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1、燃气报警系统总体设计燃气报警系统总体设计摘要随着燃气的大量使用,每一座居民大楼都被燃气所“笼罩”。 燃气的普及给公共生活带来了方便,减少了城市的污染,提高了生活质量和效率,但是同时, 燃气也是潜在的“危险品”,一旦发生大面积泄漏,处置不及时就可能引发大爆炸,给居民的生命财产安全带来巨大的威胁。面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，我们需要一个解决办法。使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。本设计以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实现声光报警功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的气体报警器，具有一定的实用价值。其中选用了89C51为报警器的核心部件
2、，对燃气报警器进行控制。通过同步串行通信的接口芯片对燃气进行检测，将所得的浓度值与设定浓度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，发生报警信号，并把报警通道显示并储存在LED数码管显示器中，八个单元的燃气浓度对应模拟量利用A/D转换为数字量，并加入了键盘输入控制，从而实现对家用和工业燃气漏气的监控。整个系统的硬件电路设计合理，性能安全可靠。关键词：单片机；报警器；串行总线Design of the coal gas alarm deviceABSTRACTWith the wide use of natural gas, each a residential towers were
3、 gas enveloped. The popularity of natural gas to public life brought convenient, reduce the citys pollution and improve the life quality and efficiency, but at the same time, natural gas is also potential dangerous, once produce large leak, disposal not timely could trigger, the big bang to peoples
4、life and property safety brought great threat. Facing the gas leak all kinds of accidents caused by threats, we need a solution. Use of natural gas alarm is deal with gas invisible killer one of the important means. This papers to the semiconductor gas sensors and single chip microcomputer as the co
5、re design can realize the gas alarm sound-light alarm functions, is a kind of simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive and intelligent gas alarm, has certain practical value. Among them choose the 89C51 SCM as the most important controller of alarm. It is a core-components that
6、 control the whole programs and circuit of the coal gas alarm device. The appliance monitors the density of coal gas with the interface chip of synchronous serial communication and compares the current density with the setting density. We get the control signal through the dealing with the deviation
