成硬件设计和制作。
3. 程序设计 1 建立数学模型：描述出各输入变量和各输出变量之间 的数 学关系。
2 绘制程序流程图：以简明直观的方式对任务进行描述。 3 程序的编制：选择语言、数据结构、控制算法、存储 空间 分配，系统硬件资源的合理分配与使用，子程序的入/出口 参 数的设置与传递。
4. 软件装配 各程序模块编辑之后，需进行汇编或编译、调试，当满足设
单 片 机 应 用 系 统 设 计 的 一 般 过 程
7.1 MCS-51单片机应用系统设计过程
1. 总体设计 2. 硬件设计 3. 软件设计 4. 可靠性设计 5. 单片机应用系统的调试、测试
7.1.1 总体设计
1．明确设计任务 单片机应用系统的设计是从确定目标任务开始的。 认真进行目标分析，根据应用场合、工作环境、具体用途，
2. 程序设计技术
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。
2 自顶向下的程序设计：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。
单片机原理及应用系统设计
单片机原理及应用系统设计单片机原理及应用系统设计单片机（Microcontroller，简称MCU）是集成了微处理器、存储器、输入/输出接口及其他功能模块的一种集成电路芯片，其内部包含了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、串口、ADC/DAC、中断控制器等多个功能模块，可用于控制系统、数据采集、嵌入式系统、家用电器、汽车电子等许多领域中。
单片机的组成结构主要包括中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM、EEPROM）、输入/输出接口（I/O）、时钟/定时器、中断/外部中断、串口通信、模拟输入/输出等模块。
其中，中央处理器是单片机的“心脏”，它执行单片机内部各种指令，进行逻辑运算、算术运算等操作；存储器用来存储程序和数据，ROM主要存储程序代码，RAM用来存储程序运行时所需的数据和临时变量；输入/输出接口是单片机和外部设备（如LED、LCD、继电器等）的链接带，通过输入输出接口可以实现单片机对外部设备的控制和监测；时钟/定时器用来产生精确定时信号，对于实时控制、时间测量、定时定量控制等应用非常重要；中断/外部中断是单片机的一种高效机制，在单片机运行过程中，如碰到紧急事件需要优先处理，可以启用中断机制，优先处理中断程序；串口通信用来实现单片机与另一台设备之间的通信功能，是单片机进行通信应用中较常用的接口；模拟输入/输出可实现单片机对外部采集信号的转换。
单片机的应用系统设计是单片机在应用领域中所体现出来的具体项目，包括了硬件和软件两个方面的内容。
硬件设计主要包括单片机的选型、外设的选择、电源设计、信号输入/输出设计等；软件设计则主要是对单片机进行编程，构造出相应的应用程序，实现对硬件系统的控制。
单片机在嵌入式系统中应用非常广泛，包括家用电器、工业自动化、汽车电子、医疗器械、安防监控等多个领域。
在家用电器中，单片机能够实现家电的自动控制、显示、调节等多种功能，如洗衣机控制、空调控制、电磁灶控制、电子钟表控制等；在工业自动化中，单片机的功能应用更为广泛，应用于生产线的控制、物流系统的管理、环保系统的监测、电子银行等多个领域；在汽车电子中，单片机的功能主要体现在行车电子控制系统、车载音响、泊车雷达系统等方面，具有多种控制、监测、显示、操作等功能；在医疗器械领域中，单片机主要应用于病人监测、给药控制、设备控制等多个方面，通过单片机系统的运行，实现对病情的掌控；在安防监控领域中，单片机系统具备事件监测、报警输出、视频监视等多种功能，使得安防系统可以实现更加精确、高效、智能的控制。
《单片机应用系统设计》教学大纲及知识点
《单片机应用系统设计》课程教学大纲一、本课程的地位、作用和任务本课程是在学生学完电子技术类基础课程和微机应用类基础课程之后，为加强对学生技术应用能力的培养而开设的体现电子技术、计算机技术综合应用的综合性课程。
本课程的任务是使学生获得单片机应用系统设计的基本理论、基本知识与基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，并了解单片机在测量、控制等电子技术应用领域的应用。
初步具备应用单片机进行设备技术改造、产品开发的能力。
