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1、项目1 单片机及其最小应用系统,知识目标：1了解单片机的定义、类型和应用领域；2掌握AT89S51单片机的封装形式、实物外形及各个引脚的功能；3.掌握AT89S51单片机最小系统的组成及相关电路的工作原理；4.掌握AT89S51单片机基本接口电路的组成及电路功能。能力目标：1.认识AT89S51单片机、晶体振荡器、RS-232串口端及电阻、电容 等元器件。2.会搭建单片机最小系统应用电路；3.了解单片机应用系统的开发过程。,任务1 认识单片机,单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称。所谓单片机，通俗的来讲，就是把中央处理器CPU（Central Pro
2、cessing Unit），存储器（memory），定时器，I/O（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机特别适合于控制领域，故又称为微控制器MCU（Micro Control Unit）。中文“单片机”的称呼是由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来的。单片机只要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。,1单片机是什么（定义）,任务1 认识单片机,2单片机能干什么（应用领域）,（1）在智能仪器仪表上的应用（2）在工业控制中的应用（3）在家用电器中的应用（4）在计算机网络和通
3、信领域中的应用（5）单片机在医用设备领域中的应用（6）在各种大型电器中的模块化应用 此外，在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域也有着十分广泛的用途。,任务1 认识单片机,3.为什么单片机这么能干,（1）功能够用：实际工作中并不是任何需要计算机的场合都要求计算机有很高的性能，应用的关键是看是否够用，是否有很好的性能价格比。（2）价格便宜，即性价比高；（3）集成度高，体积小，可靠性好；（4）低功耗、低电压；（5）易扩展。,任务1 认识单片机,4.单片机经历了哪些阶段,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段：（1）SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段
4、，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。（2）MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。（3）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。,任务1 认识单片机,5单片机有哪些系列,（
5、1）8051 单片机（2）MOTOROLA 单片机（3）Microchip 单片机（4）Atmel 单片机（5）NEC 单片机（6）东芝单片机（7）富士通单片机（8）LG公司生产的GMS90系列单片机（9）凌阳16位单片机（10）Scenix单片机（11）EPSON单片机（12）华邦单片机,温馨提示,1.熟悉和了解单片机的内部资源和指令系统；2.了解并熟练掌握常用软件的使用方法。源程序编译及调试软件Keil C51等；硬件电路仿真软件Proteus。3.坚持手、脑并用的原则；要勤于动手，要多做、多看、多想，先看懂别人的程序，再学修改别人的设计，最后是自己设计，编写程序。4.学好相关硬件电路知识
6、，软件与硬设计结合，理论与实践结合。学会利用网上的资源，会上单片机的网站并会查相关资料。5.最后要自己动手完整设计完成一个课题，并总结经验，在实践中掌握单片机应用技术。,怎样学习单片机课程？,1.计算机一台：无特殊要求，可选用经济型电脑。能上网最佳。2.开发实验板一块：学校统一提供，可完成多个实用课题。也可以自己制作。3.ISP下载线一条：用于对单片机进行编程下载，可自制。4.相关软件：开发软件、仿真软件、ISP下载软件等，如：源程序编辑软件：记事本、UltraEdit等。集成开发软件：Keil C51等。电路仿真软件：Proteus等其它工具软件：参数计算设置软件、串口调试、PCB设计等软件
7、5.工具书：教材12本6.其它资料：器件资料、应用文档、实例等，主要由网络收集。7.U盘：1G，用于保存资料（选购）。,温馨提示,学习单片机要哪些准备？,任务2 单片机AT89S51的识读,AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场
8、合，可灵活应用于各种控制领域。AT89S51单片机芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。单片机AT89S51的TQFP和PLCC封装形式如图所示，PDIP封装形式和三种封装的实物芯片外形如图所示。,任务2 单片机AT89S51的识读,AT89S51的封装形式和三种封装的芯片外形,40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S5
