单片机的系统开发及设计(论文版)

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单片机的系统设计及开发

内容提要:单片机控制技术应用十分广泛,其核心技术是单片机控制系统的设计。介绍了对单片机控制系统的构成、硬件设计、软件设计和系统调试等各环节并进行了讨论,根据工作经验给出了调试方法。

关键词:单片机;系统设计;系统调试

目录

引言 (1)

第一章单片机定义及介绍 (2)

第二章单片机系统设计 (3)

2.1单片机控制系统总体方案的设计 (3)

2.2单片机系统硬件设计 (3)

2.3单片机控制系统的软件设计 (5)

2.4单片机控制系统的调试 (6)

结论 (8)

致谢 (9)

引言

随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步,电路系统向着集成度极高的方向发展。CPU的生产制造技术,也朝着综合性、技术性、实用性发展。如CPU的运算位数从4位、8位……到32位机的发展,运算速度从8 MHz、32 MHz……到1.6 GHz。可以说是日新月异的发展着。其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机(CPU)为核心部件,扩展一些外部接口和设备,组成单片机工业控制机,主要用于工业过程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识;其次,需要具有一定的软件设计能力,能够根据系统的要求,灵活地设计出所需要的程序;第三,具有综合运用知识的能力。最后,还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法,以及被控对象的动、静态特性,有时甚至要求给出被控对象的数学模型。

本设计主要包括以下几个方面的内容:包括单片机控制系统总体方案的设计、单片机系统硬件设计、单片机控制系统的软件设计、单片机控制系统的调试等内容。

第一章单片机定义及介绍

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也是低的,一般不超过10元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影!它主要是作为控制部分的核心部件。

它是一种在线式实时控制计算机,在线式就是现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机的(比如家用PC)的主要区别。

单片机是靠程序的,并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列,或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话,电路一定是一块大PCB板!但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天壤之别!只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性!

由于单片机对成本是敏感的,所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言,它是除了二进制机器码以上最低级的语言了,既然这么低级为什么还要用呢?很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢?原因很简单,就是单片机没有家用计算机那样的CPU,也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮,也会达到几十K的尺寸!对于家用PC的硬盘来讲没什么,可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行,所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理,如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC 上来运行,家用PC的也是承受不了的。

第二章单片机系统设计

2.1单片机控制系统总体方案的设计

确定单片机控制系统总体方案,是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案的好坏,直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下:根据系统的要求,首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统,或者是数据处理系统。选择检测元件,在确定总体方案时,必须首先选择好被测参数的测量元件,它是影响控制系统精度的重要因素之一。选择执行机构,执行机构是微型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确定。选择输入/输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问题:被控对象参数的数量;各输入/输出通道是串行操作还是并行操作;各通道数据的传递速率;各通道数据的字长及选择位数;对显示、打印有何要求;画出整个系统原理图。

单片机控制系统中控制算法的选用一般有:

(1) 直接数字控制当被控对象的数学模型能够确定时,可采用直接数字控制。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式,它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般多用实验的方法测出系统的特性曲线,然后再由此曲线确定出其数学模型。现在经常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计,由计算机确定出系统的数学模型,因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后,即可选定上述某一种算法,设计数字控制器,并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并输出控制量,进而实现控制。

(2) 数字化PID控制由于被控对象是复杂的,因此并非所有的系统均可求出数学模型,有些即使可以求出来,但由于被控对象环境的影响,许多参数经常变化,因此很难进行直接数字控制。此时最好选用数字化PID(比例积分微分)控制。在PID控制算法中,以位置型和增量型2种PID为基础,根据系统的要求,可对PID控制进行必要的改进。通过各种组合,可以得到更圆满的控制系统,以满足各种不同控制系统的要求。例如串级PID就是人们经常采用的控制方法之一。

2.2单片机系统硬件设计

尽管单片机集成度高,内部含有I/O控制线,ROM,RAM和定时/计数器。但在组成单片机系统时,扩展若干接口仍是设计者必不可少的任务。扩展接口有2种方案,一种是购置现成的接口板,另一种是根据系统实际需要,选用适合的芯片进行设计控制系统。就后一种

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