内蒙古农业大学：《单片机原理及应用》课程教学课件（讲稿）第十章 单片机应用系统设计方法与综合案例

第十章单片机应用象统设计 方法与综合案例 1.单片机应用系统设计的基本要求 2.单片机应用系统设计的步骤 3.提高系统可靠性的方法 4.单片机应用系统设计案例 向蒙古农业大学机电工程学院 2

2 第十章 单片机应用系统设计 方法与综合案例 1. 单片机应用系统设计的基本要求 2. 单片机应用系统设计的步骤 3. 提高系统可靠性的方法 4. 单片机应用系统设计案例

第一节单片机应用象统设计的基本要求 可操作性 ■设计观念：注重使用和维修 ■功能设置：开关简洁、顺序明了、符号直观 ■ 通用性 ■设计时必须使系统设计标准化，尽量采用标准接口 ■系统设计时的设计指标留有一定的余量 可靠性高 ■处于前端数据采集、控制输出 系统规划时要考虑可靠性措施 设计时要考虑故障自动检测和处理环节 性价比高 内蒙古农业大学机电工程学院

3 第一节 单片机应用系统设计的基本要求 可靠性高 处于前端数据采集、控制输出 系统规划时要考虑可靠性措施 设计时要考虑故障自动检测和处理环节 通用性 设计时必须使系统设计标准化，尽量采用标准接口 系统设计时的设计指标留有一定的余量 性价比高 可操作性 设计观念：注重使用和维修 功能设置：开关简洁、顺序明了、符号直观

第二节单片机应用系统设计的步骤 以单片机为核心的产品或项目，虽然单片机的选型不尽相同， 软件编写也千差万别，但系统研制步骤和方法是基本一致的，一 般都分为总体功能设计、硬件电路原理设计、软件的编制和系统 的仿真调试等几个阶段。 ■确定任务 ■前提：i 市场需求 ■目标：克服旧缺点、 开发新功能 ■规划：系统功能、技术指标、系统构成 方案设计 ■单片机型号选择 ■硬件与软件的功能划分 ■应采取的可靠性措施 内蒙古农业大学机电工程学院

4 第二节单片机应用系统设计的步骤 确定任务 前提：市场需求 目标：克服旧缺点、开发新功能 规划：系统功能、技术指标、系统构成 方案设计 单片机型号选择 硬件与软件的功能划分 应采取的可靠性措施 以单片机为核心的产品或项目，虽然单片机的选型不尽相同， 软件编写也千差万别，但系统研制步骤和方法是基本一致的，一 般都分为总体功能设计、硬件电路原理设计、软件的编制和系统 的仿真调试等几个阶段

总体 ●任务分析 ●确定功能、性能要求 ■硬件设计 证 ●制定总体方案 单片机基本系统设计 扩展电路和输入/输出通道设计 ●系统功能分配 ●确定软硬件功能关系 ■人机界面设计 设 ●拟定调试方案 硬 ●绘制硬件原理图 软 ●确定算法与数据结构 ●绘制印制板图 ●程序模块划分 ●配置元器件 设 ●绘制程序流程图 计 ●硬件功能分调 ●程序编写与仿真调试 软件设计 功能模块化：信号采集、 ●在样机中运行软件 控制算法、人机交互 机联调 ●软硬件修改与完善 ●反复调试以达设计要求 ■ 设计方法：模块化设计、 自顶向下设计 考 ●现场运行样机 附图单片机 ●组装定型、软件固化 应用系统设计 型 ●编写技术报告及说明书 的一般流程

硬件设计 总 体 论 证 ●任务分析 ●确定功能、性能要求 ●制定总体方案 总 体 设 计 ●系统功能分配 ●确定软硬件功能关系 ●拟定调试方案 硬 件 设 计 ●绘制硬件原理图 ●绘制印制板图 ●配置元器件 ●硬件功能分调 软 件 设 计 ●确定算法与数据结构 ●程序模块划分 ●绘制程序流程图 ●程序编写与仿真调试 样 机 联 调 ●在样机中运行软件 ●软硬件修改与完善 ●反复调试以达设计要求 考 机 定 型 ●现场运行样机 ●组装定型、软件固化 ●编写技术报告及说明书 单片机基本系统设计 扩展电路和输入/输出通道设计 人机界面设计 软件设计 功能模块化：信号采集、 控制算法、人机交互 设计方法：模块化设计、 自顶向下设计 附图 单片机 应用系统设计 的一般流程

第三节提高系统可靠性的方法 ■电源干扰及其抑制 抑制措施 电源 ~220V ■交流电源干扰及其抑制 滤波器 干扰现象 ●尽量远离干扰源 ●采用交流电源滤波器 ●采用交流稳压器 ●采用1：1隔离变压器 1:1隔高变压器 电源变压器 ●持续时间：几个纳秒 ●幅度约在50V~4000V 220V 交流 电源 直流 稳压器 滤波器 稳压器 ●使系统的程序“跑飞” 内蒙古农业大学机电工程学院

6 第三节提高系统可靠性的方法 交流电源干扰及其抑制 干扰现象 t V 持续时间：几个纳秒 幅度约在50V～4000V 使系统的程序“跑飞” 电源干扰及其抑制 抑制措施 尽量远离干扰源 采用交流电源滤波器 采用交流稳压器 采用1:1隔离变压器 电源 滤波器 ～220V 电源 滤波器 交流 稳压器 直流 稳压器 ～220V U 1:1 隔离变压器 电源变压器 + -