9、1设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。,任务2 单片机AT89S51的识读,1功能特性概述,8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路,任务2 单片机AT89S51的识
10、读,2主要性能参数,（1）电源引脚Vcc和GNDVcc（40脚）：电源端，接5V。GND（20脚）：接地端（2）时钟电路引脚 XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。XTAL2（18脚）：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。（3）ALE（30脚）：地址锁存允许系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。（4）（32脚）：外部程序存储器读选通信号。是读外部程序存储器
11、的选通信号，低电平有效。（5）/VPP（31脚）：外程序存储器地址允许输入端。当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。（6）RST（9脚）：复位信号输入端。该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。,任务2 单片机AT89S51的识读,3引脚功能说明,（7）4个输入/输出端口P0、P1、P2和P3P0口（P0.0P0.7）：P0口是一个8 位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动8 个TTL 逻辑电平。对P0 端口写“1”时，引脚用作高阻
12、抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在flash 编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口（P1.0P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。通常，P1口是提供给用户使用的I/O口。Flash编程和程序校验期间，P1接受低8位地址。同时P1.5、P1.6、P1.7具有第二功能，如表1-2-1所示。,任务2 单片机AT89S51的识读,P2口（P2.0P2.7）：P2 是一个带 内部上拉电阻的8 位双向IO口，
13、P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区 P2 寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它控制信号。,任务2 单片机AT89S51的识读,P3口（P3.0P3.7）：P3口是一组带内部上拉电阻的8 位双向
14、I0口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3 口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表1-2-2所示.P3口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。,任务2 单片机AT89S51的识读,MCS-51 单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具64KB外部程序和数据的寻址空间。MCS-51单片机存储器结构如图2.3所示。程序存储器 如果EA 引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。
15、在AT89S51，假如EA 接至Vcc（电源+），程序首先执行地址从0000H0FFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000HFFFFH（60KB）的外部程序存储器。数据存储器 AT89S51 的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。,任务2 单片机AT89S51的识读,4.存储器结构,WDT是为了解决CPU 程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit 计数器和看门狗复位SFR（WDTRST）构成。外部复位时，WDT 默认为关闭状态，要打开WDT，用户必须按顺序将01EH 和
16、0E1H 写到WDTRST 寄存器（SFR 地址为0A6H），当启动了WDT，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT 溢出复位外没 其它方法关闭WDT，当WDT 溢出，将使RST 引脚输出高电平的复位脉冲。使用看门狗（WDT）打开WDT 需按次序写01EH 和0E1H 到WDTRST 寄存器（SFR 的地址为0A6H），当WDT 打开后，需在一定的时候01EH 和0E1H 到WDTRST 寄存器以避免WDT 计数溢出。14 位WDT 计数器计数达到16383（3FFFH），WDT 将溢出并使器件复位。WDT打开时，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，这意味着用户必须在小于每个1