7、 signal and then sent a alarm signal that is memoried in a LED digital tube display. The analog signal of eight densities of the coal gas are transformed into the digital signal with the A/D converter, in addition which is cotrolled with the keyboard. We can monitor the leak of coal gas in the house
8、 or industy. The hardware design of circuits is reasonable and the performance of the coal gas alarms device is safe and reliable. Keywords: SCM ;Alarm device ;Serial Bus目录第一章绪论11.1 研究背景11.2 研究目的11.3 研究内容2第二章燃气报警器总体方案设计42.1 燃气报警系统原理42.2 燃气报警器设计思路42.3 燃气报警系统设计52.4 单片机应用系统设计52.5 燃气报警器总体方案设计6第三章燃气报警器硬件
9、系统设计93.1 89C51单片机介绍93.2 基于89C51的电子钟的设计93.3 X5045看门狗定时器113.4 人机对话设计11第四章软件系统设计134.1 程序框图134.2 主程序编程144.3 串行总线技术16第五章系统仿真调试195.1 Keil集成开发软件介绍195.2 Keil C51开发环境205.3 调试过程20参考文献23谢辞24第一章绪论1.1 研究背景燃气报警器是微机控制的安全报警设备，它广泛用于石油、化工、冶金、矿井、油气库、燃气生产工厂等部门，也可以用于饭店、餐饮行业、居民住宅厨房等处。它用来对现场空气中泄漏的可燃气体（如石油挥发气体、天然气、煤制气、液化气等
10、）进行浓度的检测和显示。当空气中所含的可燃气体的百分比浓度值达到某一设定值时，即超过预定的报警点时，该报警器自动发出声光报警信号，提示值班人员采取必要的安全措施。它也可以通过继电器等输出控制信号，以便能够自动开启安全装置（如排风设备、关断阀门等）。该设备可以通过通信口和上位计算机连接，构成功能强大的计算机控制系统。在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住要求舒适健康、安全可靠、高效便利。这时候气体燃料的应用也越来越广泛。目前家用煤气，液化器、天然气作为气体燃料，已用与家庭旅馆，深入人民的生活之中。气体燃料的应用和普及，
11、伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤为严重。众多周知由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。如果CO中毒严重,轻者于康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。这就对燃气自动报警的器的设计更加迫切 。为了预防燃气的泄漏，人们采用了各种措施。家用智能燃气报警器是为了预防气体中毒的一种家用的自动报警器，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应
12、用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。1.2 研究目的近年来，随着人们生活水平的提高，可燃气体作为清洁能源已在居民生活中得到广泛的应用，人们面对燃气泄漏而造成的事故威胁，没有一个彻底的解决办法，据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气的重要手段之一。燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事件的根源，如采用燃气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试同样得出结论，燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，有利于为现代人工作、科研、生活、提供
