单片机应用设计与实践.docx

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单片机应用设计与实践

单片机应用设计与实践

课程设计指导

廖京盛

茂名学院计算机与电子信息学院

电工电子实验中心

第一章单片机工程实践方法

1.1单片机工程实践的内容

1.1.1单片机工程实践的目的与要求

单片机工程实践是单片机技术课程的实践教学环节，是对学生学习单片机的综合性训练，这种训练是通过学生独立进行某一课程的设计、制作、调试来完成的．单片机的工程实践应主要体现在对实际工程应用系统或产品的研制来说，从课题任务的提出到定型生产或投入使用，都要经过方案的总体认证、系统设计、软件及硬件的开发、联机调试等若干步骤．因此，单片机工程实践是以工程项目和工程应用为课题．着重培养学生工程实践能力、独立工作能力及创新能力。

（1）单片机工程实践应达到的基本要求

a.综合运用单片机技术课程中所学到的理论知识学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过方案比较，确定总体方案．然后对方案中以单片机为核心的电路进行设计计算，包括元器件的选择和电路参数的计算，并画出总体电路图．

b.硬件电路制作设计方案经指导教师审查通过后，学生可向指导教师领取所需元器件等材料，并制作电路．

c.软件的编制与仿真根据已设计出的软件系统框图，用MCS-51汇编语言编制出各功能模块的子程序及整机软件系统的主程序，程序设计时，要充分考虑与所设计硬件电路的连接及有关定量的要求．

d.撰写实践总结报告

（2）实践总结报告的要求

书写高质量的工作总结也是反映工作实践素质高低的一个重要方面，工程技术人员应能用书面形式系统、完整、清晰地表达自己的研究成果，其目的是让人很容易地看懂所研究课题的内容、方案、原理、实现方法等．因此，书写实践总结报告也是单片机工程实践主要内容之一．实践总结报告的要求如下．