17、6383 机器周期内复位WDT，也即写01EH 和0E1H 到WDTRST 寄存器，WDTRST 为只写寄存器。WDT 计数器既不可读也不可写，当WDT溢出时，通 将使RST 引脚输出高电平的复位脉冲。复位脉冲持续时间为98Tosc，而Tosc=1Fosc（晶体振荡频率）。为使WDT 工作最优化，必须在合适的程序代码时间段周期地复位WDT 防止WDT 溢出。,任务2 单片机AT89S51的识读,5.看门狗定时器（WDT）,掉电时期，晶体振荡停止，WDT也停止。掉电模式下，用户不能再复位WDT。两种方法可退出掉电模式：硬件复位或通过激活外部中断。当硬件复位退出掉电模式时，处理WDT 可象通常的上
18、电复位一样。当由中断退出掉电模式则所不同，中断低电平状态持续到晶体振荡稳定，当中断电平变为高即响应中断服务。为防止中断误复位，当器件复位，中断引脚持续为低时，WDT 并未开始计数，直到中断引脚被拉高为止。这为在掉电模式下的中断执行中断服务程序而设置。为保证WDT在退出掉电模式时极端情况下不溢出，最好在进入掉电模式前复位WDT。在进入空闲模式前，WDT打开时，WDT是否继续计数由SFR中的AUXR的WDIDLE位决定，在IDLE 期间（位WDIDLE=0）默认状态是继续计数。为防止AT89S51从空闲模式复位，用户应周期性地设置定时器，重新进入空闲模式。当位WDIDLE被置位，在空闲模式WDT将
19、停止计数，直到从空闲（IDLE）模式退出重新开始计数。,任务2 单片机AT89S51的识读,掉电和空闲状态时的WDT,任务3 单片机最小系统的组成,所谓单片机最小系统，是指用最少的元件能使单片机工作起来的一个最基本的组成电路。那么拿到一块单片机芯片，想要使用它，怎么办呢？首先要知道怎样连线。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路等。同时，单片机要正常运行，还必须具备电源正常、时钟正常、复位正常三个基本条件。以AT89S51单片机组成的最小系统图如所示，（a）图为电路原理图，（b）图为实物电路图。,图（a）单片机最小系统电路原理图,图（b）单片机最小系统实物图,任
20、务3 单片机最小系统的组成,电路以单片机AT89S51为核心，AT89S51的18，19引脚外接由C1、C2、X1构成石英晶体振荡电路，9引脚外接由C3、R1构成的上电复位电路，加上20引脚接地，40引脚、31引脚接电源VCC，这就构成了AT89S51单片机的最小系统。通上电，单片机就开始工作了。当然没有程序的单片机还是什么工作也没能完成的，只能说是进入工作准备就绪状态。1电源电路：电源是单片机工作的动力源泉。对应的接线方法为：40脚（VCC）电源引脚，工作时接+5V电源，20脚（GND）为接地线。2时钟电路：时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下进
21、行的。时钟电路就好比人的心脏，如果人的心跳停止了，人就。同样，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。3复位电路：在复位引脚（9脚）脚持续出现24个振荡器脉冲周期（即2个机器周期）的高电平信号将使单片机复位，此时，一些专用寄存器的状态值将恢复为初始值。4控制引脚EA接法。EA/VPP（31脚）为内外程序存储器选择控制引脚，当EA为低电位时，单片机从外部程序存储器取指令；当EA接高电平时，单片机从内部程序存储器取指令。,任务3 单片机最小系统的组成,时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各地信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同
22、步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。（1）时钟信号的产生在MCS-51芯片内部有一个高增益相反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图所示。,知识链接,1单片机的时钟电路,时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误。一般电容C1和C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是1.2MHZ12
23、MHZ。晶体振荡频率高,则系统的时钟频率也高,单片机运行速度也就快。MCS-51在通常应用情况下，使用振荡频率为的6MHZ或12MHZ。,1单片机的时钟电路,知识链接,（2）引入外部脉冲信号在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入，其连接如图所示。,知识链接,1单片机的时钟电路,（3）时序时序是用定时单位来说明的。MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。下面分别加以说明。1）节拍与状态把振荡脉冲的周期定义为拍节（用P表示）。振荡脉冲经过二
