...進一步熟悉和掌握單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)流程和方法。以電...

1、2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,1,本章導讀本章主要介紹單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)，進一步熟悉和掌握單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)流程和方法。以電纜充氣機系統(tǒng)的開發(fā)為實例，介紹了“單片機+CPLD”的開發(fā)模式；以AT89C2051控制的單燈閃爍項目的開發(fā)為實例，介紹了MedWin軟件的使用和用ME-52HU仿真器進行用戶系統(tǒng)仿真調(diào)試的過程。,第9章 單片機應用系統(tǒng)開發(fā),2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,2,設計、調(diào)

2、試單片機應用系統(tǒng)稱為單片機開發(fā)。單片機本身一般不帶開發(fā)系統(tǒng),需要借助于8051MCU開發(fā)工具來進行軟、硬件的設計與調(diào)試。設計時應著重考慮應用現(xiàn)場的各種因素,盡量減輕和避免現(xiàn)場的各種干擾,使系統(tǒng)能夠正常地運作。要組建一個應用系統(tǒng),還需要給它配備必要的外圍部件。 9.1.1　單片機應用系統(tǒng)設計要求1. 熟悉應用對象,確定控制范圍設計之前需要了解現(xiàn)場的環(huán)境,全面詳細地了解被控制對象的特點和生產(chǎn)工藝過程。2. 提高可靠性和抗干擾能力設

3、計時應充分考慮到系統(tǒng)的故障檢測和自我保護功能。,9.1 單片機應用系統(tǒng)開發(fā)步驟,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,3,1. 選擇合適的單片機按要求挑選合適的單片機, 選擇性價比高的單片機。2. 軟硬件的合理劃分對于實時性要求高,又耗CPU執(zhí)行時間的可以考慮用硬件實現(xiàn)。在CPU負載不重的情況下,可盡量通過軟件的方式來完成。采用“單片機+CPLD”的模式 。3. 硬件電路設計硬件電路的設計是根據(jù)系統(tǒng)的要求,確定要

4、用的外圍設備和元件,設計系統(tǒng)的電原理圖, 經(jīng)必要的實驗,完成工藝結構設計、印刷線路板的制作和樣機的組裝。4. 軟件程序設計采用結構化的程序設計方法,程序的算法要正確、結,9.1.2　單片機應用系統(tǒng)設計流程,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,4,1. 系統(tǒng)開發(fā)的目的和原理目的: 保證通信線路所在管道的氣壓和濕度能維持在正常的范圍內(nèi),一旦發(fā)現(xiàn)氣壓或濕度超常,將啟動空壓機,對其充壓和抽干,在系統(tǒng)產(chǎn)生故障的時候能自動報警和

5、緊急處理。工作原理:通過采集儲氣管的壓力來控制空壓機供氣系統(tǒng)的工作。2. 系統(tǒng)開發(fā)要求系統(tǒng)開始工作,或系統(tǒng)檢測到儲氣管的壓力小于壓力下限2.0Kg時, 空壓機供氣系統(tǒng)開始工作。當一個系統(tǒng)的空壓機過流報警,濕度報警時,只能選擇另一套系統(tǒng)工作。當兩套系統(tǒng)均無報警信息時,應選擇連續(xù),9.2 單片機應用系統(tǒng)開發(fā)實例9.2.1　系統(tǒng)開發(fā)的目的和要求 1,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,5,工作時間短的一套系統(tǒng)工作。

6、空壓機供氣系統(tǒng)先以一套供氣系統(tǒng)進行工作,當儲氣管的壓力達到壓力上限5.0Kg時停止工作。當一套系統(tǒng)無法在5分鐘內(nèi)使儲氣管的壓力達到壓力上限時,應啟動另一套系統(tǒng)同時工作,如兩套系統(tǒng)同時工作10分鐘仍無法使儲氣管的壓力達到壓力上限,認為供氣系統(tǒng)有故障,應停止兩套系統(tǒng)工作,設立流量（大漏氣）報警標記,由打印機打印故障記錄,啟動蜂鳴器報警,同時通過電話網(wǎng)絡呼叫報警中心。在使用兩套空壓機供氣系統(tǒng)時,在正常應使兩套系統(tǒng)輪換工作每套系統(tǒng)工作2小時。

7、但在一套系統(tǒng)已開始工作儲氣管的壓力未達到壓力上限時不受2小時的限,9.2.1　系統(tǒng)開發(fā)的目的和要求 2,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,6,制應工作到壓力達到上限以免高壓開機?？諌簷C供氣系統(tǒng)開始工作時應先啟動放水閥門3秒,使系統(tǒng)管道內(nèi)的水得以釋放,3秒后啟動空壓機電機,同時使干燥篩以30秒的間隔輪換工作。如在正常工作的情況下,系統(tǒng)達到壓力上限而停止工作,某干燥篩的工作時間未達到30秒,則下次啟動時,仍應使用該干燥篩,

