单片机应用系统的设计与开发.ppt
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第9章 单Hale Waihona Puke Baidu机应用程序开发
9.1 单片机应用系统开发的一般方法 9.2 交通灯模拟控制系统案例实现 9.3 空调制冷控制系统案例实现
学习目标
1．掌握应用MCS-51单片机进行系统开 发的方法和步骤；
2．掌握交通灯模拟控制系统、空调制 冷控制系统的设计。 重点内容
单片机应用系统开发的方法
9.1 单片机应用系统开发的一般方法
A/D和D/A电路芯片主要根据精度、速度和价格等来选用，同时还 要考虑与系统的连接是否方便。
3）地址译码电路。通常采用全译码、部分译码或线选法，应考虑充分 利用存储空间和简化硬件逻辑等方面的问题。MCS-51系统有充分的 存储空间，包括64KB程序存储器和64KB数据存储器，所以在一般的 控制应用系统中，主要是考虑简化硬件逻辑。当存储和I/O芯片较多 时，可选用专用译码器74LS138或74LS139等。
2）数据存储器和I/O接口。
根据系统功能的要求，如果需要扩展外部RAM或I/O口，那么RAM 芯片可选用6116（2KB）、6264（8KB）或62256（32KB）。
I/O接口芯片一般选用8255或8155（带有256KB静态RAM）。这类 芯片具有口线多、硬件逻辑简单等特点。若口线要求很少，且仅 需要简单的输入或输出功能，则可用不可编程的TTL电路或CMOS电 路。
（2）性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比。 （3）结构原理要熟悉，以缩短开发周期。 （4）货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。
硬件和软件如何分工？
用硬件实现速度比较快，节省CPU的时间，但系统 的硬件接线复杂、系统成本较高。用软件实现则较为经 济，但要更多地占用CPU的时间，原则上，能够由软件 实现的任务就尽量用软件来实现，以降低成本，简化硬 件结构。如果系统回路多、实时性要求强，则要考虑用 硬件完成。同时，还要求大致规定各接口电路的地址、 软件的结构和功能、上下位机的通信协议、程序的驻留 区域及工作缓冲区等。总体方案一旦确定，系统的大致
规模及软件的基本框架就确定了。
3．硬件设计
硬件的设计是根据总体设计要求，在选择完单片机 机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元件，并设 计出系统的电路原理图，经过必要的实验后完成工艺结 构设计、电路板制作和样机的组装。主要硬件设计包括：
（1）单片机电路设计：主要完成时钟电路、复位电路、 电源电路的设计。
单片机应用系统是为完成某项具体任务而研 制开发的用户系统，可以分为智能仪器仪表和工 业测控系统两大类。虽然每个系统都有很强的针 对性，结构和功能也不相同，但它们的开发过程 和方法大致相同，
1．确定任务
开发任何一个应用系统，都必须以市场需求 为前提。因此，在系统设计前，首先要进行广 泛的市场调查，了解该系统的市场应用概况， 分析系统当前存在的问题，研究系统的市场前 景，确定系统开发设计的目的和目标。在此基 础上，再对系统的具体实现进行规划，包括应 该采集的信号的种类、数量、范围，输出信号 的匹配和转换，控制算法的选择，技术指标的 确定等。
用于执行实际具体任务的功能程序。要根据应用系 统的功能要求来编程序。例如，外部数据采集、控制 算法的实现、外设驱动、故障处理及报警程序等等。 软件设计通常采用模块化程序设计、自顶向下的程序 设计方法。
5．系统调试
——包括硬件调试和软件调试
硬件调试的任务是排除系统的硬件电路故障，包括 设计性错误和工艺性故障。软件调试是利用开发工具进行 在线仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可以发现硬 件故障。
任确 务定
➢任务分析 ➢确定功能、性能要求 ➢制定总体方案
设总 计体
➢系统功能分配 ➢确定软硬件功能关系 ➢拟定调试方案
硬 ➢绘制硬件原理图 件 ➢绘制印制板图 设 ➢配置元器件 计 ➢硬件功能分调
硬件设计应注意：