24、分频后，就是单片机的时钟信号的周期定义为状态（用S表示）。这样，一个状态就包含两个拍节，具前半周期对应的拍节叫拍节1（P1），后半周期对应的拍节2(P2).2）机器周期MCS-51采用定时控制方式,因此它有固定的机器周期。规定1个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1S6。由于1个状态又包括两个节拍,因此1个机器周期总共有12个节拍,分别记作S1 P1S1 P2。S6P2.由于1个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频。当振荡脉冲频率为12 MHZ时,一个机器周期为1us。当振荡脉冲频率为6 MHZ时,一个机器周期为2 us。3）指令周期指令周期是最大的时序定时
25、单位,执行一条指令所需要的时间称之为指令周期。它一般由若干个机器周期组成。不同的指令，所需要的机器周期数也不相同。通常，包含1个机器周期的指令称为单周期指令，包含2个机器周期的指令称为双周期指令，等等。指令的运算速度和指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令执行速度越快。MCS-51 单片机通常可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令等3种。,知识链接,1单片机的时钟电路,单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。所以，必须弄清楚MCS-51型单片机复位的条件、复位电路和复
26、位后状态。单片机复位的条件是：必须使RST/VPD 或RST引脚（9）加上持续二个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。例如：若时钟频率为12MHZ，每机器周期为1us，则只需2us以上时间的高电平。在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。单片机常见的复位电路如图（a）（b）所示。,图（a）为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RST端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RST的电位逐渐下降。只要保证RST为高电平的时间大于2个机器周期，便能正常复位。图（b）为按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按图（b）中的RESET键，此时电源VCC经电阻
27、R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。,单片机复位期间不产生ALE和信号，即ALE=1和=1。这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。复位后，内部各专用寄存器状态如下：,其中x表示无关位。请注意：（1）复位后PC值为0000H，表明复位后程序从0000H开始执行，这一点在实训中已介绍。（2）SP值为07H，表明堆栈底部在07H。一般需重新设置SP值。（3）P0P3 口值为FFH。P0P3口用作输入口时，必须先写入“1”。单片机在复位后，已使P0P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。,任务4 单片机应用系统的设计,单片机应用系统是以单片机为核心，在单片机最小系统的基础上
28、配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。单片机应用系统是由硬件和软件组成，硬件是应用系统的基础，软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可，单片机应用系统的组成如图所示。,图1.4.1 单片机应用系统的组成,任务4 单片机应用系统的设计,由此可见，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并能够将二者有机结合起来，才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。通过单片机的I/O接口，在其周围可以设置很多的外围应用电路。下面我们以一些典型外围电路进行说明。,1、实现显示输出的发光二极
29、管电路8路发光二极管显示电路如图所示，8个采用共阳极连接方式的发光二极管，每个发光二极管均接有限流电阻。只要将单片机最小系统中的任意一个I/O口与之相连接，就可以构成一个单片机最小应用系统电路。当单片机I/O口输出低电平时，发光二极管就亮；而输出高电平时，发光二极管就不亮；,图1.4.2 8路发光二极管显示电路,任务4 单片机应用系统的设计,按键是单片机的输入电路，通过按键操作实现对单片机的工作进行控制。按键有按下和未按下之分，单片机通过定义按键的功能，判断和检测键是否按下来，以便决定单片机执行哪一段程序，完成哪一个特定功能。按键电路如图所示，（a）独立式按键电路，（b）矩阵式按键电路。只要将
