第十一章单片机应用系统设计与开发

第11章单片机应用系统设计与开发第一节单片机应用系统设计概述第二节单片机系统的可靠性设计第三节单片机应用系统设计实例思考题与习题第一节单片机应用系统设计概述一、设计要求与设计步骤二、需求分析与总体方案设计三、硬件设计和软件设计一、设计要求与设计步骤明确任务、确定系统功能选择机型、划分软件与硬件的功能加工、组成样机、并测试选择元器件、完成硬件电路确定算法、画程序实现流程图软件结构设计硬件原理图设计排除故障、调整硬件、修改软件联仿真机测试、调试固化程序、样机独立运行编写程序、编译、部分调试研制开始研制结束图11.1.1单片机应用系统研制的一般过程1.设计要求（1）高可靠性。（2）较强的环境适应能力。（3）较好的实时性。（4）易于操作和维护。（5）具有一定的可扩充性。（6）具有通信功能。2.设计步骤单片机不同应用系统的开发过程基本相似，其一般步骤可以分为需求分析，总体方案设计、硬件设计与调试、软件设计与调试、系统功能调试与性能测试、产品验收和维护、文件编制和技术归档等。（1）需求分析需求分析就是要明确所设计的单片机应用系统要“做什么”和“做的结果怎样”。（2）总体方案设计总体方案设计就是要从宏观上解决“怎么做”的问题。（3）硬件设计硬件设计的主要内容是基于总体方案设计，选择系统所需的各类元器件、设计系统的电子线路图和印刷电路板、安装元器件的调试硬件线路。（4）软件设计这阶段的主要任务是基于软件工程的思想，拟制出本系统的软件设计方案，划分出主要的软件模块、根据需要绘制部分软件模块的流程图、调试程序和测试软件的基本功能。（5）系统功能调试与测试这阶段的重点是基于系统的设计需求，进行系统功能调试和性能指标的测试，形成测试报告，核对用户需求或设计需求和系统现有功能、指标的一致性程度（6）产品验收和维护单片机应用系统设或产品开发结束后，必须经过用户的验收。（7）文档编制和技术归档为了维护单片机系统，或将目前的设计成果作为资源用于以后的设计，有必要编制相应的文档。二、需求分析与总体方案设计确定单片机应用系统的需求分析和总体方案设计，是单片机系统设计的重要环节.1.需求分析需求分析包括的主要内容如下：（1）输入信号系统所要检测的信号类型、精度要求、信号的变换速率以及信号的量程大小等，以便在方案设计中确定检测元件、检测方法、输入通道的结构和技术等。（2）输出信号系统所要输出的信号类型、精度要求、信号制式、功率大小等，以便在方案设计中确定模拟量、开关量输出通道的结构和输出方式。（3）系统结构确定是设计的标准产品还是非标产品，是单CPU结构还是多CPU结构，是否可以构成通信网路，是否挂靠某种网络标准或现场总线标准等。（4）控制精度如果系统具有控制功能，应明确系统的控制精度，以便于在方案设计确定所要采用的数字滤波算法、控制算法和各类校正算法等。（5）系统接口选择菜单接口还是图形接口，按键输入还是触摸屏输入，以便在方案设计中确定操作方式、参数设置和存储方式、手/自动方式及其切换等。（6）扩充设计确定系统是否需要扩充，扩充的形式等。（7）可靠性设计确定系统达到何种可靠性指标，以便在方案设计时确定采取何种可靠性设计手段、抗干扰设计技术等。2.总体方案设计总体方案设计要从宏观上解决“怎样做”的问题系统的总体设计方案要解决的是：系统采用何种方法、以怎样的结构组成，以及功能模块的具体划分，彼此间的关系，指标的分解等问题等。（1）确定技术途径单片机应用系统也有大小之分，不同层次的应用系统可以采用委托设计、自行设计或二者结合等设计途径。（2）确定技术方法技术方法是指为实现单片机系统功能目标而准备采用的可行的技术手段，包括高性能器件、合适的开发平台、开发语言、软件算法等。（3）划分子系统和主要功能块确定了系统的技术途径和主要技术方法后，就可针对系统的需求，逐步确立系统的体系结构，进行主要功能的划分，确定完成各主要功能的系统，确定各系统的相应功能技术指标和各子系统之间的接口关系。（4）确定系统组成框图用结构框图表示系统(硬件、软件)的体系结构，图中要标明系统各部分的组成结构、各部分之间的接口方式、系统与外界的接口等。