二、理论教学内容绪论单片机概述0．1 引言0．2 单片机的特点0．3 单片机的发展0．4 MCS-51单片机系列简介第一章MCS–51单片机的结构和原理1. 1 单片机的内部结构1. 2 MCS–51的外部引脚及功能1. 3 MCS–51的存储器配置1. 4 并行输入／输出接口电路1. 5 时钟电路与时序1. 6 MCS –51最小系统设计第二章MCS-51的指令系统2．1 MCS-51指令系统概述2．2 数据传送类指令2．3 算术运算类指令2．4逻辑运算及移位类指令2．5 控制转移类指令2．6 布尔变量操作类指令第三章汇编语言程序设计3．1 汇编语言源程序的格式3．2 伪指令3．3 汇编语言程序举例第四章MCS—51的中断与定时4.1 MCS—51单片机的中断系统4.2 MCS–51的定时/计数器第五章存储器扩展技术5.1 概述5.2 程序存储器的扩展5.3 数据存储器的扩展5.4 PROME2及其扩展第六章Ｉ/Ｏ扩展技术6．1 Ｉ/Ｏ接口概述6．2 MCS-51并行Ｉ／Ｏ口的直接使用6．3 简单Ｉ／Ｏ扩展6．4 8255并行Ｉ／Ｏ口6．5 8155简介第七章键盘/显示器扩展技术7．1 单片机应用系统中的人机通道7．2 键盘及其接口7. 3 显示器及接口7．4 专用的8279键盘/显示器接口第八章模拟量输入/输出通道8.1 模拟量输入通道8.2 模拟量输出通道第九章MCS-51的串行通信9.1 串行通信基础9.2 串行接口的构成与工作方式9.3 串行口的典型应用9.4 单片机的多机通信9.5 RS-232C串行总线第十章应用程序设计技术10.1 智能仪表的一般结构10.2 单片机应用系统设计举例第十一章高性能单片机PIC16F8XX介绍11．1 PIC16F87X的特点11．2 PIC16F87X的结构与配置11．3 PIC16F87X的功能部件11．4 PIC16F87X的应用举例三、实践教学的内容和要求实验一联机仿真操作练习实验目的：进一步掌握开发工具的应用实验内容：学习PC机与开发机联机仿真的操作方法实验二指令系统和编程练习实验目的：掌握8051单片机常用指令的使用和编程实验内容：用8051单片机的常见指令编写简单的多字节加减法程序。
单片机原理及应用系统设计
单片机原理及应用系统设计单片机是一种集成电路芯片，其中包含了微处理器、存储器、输入输出接口等功能模块。
它具有体积小、功耗低、性能高、可编程性强等特点，被广泛应用于各种电子设备和嵌入式系统中。
单片机原理和应用系统设计主要包括以下几个方面：1. 单片机的基本原理：单片机通常由CPU、存储器和外设接口等组成。
CPU负责执行指令，存储器用于储存指令和数据，外设接口用于与外部设备的连接。
2. 单片机的编程：单片机可以通过编写程序来实现各种功能。
常用的编程语言有汇编语言和高级语言（如C语言）。
编程时，需要先了解单片机的指令集和寄存器等硬件特性，然后使用适当的编译器将程序转换成机器码，最后通过下载工具将程序下载到单片机中执行。
3. 单片机应用系统的设计方法：在设计单片机应用系统时，首先需要明确系统的功能需求和硬件资源限制。
然后，依据需求选择适当的单片机型号，并设计硬件电路连接与外设接口。
接着，进行软件设计，编写相应的程序。
最后，通过仿真和测试验证系统的功能和性能。
4. 单片机应用系统案例：单片机在各个领域都有广泛的应用。
以家电控制为例，可以通过单片机设计实现智能家居系统。
通过单片机控制开关、传感器、驱动器等，实现家电设备的自动控制和远程控制，提高生活的便利性和舒适度。
5. 单片机的优点和挑战：单片机具有体积小、功耗低、成本低、可编程性强等优点，使得它在嵌入式系统中得到广泛应用。
但单片机的资源有限，编程和调试难度较大，对程序的效率和硬件资源的合理利用要求较高。
综上所述，单片机原理及应用系统设计涉及到单片机的原理、编程、应用系统设计方法、案例等方面内容。
掌握这些知识，可以帮助我们更好地理解和应用单片机技术，实现各种电子设备和嵌入式系统的设计与开发。
单片机应用系统设计的方法
4.选择检测元件 选择好被测参数的测量元件是影响控制系统精度的重要因素之
一。测量各种参数的传感器，如温度、流量、压力、液位、成分、 位移、重量、速度等，种类繁多，规格各异，因此要选择合适的检 测元器件。 5.选择执行机构
2.硬件设计的步骤
根据系统需要确定使用哪种结 构，确定系统中主要电路是最 小应用系统还是扩展系统。除 单片机外，系统中还需要哪些 扩展芯片、模拟电路等。
1
2
3
进行电路连接，绘制出完 整的电路连接图。
4
根据各输入输出数据的传送方 式确定是中断方式、查询方式 还是无条件方式等。
进行资源分配，各输入输 出信号应分别使用哪个并 行口、串行口、中断、定 时/计数器等。