30、单片机最小系统中的任意一个I/O口与之相连接，就可以构成一个单片机按键输入电路。对于独立式按键电路来说，当某个按键按下时，对应的单片机I/O口线为低电平，反之为高电平时。,2.实现输入控制的按键电路,任务4 单片机应用系统的设计,任务4 单片机应用系统的设计,（a）独立式按键电路（b）矩阵式按键电路图1.4.3 按键电路,任务4 单片机应用系统的设计,单片机与数码管连接的电路有两种，一种是静态显示方式，一种是动态显示方式；在静态显示中，数码管的每段LED需要占用一条端口线实现显示控制。由于单片机端口的引脚有限，在数码管较多时不宜采用静态显示方式，常采用动态显示控制方式来连接电路。如图所示，采用
31、4位数码管显示的电路，通过段码和位选码来与单片机最小系统进行连接。,3实现数字显示的数码管输出电路,任务4 单片机应用系统的设计,图1.4.4 4位数码管显示电路 图声光报警电路,任务4 单片机应用系统的设计,4实现声光报警的输出电路声光报警电路如图所示，当单片机的P3.7输出低电平，QB导通，二极管DB1点亮，蜂鸣器发出报警声。除上述电路外，还有相关的外围硬件电路，在此不一一介绍了，放在相应的项目或任务中讲解。对于单片机应用系统而言，要想完成一个特定的工作任务，光设计好硬件电路还不行，还必须根据功能要求设计相应的控制软件，这样才能使电路按照设计要求自动地进行工作。对单片机应用技术而言，除要应
32、用到硬件知识，还要应用到相关的软件设计知识。因此，单片机应用系统的开发和应用是硬件设计和软件设计的结合。,知识链接,1.1 如何让单片机工作起来把需单片机完成的任务编成程序装入单片机芯片中，给单片机应用系统加电（有的需其它电路），单片机就会自动工作起来。1.2 单片机的工作过程单片机的工作过程实质上是执行用户编制程序的过程，一般程序的机器码都已固化到存储器中，因此开机复位后，就可以执行指令。执行指令又是取指令和执行指令的周而复始的过程。单片机通过PC控制下，一条条的从程序存储器中读取指令（至于如何把程序存到存储器中，我们可以利用相应工具实现的），然后执行该指令就可以实现，相应的控制功能。程序开
33、发的过程就是：把用户要求转化为指令（程序语句）存放到程序存储器在单片机CPU控制下取指令执行指令实现相应功能。必须明白我们的角色就是主要是完成第一步，就是要进行程序的编制，使单片机按照我们的要求工作，而剩余的工作是由单片机自动完成的。,1.3 如何进行单片机应用系统的开发分析任务（即明确设计任务具体是什么）-方案选择（根据设计任务选择一组最适合的电路方案）硬件电路设计软件程序设计调试程序单片机应用系统的调试、测试。具体如下：总体设计1明确设计任务认真进行目标分析，根据应用场合、工作环境、具体用途，考虑系统的可靠性、通用性、可维护性、先进性，以及成本等，提出合理的、详尽的功能技术指标。2器件选择
34、（1）单片机选择主要从性能指标如字长、主频、寻址能力、指令系统、内部寄存器状况、存储器容量、有无A/D、D/A通道、功耗、价能比等方面进行选择。对于一般的测控系统，选择8位机即能满足要求。,知识链接,（2）外围器件的选择外围器件应符合系统的精度、速度和可靠性、功耗、抗干扰等方面的要求。应考虑功耗、电压、温度、价格、封装形式等其他方面的指标，应尽可能选择标准化、模块化、功能强、集成度高的典型电路。3总体设计总体设计就是根据设计任务、指标要求和给定条件，设计出符合现场条件的软、硬件方案。并进行方案优化。应划分硬件、软件任务，画出系统结构框图。要合理分配系统内部的硬件、软件资源。包括以下几个方面：（
35、1）从系统功能需求出发设计功能模块。包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、控制、驱动、供电方式等（2）从系统应用需求分配元器件资源。包括定时器/计数器、中断系统、串行口、I/O接口、A/D、D/A、信号调理、时钟发生器等。（3）从开发条件与市场情况出发选择元器件。包括仿真器、编程器、元器件、语言、程序设计的简易等。,知识链接,（4）从系统可靠性需求确定系统设计工艺。包括去耦、光隔、屏蔽、印制板、低功耗、散热、传输距离/速度、节电方式、掉电保护、软件措施等。1.3.2 硬件设计 由总体设计所给出的硬件框图所规定的硬件功能，在确定单片机类型的基础上进行硬件设计、实验。进行必要的工艺结构设计，制作
36、出印刷电路板，组装后即完成了硬件设计。一个单片机应用系统的硬件设计包含系统扩展和系统的配置（按照系统功能要求配置外围设备）两部分。1硬件电路设计的一般原则（1）采用新技术，注意通用性，选择典型电路。（2）向片上系统（SOC）方向发展。扩展接口尽可能采用PSD等器件。（3）注重标准化、模块化。（4）满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。（5）工艺设计时要考虑安装、调试、维修的方便。,知识链接,2硬件电路各模块设计的原则 单片机应用系统的一般结构 如图所示。,图,图,1.4.6 单片机应用系统的一般结构,知识链接,各模块电路设计时应考虑以下几个方面：（1）存储器扩展：类型、容量