13、更好的更方便的设施。1.3 研究内容本设计中的燃气报警器系统，以单片机89C51为核心，选用了同步串行通信的接口芯片，可以采集最多16路模拟量输入信号，并设置了8个开关量输出通道，对外部设备进行数据采集和超限报警处理。利用低功耗的实时时钟电路DS1307提供实时的日期、时间信息。独立式的按键设计和LED数码管显示器作为人机对话通道。通过RS-485标准的异步串行通信接口和上位机通信，用于多机系统和远距离通信。利用硬件看门狗电路（监视器）X5045，提高系统可靠性。该应用系统功能齐全，性能优越，电路简单实用，可靠性强，不失为一个经典的应用实例。燃气报警器系统的总体设计的方案如下：CPU：89C5
14、1单片机主频：11.0592MHz数据采集：16通道模拟量输入 多路选择器：4067（16选1模拟开关电路） A/D转换器：MAX187（12位串行接口A/D转换器）开关量输出：8路开关量输出，可作继电器开关，或超限报警控制。看门狗定时器：X5045（带EEPROM、上电复位、降压管理的看门狗定时器电路）。实时时钟RTC：DS1302（带64字节RAM、串行实时时钟电路）。串行通信接口：MAX485，提供RS-485异步串行通信标准接口，和上位机通信。并行I/O接口：8255A并行I/O接口电路显示器： 6位LED显示器和8个发光二极管指示灯，由8255A驱动，动态扫描显示。键盘：4个按键，独
15、立连接的非编码键盘电源：DC+5V、DC+12V软件：程序固化在89C51单片机中，采用汇编语言编程。基于89C51单片机的数据采集系统结构框图如图1.1所示。图1.1 89C51单片机燃气报警器系统功能框图Fig.1.1 89 C51 gas alarm system function diagram第二章燃气报警器总体方案设计2.1 燃气报警系统原理该数据采集系统是以单片机89C51为核心，可以采集最多16路模拟量输入信号。模拟量信号可以是温度、压力、流量、浓度等物理量经过传感器、变送器变换后输入而来。模拟信号通过同步串行A/D转换器MAX187的转换，量化成为12位精度的数字量，由单片机
16、进行处理。处理的过程可以是数据采集，可以是数据运算和进行控制调节，也可以进行超限报警处理等。为了进行系统控制，系统设置了8个开关量输出通道，控制继电器来对外部设备进行控制或者进行报警处理。系统利用高性能、低功耗的实时时钟（RTC）接口芯片DS1307提供实时的日期、时间信息。单片机系统通过异步串行通信接口和上位机通信，通信标准转换成RS-485通信接口，适于远距离通信，并可以构成多机系统，通信距离可以最远到1000m。作为仪表式的系统，显示器采用了最简单的LED数码管显示，并辅以8个发光二极管作为指示灯。安装了4个按键，可以进行人机对话、人为设置参数和干预系统的操作。为了加强系统的可靠性，面向
17、连续运行和无人值守的环境，电路里增加了硬件看门狗（监视器）芯片X5045，可以在系统故障停机时自动复位，保证系统可靠运行。2.2 燃气报警器设计思路燃气报警系统是能够检测环境中的可燃性气体浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。气体信号采集电路一般由气敏传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从燃气检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之
18、则为正常状态。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。2.3 燃气报警系统设计根据该设计要实现的基本功能，设计大致应分为信号采集放大，信号处理控制，系统设置报警三个部分。(1)信号采集部分即通过气体传感器检测室内气体浓度，将这种变化量转化成电压模拟量的变化，然后通过运放进行必要的放大。(2)信号处理部分是将采集到的模拟信号量转换成数字信号，送入控制器进行处理，并将处理过的信号送存储器保存和送显示器显示。(3)系统设置报警部分是通过预定控制方式并利用蜂鸣器报警实现系统的
19、准确操作。依据上面所说的的思路，得到如下一些基本的结论：(1)信号采集部分为了能准确采集到气体浓度的变化应选用半导体气体传感器，为使其有效的监测室内气体浓度，采用电阻型半导体气体传感器；而放大部分使用运放进行比例和反相两级放大(2)信号处理部分为了实现精确控制，采集单片机较为合适。将模拟信号送入A/D模块进行模数转换，经过处理后送存储保存和送显示器显示。该单片机应用系统中大量选用了同步串行通信的接口芯片，CPU和接口芯片间采用串行通信，大大简化了硬件电路，减小仪器的体积。该应用系统功能齐全，性能优越，数据采集路数多，精度高，电路简单实用，可靠性强，并能和上位机构成多机系统，是一个实用性很强的应