a.根据课题名称独立完成一个课题的设计、制作任务．

b.通过查阅手册和文献资料，培养使用工具书和上网查询的能力．

c.进一步熟悉单片机、电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则．

d.学会以单片机为核心的电子电路的制作与调试技能．

e.学会仿真器的正确使用方法．

f.进一步熟悉单片机软件的编程．

g.学会撰写实践总结报告．

（二）单片机工程实践的教学过程

单片机工程实践应安排在单片机技术结束后进行，教学时数为1～2周，以班级为单位，1～5人一组，每组一个课题。

（1）单片机工程实践过程

①方案选择与设计．

②设计任务和要求．

③方案选择与论证．

④硬件电路原理图，电路原理说明，元器件选择与参数计算．

⑤软件程序框图，软件程序清单，软件程序设计思想．

⑥软、硬件调试．对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析．

收获及体会。

（2）成绩评定方法

①设计方案正确性与合理性．

②实践动手能力，包括安装工艺水平，焊接工艺水平．

③设计成果，达到的指标．

④调试中分析和解决问题的能力，创新精神．

⑤题目的难易程度，题目根据难易程度分为优（满分100分）、良（满分80分），及格（满分60分）三个档次．

⑥独立工作能力，实践工作态度．

⑦总结报告完成的质量。

1.1.2设计实践选题

一、自选课题设计

二、“数字电子技术”课程设计课题用单片机系统实现。

三、可供选择课题

（1）低频信号发生器

设计制作低频信号发生器，要求利用单片机产生正弦波、方波及三角波等波形。

①正弦波

频率范围：

O.01Hz～lOkHz

频率误差：

<0.1％

电压范围：

O～20V（峰—峰值）

失真率：

r≤1％

②方波

频率范围；0.O1Hz～lOOkHz

频率误差：

<0.1％

电压范围：

0～1OV

③三角波

频率范围：

O.01Hz～lOkHz

频率误差：

<0.1％

电压范围：

O～20V（峰—峰值）

失真率：

r≤3％

（2）火灾报警器

设计制作火灾报警器，要求如下．

①装置对火灾能自动探测报警和控制．

②装设感烟传感器及感温的差温传感器，能对室内的烟雾及温度的突变进行报警．

③对传感器的布线故障、内部元件的损坏能进行声、光报警。

④如果两个传感器中有一个动作表示室内有异常现象（如烟雾浓度过大或室内温差大于设定值），装置能发出异常报警信号，令值班人员到现场处理．、

⑤如烟感、温感同时动作，说明有火灾，装置能发出火灾报警。

⑥火灾报警10s后不解除，则控制启动灭火器．灭火器喷气前，还能发出停机、关门等顺序动作信号．

⑦故障、异常、火灾报警声音各不相同，有明显的区别。

（3）电话自动报警系统

设计制作一个利用电话通信业务实现自动报警的装置、要求如下．

①语音迅速通报有关信息，接着是自动火警电话，送出火灾地点及求援信息，还可通过BP机或手机通知其他相关人员．

②医疗急救报警，按下床边（或其他某个地方）的相关按钮，便能通过电话或BP机通知家属，急救医生等．

③防盗报警：

通过检测有人入屋，若在一定时间内不能消除报警，则拨通主人事先留下的电话，循环送出信息，若电话三次接不通，则自动拨通主人事先留下的备用电话，同时可用BP机告知信息．

（4）多输入端报警电路

设计制作一个多输入端报警电路，要求如下．

①有报警输入控制端16个，报警音响信号输出端1个．

②报警输入端中的任意一端出现报警信号时，电路自动发出类似警报的音响信号．

③报警音响信号持续11s自动停止．如果输入信号继续存在，报警音响信号又重新启动．

④音调、频率、响度、持续时间等参数，均可通过“↑”，“↓”键调整。

（5）低频波发生器

设计制作低频波发生器，要求如下：

a.用单片机实现锯齿波、方波、三角波和正弦波的输出。

b.输出的每一种波形都有1Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz5种可选频率。

c.输出电压范围为0～5V可调（峰峰值）。

d.用6位数码管显示频率。

e.频率误差<1％

（6）数字频率计

设计并制作单片机控制的数字频率计，要求如下。

a.测量频率范围直流耦合为0～200MHz；交流耦合（1M

）为30Hz～200MHz；交流耦合（50Ω）为3～200MHz。

b.测量功能频率、周期。

c.测量通道两个。

d.输入信号0～100Hz时，有效值为20mV～5V；100～200MHz时，有效值为30mV～5V。

e.具有输入保护功能瞬间电压不超过±500V时，不损坏输入级。

（7）热敏电阻温度计

设计制作一台热敏电阻温度计，要求如下。

a.测量温度为10～150℃。

b.温度误差不大于0.5%。

c.温度用4位数码管显示。

d.以热敏电阻作为温度检测元件。

e.对输入值进行线性化处理。

（8）步进电动机控制器

设计制作步进电动机控制器，要求如下。

a.步进电动机转动方式有四种：

正向三拍A-B-C；正向六拍A-AB-B-BC-C-CA；反向三拍A-C-B；反向六拍A-AC-C-CB-B-BA。

b.可用键盘设定转动方式及转动速度（每分钟转动的步数），可设定转动步数。

c.显示功能能显示的信息有：

正/反向三拍和正/反向六拍；转动步数设定值和转动过程中剩余步数；转动速度。

d.控制功能启动/停止转动；到达设定步数停转；停转后，电动机停止电流功能。

e.相应的自检及报警功能。

（9）水塔水位控制

设计制作水塔水位控制系统，要求如下。

a.在水塔内不同高度安装3根金属棒，以检测水位变化情况。

b.水塔由电动机带动水泵供水，单片机控制水泵电动机运行，以达到水位控制目的。

（10）数字电子钟

设计制作一个数字电子钟，要求如下。

a.设计一个有“时”、“分”、“秒”显示，有校时功能的电子钟。

b.用单片机组成的电子钟。

c.有闹钟系统。

第2章单片机系统的设计方法

大多数情况下，单片机用来构成工业测控系统，其应用系统的硬件设计不只限于计算机系统设计，还涉及到多方位接口和多种类型的电路结构，如模拟电路、伺服驱动电路等，因此单片机应用系统的硬件设计中涉及到的问题远比计算机系统要复杂的多。

