单片机原理及应用第十章

式，时、分、秒采用六位数码管显示。该 电路具有显示时间、调整时间、省电状态 （数码管不亮，时钟不停）三种功能。采 用AT89C51单片机实现。

1. 系统硬件电路的设计
单片机控制的数码管时钟电路如图1所示， 它采用的是AT89C51单片机，只用了 P1 口和P2口，P0、P3口可用于扩展显示年、 月、日等功能。为了简化硬件电路，LED 显示采用动态扫描方式实现，P1口输出段 码数据，P2.0～P2.5端作扫描输出控制端， P2.7作功能转换按键输入端。LED采用共 阳极数码管，由三极管9012提供驱动电流。 为了提高计时精度，所采用的晶振频率为 12 MHz。
2．程序流程图 不论采用何种程序设计方法，程序总
体结构确定后，一般以程序流程框图的 形式对其进行描述，主流程图中的某个 模块还可用子流程图进一步说明。
程序流程图通过简明、直观的方式对 任务及编程思路进行描述，具体编程时 可容易地根据流程图编写程序。
3．程序的编制
程序流程图绘制成后，整个程序的轮 廓和思路已十分清楚，便可开始编写实用 程序。具体编写程序时，应注意下面两个 问题：
10.2 单片机应用系统的开发工具
10.2.1 单片机开发系统的功能 1. 在线仿真功能
在线仿真功能是通过开发系统中的在线 仿真器来实现的。仿真时，在线仿真器中 的单片机资源通过仿真插座暂时出借给目 标系统，且不占用目标系统单片机的任何 资源，仿真器中的存储器(包括ROM和 RAM)也出借给目标系统，相当于目标系 统所具有的存储器。
a
a
a
a
a
3.9 k
3.9 k
3.9 k 3.9 k
3.9 k
3.9 k
12MHz XTAL2
XTAL1 VSS
P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
P2.6
P2.7
5V 10 k
按键
5V
（图中三极管极性画反）
图1 AT89C51数字时钟电路图
2. 系统软件的设计
①合理分配系统资源。
合理分配系统资源包括ROM、RAM、定时器/ 计数器、中断源等。其中最关键的是片内RAM 的分配。
②加强软件抗干扰设计，它是提高计算机应用系
统可靠性的有力措施
4．程序的检查与修改 一个实用程序编好后，往往会有许多
书写、语法、指令等错误，这些错误的 出现有时是不可避免的，通过汇编软件 的编译平台可逐条查出程序中的语法错 误。
机系统所要完成的任务、控制对象的状 况及所要达到的技术指标。
2. 建立被控对象的数学模型
所谓被控对象的数学模型是指对被控 对象的变化规律或控制过程客观真实地描 述，从而决定单片机系统需要检测哪些变 量，采用怎样的控制算法等。
3. 总体方案的设计
总体方案的设计就是根据单片机系统要 实现的功能和技术指标，对单片机系统各 部分的构成进行一个总体的构想，对各部 分的具体实现有一个初步的方案。
在硬件设计和调试过程中，当按总体方案 的设想满足不了要求时，可更改设计方案并 进行实验，直到满足技术指标要求为止。
硬件电路设计一般包括两部分内容：一是 系统组成，也称系统扩展。如当ROM、 RAM、I/O口等不能满足应用系统要求时， 就需要设计相应的扩展电路。二是接口扩展， 也称系统配置。如系统要求配置一定的外围 设备，如键盘、显示器、A/D和D/A转换器 等，要设计出合适的接口电路。硬件电路设 计要遵循以下原则：
通常一个系统的硬件越复杂则编程就相对简 单，而硬件越简单则编程就相对要复杂。
(4) 开发研制的周期：根据系统的复杂程 度和实现的难易度，确定一个合理的研 制进度时间表，使设计者在规定的时间 内完成设计任务。
10.1.2 硬件设计
硬件设计就是在总体方案的指导下，对 构成单片机系统的所有功能部分进行详细具 体的电路设计。首先要设计出各部分硬件电 路原理图，然后在面包板上搭出电路进行具 体实验(一些简单、成熟的方案可不用单独 实验)。
2) 显示子程序 数码管显示的数据存放在50H～55H内
存单元中，其中50H、51H单元存放秒数据， 52H、53H单元存放分数据，54H、55H单 元存放时数据。时间数据采用BCD码表示， 对应的显示用段码表存放在ROM中。
显示缓冲区
55H 54H 53H 52H 51H 50H
十时 时 十分 分 十秒 秒
（5）整个系统中相关器件要尽可能做到性能 匹配。
（6）可靠性设计及抗干扰设计是硬件系统设 计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件 选择、去藕电路、印刷电路板布线、通道 屏蔽、隔离等措施。
硬件线路越复杂，系统的可靠性就越差。 一般尽可能减少硬件线路在应用系统中的比 例，采用以软件代替硬件功能，是提高可靠 性的一个好方法。