执行机构是单片机控制系统的重要组成部件之一。执行机构的 选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情 况决定。
6.软件和硬件的功能划分 软件和硬件功能的划分如同人的思想和躯干功能的划分一
样。在实际应用中，一旦一个系统功能确定，其软件和硬件的 功能就基本确定。但从另一方面说，具有相同功能的单片机应 用系统，其软硬件功能可以在很宽的范围内变化，一些硬件电 路的功能可以由软件来实现，反之亦然。软件替代硬件，可以 降低成本，但可能降低系统速度；硬件替代软件，会增加成本， 但也提高工作速度。
3.选择单片机 单片机种类繁多，选择合适的单片机是应用系统设计的关键。
一般可以从以下几个方面考虑： （1）所选的单片机型号必须有稳定、充足的货源，最好选择该
领域应用最广的单片机系列产品。 （2）根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实
单片机应用系统设计方法
单片机应用系统设计方法
单片机应用系统设 计过程一般包括需求 分析、可行性分析、 系统体系结构设计、 软/硬件设计、综合调 试等几个步骤。
1.2 可行性分析
可行性分析是从原理、技术、需求、资金、材料、环境、研发/生产条 件等方面分析论证产品开发研制的必要性及可行性，论证产品的经济效 益、社会效益和生态效益，决定产品的开发研制工作是否需要继续进行 下去
在单面板和双面板设计中，电源线和地线尽量粗些，以确保能通过大电流。
1.4 硬件设计
元器件选择原则
在硬件电路成本允许的情况下，尽可能选择集成度高、功能完备的芯片 对于需要大批量生产的产品，一定要选用通用性强、供货渠道充足的元器件 整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配 选择元器件时应遵从以下原则
选择可靠性高的专用器件。这是保护系统安全运行的有效手段。 对输入输出通道进行光电隔离，以防止干扰信号从I/O通道进入系统而导致系
统程序跑飞（死机）。 对于闲置的I/O口或输入引脚，不要悬空，可直接接地或接电源。
1.4 硬件设计
PCB设计原则
晶振必须尽可能靠近CPU晶振引脚，且晶振电路下方不能走线，最好在晶振电 路下方放置一个与地线相连的屏蔽层。
在双面印制板上，电源线和地线应安排在不同的面上，且平行走线，这样寄生 电容将起滤波作用。对于功耗较大的数字电路芯片，如CPU、驱动器等应采用 单点接地方式，即这类芯片电源、地线应单独走线，并直接接到印制板电源、 地线入口处。电源线和地线宽度尽可能大一些。模拟信号和数字信号不能共地， 即采用单点接地方式。
1.4 硬件设计
电源系统采用稳压、隔离、滤波、屏蔽和去耦措施。采用交流稳压器，以防止 电网欠压或过压；采用初次级双层屏蔽的隔离变压器，以提高系统抗共模干扰 的能力；采用低通滤波器，以除去电网中的高次谐波；滤波器要加屏蔽外壳， 以防止感应和辐射耦合；在电源的不同部分（如每个芯片的电源）配置去耦电 容，消除以各种途径进入电源中的高频干扰。
9-1单片机应用系统的设计与开发
1 1 1 1 0 1 1
0 0 0 0 1 1 1
11 1 1 1
0 1 1 1 0 0 0
1 1 1 1 1 0 1
1 1 1 1 0 1 1
0 0 0 0 1 1 1
1 1 0 1 1 1 1
1 0 1 1 1 1 1
0 1 1 1 0 0 0
南北红灯亮
东西红灯亮, 南北绿灯亮 东西红灯亮, 南北黄灯亮
MOVX
@DPTR,A
;东西红灯
亮,南北黄灯亮
MOV R2,#0AH LCALL DELY ;延时10s MOV DPTR,#0FFD8H MOV A,#0BEH MOVX @DPTR,A INC DPTR MOV A,#0FH MOVX @DPTR,A ;东西红 灯亮 MOV R2,#0AH LCALL DELY ;延时 DJNZ R7,JOD2 ;闪烁次 数未到继续 LJMP JOD3 ;循环
9.3 空调制冷控制系统案例实现
1.确定任务
设计空调制冷控制系统,要求该系统能够自动控制制冷压 缩机的运行和停止(制冷压缩机工作,则将空气热量带走,环 境温度下降),使环境温度保持在人们设定的温度上(调温范 围为10℃～30℃). 控制系统要控制的是空气温度,是通过压缩机的运行, 停止控制的,实际上单片机直接控制的是压缩机的工作状态. 该系统要实现以下功能. 1)根据环境温度控制压缩机工作.控制参数是温度,被 控参数是压缩机电路通,断的工作状态. 2)设置希望的环境温度值.由人手动控制. 3)显示设定的温度值.
