单片机开发工程案例分析与解析.docx
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单片机开发工程案例分析与解析
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3单片机开发工程案例分析与解析
定时报警器
设计一个单片机控制的简易定时报警器。
要求根据设定的初始值（1-59秒）进行倒计时，当计时到0时数码管闪烁“00”（以1Hz闪烁），按键功能如下：
（1）设定键：
在倒计时模式时，按下此键后停止倒计时，进入设置状态；如果已经处于设置状态则此键无效。
（2）增一键：
在设置状态时，每按一次递增键，初始值的数字增1。
（3）递一键：
在设置状态时，每按一次递减键，初始值的数字减1。
（4）确认键：
在设置状态时，按下此键后，单片机按照新的初始值进行倒计时及显示倒计时的数字。
如果已经处于计时状态则此键无效。
3.1.2模块1:
系统设计
（1）任务分析与整体设计思路
根据题目的要求，需要实现如下几个方面的功能。
计时功能：
要实现计时功能则需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，达到定时1秒中的功能。
然后，当计时每到1秒钟后，倒计时的计数器减1。
当倒计时计数器到0时，触发另一个标志变量，进入闪烁状态。
显示功能：
显示倒计时的数字要采用动态扫描的方式将数字拆成“十位”和“个位”动态扫描显示。
如果处于闪烁状态，则可以不需要动态扫描显示，只需要控制共阴极数码管的位控线，实现数码管的灭和亮。
键盘扫描和运行模式的切换：
主程序在初始化一些变量和寄存器之后，需要不断循环地读取键盘的状态和动态扫描数码管显示相应的数字。
根据键盘的按键值实现设置状态、计时状态的切换。
（2）单片机型号及所需外围器件型号，单片机硬件电路原理图
选用MCS-51系列AT89S51单片机作为微控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成8位显示模块，由于AT89S51单片机驱动能力有限，采用两片74HC244实现总线的驱动，一个74HC244完成位控线的控制和驱动，另一个74HC244完成数码管的7段码输出，在输出口上各串联一个100欧姆的电阻对7段数码管限流。
由于键盘数量不多，选择独立式按键与P1口连接作为四个按键输入。
没有键按下时为高电平，当有键按下时，相应管脚为低电平。
电路原理图如图3-1所示。
图3-1定时报警器电路原理图
（3）程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程
单片机资源分配
采用单片机的P3口作为按键的输入，使用独立式按键与连接，构成四个功能按键。
在计时功能中，需要三个变量分别暂存定时器溢出的次数（T1_cnt）、倒计时的初始值（init_val）以及当前倒计时的秒数（cnt_val）。
按键扫描功能中，需要两个变量，一个变量（key_val_new）用来存储当前扫描的键值（若无按键按下则为255），另一个变量（key_val_old）用来存储上一次扫描的键值。
只有这两个变量值不一样时，才能说明是一次新的按键按下或弹起了，同时将新的键值赋给key_val_old变量。
在显示功能中，需要定义一组数组（code类型），值为0-9数字对应的数码管7段码。
还需要定义一个变量（show_val）暂存要显示的数据，用于动态扫描显示中。
在整个程序中，定义了一个状态变量（state_val）用来存储当前单片机工作在哪种状态。
②程序设计思路
鉴于题目要求，存在三种工作模式：
初始值设置模式、倒计时模式、计时到0时的闪烁模式。
变量state_val为0时，处于倒计时模式。
变量state_val为1时，处于初始值设置模式。
变量state_val为2时，处于闪烁模式。
这些状态的切换取决于按下哪一个键以及是否计时到0。
状态的切换图如图3-2
图3-2状态的切换
单片机复位之后，默认处于倒计时模式，启动定时器，定时器每隔250us溢出一次，根据定时器溢出次数来计时，到1秒时将时间的计数器减1。
当“设置键”按下时，变量state_val由0变为1，切换到设置模式。
可以使用“递增键”“递减键”对计时初始值进行修改。
按下“确认键”时，回到计时模式开始以新的初始值进行倒计时。
当倒计时到0时，变量state_val由1变为2，处于闪烁状态，在这种状态下，根据按键的情况分别又切换到计时和设置状态。
③程序流程
主程序首先需要初始化定时器的参数和一些变量，然后进入一个循环结构，在循环中始终只做两件事，一是键盘的扫描，二是数码管的动态扫描。
在扫描键盘后，根据前一次按键的结果是否与本次键值相同。
如果不同，表示有键按下或弹起，同时用本次按键值更新上一次的按键值。
这样设计旨在避免一个按键长时间按下时被重复判为有新键按下，使得当前按下的键只有松开后，下一次按下时才算为一次新的按键。
根据按键的值分别改变变量（state_val）的值或者在设置状态时的倒计时初始值。
完整的主程序图如图3-3所示。
图3-3主程序的流程图
在定时器的参数中，选择定时器T1的8位自动装载模式，每250us产生一次溢出中断，中断服务程序如图3-4所示。
图3-4中断服务程序流程图
（4）软硬件调试方案
软件调试方案：