8、到30秒后再切換。以上工作參數(shù)均可用PC機進行異地設置調(diào)整。1. 充氣機系統(tǒng)的架構系統(tǒng)的架構示意圖如圖9.1,選用89C52單片機,配以并行和串行電路/A/D轉換電路/RAM掉電保護電路和一個看門狗電路等。實際使用的電纜管道用一組撥盤開關或遠程的PC機來設置。,9.2.2　系統(tǒng)的整體架構 1,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,7,配備打印機和顯示面板, 實時顯示系統(tǒng)工作情況和,9.2.2　系統(tǒng)的整體架構 2,20

9、24/3/23,MCS-51單片機原理與應用,8,記錄故障信息 。系統(tǒng)通過控制MODEM,經(jīng)由電話網(wǎng)絡跟PC機建立通信連接。 2. 充氣機系統(tǒng)輸入模擬量儲氣管壓力P范圍為0.0 ～9.9 Kg,1 Kg相當于輸入模擬電壓1V。用于判斷空壓機供氣系統(tǒng)的工作?？倸夤軌毫01～P04范圍為0.0 ～0.9 Kg1 Kg相當于輸入模擬電壓5V。用于監(jiān)視充氣機的輸出量,不足0.2 Kg時作低氣壓報警。支氣管壓力p1～p40范圍為0.0

10、～0.9 Kg,1Kg相當于輸入模擬電壓5V。用于監(jiān)視每條電纜的供氣量,不足0.2 Kg時作低氣壓報警。3. 充氣機系統(tǒng)的報警量由傳感器轉換為開關量輸入,9.2.2　系統(tǒng)的整體架構 3,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,9,電網(wǎng)電壓異常報警:如空壓機供氣在工作,停止供氣系統(tǒng),打印出錯信息,呼叫報警中心。設置電網(wǎng)電壓標記,十分鐘后檢查是否恢復正常,如正常繼續(xù)工作?？諌簷C過流報警:停止供氣系統(tǒng),打印出錯信息,呼叫報警中

11、心。設置該系統(tǒng)的空壓機過流標記,禁止此空壓機供氣系統(tǒng)工作,直至重新上電時才能恢復系統(tǒng)工作。濕度報警:干燥篩出現(xiàn)故障時報警,停止供氣系統(tǒng),打印出錯信息,呼叫報警中心,設置該系統(tǒng)的濕度報警標記。啟動供氣系統(tǒng)時應根據(jù)該標記判斷采用哪個系統(tǒng)。溫度報警:系統(tǒng)溫度過高時報警,停止供氣系統(tǒng),打印出錯信息,溫度降低后,此報警量自動復位。4. 充氣機系統(tǒng)的輸出報警量,9.2.2　系統(tǒng)的整體架構 4,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用

12、,10,當兩個空壓機累計的工作時間超過電機的限定值時,將分別產(chǎn)生系統(tǒng)超時報警,報警量的產(chǎn)生和處理如表9.1（見教材P.201）。 5. 充氣機系統(tǒng)的通信模塊系統(tǒng)的通信模塊通過MODEM與電話網(wǎng)絡相連接,實現(xiàn)報警和遠程PC機的數(shù)據(jù)通信。 1. 充氣機系統(tǒng)的主控部分充氣機系統(tǒng)的硬件主控部分的主要電路如圖9.2 （見教材P.202）,圖中采用的單片機是89C52,由DS12887A芯片提供實時時鐘,外接一片6264來擴展系統(tǒng)的片外RA

13、M,圖中邏輯門電路實際是由一塊CPLD芯片來實現(xiàn)。 89C52的INT0中斷,被用作外部中斷的輸入口。共有,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 1,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,11,UPS、報警量輸入（WARN_INT）、實時時鐘（TIMER_INT）和按鍵（SW_INT） 4個中斷 。74LS138產(chǎn)生的片選信號和地址分配如表9.2。 看門狗電路和復位電路如圖9.3所示。,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 2,20

14、24/3/23,MCS-51單片機原理與應用,12,看門狗電路用了X5045芯片,SI、WDI和SCK輸入端分別由89C52的P1口驅動,并定時清除X5045計數(shù)器, 避免其產(chǎn)生復位信號。一旦受到干擾而程序跑飛時,89C52將無法提供清除信號,因此X5045會在RESET端口給出復位信號,此信號通過跳線JP101連接到RESET端,從而將單片機復位。,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 3,2024/3/23,MCS-51單