20、用系统。2.4 单片机应用系统设计一般情况下，单片机应用系统的设计过程主要包括以下几部分：.总体方案的设计.硬件系统设计.软件系统设计.系统仿真调试.运行维护设计过程列出的这5个部分不是孤立的，而是相互关联、相互依靠、互相制约的，设计过程的流程图如图2.1所示。图2.1 单片机应用系统设计过程的流程Fig. 2.1 Microcomputer application system design process flow2.5 燃气报警器总体方案设计应用系统总体方案的设计是非常重要的环节，总体方案的优劣直接影响后续工作的进行。因此，对于设计过程前期的这些工作不能掉以轻心，项目不可仓促上马，要尽可
21、能把总体设计的工作作细，作好。首先要根据市场需求，进行分析，提出本项目的任务。要对项目的可行性进行调研和分析，最好能提出可行性报告，作为开题的依据。据此，才可能由有关领导对设计方案作出决策，或者作为和用户签定技术合同的基础。熟悉和了解控制对象，确定合理、可行的技术指标。单片机作为控制核心，它所控制的对象是各种各样的，所实现的控制要求也不尽相同。有些控制对象是一个生产过程，有些控制典型是一个具体设备，如仪器仪表、家用电器；有些控制对象是数据采集系统，有些控制对象是安全报警系统等。无论哪种应用系统，作为设计者都要对被控对象的工作过程和现场的要求进行深入的调研和分析，了解系统的控制要求，如输入/输出
22、信号的种类和数量、数据处理的数学模型、该系统的应用环境等。在调研的过程中，不仅了解应用的要求，而且要尽可能多地了解国内外同类产品的资料，加以分析对比，对要设计的系统有一个合理的定位。在充分调研分析的基础上，还要综合考虑应用系统的可靠性、可维护性、产品的功耗、成本、经济效益等诸方面因素，提出一个合理、可行的技术指标。在方案和技术指标基本确定的前提下，确定系统功能的具体实现形式。单片机是系统的核心，首先完成的是单片机的选型。近年来单片机的发展非常快，体现在以下几个方面：1. 运行速度的提高。单片机技术的发展不仅是主频提高，而且一条指令的执行周期也发展到单机器周期，使得数据处理的能力得到极大的提升。
23、2. 存储技术的发展。特别是单片机片内程序存储器包括MROM、EPROM、EEPROM和Flash Memory多种形式，ROM和RAM的存储容量越来越大，使得程序可以完全固化在单片机芯片中。3. I/O接口的多样化。很多I/O的功能已被大量集成在单片机芯片里，包括模拟量输入、开关量输入、模拟量输出、开关量输出、继电器控制信号输出、液晶显示器输出接口等。单片机也集成了各种标准数字通信接口，如SPI、I2C、单总线、CAN总线、USB总线等接口，也包括有RS-232C、RS-422、RS-485等总线接口。4. 单片机产品的系列化。生产厂家现在推出的单片机产品已经不再像初期那样，产品型号单一，而
24、是产品系列化。在单片机的核心功能不变的基础上，集成不同形式、不同容量的存储器，集成不同形式、不同数量、不同精度要求的I/O接口，和面向不同环境应用（台式、仪表、便携式、低功耗等）的产品。基于这些原因，再加上成本价格、产品来源、开发手段、开发经验等的综合考量，设计者完全可以在众多的单片机产品中选择出一款适合该项目，能迅速开发出性能价格比高的应用系统来的单片机。进行软件、硬件功能的划分，是总体设计中重要的工作。划分的合理与否，将直接影响后续的设计和开发过程。在系统功能指标确定以后，确定它的具体实现方法，哪些功能由硬件模块实现，哪些功能由软件程序完成。硬件模块包括微处理器、存储器、ASIC、DSP、
25、FPGA、I/O接口部件，以及传感器、电源设备、机箱等；软件模块包括操作系统、监控程序、设备驱动程序、应用程序等；以及两者之间联系的载体，如总线、固化器件、数据通道等。这个划分的过程是一个复杂的过程，可能会反复修改，不断地完善和不断迭代。而且，由于硬件模块的可编程性和软件固化技术的发展，软件、硬件的界限已经不十分严格，具有一定的互换性。例如，系统的的定时，可以由片内外的硬件定时器来实现，也可以通过软件程序、中断服务来实现。再如，系统数据处理可以用硬件运算电路或DSP来实现，也可以通过编写运算程序来实现。在系统中，硬件负担任务多，可以提高运行速度，减少程序设计工作量，加快开发周期，但是也会增加系
26、统的成本和复杂程度。反之，软件代替硬件的某些功能，可以减少成本，简化硬件结构，增加程序设计的难度和工作量。在设计过程中，必须根据具体情况，结合系统造价、开发周期等的要求综合考虑，进行平衡，尽可能合理地划分出硬件和软件两部分的功能要求。在以上论证、分析的基础上，确定总体方案，拟定出设计任务书。特别是团队工作时，要按照软件工程的思想，将整个系统分解为若干子系统，分别列出子系统的任务书，以及软件、硬件及它们之间的接口标准、技术要求，这样会最大效率地完成系统的设计。第三章燃气报警器硬件系统设计3.1 89C51单片机介绍单片计算机简称单片机，又称微控制器（MCU）。它在一块半导体芯片上集成了微处理器、