伟福软件中，在“文件\新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。
在“文件\新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。
在“项目\编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。
在编译成功后，产生以“*.hex”和“*.bin”后缀的目标文件。
硬件调试方案：
在设计平台中，将单片机的分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行MCU下载程序，选择相应的flash数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。
3.1.3程序设计（仅供参考的C语言源程序）
11.0592M3f04f7f6f0f0f
3.2.1ex”和“*.bin”后缀的目标文件。
硬件调试方案：
在设计平台中，将单片机的分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。
3.2.2程序设计（仅供参考的C语言源程序）
11.0592M3f04f7f6f7f3.3.33.3.1ex”和“*.bin”后缀的目标文件。
硬件调试方案：
在设计平台中，将单片机的分别与8个独立式键盘通过插线连接起来，将分别与4个发光二极管连接起来，与蜂鸣器的输入连接起来。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，将下载线安装在实验平台的下载线接口上，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。
3.3.2程序设计
3f04f7f6f7f10m3.4.110米1千米10mex”和“*.bin”后缀的目标文件。
硬件调试方案：
在设计平台中，将单片机的分别与3个独立式键盘通过插线连接起来，将与脉冲信号源连接起来。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，将下载线安装在实验平台上，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。
3.4.2程序设计
/*晶振：
11.0592MT1-250微秒溢出中断一次；（int0）-中断100次，查询IE0置位，
P1^0为启动键；P1^1为清除键；P1^2为白天/晚上的切换键
变量的定义:
key_val:
返回按键的值255-无键
T1_cnt:
定时器溢出数计数
cnt_30:
30秒钟的计时
cnt_distance:
计算路程
cnt_cost:
总金额
state_val:
状态:
0-白天1夜晚
cost_val[3]:
收费标准：
白天单价cost_val[0]=1元/公里；晚上单价cost_val[1]=2元/公里；
等待单价cost_val[2]=1元/30s
led_seg_code：
数码管7段码*/
3f04f7f6f7f10米3.5.1
ex”和“*.bin”后缀的目标文件。
硬件调试方案：
在设计平台中，将单片机的分别与2个独立式键盘通过插线连接起来，将与脉冲输出连接起来。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，将下载线安装在实验平台上，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。
3.5.2模块2：
程序设计
12M3f04f7f6f3.5.1
4个I/OCLOCK周期的下降沿输出前次转换结果的第2、第3、第4和第5个最高有效位。
在I/OCLOCK第4个高电平至低电平的跳变之后，片内采样和保持电路开始对模拟输入采样。
采样操作主要包括内部电容器充电到模拟输入电压的电平。
3.其后再把三个I/OCLOCK周期加至I/OCLOCK端，在这些时钟周期的下降沿，第6、第7和第8个转换位被移出。
4.最后（第8个）时钟周期被加至I/OCLOCK。
此时钟周期高电平至低电平的跳变使片内采样和保持电路开始保持功能。
保持功能在接着四个内部系统时钟周期内继续进行，在此之后保持功能结束且在下面32个系统时钟周期内完成转换，总共为36个周期。
在第8个I/OCLOCK周期之后，CS必须变为高电平，否则I/OCLOCK必须保持低电平达至少36个系统时钟周期以供保持和转换功能的完成。
在多个转换周期内CS可保持低电平。
在多个转换周期内使CS保持低电平时必须特别注意防止I/OCLOCK线上的噪声闪变。
如果在I/OCLOCK上发生闪变，那么在微处理器/控制器和器件之间的I/O时序将失去同步。
此外，如果CS变为高电平，那么它必须保持高电平直至转换结束为止。
否则，CS的有效高电平至低电平跳变将引起复位，它使正在进行的转换失败。
在36个系统时钟周期发生之前，通过完成步骤1至4可以启动新的转换，同时正在进行的转换中止。
此操作产生先前的转换结果而不是正在进行的转换结果。
（3）分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图
软件的任务包括定时器的定时功能、AD转换器TLC549的控制与数据的读取，数码管的动态扫描。