9.2 交通灯模拟控制系统案例实现
1.硬件电路设计 硬件原理图如图所示. (1)选择单片机:目前MCS-51单片机种类繁 多,可以选用AT89C51,配备晶振和复位电路. (2)端口地址:根据原理图所示,8255端口 地址分配如下: A口:0FFD8H B口:0FFD9H C口:0FFDAH
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24
25 26
GND 23
27
22
28
U6A
9
WR 1
2
6
10 P3.0
74LS04
11
10
30 ALE
U6C
29 RD 5
6
74LS04
U5
D7
IN0
D6
D5
IN1
D4
D3 ADC0809 IN2
D2
D1
IN3
D0
IN4
EOC
IN5
A
B
IN6
C
IN7
ALE
OE START CLK
Vref(-) Vref(+)
•单片机应用系统的研制过程包括确定任务、总体设计、 硬件设计、软件设计、系统调试、产品化等几个阶段。 它们不是绝对分开的，有时是交叉进行的。
2
二、单片机应用系统的开发工具
•单片机应用系统开发必须经过调试阶段，只有经过调 试才能发现问题，改正错误，最终完成开发任务。实 际上，对于较复杂的程序，大多数情况下都不可能一 次性就调试成功，即使是资深程序员也是如此。
7 6 4 2 1 9 10
a DPY ba
c d
f
g
b
ee c fd
g
3
3
VCC
Vcc
U1
13 12 11 10 9 15 14
a b c d e f g
A B C D
7 1 2 6
LT BI/RBO
RBI
3 4 5
74LS47
VCC
U4
13 12 11 10 9 15 14
a b c d e f g
芯
编
片
程
PC
座
器
编程器与计算机的连接
6
10.2 单片机应用系统实例
例：空调机温度控制系统 1. 设计要求
用MCS-51单片机设计一个空调机的温控系统。具体 要求如下： 实时测量环境温度，并显示当前温度值。 当室温度高于设定温度，压缩机运转，使室温降低。 当室温低于设定温度，压缩机停止运转。 温度设定功能，通过按键输入压缩机启停的温度设 定值。设定温度过程中显示设定温度值，以便于操 作。设定完毕后，改为显示当前测定温度值。
I2C总线是二线制，采用器件地址的硬件设置方法， 通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法，从 而使硬件系统具有简单灵活的扩展方法。I2C总线简单， 结构紧凑，易于实现模块化和标准化。
I2C总线传送速率主要有两种：一种是标准S模式 （100Kb/s），另一种是快速F模式（400Kb/s）。
19
（3）SPI(Serial Peripheral Interface) 串行扩展 接口
RD 17 WR 16
RD WR
P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07
P21 PP2202 P23 P24 P25 P26 P27
RXD TXD ALE/P PSEN
39
21
38
20
37
19
36
18
35
8
34
15
33
14
32
U6B
17
21
INT1
3
7
22
23
4
25
24
74LS04
26 27 28 1 2 3 4 5
16 12 +5V
U7 AD590
+ _ NC
+12V
123
VCC
3
R16 2 10kΩ
7 U8 OPA1
741 6
R17
10kΩ
41 5
-12V R23
2kΩ
零位调整
R18 10kΩ
-12V
41 5
2
3 R20 20kΩ R25
6 741 U9 OPA2 7
1kΩ
10
3. 硬件设计 系统的硬件电路包括主机、温度控制、压缩机
的控制、按键及显示5个部分，系统硬件电路原理图 如下图所示。
11
DS1 DPY_7-SEG
DS2 DPY_7-SEG
R1
R2 R3 R4 R6 R7
R8
7 6 4 2 1 9 10
a DPY ba
c d
f
g
b
ee c fd
g
R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15
20
（4）Microware串行扩展接口 Microware总线是NS公司提出的串行同步双工通
信接口，用于8位COP800系列单片机和16位HPC系列单 片机。