27、一定容量的存储器、输入/输出接口、定时器/计数器等电路，构成了较完整的数字处理系统。单片机体积小、可靠性高、控制功能强、广泛应用于工业控制、仪表控制、网络通信、汽车电子、智能家居、家用电器以及日常生活等各个领域。如今，可以说是无处不在，无时不在。 89C51单片机是在Intel公司的8051基础上发展的8位单片机。它的内部除了一个8为的微处理器外，片内还包含128个字节的数据存储器、21个特殊功能寄存器（SFR）和4KB的Flash程序存储器；它可以寻址片内外统一编址的64KB的RAM；片内有4个8位并行I/O接口（UART）和两个16位的定时器/计数器；有很强的中断处理和位操作功能。3.2
28、基于89C51的电子钟的设计为了深入了解单片机应用系统设计的过程，设计一个基于89C51单片机控制的电子钟的实例。时间的概念对每个人来说都是非常重要的，计时的时钟（钟表）在日常生活中经常见到，是人们工作、学习、起居不可缺少的用具。利用电子元器件数字实时显示“时：分：秒”信息，就是这里介绍的电子钟（电子表）。电子钟的实现有多种方法，一种是采用专用集成电路，目前市场上销售的电子手表、电子挂钟等多数是这种，它的优点是集成度高、应用方便、价格低廉。但是在单片机应用系统中，往往也需要实时的时间信息，例如数据采集的具体时间、历史记录的日期时间等，这就需要在单片机应用系统中，设计出一个实时的电子钟，提供当前
29、的“时：分：秒”以及“年：月：日“的信息。本设计是单片机片外扩展专用的实时时钟接口芯片（RTC），通过读取RTC的信息达到计时效果。RTC（实时时钟接口芯片）DS1302。DS1302是Dallas公司推出的一款高性能、低功耗的实时时钟接口芯片。该电路采用同步串行通信，简单的三线接口，简化了和微处理器之间的通信。低功耗、小封装，大大减少了整机的体积。DS1302的内部结构如图3.1所示。它主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成。图3.1 DS1302内部结构Fig.3.1 DS1302 internal structure双列直插DIP封装的DS1302的引脚如图3.2所示
30、。其中：l Vcc2 （1脚）：外接备用电源，如电池。工作电压为2.5V5.5V。l Vcc1 （8脚）：接主电源。工作电压为2.5V5.5V。l GND （4脚）：接地。l X1、X2 （2、3脚）：外接32.768KHz晶振。l RST （5脚）：复位输入端。l I/O （6脚）：串行数据输入/输出端。l SCLK （7脚）：串行时钟输入端。图3.2 DS1302引脚图Fig.3.2 DS1302 pin figure其中，电源引脚有两个，Vcc1在单电源与电池供电的系统中提供电池备份。Vcc2在双电源系统中提供主电源。在双电源系统方式中， VCC1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下
31、，也能保存时间信息和数据。DS1302由这两者之间电压较高者供电，当Vcc2大于Vcc1的+0.2V时，由Vcc2给DS1302供电；当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。3.3 X5045看门狗定时器X5045的特点是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一身的可编程电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU 作出反应。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时
32、，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存储器与CPU 可通过串行通信方式接口，共有4096个位，可以按512 x 8个字节来放置数据。可以存放512个字节，可擦写100万次以上并且存储100年。图3.3 X5045引脚图Fig.3.3 DS1302 pin figureX5045的管脚排列如图3.3 所示，它共有8个引脚，各引脚的功能如下： CS ：电路选择端，低电平有效SO ：串行数据输出端；SI ：串行数据输入端； SCK：串行时钟输入端； WP ：写保护输入端，低电平有效； RESET ：复位输出端； VCC ：电源端；VSS ：接地端。 本设计中由于X5045是利用S