程序设计思路，采用查询定时器中断标志的方式来启动AD转换器TLC549的工作，在读取AD转换器的数据之后，再对数据进行计算换算为对应的电压值。
需要分配的单片机存储资源包括AD转换器数据的暂存变量（re_data）、定时器溢出次数的计数变量（T_cnt）、数据换算的系数（xishu）以及电压值（volt）等。
主程序的流程图如图3-19所示。
由于采用查询中断标志的方式来响应的中断，所以主程序要循环完成如下任务：
中断标志的查询、AD转换器数据的读取、电压值的换算以及数码管的动态扫描显示。
图3-19数字电压表的主程序流程图
（4）设计系统软件调试方案、硬件调试方案及软硬件联合调试方案
软件调试方案：
伟福软件中，在“文件\新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。
在“文件\新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。
在“项目\编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。
在编译成功后，产生以“*.hex”和“*.bin”后缀的目标文件。
硬件调试方案：
在设计平台中，将单片机的接TLC549的CLK管脚，接TLC549的DOUT管脚，接TLC549的CS管脚。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，将下载线安装在实验平台上，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。
3.6.2模块2程序设计
//晶振：
，定时器T0每50ms中断一次，每隔秒读ADC一次
/*AD转换器使用TLC549
out
*/
#include""
#include""
#include""
sbitad_clk=P1^0;
sbitad_dout=P1^1;
sbitad_cs=P1^2;
unsignedchardatare_data;
unsignedintdataT_cnt;
doublevolt,xishu;
charcodeled_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//led_seg_code[0-9]代表0-9的7段码
//---------------
voiddelay（unsignedinti）//延时
{while（--i）;}
//---------------
voidled_show（doublef）
{unsignedchari,s;
unsignedintk,*j;
if（f<2）
{k=f;//取整数部分
i=k;
P0=led_seg_code[i]|0x80;
P2=0xfb;
delay（50）;
i=f*10;
i=i%10;
P0=led_seg_code[i];
P2=0xfd;
delay（50）;
i=f*100;//取小数后1位
i=i%10;
P0=led_seg_code[i];
P2=0xfe;
delay（50）;
else//超限报警，显示“---”
{P0=0x40;
P2=0xfb;
delay（50）;
//---------
P2=0xfd;
delay（50）;
//-----------
P2=0xfe;
delay（50）;
}
}
//----读取ADC转换器TLC549的数据----
unsignedcharreceive_data（）
{unsignedchari,d;
d=0;
ad_cs=1;///CS置高，片选无效
ad_clk=0;
ad_cs=0;
_nop_（）;
for（i<0;i<8;i++）
{ad_clk=1;
d=d<<1;
if（ad_dout）
{d++;}
ad_clk=0;
}
ad_cs=1;
for（i=0;i<10;i++）//适当延时超过17us
_nop_（）;
returnd;
}
//-------------
main（）
{T_cnt=0;
TMOD=0x01;//定时器设置T0
TH0=0x4c;//50000us=（65536-0x4c00）*12/
TL0=00;
EA=0;
TR0=1;
re_data=0x00;
volt=0;
xishu=;
//-----------------------------
while
（1）
{if（TF0==1）
{TF0=0;
TH0=0x4c;//50000us=（65536-0x4c00）*12/
TL0=0x0;
if（T_cnt<2）//T0为50毫秒溢出一次，每100ms读取一次AD转换器数据
{T_cnt++;}
else
{T_cnt=0;//计时到100ms了
re_data=receive_data（）;
//转换为电压值
volt=re_data;
volt=volt*xishu;
}
}
led_show（volt）;
}
}
简易频率计
设计一个单片机控制的简易频率计。
已知被测TTL矩形信号的频率范围为20Hz～200kHz，要求频率计在整个频率范围内测量相对误差不超过1%，测量速率不小于2次/秒，显示分辨率为，结果在数码管上显示。
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