37、、速度和接口，尽量减少芯片的数量。（2）I/O接口的扩展：体积、价格、负载能力、功能，合适的地址译码方法。（3）输入通道的设计：开关量（接口形式、电压等级、隔离方式、扩展接口等），模拟输入通道（信号检测、信号传输、隔离、信号处理、A/D、扩展接口、速度、精度和价格等）。（4）输出通道的设计：开关量（功率、控制方式等），模拟量输出通道（输出信号的形式、D/A、隔离方式、扩展接口等）（5）人机界面的设计：键盘、开关、拨码盘、启/停操作、复位、显示器、打印、指示、报警、扩展接口等。（6）通信电路的设计：根据需要选择RS-232C、RS-485、红外收发等通信标准。（7）印刷电路板的设计与制作：专业设
38、计软件（Protel，OrCAD等）、设计、专业化制作厂家、安装元件、调试等。,知识链接,（8）负载容限：总线驱动。（9）信号逻辑电平兼容性：电平兼容和转换。（10）电源系统的配置：电源的组数、输出功率、抗干扰。（11）抗干扰的实施：芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。1.3.3 软件设计软件设计流程图如图所示。可分为以下几个方面。1总体规划结合硬件结构，明确软件任务，确定具体实施的方法，合理分配资源。定义输入/输出、确定信息交换的方式（数据速率、数据格式、校验方法、状态信号等）、时间要求，检查与纠正错误。,知识链接,2程序设计技术软件结构实现结构化，各功能程序实行模块化、子
39、程序化。一般有以下两种设计方法：（1）模块程序设计：优点是单个功能明确的程序模块的设计和调试比较方便，容易完成，一个模块可以为多个程序所共享。其缺点是各个模块的连接有时有一定难度。,如图1.4.7 软件设计流程图,知识链接,（2）自顶向下的程序设计：优点是比较符合于人们的日常思维，设计、调试和连接同时按一个线索进行，程序错误可以较早的发现。缺点是上一级的程序错误将对整个程序产生影响，一处修改可能引起对整个程序的全面修改。3程序设计（1）建立数学模型：描述出各输入变量和各输出变量之间的数学关系。（2）绘制程序流程图：以简明直观的方式对任务进行描述。（3）程序的编制：选择语数据结构、控制算法、存储
40、空间分配，系统硬件资源的合理分配与使用，子程序的入/出口参数的设置与传递。4软件装配各程序模块编辑之后，需进行汇编或编译、调试，当满足设计要求后，将各程序模块按照软件结构设计的要求连接起来，即为软件装配。在软件装配时，应注意软件接口。,知识链接,1.3.4 可靠性设计 可靠性，通常是指在规定的条件（环境条件如温度、湿度、振动，供电条件等）下，在规定的时间内（平均无故障时间）完成规定功能的能力。提高单片机本身的可靠性措施：降低外时钟频率，采用时钟监测电路与看门狗技术、低电压复位、EFT抗干扰技术、指令设计上的软件抗干扰等几方面。单片机应用系统的主要干扰渠道：空间干扰、过程通道干扰、供电系统干扰。
41、应用于工业生产过程中的单片机应用系统中，应重点防止供电系统与过程通道的干扰。,知识链接,1供电系统干扰与抑制干扰源：电源及输电线路的内阻、分布电容和电感等。抗干扰措施：采用交流稳压器、电源低通滤波器、带屏蔽层的隔离变压器、独立的（或专业的）直流稳压模块，交流引线应尽量短，主要集成芯片的电源采用去耦电路，增大输入/输出滤波电容等措施。2过程通道的干扰与抑制干扰源：长线传输。单片机应用系统中，从现场信号输出的开关信号或从传感器输出的微弱模拟信号，经传输线送入单片机，信号在传输线上传输时，会产生延时、畸变、衰减及通道干扰。抗干扰措施：（1）采用隔离技术：光电隔离、变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。
42、典型的信号隔离是光电隔离。其优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。（2）采用屏蔽措施：金属盒罩、金属网状屏蔽线。但金属屏蔽本身必须接真正的地（保护地）。（3）采用双绞线传输：双绞线能使各个小环路的电磁感应干抗相互抵消。其特点是波阻抗高、抗共模噪声能力强，但频带较差。,知识链接,（4）采用长线传输的阻抗匹配：有四种形式，如图所示,图1.4.8 长线传输的阻抗匹配,知识链接,终端并联阻抗匹配：如图（a）所示，RP=R1/R2，其特点是终端阻值低，降低了高电平的抗干扰能力。始端串联匹配：如图（b）所示，匹配电阻R的取值为RP与A门输出低电平的输出阻抗ROUT（约
43、20）之差值，其特点是终端的低电平抬高，降低了低电平的抗干扰能力。终端并联隔直流匹配：如图（c）所示，R=Rp，其特点是增加了对高电平的抗干扰能力。终端接钳位二极管匹配：如图（d）所示，利用二极管D把B门输入端低电平钳位在0.3V以下。其特点是减少波的反射和振荡，提高动态抗干扰能力。注意：长线传输时，用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。3其他硬件抗干扰措施,知识链接,（3）机械触点，接触器、可控硅的噪声抑制 开关、按钮、继电器触点等在操作时应采取去抖处理。在输入/输出通道中使用接触器、继电器时，应在线圈两端并接噪声抑制器，继电器线圈处要加装放电二极管。可控硅两端并接RC抑制电路，可