（5）系统的综合与检查当系统的指标逐项得到分解、各子系统的功能指标均已落实、系统体系已经建立之后，设计者有必要从系统总体的角度出发，对各子系统进行综合性分析，检查各模块的功能合成后能否达到系统的功能需求。系统的总体方案反映了整个系统的综合情况，要从正确性、可行性、先进性、可用性和经济性等角度来评价系统的总体方案。三、硬件设计和软件设计1．硬件设计（1）选择合适的器件选择器件时应考虑其性能是否满足设计需求，是否具有良好的技术支持和文档支持，是否具有良好的性价比等，其核心是单片机的选型。（2）内存配置设计内存配置应遵循宁大勿小的原则，因为不同容量的内存在价位上比较接近。对于MCS-51单片机系统，要么不外扩内存，要么就扩展32KB/64KB程序ROM或数据RAM。（3）接口设计包括输入/输出通道的设计、人机接口设计、通信接口设计等。（4）原理图设计完成上述各项设计后，应使用Protel或其它类似软件将文字设计变换成原理图设计，必要时还应使用仿真功能对原理图进行仿真，以确保原理图的正确性。（5）板图设计完成原理图设计后，可以使用Protel将原理图转换成PCB图，并根据PCB设计规则和系统的布线要求对自动生成的PCB作必要的调整，形成一个可用的PCB图。（6）加工PCB这步一般由外协单位完成。（7）安装元器件并调试当器件安装和调试成功后，单片机应用系统的硬件设计就算基本完成了。图11.1.2示出了单片机应用系统的硬件设计的流程。成功否?开始计算电路有关参数绘制电路原理图初调N修改原理图制作电路板细调成功否?检查电路板综合测试结束N试验板插接YY图11.1.2硬件设计流程图2.软件设计任务------划分程序功能模块，把功能相对独立的程序划分成一个功能模块是一种常用的方法，如数据采集、数字滤波、标度转换、数码显示模块等。模块划分后，进一步明确各模块之间的关系。（1）选择开发平台（语言）程序设计语言对程序设计效率有重大影响。汇编语言是最为常用的一种程序设计语言，用它编写的程序代码精简，直接面向硬件。但汇编语言的编程效率低下，不易缩短产品或系统的开发周期。现在普遍采用的单片机系统开发语言是C51，如KeilC51或FranklinC51等（2）软件设计的一些重要原则适当地使用软件陷阱、指令冗余等可靠性设计技术；对开关量的输入/输出尽量使用PLC普遍采用的扫描技术；使用数字滤波技术、先进成熟的控制算法提高信号抗扰能力和系统的控制精度；采用合理的数据结构来简化数据的存储和检索；充分利用好系统的资源，特别是单片机的内部功能部件；软件模块的划分力求做到模块内部的高内聚和模块之间的低偶合。开始问题定义建立数学模型绘制程序流程图软件结构设计编写程序在线仿真、调试程序有误?修改程序结束N固化程序Y图11.1.2软件设计的流程图第二节单片机系统的可靠性设计一、单片机系统的抗干扰设计二、单片机系统的可靠性设计原则一、单片机系统的抗干扰设计1.干扰源及分类干扰源又称为噪声噪声分类噪声的原因放电噪声高频振荡噪声浪涌噪声传导方式串模噪声共模噪声波形及性质偶发脉冲波噪声脉冲序列噪声持续正弦波噪声2.噪声信号的偶合方式干扰信号主要有6种耦合方式一是直接偶合方式：干扰信号直接经过线路传导到工作电路中。二是公共阻抗耦合方式：噪声源与信号源具有公共阻抗时的传导耦合。三是电容耦合方式：电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应四是电磁感应耦合方式：交变电流在载流导体周围产生磁场，会对周围的闭合电路产生感应电动势。五是辐射耦合方式：当高频电流流过导体时，在该导体周围便产生高频交变的电力线或磁力线，从而形成电磁波。六是漏电耦合方式：当相邻的组件或导线之间的绝缘阻抗降低时，有些信号便经过绝缘电阻耦合到逻辑组件的输入端形成干扰。3.串模干扰的抑制措施◎若串模干扰频率比被测信号频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰。◎如果串模干扰频率比被测频率低，则采用高通滤波器来抑制低频率串模干扰。