15、片機原理與應用,13,按鍵SW101作為外部的強制復位,圖中跳線JP101～JP103可有選擇的將復位信號連接到系統(tǒng)的不同部分。遠程PC會定時與主控系統(tǒng)進行通信,回讀存放在6264中的工作記錄等數(shù)據(jù),因此設計了掉電保護電路,當工作電源故障時,切換至備用電源對內(nèi)存供電。掉電保護電路原理圖如圖9.4。,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 4,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,14,圖9.4中VCC是正常時的工作電源,3.6V的電池

16、是備用電源,VCCRAM接到6264的電源管腳上。正常工作時VCCRAM直接由VCC供電,一旦VCC發(fā)生故障,二極管D101便無法導通,此時VCCRAM轉而由3.6V的備用電源供電,從而保證了6264中保存的數(shù)據(jù)不會因此而丟失。為了防止備用電源電力的耗盡,采用了LM339的比較器來監(jiān)控備用電源的電壓,一旦電壓低于一定值,比較器的輸出BATT就會發(fā)生變化,BATT管腳是連接到圖9.4中74LS244的輸入管腳1A4上,89C52可以通過讀

17、取這個管腳得知備用電源的電力狀況,從而產(chǎn)生相應的報警信息。中斷信息的讀取電路如圖9.5所示。,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 5,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,15,因所有的中斷源都共享一個89C52的中斷口INT0,所以89C52在收到中斷請求之后,會通過74LS244來讀取中斷源的信息,以此來判斷到底是哪個中斷源申請的中斷。片選信號SEL由74LS138譯碼器的Y7端口提供。2. 充氣機的通信電路系統(tǒng)通信功能

18、通過連接一調(diào)制解調(diào)器來實現(xiàn),用一片MC145407將RS-232電平轉化成單片機能處理的TTL電平。89C52的P1口與MC145407,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 6,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,16,相連,通過DB-9與調(diào)制解調(diào)器連接,電原理圖如圖9.6。3. 充氣機的面板接口電路面板包括:數(shù)碼顯示、發(fā)光二極管指示、打印機、面板開關、報警輸入等。通過兩片Intel 8255A芯片構成面板接口,通

19、過50PIN的電纜插件與面板相連。電原理圖如圖9.7其中RESPACK301和RESPACK302是排阻。,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 7,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,17,,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 8,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,18,報警輸入占用6bit, 將這6個報警量相與,構成中斷申請信號。報警輸入用了第2片8255A的PA6～PA4和PA2～PA0。面板開關占

20、用了4bit, 將這4個開關量相與,構成中斷申請信號。開關量輸入用了第1片8255A的PC3～PC0。采用8個數(shù)碼管,用于顯示兩臺空壓機的累計工作時間4位、壓力顯示4位。數(shù)碼管有對應的寄存器和譯碼器,為靜態(tài)顯示模式。更換顯示內(nèi)容時,先輸出空壓機工作時間的BCD碼4位和壓力的BCD碼4位,然后輸出相應顯示位的控制信號4位,使BCD碼輸入到相應的顯示寄存器。顯示共占用了12bit。累計時間的BCD碼為第1片的PA3～PA0,壓力的BCD

21、碼為第1片的PA7～PA4,,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 9,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,19,數(shù)碼管顯示的控制信號為第1片的PC7～PC4。發(fā)光二極管顯示為9bit為第1片的PB0～PB2、PB4～PB7和第2片的PC5～PC4。蜂鳴器的信息為1bit為第2片的PC6。打印機輸出采用查詢方式,數(shù)據(jù)線（PRINTER_D[7:0]）　為第2片的PB7～PB0,BUSY為第2片的PA7,STR為第2片的PC7

22、。4. 充氣機的數(shù)據(jù)采集和A/D轉換電路數(shù)據(jù)采集和A/D轉換的電原理圖如圖9.8。系統(tǒng)最多可以同時監(jiān)控45路支氣管道的氣壓狀況,因此對于每一支路的氣壓都會用一個壓力傳感器將壓力轉化成電壓。這些電壓值會通過6個15PIN的電纜插件與主控系統(tǒng)相連接,通過一個A/D轉換器件將模擬量轉換成數(shù)字量。,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 10,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,20,標有S1～S45的連接線分別連接到6個電纜插件上,代

23、表每一支路氣壓值。這45支路壓力值通過2級4051器件進行多路選通, 選擇到的那一路的電壓值通過ADC 0804將模擬量電壓值轉換成數(shù)字量。 89C52通過讀取,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 11,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,21,ADC0804即可獲得該路的氣壓值。主控系統(tǒng)可以將多路氣壓的8位選通信號通過數(shù)據(jù)總線DB7～DB0寫入,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 12,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應