44、减小可控硅产生的噪声。（4）印刷电路板（PCB）设计中的抗干扰问题合理选择PCB板的层数，大小要适中，布局、分区应合理，把相互有关的元件尽量放得靠近一些。印刷导线的布设应尽量短而宽，尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。导线的布局应当是均匀的、分开的平行直线，以得到一条具有均匀波阻抗的传输通路。应尽可能地减少过孔的数量。在PCB板的各个关键部位应配置去耦电容。要将强、弱电路严格分开，尽量不要把它们设计在一块印刷电路板上。电源线的走向应尽量与数据传递方向一致，电源线、地线应尽量加粗，以减小阻抗,知识链接,（5）地线设计地线结构大致有保护地、系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地、模拟地等。在设计时，数
45、字地和模拟地要分开，分别与电源端地线相连；屏蔽线根据工作频率可采用单点接地或多点接地；保护地的接地是指接大地。不能把接地线与动力线的零线混淆。此外，应提高元器件的可靠性，注意各电路之间的电平匹配，总线驱动能力要符合要求，单片机的空闲端要接地或接电源，或者定义成输出。室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线，要防止雷击，常用的防雷击器件有：气体放电管，TVS（瞬态电压抑制器）等。,知识链接,4软件的抗干扰设计常用的软件抗干扰技术有软件陷阱、时间冗余、指令冗余、空间冗余、容错技术、设置特征标志和软件数字滤波等（1）实时数据采集系统的软件抗干扰采用软件数字滤波。常用的方法有以下几种：
46、算术平均值法：对一点数据连续采样多次（可取35次），以平均值作为该点的采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。比较舍取法：对每个采样点连续采样几次，根据所采样数据的变化规律，确定取舍办法来剔除偏差数据。例如，“采三取二”，即对每个采样点连续采样三次，取两次相同数据作为采样结果。中值法：对一个采样点连续采集多个信号，并对这些采样值进行比较，取中值作为该点的采样结果。,知识链接,（1）对信号整形可采用斯密特电路整形。（2）组件空闲输入端的处理组件空闲输入端的处理方法如图所示。其中，图（a）所示的方法最简单，但增加了前级门的负担。图（b）所示的方法适用于慢速、多干扰的场合。图（c）
47、利用印刷电路板上多余的反相器，让其输入端接地，使其输出去控制工作门不用的输入端。,图1.4.9 组件空闲输入端的处理方法,知识链接,一阶递推数字滤波法：利用软件完成RC低通滤波器的算法。其公式为：Yn=QXn+（1Q）Yn1其中：Q 数字滤波器时间常数；Xn第n次采样时的滤波器的输入；Yn1第n1次采样时的滤波器的输出。Yn第n次采样时的滤波器的输出。注意：选取何种方法必须根据信号的变化规律予以确定。（2）开关量控制系统的软件抗干扰可采取软件冗余、设置当前输出状态寄存单元、设置自检程序等软件抗干扰措施。,知识链接,5程序运行失常的软件对策程序运行失常：当系统受到干扰侵害，致使程序计数器PC值改
48、变，造成程序的无序运行，甚至进入死循环。程序运行失常的软件对策：发现失常状态后，及时引导系统恢复原始状态。可采用以下方法：程序监视定时器（WatchDog Timer，WDT）技术 程序监视定时器（WatchDog Timer，WDT），也称为“看门狗”，是一个定时器电路，一般有一个输入，叫喂狗，一个输出到MCU的RST端，MCU正常工作的时候，每隔一端时间输出一个信号到喂狗端，给 WDT 清零，如果超过规定的时间不喂狗，(一般在程序跑飞时)，WDT定时超过，就回给出一个复位信号到MCU，使MCU复位，防止MCU死机。,知识链接,“看门狗”的作用就是通过不断监视程序每周期的运行事件是否超过正常
49、状态下所需要的时间，从而判断程序是否进入了“死循环”，并对进入“死循环”的程序作出系统复位处理。即防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。“看门狗”的工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。,知识链接,“看门狗”技术，可由硬件、软件或软硬结合实现。硬件“看门狗”可以很好地解决主程序陷入死循环的故障，但是，严重的干扰有时会出现中断关闭故障使系统无法定时“喂狗”，无法探测到这种故障，硬件“看门狗”电路失效。软件“看门狗”可以保证对中断关闭故障的发现和处理，但若单片机的死循环发生在
50、某个高优先级的中断服务程序中，软件“看门狗”也无法完成其作用。利用软硬结合的“看门狗”组合可以克服单一“看门狗”功能的缺陷，从而实现对故障的全方位监控。（2）设置软件陷阱所谓设置软件陷阱，就是在程序的关键地方人为插入一些指令，将“跑飞”的程序引向复位入口地址0000H。,知识链接,（3）指令冗余技术所谓指令冗余，是在程序的关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写。其作用是可将“跑飞”程序纳入正轨。1.3.5 单片机应用系统的调试、测试 单片机应用系统的软、硬件制作完成后，必须反复进行调试、修改，直至完全正常工作，经过测试，功能完全符合系统性能指标要求，应用系统设计才算完成。1硬件