直流电源抗干扰措施 ●采用高质量集成稳压电路单独供电 ●采用直流开关电源 ●采用DC一DC变换器 ■地线干扰及其抑制 ●一点接地和多点接地的应用 ●数字地与模拟地的连接原则 ●印刷电路板的地线分布原则 ●信号电缆屏蔽层的接地

直流电源抗干扰措施 采用高质量集成稳压电路单独供电 采用直流开关电源 采用DC－DC变换器 地线干扰及其抑制 一点接地和多点接地的应用 数字地与模拟地的连接原则 印刷电路板的地线分布原则 信号电缆屏蔽层的接地

■其它提高系统可靠性的方法 ●使用微处理器监控电路 ● 软件抗干扰措施 输入/输出抗干扰 避免系统“死机” “看门狗”技术 AT89S51152内的看门狗定时器是一个14位的计数器， 每过16384个机器周期看门狗定时器溢出，产生一个98/fOSC 的正脉冲并加到复位引脚上，使系统复位。 内蒙古农业大学机电工程学院 8

8 其它提高系统可靠性的方法  使用微处理器监控电路  软件抗干扰措施 输入/输出抗干扰 避免系统“死机”  “看门狗”技术 AT89S51/52 内的看门狗定时器是一个14 位的计数器， 每过16384 个机器周期看门狗定时器溢出，产生一个98/fOSC 的正脉冲并加到复位引脚上，使系统复位

第四节C51单片机应用系统设计案例 一、基于DS1302与LCD1602的实时电子日历 1.设计要求与目标 采用单片机与实时时钟芯片设计一个实时电子日 历。该系统需通过单片机读取时钟内部的日期时间数 据，并按照“年-月-日”与“时-分-秒”的格式将数 据显示在LCD1602液晶显示器的相应位置上。 2.设计分析与器件选择 由设计要求可知：系统需要用到的元器件有单片 机、实时时钟芯片DS1302和LCD1602液晶显示器。 内蒙古农业大学机电工程学院

9 第四节 C51单片机应用系统设计案例 1. 设计要求与目标 采用单片机与实时时钟芯片设计一个实时电子日 历。该系统需通过单片机读取时钟内部的日期时间数 据，并按照“年-月-日”与“时-分-秒”的格式将数 据显示在LCD1602液晶显示器的相应位置上。 一、基于DS1302与LCD1602的实时电子日历 2. 设计分析与器件选择 由设计要求可知：系统需要用到的元器件有单片 机、实时时钟芯片DS1302和LCD1602液晶显示器

第四节C51单片机应用象统设计案例 (1)DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低 功耗实时时钟芯片，内部有一个31×8的用于临时性存放 数据的RAM寄存器，可以对年、月、日、周、时、分、秒 进行计时，具有闰年补偿功能；采用三线接口与CPU进行 同步通信，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能 力。 DS1302的引脚排列如图10-1所示， 各引脚功能如下所述： VCC2 VCC1 1.VCC2为主电源，VCC1为后备电 2 X1 SCLK 源；DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大 者供电。 3 X2 I/0 6 2.X1和X2是外接振荡源接口，一 4 GND RST 5 般外接32.768kz晶振。 图10-1DS1302引脚图

第四节 C51单片机应用系统设计案例 (1) DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低 功耗实时时钟芯片，内部有一个31×8的用于临时性存放 数据的RAM寄存器，可以对年、月、日、周、时、分、秒 进行计时，具有闰年补偿功能；采用三线接口与CPU进行 同步通信，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能 力。 图10-1 DS1302引脚图 DS1302的引脚排列如图10-1所示， 各引脚功能如下所述: 1. VCC2为主电源，VCC1为后备电 源；DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大 者供电。 2. X1和X2是外接振荡源接口，一 般外接32.768kHz晶振

第四节C51单片机应用象统设计案例 3.RST是复位/片选线。当RST为高电平时，初始化数 据传送，允许对DS1302进行操作；当RST为低电平时，终 止数据传送，I/0引脚为高阻态。 4.I/0和SCLK分别为串行数据输入输出端和时钟输入 端。 另外，上电运行时，在Vcc>2.OV之前，RST必须保持低 电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。 (2)LCD1602是一种用来显示字母、数字、符号等的工 业级点阵型液晶模块，显示内容为16×2（即：可显示2行， 每行16个字符)，采用标准的16脚接口与单片机连接，其 实物图和引脚图如图10-2所示，引脚功能如表10-1所述。 内蒙古农业大学机电工程学院

第四节 C51单片机应用系统设计案例 3. RST是复位/片选线。当RST为高电平时，初始化数 据传送，允许对DS1302进行操作；当RST为低电平时，终 止数据传送，I/O引脚为高阻态。 4. I/O和SCLK分别为串行数据输入输出端和时钟输入 端。 另外，上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低 电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。 (2) LCD1602是一种用来显示字母、数字、符号等的工 业级点阵型液晶模块，显示内容为16×2(即：可显示2行， 每行16个字符），采用标准的16脚接口与单片机连接，其 实物图和引脚图如图10-2所示，引脚功能如表10-1所述。 11