24、用,22,74LS273,經(jīng)過鎖存之后的選通信號會分別連接到各個4051的A～C端口進行選擇。系統(tǒng)通過輪詢45路的支氣管道,便可獲取每一支路的氣壓值。設置一些撥盤開關,用其狀態(tài)來代表某支路管道是否有效。 89C52通過查詢這些撥盤開關的狀態(tài), 獲知當前支路那些是有效的。5. 充氣機的輸出控制電路主控系統(tǒng)通過采集各個氣路的氣壓值,分析氣路狀況,根據(jù)要求調(diào)整空壓機的工作狀態(tài)和參數(shù)。這里要介紹的輸出控制電路,就是將主控系統(tǒng)的指令傳達到工

25、作的電機上。輸出控制電路用以控制空壓機的電機、干燥分子篩的切換電磁閥和放水電磁閥。,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 13,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,23,空壓機電機控制電原理如圖9.9（a）:EX_GND為外部24V的地線。由于電機電壓是24V,所以要將空壓機電機控制信號IN2,通過光電耦合器件（OPT）驅動三極管，再輸出控制電機。IN2為1 ,輸出OUT2為24V, IN2為0 ,輸出OUT2為0V。電磁閥控制

26、電原理如圖9.9（b）,其中電磁閥的工作電壓是24V,EX_GND是24V地線。電磁閥控制信號IN4通過光電耦合之后,經(jīng)三極管輸出OUT4來驅動外部繼電器,以實現(xiàn)電源隔離并提供驅動電流。,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 14,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,24,控制信號IN4為1 時,輸出OUT4為24V,控制信號IN4為0 時,輸出OUT4為0V。輸出控制電原理圖如圖9.10（見教材P.209）, 總共

27、有2臺空壓機和5個電磁閥(4個干燥分子篩的切換閥和1個放水閥), 需要2套空壓機電機驅動電路OPT1和OPT2,5套電磁閥繼電器驅動電路REALY1～REALY5）。所有的控制信號通過74LS273構成輸出電路。為了防止左右電磁閥同時動作,在U40174LS273的輸出端增加了控制電路,由D401和D402,9.2.3　系統(tǒng)的硬件說明 15,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,25,二極管和3個電阻構成。為

28、了防止系統(tǒng)電路在上電時,74LS273的輸出不全為0, 在其清除端CLR加了上電復位電路,以避免電機和電磁閥被誤操作。軟件的主體流程主要用于采集各氣路的氣壓值,控制空壓機的啟閉,重大故障的報警處理等。主程序流程圖如圖9.11。首先,初始化整個系統(tǒng),包括89C52，看門狗芯片X5045,實時時鐘芯片DS12887,擴展輸出輸入口8255A,以及調(diào)制解調(diào)器等。,9.2.4　系統(tǒng)的軟件說明 1,2024/3/23,MC

29、S-51單片機原理與應用,26,部分源程序見教材P.208～ P.212。為了簡化硬件連線,增加系統(tǒng)的靈活性,以及便于日后的升級, 采用了“單片機+CPLD”的設計模式。其中, CPLD就是復雜可編程邏輯器件。CPLD的設計方法有很多種,包括電原理圖、狀態(tài)圖法、HDL語言等。從效率及可讀性方面而言,HDL語言無疑是最佳的選擇。HDL語言的設計方法,就是用一種硬件描述的方法來設計電路。例如,對于本系統(tǒng)中的138譯碼器,采用Verilo

30、g HDL語言進行設計的代碼如教材P.212～ P.213。將一些系統(tǒng)常用的邏輯芯片,組合邏輯和粘合邏輯都用CPLD來實現(xiàn),從而大大減少印刷線路板的面積,降低連線復雜度,,9.2.5　系統(tǒng)邏輯電路的可編程設計 1,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,27,節(jié)省成本。同時,還可以對CPLD內(nèi)的電路進行模擬仿真,便于硬件設計的修改,縮短了調(diào)試的周期。有關MedWinV3內(nèi)容,若有需要可參閱P.213～ P.218。,9.2

31、.5　系統(tǒng)邏輯電路的可編程設計 2,2024/3/23,MCS-51單片機原理與應用,28,單片機經(jīng)歷了SCM、MCU和SoC三大階段,新一代80C51是51系列MCU中的佼佼者。Atmel公司生產(chǎn)的AT89系列單片機,把閃速存儲器作為程序存儲器,給學習單片機編程也帶來了極大的方便。學習單片機要準備好單片機開發(fā)工具，包括通用編程器和仿真器，安裝好51工具軟件。掌握十進制數(shù)與其它x進制數(shù)之間的轉換，它們有著共同的規(guī)律：x化10，都是