◎如果干扰频率处于被测信号频谱的两侧，则使用带通滤波器较为适宜。4.共模干扰的抑制措施共模干扰的抑制可以采用变压器或光电耦合器把各种模拟信号与数字信号隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。也可以采用浮空输入和屏蔽放大器来抑制共模干扰。使用差分输入前置放大器、仪表放大器、较好稳压电源等也有利于提高共模抑制比。5.电源回路的抗干扰措施板卡上的每块集成电路芯片的电源与地线引入端之间接一个容量为0.01μf～0.lμf的去耦电容器。二、单片机系统的可靠性设计原则1.板卡的布线要合理2.选择优质电源3.增加散热措施4.选择良好的机械结构5.选择有质量保证的元器件6.整机功耗要小7.组件的老化和筛选8.参数设计中保留余量9.短路保护10.隔离、接地的考虑11.采用冗余设计12.做好软件的可靠性设计第三节单片机应用系统设计实例一、水产养殖水体多参数测控仪二、课程设计题—数字电压表一、水产养殖水体多参数测控仪1.系统概述近年来，我国的水产养殖业蓬勃发展，已逐步从传统的池塘养殖走向工厂化养殖。而工厂水产养殖中重要的一个环节就是对水体环境因素，如：温度、溶解氧、PH值、透明度、及大气压等参数的自动监控，这将有利改善鱼类的生态环境，提高集约化养殖程度。本系统以单片机为核心，采用RS–485协议组建分布式控制网络.2.水体多参数测控仪的基本组成及工作原理测控仪以ATMEL公司生产的八位单片机处理器AT89C52为核心，外加扩展接口EEPROM、看门狗电路、信号调理电路、隔离驱动电路、通信接口电路等构成。单片机光电隔离LCD显示光电隔离其他单片机系统NEEPROM工业控制计算机看门狗电路TTLRS-485RS-485RS-232驱动电路键盘输入输出报警状态显示变频器电磁阀1电磁阀2接触器增氧机出水管热水管酸碱液泵溶解氧传感器信号调理电路PH值传感器水位传感器气压传感器温度传感器TLC2543(89C52)8255图11.3.1水体多参数测控仪的硬件结构3硬件设计（1）传感器选型①温度与PH值传感器②溶解氧传感器③水位传感器④压传感器（2）调理电路设计①温度信号调理电路12kΩLM353100kΩR5-12V+_+_1kΩ12kΩ-12V+12VIN1IN2100Ω1.4KΩ2.4KΩ2.4KΩ+5VR6R8R4C5UOLM353c4+R7R1R2R3C1C2+c365728130.1μF0.1μFBA0.1μF0.1μF图11.3.2温度信号调理电路②PH值调理电路+_10KΩA2514276+_10KΩA1514276+_10KΩA351437610KΩ10KΩ1KΩ10KΩ10KΩ10KΩ10KΩ5KΩUA741UA741UA741+12V+12V+12VR10R15R13R16R17R11-12V-12V-12VR12R14VOV--12VV+32RX图11.3.3PH值调理电路（3）A/D转换器TLC2543A/D转换采用了得州仪器的TLC2543芯片，它具有11个模拟输入通道、12位分辨率，而且与CPU连接采用SPI串行接口方式，在有效提高分辩的前提下降低了接口的数量、简化了设计、优化了系统。TLC2543的主要特性如下：11个模拟输入通道。66ksps的采样速率。最大转换时间为10μsSPI串行接口。线性度误差最大为±1LSB掉电模式电流为4μAIout1Iout2RfbILEVrefVccWR2WR111129-5V82019DAC0832765416151413IsbD10D11D12D13D14D15D16msbD173938373635343332P0.0P0.1P0.1P0.3P0.4P0.5P0.6P0.711726P1.5P1.4P1.7WRP2.5Xfer+_A151427UA741-12V+12V103KΩVO6218+5VTLC2543912345678AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5