4）总线驱动能力。MCS-51系统单片机的外部扩展功能很强，但4个8位并 行口的负载能力是有限的。P0口能驱动8个TTL电路，P1～P3口只能驱 动4个TTL电路。在实际应用中，这些端口的负载不应超过总负载能力 的70%，以保留一定的余量。如果驱动较多的TTL电路，则应采用总线 驱动电路（目前应用较多的一种是CAN总线），以提高端口的驱动能力 和系统的抗干扰能力。 数据总线宜采用双向8路三态缓冲器74LS245作为总线驱动器，地 址和控制总线可采用单向8路三态缓冲区74LS244作为单向总线驱动器。
程序调试一般是一个模块一个模块地进行，一个子程 序一个子程序地调试，最后联起来统调。在调试过程中， 要不断调整、修改系统的硬件和软件，直到其正确为止。 联机调试运行正常后，将软件固化到EPROM中，脱机运行， 并到生产现场投入实际工作，检验其可靠性和抗干扰能力， 直到完全满足要求，系统才算研制成功。
4．软件设计
单片机应用系统的软件设计是研制过程中任务 最繁重的一项工作，难度也比较大。单片机应用 系统的软件主要包括两大部分：
用于管理单片机微机系统工作的监控程序：应尽可 能利用现成微机系统的监控程序。许多单片机开发系 统的监控软件功能相当强，并附有丰富的实用子程序， 可供用户直接调用，例如键盘管理程序、显示程序等， 可以直接选用。
（2）扩展电路和输入/输出通道设计：主要完成程序 存储器、数据存储器、I/O接口电路、传感器电路、放 大电路、多路开关、A/D转换电路、开关量接口电路、 驱动及执行机构的设计。
(3）控制面板设计：主要完成按键、开关、显示器、 报警等电路的设计。
硬件设计应注意：
1 ） 程 序 存 储 器 。 一 般 选 用 容 量 较 大 的 EPROM 芯 片 ， 如 2764 （ 8KB ） 、 27128（16KB）或27256（32KB）等。
2．总体设计
在对应用系统进行总体设计时，应根据应用系统提出的 各项技术性能指标，拟定出性价比最高的一套方案。首先，应 根据任务的繁杂程度和技术指标要求选择机型。选定机型后， 再选择系统中要用到的其它外围元器件，如传感器、执行器件 等。在选取定单片机机型和器件时，应注意：
（1）性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功 能闲置。
9.1 单片机应用系统开发的一般方法 9.2 交通灯模拟控制系统案例实现 9.3 空调制冷控制系统案例实现
学习目标
1．掌握应用MCS-51单片机进行系统开 发的方法和步骤；
2．掌握交通灯模拟控制系统、空调制 冷控制系统的设计。 重点内容
单片机应用系统开发的方法
9.1 单片机应用系统开发的一般方法
A/D和D/A电路芯片主要根据精度、速度和价格等来选用，同时还 要考虑与系统的连接是否方便。
3）地址译码电路。通常采用全译码、部分译码或线选法，应考虑充分 利用存储空间和简化硬件逻辑等方面的问题。MCS-51系统有充分的 存储空间，包括64KB程序存储器和64KB数据存储器，所以在一般的 控制应用系统中，主要是考虑简化硬件逻辑。当存储和I/O芯片较多 时，可选用专用译码器74LS138或74LS139等。
2）数据存储器和I/O接口。
根据系统功能的要求，如果需要扩展外部RAM或I/O口，那么RAM 芯片可选用6116（2KB）、6264（8KB）或62256（32KB）。
I/O接口芯片一般选用8255或8155（带有256KB静态RAM）。这类 芯片具有口线多、硬件逻辑简单等特点。若口线要求很少，且仅 需要简单的输入或输出功能，则可用不可编程的TTL电路或CMOS电 路。
（2）性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比。 （3）结构原理要熟悉，以缩短开发周期。 （4）货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。
硬件和软件如何分工？
用硬件实现速度比较快，节省CPU的时间，但系统 的硬件接线复杂、系统成本较高。用软件实现则较为经 济，但要更多地占用CPU的时间，原则上，能够由软件 实现的任务就尽量用软件来实现，以降低成本，简化硬 件结构。如果系统回路多、实时性要求强，则要考虑用 硬件完成。同时，还要求大致规定各接口电路的地址、 软件的结构和功能、上下位机的通信协议、程序的驻留 区域及工作缓冲区等。总体方案一旦确定，系统的大致