2.1单片机应用系统设计方法

单片机的显著特点是面向控制，适用于工业应用环境，可靠性高且价格低，因此广泛应用于检测及控制系统中。

下面介绍应用系统设计的原则和步骤。

2.1.1总体方案论证

在选择课题时，必须首先进行可行性分析和经济技术论证。

基本原则是：

1技术效果好，经济效益高．

2技术先进，造价较低．

3可靠性高，维修方便。

4研制周期短．

5操作简便，容易掌握．

应用系统是由微机和被检测、被控制的对象组成的，因此全面深入地了解测控对象的特性和工艺要求，是确定系统功能和技术指标的依据。

系统功能得当，指标合理，技术效果和经济效益好，才能有实用价值和生命力。

技术指标一般包括：

测控参数范围与精度、测控速度、输入手段（A／D，键盘）、输出方式（D／A、显示，打印）与内容、越限报警等功能，以及运行环境与抗干扰要求等．

根据系统功能指标，设计总体方案和系统框图时，最棘手的问题是如何划分哪些功能由软件实现，那些功能由硬件实现，即软、硬件分工问题，这需要反复比较．遵循的原则是既能实现功能指标，同时软、硬件系统的成本又最低。

考虑到当前的具体情况，应尽量以软件代替硬件来降低成本，同时力求电路简单且工作可靠。

只有充分利用微机的软件和硬件资源，才能达到技术合理与经济实用的目的。

总体方案选定之后，系统软、硬件设计工作可分开进行或同时并进。

2.1.2系统硬件设计

1.实时测控微机系统的组成

实时测控微机系统的组成一般如图2.1所示。

图中虚线部分是必备的最小系统。

CPU是测控系统的核心．ROM用于存放系统的监控程序和应用程序．RAM作为暂存单元和堆栈，也可存放应用程序。

为了与测控对象及外部设备交换信息，常需增设信号与数据的输入和输出接口电路I／O。

时钟是实时系统的时间基准，可用时钟定时向CPU发出中断请求，要求进行实时信号处理。

当测控对象有模拟信号输入输出时，可设置模／数（D/A）转换器和数／模（D／A）转换器。

并行和串行输入输出，用作数字量或开关量输入输出通道。

磁带（或磁盘）机作外存储器，用于存放大量的长期保存的数据以及系统程序和应用程序。

键盘、显示器（或终端机）和打印机是微机应用系统“人一机”联系的主要工具，统称外部设备。

通过键盘输入命令或参数，可对系统进行人机干预。

显示器用来输出显示数据或字符。

打印机可将现时数据和历史记录（存储在磁带和磁盘上）以定时或调用方式打印出来。

2.MCS-51应用系统的扩展与配置

MCS-51系列高档单片机，除无模拟通道接口外，其他作为最小系统的必备结构，如CPU、ROM（8031和8032芯片内无ROM）、RAM，I/O口、定时/计数器和中断源扩展等。

但硬件资源毕竟有限，如果应用系统较复杂，按功能指标要求，还需进行功能扩展（如EPROM扩展、RAM扩展、I／O扩展和定时器／计数器扩展等）和外设配置（如A／D和D／A转换器、键盘、显示器和打印机等）设计。

这就是系统硬件设计的基本任务．

在选择功能扩展电路，外设配置及其接口电路的方案时，应注意扩展的芯片与主机速度匹配，I／O口的负载能力，A/D与D／A转换器的速度与精度等问题．初步选定电路方案之后即可得到系统硬件结构框图。