33、PI通信协议的，所以电路连接十分简单。SI和SO分别接89S52的P1.3和P1.4用作数据的传输使用。而CS和SCK分别接单片机的P1.1和P1.2用作控制端口使用。而WP和Vcc是直接接电源，RS上拉10k电阻接电源，并且接上89S52的RESET引脚，用作控制单片机复位信号使用，并且上电复位。3.4 人机对话设计单片机数据采集系统中，需要操作者对系统进行干预，如设置或修改参数、选择操作功能、对系统进行人工控制等。这就要求系统中有键盘输入的功能。如前面所述，键盘有编码键盘和非编码键盘两种。在单片机应用系统中，由于不需要经常和大量地进行键盘操作，同时为了简化硬件电路，往往采用非编码键盘，利用
34、软件来进行按键的识别和功能的散转。根据需要的按键的多少，又可以选择独立式或行列矩阵式的键盘。在本单片机数据采集系统中，鉴于所需要的按键不多，采用了独立式的按键设计。利用P3口的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5作为4个按键的输入端。在单片机应用系统中，显示器是必不可少的设备。除了传统的CRT显示器外，常用的有指示灯（发光二极管）、LED数码管显示器、液晶显示器等。显示的内容可以是机器的工作状态、超限报警的信号、实时的信息、采集的数据、历史的记录、趋势图等。单片机可以输出“0、1”状态、ASCII码、汉字及点阵图形的数据给显示器。单片机和显示器之间的通信可以通过并行接口、串行接口来实现。在有
35、些显示器设备中，本身带有CPU或控制器，单片机只需要通过标准的通信接口，遵循有关的通信协议传送数据即可，这样的显示器会大大减少单片机的负担，当然成本会大一些。在这里介绍的单片机数据采集系统中，采用了LED数码管和发光二极管显示器。其中，6个LED数码管显示数据，8个发光二极管指示工作状态，为了减少硬件连线，采用LED动态扫描显示方式。人机对话功能框图如图3.4所示。图3.4 人机对话功能框图Fig.3.4 The man-machine dialogue function diagram第四章软件系统设计4.1 程序框图在具体编写软件程序之前，要根据功能实现的过程，画出程序的主流程图，将各个模
36、块、子程序的工作流程形象化地描述出来。在这个基础上，进行具体化，对各部分编写出详细的流程图，作为编写程序语句的依据。各个部分之间要进行软件接口的设计，包括出口、入口传递参数等，规定系统启动和关闭过程。程序主流程框图如图4.1所示。图4.1 程序主流程图Fig.4.1 Flow chart of the main program在绘制好流程图的基础上，就可以开始编写程序了。在编写程序的过程中，不仅要考虑实现系统要求的功能，还必须考虑软件的抗干扰措施，例如进行数字滤波、软件容错设计、看门狗（监视计时器）程序等。在目前的单片机开发环境中，可以进行软件模拟仿真。对一些和硬件关系不多的程序段，可以在软件
37、模拟仿真过程中，例如，在Keil调试环境中，先行进行调试。4.2 主程序编程软件系统设计的任务是根据总体方案提出的要求和具体的硬件电路，设计出实现应用系统功能要求的控制程序。在进行软件设计的时候，首先应该根据实际情况选择软件的开发环境，好的开发环境的支持是完成软件系统设计的保障。同时，需要确定设计时使用的编程语言。单片机应用系统的开发可以采用汇编语言，其优点是程序效率高，占用的存储器空间小，运行速度快，特别是和硬件相关性强。近年来，面向控制系统的高级语言发展很快，在单片机应用中，C语言（C51）的使用越来越广。高级语言程序通用性强，可读性好，提供函数功能，适于复杂的数学运算。比较好的方案是C语
38、言和汇编语言混合编程，在需要直接控制硬件的场合，使用汇编语言。使用汇编语言编程是单片机应用的设计者需要掌握的基本技能之一。对于单片机应用的软件系统，建立一个好的数学模型是非常必要的。根据任务的要求，描述出各个输出变量和输入变量之间的数学关系。不同的控制对象和任务的要求，建立的数学模型会有所不同。特别是较复杂的控制系统，需要对数据进行数据变换、数学运算，可以采用经验公式，也可以采用成熟的数学公式，这样来保证系统快捷、正确的数据处理。单片机应用系统的设计一般是采用自顶向下的程序设计，在设计软件系统时，要采用模块化的程序设计方法。把整个的软件系统划分为若干个功能相对独立的较小的程序模块，各个程序模块
39、可以分别进行单独设计和编程和测试，最后再集成到一起，共同完成整个系统的任务。模块化的设计方法提高了效率，保证了程序的可靠性。由于单片机应用系统的软件和硬件之间密不可分的联系，在软件设计的开始，要把软件要实现的功能和硬件的结合进行具体的定义。系统的定义包括合理分配存储器空间，包括系统主程序、各个子程序、常数表格、数据缓存区、堆栈区、设定工作单元等。还要定义说明各个输入/输出口的端口地址、读取和输出的方式，信息代码的具体含义等。以及定义按键、显示器等人机对话的控制方式等。在整个程序中统一规定。这些工作必须和硬件电路的设计一起进行。例如LED动态扫描显示程序：ORG 0000HLJMP MAINOR