规模及软件的基本框架就确定了。
3．硬件设计
硬件的设计是根据总体设计要求，在选择完单片机 机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元件，并设 计出系统的电路原理图，经过必要的实验后完成工艺结 构设计、电路板制作和样机的组装。主要硬件设计包括：
（1）单片机电路设计：主要完成时钟电路、复位电路、 电源电路的设计。
单片机应用系统是为完成某项具体任务而研 制开发的用户系统，可以分为智能仪器仪表和工 业测控系统两大类。虽然每个系统都有很强的针 对性，结构和功能也不相同，但它们的开发过程 和方法大致相同，
1．确定任务
开发任何一个应用系统，都必须以市场需求 为前提。因此，在系统设计前，首先要进行广 泛的市场调查，了解该系统的市场应用概况， 分析系统当前存在的问题，研究系统的市场前 景，确定系统开发设计的目的和目标。在此基 础上，再对系统的具体实现进行规划，包括应 该采集的信号的种类、数量、范围，输出信号 的匹配和转换，控制算法的选择，技术指标的 确定等。
用于执行实际具体任务的功能程序。要根据应用系 统的功能要求来编程序。例如，外部数据采集、控制 算法的实现、外设驱动、故障处理及报警程序等等。 软件设计通常采用模块化程序设计、自顶向下的程序 设计方法。
5．系统调试
——包括硬件调试和软件调试
硬件调试的任务是排除系统的硬件电路故障，包括 设计性错误和工艺性故障。软件调试是利用开发工具进行 在线仿真调试，除发现和解决程序错误外，也可以发现硬 件故障。
任确 务定
➢任务分析 ➢确定功能、性能要求 ➢制定总体方案
设总 计体
➢系统功能分配 ➢确定软硬件功能关系 ➢拟定调试方案
硬 ➢绘制硬件原理图 件 ➢绘制印制板图 设 ➢配置元器件 计 ➢硬件功能分调
硬件设计应注意：
4）总线驱动能力。MCS-51系统单片机的外部扩展功能很强，但4个8位并 行口的负载能力是有限的。P0口能驱动8个TTL电路，P1～P3口只能驱 动4个TTL电路。在实际应用中，这些端口的负载不应超过总负载能力 的70%，以保留一定的余量。如果驱动较多的TTL电路，则应采用总线 驱动电路（目前应用较多的一种是CAN总线），以提高端口的驱动能力 和系统的抗干扰能力。 数据总线宜采用双向8路三态缓冲器74LS245作为总线驱动器，地 址和控制总线可采用单向8路三态缓冲区74LS244作为单向总线驱动器。
程序调试一般是一个模块一个模块地进行，一个子程 序一个子程序地调试，最后联起来统调。在调试过程中， 要不断调整、修改系统的硬件和软件，直到其正确为止。 联机调试运行正常后，将软件固化到EPROM中，脱机运行， 并到生产现场投入实际工作，检验其可靠性和抗干扰能力， 直到完全满足要求，系统才算研制成功。
4．软件设计
单片机应用系统的软件设计是研制过程中任务 最繁重的一项工作，难度也比较大。单片机应用 系统的软件主要包括两大部分：
用于管理单片机微机系统工作的监控程序：应尽可 能利用现成微机系统的监控程序。许多单片机开发系 统的监控软件功能相当强，并附有丰富的实用子程序， 可供用户直接调用，例如键盘管理程序、显示程序等， 可以直接选用。
（2）扩展电路和输入/输出通道设计：主要完成程序 存储器、数据存储器、I/O接口电路、传感器电路、放 大电路、多路开关、A/D转换电路、开关量接口电路、 驱动及执行机构的设计。
(3）控制面板设计：主要完成按键、开关、显示器、 报警等电路的设计。
硬件设计应注意：
1 ） 程 序 存 储 器 。 一 般 选 用 容 量 较 大 的 EPROM 芯 片 ， 如 2764 （ 8KB ） 、 27128（16KB）或27256（32KB）等。
2．总体设计
在对应用系统进行总体设计时，应根据应用系统提出的 各项技术性能指标，拟定出性价比最高的一套方案。首先，应 根据任务的繁杂程度和技术指标要求选择机型。选定机型后， 再选择系统中要用到的其它外围元器件，如传感器、执行器件 等。在选取定单片机机型和器件时，应注意：
（1）性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功 能闲置。