据此可进行硬件电路设计、制作、检测和试验等工作。

2.1.3系统软件设计

计算机只有硬件还不能工作，必须有软件（即程序）来控制计算机运行．微机软件包括管理调度微机的系统软件和执行用户任务的应用软件。

一般实时测控系统应用软件的特点是输入输出功能强，实时性强，可靠性高，能在线修改程序或参数。

目前大多采用汇编语言来编制程序，因为汇编语言与硬件环境之间关系最密切，因而汇编出的目的程序占用内存空间小且执行速度快，易于实现中断管理及模拟（或数字）量输入输出等。

软件设计步骤依次为：

题目定义（即任务说明）、模块划分、确定算法（即数学模型）、编制程序，汇编、调试和编写文件。

1.模块划分和框图设计

通常采用模块化程序设计方法，把题目划分成相对独立的功能块，依据功能块的时间顺序和相互关系，绘出软件功能流程图。

再将这些粗框图具体化细分，直到这些模块能方便和有效地用子程序实现为止。

最后拟定各模块的细节，绘出详细的程序流程图。

根据这个细框图逐个编写和调试程序。

即从整体到局部，再到细节。

这种自顶向下的设计方法，先对整体任务有了透彻的分析和了解，再设计细节程序模块，可以避免修改返工。

模块化程序结构层次清晰，便于编制、阅读、扩充和修改程序，利用模块共享，可节省内存空间。

实时测控程序的一般结构如图2.2所示。

其主要组成部分有；

a.初始化部分：

设置工作模式、中断方式、堆栈指针和工作单元初始化等。

b.参数设置部分：

设定采样周期，控制参数和给定量等。

c.中断请求管理。

如有时钟定时中断请求，CPU转去执行数据采集服务程序，运行测控算法；若是外部中断请求，则转向键盘服务程序，修改参数或给定量。

否则显示“故障”信息。

d.测控算法：

数据采集系统常用算术平均算法进行数字滤波，直接数字控制（DDC）和系统常用PID控制算法进行自动调节。

e.终端管理模块：

包括修改参数，重新初始化，中止程序等工作。

2.程序的编制

程序框图完成后，可进行硬件资源分配，如存储空间地址分配，应将经常使用的数据存储单元分配在片内RAM区，因为CPU对它操作时间短，指令丰富，编程方便。

程序中软件标志应设置在片内RAM具有位操作功能的空间20H一2FH，这样不仅控制方便，并能充分发挥MCS—51单片机内部布尔处理器的功能。

若再指定用户堆栈区，应留有余地。

编制程序时，必须熟悉MCS—51汇编语言符号指令的规则和功能。

根据细框图逐条用符号指令来描述，即得汇编语言源程序，

汇编语言源程序可采用手工汇编或机器汇编的方法，翻译成目标程序。

●手工汇编的基本方法

（1）查MCS-51指令系统编码表，将源程序指令逐条转换成机器语言编码。

书写要求规格化。

汇编语言指令格式及机器码如表2.1所示。

（2）每条指令的字节数和转移指令，调用指令，查表指令中相对偏移量的计算应正确。

（3）在有时间要求的部分，

（4）为机器指令目标程序分配程序存储器绝对地址。

在独立的程序块之间为修改留有间隙。

●机器汇编方法

将源程序按规定格式输入IBM-PC机，借助PC机硬件资源及BASIC语言的编辑功能，生成MCS-51汇编语言源程序文件。

再调用汇编命令，MCS-51源文件名，打印文件。

机器汇编生成的目标程序，可打印输出，转储磁带，最好是通过主机与开发装置的通信接口，直接灌入MCS-51开发装置，进行系统调试，这样可省去输入操作，提高正确性。

PC机配有DEBUG调试程序时，对源程序的分析检查，修改和调试更方便。

参考文献：

1．何立民编著.单片机高级教程－应用与设计－.北京：

北京航空航天大学出版社，2000

2．付家才主编.单片机控制工程实践技术.北京：

化学工业出版社，2004

3．先锋工作室编著.单片机程序设计实例.北京：

清华大学出版社，2002

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