2.软件调试
软件调试是通过对用户程序的汇编、 连接、执行来发现程序中存在的逻辑 错误或功能错误并加以排除纠正的过 程。软件调试的一般方法是先独立后 联机、先分块后组合、先单步后连续。
全部调试、检验、修改完成后，将 用户软件固化在程序存储器中，插入用 户样机后，单片机系统就可独立单机运 行。至此，系统研制工作已告完成。
此外，为了加快单片机应用系统的研制速 度，应尽量考虑采用各种标准软、硬件或利 用已有的成熟的软硬件来完成应用系统的设 计，这将起到事半功倍的效果。
10.1.3 软件设计
软件设计就是在总体设计和硬件设计 的基础上，对单片机系统的应用程序进 行具体设计。它包括程序的总体结构， 程序流程图，具体程序的编制以及程序 的检查修改等方面。
P0口
P3口 5V 10F 8.2 k
30 pF 30 pF
AT89C51
RST
5V
VCC
P1.7 P1.6 P1.5
g
f e
P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0
d c b a
时十位 时个位 分十位 分个位 秒十位 秒个位
g
g
g
g
g
f
f
f
f
f
e
e
e
e
e
d
d
d
d
d
c
c
c
c
c
b
b
b
b
b
总体方案设计中主要考虑以下几个方面：
(1) 系统构成： 根据设计任务和技术要求，确定整个单片
机系统应由哪几部分组成，如显示、键盘、检 测电路、输入通道、输出通道、打印、通信等。
(2) 单片机机型的选择：目前单片机机型很多， 如本书介绍的AT89系列，Intel公司的MCS-51 和MCS-96/98系列等。
十时 时 十分 分 十秒 秒
开始
保护现场
N
1s到 否 ？
Y
秒单元加1
N
N
60s到 ？
Y 秒 单 元 清 0， 分 单 元 加 1
N N 60min到 ？
Y
分 单 元 清 0， 时 单 元 加 1
N
N
1．程序的结构设计
应根据系统软、硬件的功能分工，确定出 软件应完成什么功能。作为实现控制功能的软 件应明确控制对象、控制信号及控制时序；作 为实现处理功能的软件应明确输入是什么、要 做什么样的处理(即处理算法)、产生何种输出。
软件结构设计与程序设计技术密切相关。 在单片机应用系统中，最常用的程序设计方法 是模块程序设计。为了编制模块程序，先要将 软件功能划分为若干子功能模块，然后再确定 出各模块的输入、输出及相互间的联系。
(1) 尽可能选择结构完整的单片机，以简化系 统硬件，减少设计工作量。
(2) 尽可能选择典型的电路，并符合所选芯片 的常规用法，为硬件系统标准化、模块化打 下良好基础。
(3) 系统的扩展与外围设备的配置水平应在充 分满足应用系统功能要求的前提下适当留有 余地，以便方案更改或进行二次开发。
（4）硬件结构应结合软件方案一并考虑，做 到软、应、硬件功能相匹配。
2. 调试功能
在开发系统上可对应用程序进行单步运行、断 点运行、连续运行的控制，并能查询程序运行结 果和各工作寄存器的状态，给软件调试带来了极 大的方便。在联机调试中还可检查出硬件电路故 障和软件错误。
3. 软件辅助设计功能
单片机开发系统都能与PC机连接，允许用户在 PC机上用汇编语言或高级语言编辑程序，并配有 汇编、反汇编、子程序库等编程软件，使设计者 软件研制的工作量大为减轻。
1) 主程序
主程序功能主要是初始化、正常显示 时间和判断功能转换键。显示时间调用 显示子程序。当P2.7端口按键按下时， 转入调时功能程序。主程序流程图如图 10-7所示。
开始
内存单元清零 T0， T1为 16位 计 数 器
允 许 T0中 断
调用显示子程序
N
P2.7＝ 0 ？
Y 调时程序
图10-7 主程序流程图
设计一个软件，应考虑如下的一些原则：
(1) 软件在结构上应清晰、简洁、流程合理。 (2) 各功能子程序应实现模块化、子程序化，以便
于调试、连接、移植和修改。 (3) 程序存储区、数据存储区应合理规划，做到既
节约内存容量，有方便操作。 (4) 运行状态应实现标志化管理，对各功能程序的
运行状态、运行结果以及运行要求都要设置状态 标志以便查询。 (5) 对需要特殊抗干扰的系统应采用软件抗干扰措 施，以提高系统的可靠性。
第十章
单片机应用系统开发与设计
单片机应用系统的开发过程
通常，开发一个单片机应用系统需要经过以下 几个过程：
·系统方案总体设计； ·硬件电路设计； ·软件设计； ·系统硬、软件连机调试； ·系统局部修改、再调试； ·生成正式产品。
10.1 单片机系统的开发设计
10.1.1 总体设计 1. 明确设计任务和技术指标 在开始设计前，设计者必须明确单片
10.1.4 系统的仿真调试与运行