第7章 单片机应用系统设计（课件）- 《单片机技术及应用(第2版)》同步教学（清华大学版）

1 第7章 单片机应用系统设计 教学提示： 本章重点和难点在于以单片机为核心的应用系统软硬件开发过程，即： 根据所设计的两个单片机应用系统实例，了解MCS-51单片机系统的应用。 根据具体系统的测控要求，设计硬件(元器件选择、原理图设计)。 根据具体系统的测控要求，设计软件(程序的编写方法、步骤及格式)。 教学目标： 了解单片机应用系统设计方法。 了解如何开发单片机系统。 通过设计两个实例，掌握单片机项目设计中的一些方法和技巧。 掌握单片机系统开发的步骤，简单实用的软硬件设计。 2 7.1 单片机应用系统的基本结构 单片机应用系统是为完成某项任务而研制和开发的用户系统，是以单片机为核心，配以外围电路和软件，能实现设定任务、功能的实际应用系统。 前面已经介绍了单片机的基本组成、功能及其扩展电路，掌握了单片机的软件、硬件资源的组织和使用。 除此而外，一个实际的单片机应用系统还涉及很多复杂的内容和问题，如涉及多种类型的接口电路；涉及软件设计；软件与硬件的结合；如何选择最优方案等内容。 本章将对单片机应用系统的软/硬件设计、开发和调试等方面进行介绍，以使读者能初步掌握单片机应用系统的设计。 3 7.1.1 单片机应用系统的结构 1．单片机应用系统的硬件结构 2．单片机应用系统 3．输入通道和输出通道 4．功能接口芯片 4 7.1.2 单片机应用系统设计的基本过程 1．确定系统设计的任务 2．系统方案设计 (1) 机型及支持芯片的选择。 (2) 综合考虑软、硬件的分工与配合。 3．系统详细设计与制作 4．系统调试与修改 5 7.2 单片机应用系统的硬件设计 7.2.1 硬件系统设计原则 1．单片机芯片的选择 2．单片机系统的扩展 6 7.2.2 硬件设计 1．程序存储器 2．数据存储器 3．I/O接口 4．传感器 5．译码电路 6．驱动电路 7．抗干扰电路 8．电路的匹配 7 7.3 单片机应用系统的软件设计 进行软件设计时，应根据系统软件功能要求，将软件分成若干个相对独立的部分，并根据它们之间的联系和时间上的关系，设计出软件的总体结构，画出程序流程框图。 画流程框图时，要求框图结构清晰、简捷、合理。使编制的各功能程序实现模块化、子程序化。这不仅便于调试、链接，还便于修改和移植。 合理地划分程序存储区和数据存储区，既能节省内存容量，也使操作方便。指定各模块占用MCS-51单片机的内部RAM中的工作寄存器和标志位(安排在20H ~ 2FH位寻址区域)，让各功能程序的运行状态、运行结果以及运行要求都设置状态标志以便查询。使程序的运行、控制、转移都可通过标志位的状态来控制。并还要估算子程序和中断嵌套的最大级数，用以估算程序中的栈区范围。此外，还应把使用频繁的数据缓冲器尽量设置在内部RAM中，以提高系统的工作速度。 根据系统特点和用户的了解情况选择编程语言，现在一般用汇编语言和C语言。汇编语言编写程序对硬件操作很方便，编写的程序代码短，以前单片机应用系统软件主要用汇编语言编写；C语言功能丰富，表达能力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效率高，可移植性好，所以现在单片机应用系统的开发和设计有很多都用C语言来进行。 8 7.3.1 软件设计的特点 应用系统中的软件是根据系统功能设计的，应可靠地实现系统的各种功能。应用系统种类繁多，应用软件各不相同，但是一个优秀的应用系统的软件应具有以下特点。 (1) 软件结构清晰、简捷、流程合理。 (2) 各功能程序实现模块化，系统化。这样，既便于调试、连接，又便于移植、修改和维护。 (3) 程序存储区、数据存储区规划合理，既能节约存储容量，又能给程序设计与操作带来方便。 (4) 运行状态实现标志化管理。各个功能程序运行状态、运行结果以及运行需求都设置状态标志以便查询，程序的转移、运行、控制都可通过状态标志来控制。 (5) 经过调试修改后的程序应进行规范化，除去修改“痕迹”。规范化的程序便于交流、借鉴，也为今后的软件模块化、标准化打下基础。 (6) 实现全面软件抗干扰设计。软件抗干扰是计算机应用系统提高可靠性的有力措施。 (7) 为了提高运行的可靠性，在应用软件中设置自诊断程序，在系统运行前先运行自诊断程序，用以检查系统各特征参数是否正常。 9 7.3.2 资源分配 1．程序存储器ROM/EPROM资源的分配 2．数据RAM资源分配 10 7.3.3 单片机应用系统开发工具 一个单片机应用系统经过总体设计，完成硬件开发和软件设计，就进行硬件安装。硬件安装好后，把编制好的程序写入存储器中，调试好后系统就可以运行了。但用户设计的应用系统本身并不具备自开发的能力，不能够写入程序和调试程序，必须借助于单片机开发系统才能完成这些工作。单片机开发系统能够模拟用户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程和结果，从而能对现场进行模仿。通过它能很方便地对硬件电路进行诊断和调试，得到正确的结果。 目前国内使用的通用单片机的仿真开发系统很多，如复旦大学研制的SICE系列、启东计算机厂制造的DJ598系列、中国科大研制的KDV系列、南京伟福实业有限公司的伟福E2000以及西安唐都科教仪器公司的TDS51开发及教学实验系统。它们都具有对用户程序进行输入、编辑、汇编和调试的功能。此外，有些还具备在线仿真功能，能够直接将程序固化到E2PROM中。一般都支持汇编语言编程，有的可以通过开发软件支持C语言编程。例如前面所叙述的Keil C51软件可以用来编写C语言源程序，编译连接生成目标文件、可执行文件，仿真、调试、生成代码，并下载到应用系统中。 11 7.4 实 践 训 练 7.4.1 单片机应用系统设计项目1 - 单片机自动门锁设计 1. 项目目标 (1) 硬件设计 (2) 软件设计 2．知识点分析 12 7.4.1 单片机应用系统设计项目1 - 单片机自动门锁设计 3．实施过程 (1) 系统的硬件设计 ① 系统构成 ② IC卡模块的设计 (a) IC卡概述 (b) SLE4442芯片 (c) 主存储器 (d) 保密存储器 (e) IC卡模块电路设计 ③ 液晶显示模块的设计 (a) 液晶显示模块简介 (b) JM1602C字符型液晶 (c) 液晶显示模块电路设计 ④ 通信模块的设计 (a) RS-485概述 (b) MAX485介绍 (c) 通信模块接口电路设计 ⑤ 系统的原理图如图7-9所示。 13 7.4.1 单片机应用系统设计项目1 - 单片机自动门锁设计 (2) 系统的软件设计 ① 总体软件设计 ② 下位控制单片机主程序设计 ③ 上位监测单片机主程序设计 ④ IC卡模块软件设计 ⑤ 液晶显示模块软件设计 ⑥ 串行通信程序设计(通信子程序流程图见图7-15) (a) 上下位机间的通信过程 (b) 通信协议 14 7.4.2 单片机应用系统设计项目2 - 红外遥控系统设计 1. 项目目标 (1) 红外遥控的系统框图 ① 红外线遥控发射器 ② 红外线遥控接收器 (2) 基本功能设计 ① 按键功能设置 ② 显示状态 2．知识点分析 15 7.4.2 单片机应用系统设计项目2 - 红外遥控系统设计 3．实施过程 (1) 系统的硬件设计 ① 系统构成 ② 硬件组成 ③ 红外遥控接收器简介 ④ 接收电路原理图 (2) 接收系统的软件设计 ① 软件构成 ② 软件流程框图 (a) 接收主程序的流程 (b) 起始位子程序的流程 (c) 解码子程序的流程 (d) 显示子程序的流程 ③ 部分程序代码分析 (3) 接收系统参考程序： 16 习题与思考题 参见教材P222 显示器 打印机 执�行�构�构 盘 多路转换器 放大器 传感器 放大器 传感器 D/A A/D MCS-51 系列微机芯片(CPU、存储器) Y N 结束 接收数据 结尾55H？ 表头11H？ 接收完？ 开始 Y N Y N $$