40、G 1000HDISP ： MOV DPTR，#7FFFH ；8255A的控制端口地址 MOV A，#80H ；8255A的控制字，A口、B口、C口输出，方式0 MOVX DPTR，A ；8255A初始化LED： MOV R2，#07H ；R2作为LED位数计数寄存器，初始值为6 MOV R5，#01H ；R5作为位选寄存器，位选码从左到右依次为： 40H、20H、10H、08H、04H、02H、01HMOV R1，#40H ；R1作为数据缓存区地址寄存器，数据从左到右依次保；存在内部RAM的46H、45H、44H、43H、42H、41H、40H。DISP： MOV A，R1 ；取要显示的数据
41、 MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR ；查表，转换成LED的段码 MOV DPTR，#7FFCH ；8255A的A口地址 MOVX DPTR，A ；送LED段码（字形码） MOV A，R5 MOV DPTR，#7FFDH ；8255A的B口地址 MOVX DPTR，A ；送LED位选码 LCALL DELAY ；延时1ms INC R1 ；修改缓存区地址指针，指向下一个数据 MOV A，R5 RL A MOV R5，A ；修改位选指针R5，指向下一位 DJNZ R2，DISP ；6位显示完否？未完继续 LJMP LED ；重复动态显示过程DELAY：MOV R7，#02H
42、；延时1 ms子程序DL： MOV R6，#0FFHDL1： DJNZ R6，DL1DJNZ R7，DLRETTAB： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH END4.3 串行总线技术在单片机和嵌入式应用系统中，目前大量采用了具有同步串行接口的器件。这些外部接口器件包括串行E2PROM、移位寄存器、显示器件、A/D转换器、D/A转换器、单片机监控电路、通信接口等。微处理器和这些接口芯片之间的通信只需要少量几条信号线就可以实现，和并行I/O接口相比，省掉了大量的地址线、数据线和控制线，省掉了很多常规电路中的接口器件。这些串行接口由于占用CPU的资源
43、少，使得系统的结构大大简化，可以很容易实现模块化结构，并且提高了系统的可靠性。随着技术的发展，这些串行接口芯片还具有速度快、精度高、功能强、工作电压宽、功耗低和抗干扰能力强等特点。同步串行外设接口扩展技术在智能仪器仪表、医疗电子、汽车电子、移动通信、IC卡、信息家电、分布式测控系统等领域得到了广泛应用。在单片机和嵌入式应用系统中使用的同步串行接口总线主要有以下几种：I2C总线（Intel-Integrated Circuit）是Philips公司推出的串行总线；SPI 总线（Serial Peripheral Interface）是Freescale公司(原Motorola公司半导体部)推出的
44、串行总线；单总线（1wire）是由Maxim全资子公司Dallas公司推出的串行总线；Microwire/Plus总线是由NS公司推出的增强型串行总线；CAN总线（Controller Area Network）是由Bosch公司推出的最早用于汽车电子的串行总线；USB通用串行总线（Universal Serial Bus）最早用于PC机上的串行总线等。最新推出的单片机很多都有符合以上总线的标准接口，所以使用起来非常方便。89C51这类的单片机虽然没有专门的同步串行总线接口，但是，它们可以利用自己的少数几根I/O口线，通过软件模拟通信协议，进行同步串行总线外设接口芯片扩展，更具有灵活方便的特点
45、。1. SPI串行外设接口总线1PI (Serial Peripheral Interface)总线是Freescale公司(原Motorola公司半导体部)推出的同步串行外设接口总线。它用于MCU与各种外围设备以串行方式同步传送和接收8位数据。外围设备包括简单的TTL移位寄存器（用作并行输入或输出口）至复杂的LCD显示驱动器或A/D转换器等。SPI总线主要特性：SPI总线是全双工同步串行通信标准，可以同时同步传送和接收8位数据；SPI串行接口设备可以配置为主或从操作模式；接口设备工作于主机模式时，要提供同步时钟信号，并决定要选中的从机，发出从机片选信号。接口设备工作于从机模式时，从主机获取时钟和片选信号，选中的从机和主机通信，没有被选中的从机将其数据线处于高阻抗状态。接口共使用4条信号线：主机输出的低电平有效的从机选择线CS (SS)主机输出/从机输入的数据线 MOSI主机输入/从机输出的数据线 MIS
