单片机应用系统设计.
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4
(2) 仿真机的使用 为了实现目标系统的一次性完全开发，必须用到仿真机(也称 在线仿真机)。在线仿真机的主要作用是能完全“逼真”地扮 演用户单片机的角色，且能在集成开发环境中对运行程序进行 各种调试操作，即时发现问题，即时修改程序，从而提高工作 效率，缩短开发周期。 使用时，在线仿真机通过RS-232插件与电脑的COM1或COM2端 口相连。在断电情况下，拨下用户系统的单片机和EPROM，代 之以仿真头，如下图所示。 运行仿真调试程序，通过跟踪执行，能即时发现软硬件方面 的问题并进行修正。当设计达到满足系统要求后，将调试好的 程序编译时形成的二进制文件用编程器烧写到芯片中，一个应 用系统就调试成功了。
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。
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
•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。
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
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。
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。
UART接口是二线制，8051单片机的UART既能作通 用异步接收和发送器，又能作同步移位寄存器。它 可以实现8051单片机系统之间点对点的单机通信或 多机通信，也可以实现扩展I/O口。
18
（2）I2C（Inter Integrated Circuit）串行扩展总 线
I2C总线是Philips公司推出的芯片间串行传输总 线。它用两根线实现数据传送，可以极为方便地构成 多机系统和外围器件扩展系统。
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”。
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
•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)。
9
(2) 关键技术
本系统中的关键技术是如何实时测量室内温度。在对 外界物理量如温度、湿度、压力等进行测量时，首先 要解决的问题是如何将这些非电量转换为电参数(电 阻、电压、电流)，其次，是如何将模拟量(电压)转 换为数字量。
显然对温度的测量，温度传感器是必不可少的。温度 传感器的种类、型号很多。在本例中选用的是AD590 温度传感器。AD590产生的电流与绝对温度成正比， 它可接收的工作电压为4V～30V，检测的温度范围为55度～+150度，具有良好的线性输出性能，温度每增 加1度，电流增加1微安。
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。
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）。
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（3）SPI(Serial Peripheral Interface) 串行扩展 接口
7
2. 总体方案 (1) 系统设计 根据设计要求，设计出温度控制系统的基本结构框图 如下图所示。
压缩机控制执行
按键输入
单片机
LED 显示
温度测量
8
系统由四个主要功能模块组成：温度测量、按键输入， 数码显示以及控制压缩机启停模块。 温度测量模块的主要功能是将环境温度转化为电参数 (电压)，并通过A/D转换得到数字量送入单片机。 按键输入模块主要功能是实现设定温度值的输入。 LED显示模块主要功能是显示当前环境温度值。因空 调对温度精度要求不高，本例只要求显示两位整数的 温度值。 压缩机控制模块主要功能是单片机根据环境温度与设 定温度的比较结果送出开关信号、控制压缩机的启停。
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
PNP D1
4004
12
4. 软件设计 (1) 系统资源分配
内部RAM分配情况。 (2) 软件设计流程
主要包括5个模块： 主程序 按键设定温度模块 十进制调整和数据转换模块 控制模块 显示模块
3
1. 仿真机及其使用
(1) 开发环境 单片机程序的编写、编译、调试等都是在一定的集 成开发环境下进行的。 集成开发环境仿真软件(IDE)将文件的编辑，汇编语 言的汇编、连接，高级语言的编译、连接高度集成于 一体，能对汇编程序和高级程序进行仿真调试。 单片机程序如果是汇编编写的，文件名后必须加后 缀名“.ASM”。如果是C51编写的，必须加后缀名 “.C”。
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
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。
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，
13
10.3 单片机应用系统练习
题目一 电子钟 用MCS-51单片机设计时钟控系统。具体要求如下： 1. 24小时走时; 2. 6位数码管显示时、分、秒； 3. 3个按键，2个分别用于时、分调整，1个用于是否允 许调整。 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。
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。
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VCC
Vcc
U1
13 12 11 10 9 15 14
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A B C D
7 1 2 6
LT BI/RBO
RBI
3 4 5
74LS47
VCC
U4
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Leabharlann Baidu
a b c d e f g
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LT BI/RBO
RBI
4 35
74LS47
VCC
U3
1 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
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(+)
17
（1）UART串行扩展接口 （Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）
UART通用异步收发器，既能同步又能异步通信 的硬件电路称为USART。UART是用于控制计算机与串 行设备的芯片，它提供了RS－232C数据终端设备接 口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS －232C接口的串行设备通信了。
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。
(2) 仿真机的使用 为了实现目标系统的一次性完全开发，必须用到仿真机(也称 在线仿真机)。在线仿真机的主要作用是能完全“逼真”地扮 演用户单片机的角色，且能在集成开发环境中对运行程序进行 各种调试操作，即时发现问题，即时修改程序，从而提高工作 效率，缩短开发周期。 使用时，在线仿真机通过RS-232插件与电脑的COM1或COM2端 口相连。在断电情况下，拨下用户系统的单片机和EPROM，代 之以仿真头，如下图所示。 运行仿真调试程序，通过跟踪执行，能即时发现软硬件方面 的问题并进行修正。当设计达到满足系统要求后，将调试好的 程序编译时形成的二进制文件用编程器烧写到芯片中，一个应 用系统就调试成功了。