Microware总线是三线制，由一根数据输出（SO） 线、一根数据输入（SI）线和一根时钟（SK）线组成。 所有从器件的时钟线连接到同一根SK线上，主器件向 SK线发送时钟脉冲信号，从器件在时钟信号的同步沿 输出/输入数据。主器件的数据输出线SO和所有从器 件的数据输入线相接，从器件的数据输出线都接到主 器件的数据输入线SI上。
SPI总线是Motorola公司提出的一种同步串行外设 接口。允许MCU与各种外围设备以同步串行方式进行通 信。其外围设备种类繁多：最简单的TTL移位寄存器到 复杂的LCD显示驱动器、网络控制器等。
SPI总线是三线制，可直接与多种标准外围器件直 接接口，在SPI从设备较少而没有总线扩展能力的单片 机系统中使用特别方便。即使在有总线扩展能力的系 统中采用SPI设备也可以简化电路设计，省掉很多常规 电路中的接口器件，从而提高了设计的可靠性。
R24
+12V
50kΩ GND
GND -12V
放大 10 倍
R22 100kΩ
-12V
R21 2 5kΩ
3
41 5
6 741
U10 OPA3 R26 7
1kΩ
+12V
GND
VCC
1 U2A CD Q 6
ALE CLK
32 D
5
SD
4 74QLS74
VCC VCC
C1 30pF GND
C2 30pF
X1 12MHz
•单片机只是一块芯片而已，本身并无开发能力，要借 助开发工具才能实现系统设计。开发工具主要包括电 脑、编程器(又称写入器)、仿真机。如果使用EPROM作 为存储器还要配备紫外线擦除器。其中必不可少的工 具是电脑和编程器(当然对于在线可编程（ISP）的单 片机，如89S51，也可以不用编程器，而通过下载电缆 下载)。
14
题目二 数字温度计 用MCS-51单片机设计数字温度计。具体要求如下： 1. 5位数码管显示温度，可显示摄氏度或华氏度; 2. 温度显示范围-20.0度~+50.0度； 3. 1个按键用于显示摄氏度或华氏度切换。 4. 写出设计方案，画出完整的电路原理图（包括电源、 时钟电路、复位电路），编写程序。
21
（5）单总线（1-wire）串行扩展总线 1-wire总线是Dallas公司研制开发的一种协议，
PC
仿真器
仿用 真户
头系
统
5
2. 编程器 当我们编写好的程序在集成开发环境编译通过后， 会形成一个二进制文件(文件名与源程序文件名相同， 后缀名为“.BIN”)或十六进制文件(后缀名为 “.HEX”)，即形成所谓的目标程序。这个目标程序 必须利用编程器才能将目标文件烧写到单片机的程 序存储器中，从而让单片机系统的硬件和软件真正 结合起来，组成一个完整的单片机系统。 编程器的主要功能是将目标程序烧写到芯片中，其 与电脑的连接如下图所示。
A B C D
7 1 2 6
LT BI/RBO
RBI
4 35
74LS47VCCU31 2 3 4 5 6 7 8
P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17
8051
INT13 12
INT1 INT0
15 14
T1 T0
VCC 31 EA/VP
X1 19 X2 18
X1 X2
RESET9 RESET
15
题目三 波形发生器 用MCS-51单片机设计一个波形发生器。具体要求如下： 1. 可根据按钮选择连续输出锯齿波、三角波或正弦波 形; 2. 4个按键，3个分别用于选择输出锯齿波、三角波、 正弦函数；一个用于改变输出波形的周期。 3. 写出设计方案，画出完整的电路原理图（包括电源、 时钟电路、复位电路），编写程序。
第十章 单片机应用系统设计
10.1 单片机应用系统概述
一、单片机应用系统的设计方法
•单片机应用系统的技术要求各不相同，针对具体的任 务，设计方法和步骤也不完全相同。
•为完成某一任务的单片机应用系统需要包含硬件和软 件系统。硬件和软件必须紧密结合，协调一致才能正 常工作。在系统研制过程中，硬件设计和软件设计不 能截然分开。硬件设计时应考虑软件设计方法，而软 件也一定是基于硬件基础上进行设计的。这就是所谓 的“软硬结合”。
16
10.4 串行扩展技术
一、串行扩展总线及特点 串行扩展总线技术是新一代单片机技术发展的一
个显著特点。串行扩展总线有电路结构简单，程序编 写方便，易于实现用户系统软硬件的模块化、标准化 等优点。
常用的串行扩展总线和接口有1-wire总线、I2C总 线、SPI总线、Microware总线和CAN总线等。
X2
P3.0
R19 10kΩ
S2 SW-PB
GND
S1 SW-PB
RESET
VCC
C3 R5
1kΩ
GND
10µF
压缩机
+
-
A
220V
K1 VCC
GND 200Ω
Q1