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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。
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•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。
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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。
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放大 10 倍
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编程器与计算机的连接
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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。
PC
仿真器
仿用 真户
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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。
UART接口是二线制，8051单片机的UART既能作通 用异步接收和发送器，又能作同步移位寄存器。它 可以实现8051单片机系统之间点对点的单机通信或 多机通信，也可以实现扩展I/O口。
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（2）I2C（Inter Integrated Circuit）串行扩展总 线
I2C总线是Philips公司推出的芯片间串行传输总 线。它用两根线实现数据传送，可以极为方便地构成 多机系统和外围器件扩展系统。
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”。
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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。
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DS1 DPY_7-SEG
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•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)。
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(2) 关键技术
本系统中的关键技术是如何实时测量室内温度。在对 外界物理量如温度、湿度、压力等进行测量时，首先 要解决的问题是如何将这些非电量转换为电参数(电 阻、电压、电流)，其次，是如何将模拟量(电压)转 换为数字量。
显然对温度的测量，温度传感器是必不可少的。温度 传感器的种类、型号很多。在本例中选用的是AD590 温度传感器。AD590产生的电流与绝对温度成正比， 它可接收的工作电压为4V～30V，检测的温度范围为55度～+150度，具有良好的线性输出性能，温度每增 加1度，电流增加1微安。
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。
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）。
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（3）SPI(Serial Peripheral Interface) 串行扩展 接口
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2. 总体方案 (1) 系统设计 根据设计要求，设计出温度控制系统的基本结构框图 如下图所示。
压缩机控制执行
按键输入
单片机
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温度测量
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系统由四个主要功能模块组成：温度测量、按键输入， 数码显示以及控制压缩机启停模块。 温度测量模块的主要功能是将环境温度转化为电参数 (电压)，并通过A/D转换得到数字量送入单片机。 按键输入模块主要功能是实现设定温度值的输入。 LED显示模块主要功能是显示当前环境温度值。因空 调对温度精度要求不高，本例只要求显示两位整数的 温度值。 压缩机控制模块主要功能是单片机根据环境温度与设 定温度的比较结果送出开关信号、控制压缩机的启停。
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4. 软件设计 (1) 系统资源分配
内部RAM分配情况。 (2) 软件设计流程
主要包括5个模块： 主程序 按键设定温度模块 十进制调整和数据转换模块 控制模块 显示模块
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1. 仿真机及其使用
(1) 开发环境 单片机程序的编写、编译、调试等都是在一定的集 成开发环境下进行的。 集成开发环境仿真软件(IDE)将文件的编辑，汇编语 言的汇编、连接，高级语言的编译、连接高度集成于 一体，能对汇编程序和高级程序进行仿真调试。 单片机程序如果是汇编编写的，文件名后必须加后 缀名“.ASM”。如果是C51编写的，必须加后缀名 “.C”。
RD 17 WR 16
RD WR
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（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。
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（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，
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10.3 单片机应用系统练习
题目一 电子钟 用MCS-51单片机设计时钟控系统。具体要求如下： 1. 24小时走时; 2. 6位数码管显示时、分、秒； 3. 3个按键，2个分别用于时、分调整，1个用于是否允 许调整。 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。
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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。
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Vref(-) Vref(+)
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（1）UART串行扩展接口 （Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）
UART通用异步收发器，既能同步又能异步通信 的硬件电路称为USART。UART是用于控制计算机与串 行设备的芯片，它提供了RS－232C数据终端设备接 口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS －232C接口的串行设备通信了。
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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。