单片机原理及接口技术(C51编程)第12章-应用系统设计课件.ppt

第第1212章章 AT89S51AT89S51单片机的应用单片机的应用 系统设计系统设计 112.1单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计步骤单片机应用系统的设计，首先要经过深入细致的需求分析，周密而单片机应用系统的设计，首先要经过深入细致的需求分析，周密而科学的方案论证才能使系统设计工作顺利完成。一个单片机应用系统设科学的方案论证才能使系统设计工作顺利完成。一个单片机应用系统设计，一般可分为计，一般可分为4个阶段。个阶段。（1）明确任务和需求分析以及拟定设计方案阶段）明确任务和需求分析以及拟定设计方案阶段明确系统要完成的任务十分重要，是设计工作的基础以及系统设计明确系统要完成的任务十分重要，是设计工作的基础以及系统设计方案正确性的保证。方案正确性的保证。（2）硬件和软件设计阶段）硬件和软件设计阶段根据拟定的方案，设计系统硬件电路。硬件设计的前提是必须能够根据拟定的方案，设计系统硬件电路。硬件设计的前提是必须能够完成系统的要求和保证可靠性。在完成系统的要求和保证可靠性。在硬件设计时硬件设计时，如能，如能将硬件电路设计与将硬件电路设计与软件设计结合起来考虑效果会更好。软件设计结合起来考虑效果会更好。因为当有些问题在硬件电路中无法因为当有些问题在硬件电路中无法完成时，完成时，可直接由软件来完成（如某些软件滤波、校准功能等）；当软可直接由软件来完成（如某些软件滤波、校准功能等）；当软2件编写程序很麻烦的时候，通过稍稍改动硬件电路（或尽可能不改动）件编写程序很麻烦的时候，通过稍稍改动硬件电路（或尽可能不改动）可能会使软件变得十分简单。另外在另一些要求系统实时性强、响应速可能会使软件变得十分简单。另外在另一些要求系统实时性强、响应速度快的场合，则往往必须用硬件代替软件来完成某些功能。所以在硬件度快的场合，则往往必须用硬件代替软件来完成某些功能。所以在硬件电路设计时，最好能够与软件的设计结合起来，统一考虑，合理地安排电路设计时，最好能够与软件的设计结合起来，统一考虑，合理地安排软、硬件的比例，使系统具有最佳的性能价格比。当硬件电路设计完成软、硬件的比例，使系统具有最佳的性能价格比。当硬件电路设计完成后，就可进行硬件电路板的绘制和焊接工作了。后，就可进行硬件电路板的绘制和焊接工作了。接下来接下来软件设计软件设计。正确编程方法就是根据需求分析，。正确编程方法就是根据需求分析，先绘制出软件的先绘制出软件的流程图，该环节十分重要。流程图，该环节十分重要。流程图绘制往往不能一次成功，需多次修改。流程图绘制往往不能一次成功，需多次修改。绘制可由简到繁逐步细化，先绘制系统大体上需要执行的程序模块，绘制可由简到繁逐步细化，先绘制系统大体上需要执行的程序模块，然后将这些模块按照要求组合在一起（如主程序、子程序以及中断服务然后将这些模块按照要求组合在一起（如主程序、子程序以及中断服务子程序等），在大方向没问题后，再将每个模块细化，最后形成流子程序等），在大方向没问题后，再将每个模块细化，最后形成流3程图，程序编写速度就会很快，同时为后面的调试工作带来很多方便，如程图，程序编写速度就会很快，同时为后面的调试工作带来很多方便，如调调试中某模块不正常，就可以通过流程图来试中某模块不正常，就可以通过流程图来查找问题的原因查找问题的原因。一定要克服不绘制流程图直接在计算机上编写程序的习惯。一定要克服不绘制流程图直接在计算机上编写程序的习惯。设计者也可在上述软硬件设计完成后，设计者也可在上述软硬件设计完成后，先使用单片机软件仿真开发工具先使用单片机软件仿真开发工具Proteus，来进行仿真设计。来进行仿真设计。用软件仿真开发工具用软件仿真开发工具Proteus设计的系统与用户样机在硬件上无任何联系，设计的系统与用户样机在硬件上无任何联系，是一种是一种完全用软件手段完全用软件手段来对单片机硬件电路和软件进行设计、开发与仿真调来对单片机硬件电路和软件进行设计、开发与仿真调试的开发工具。如果先在软件仿真工具的软环境下进行系统设计并调试通过，试的开发工具。如果先在软件仿真工具的软环境下进行系统设计并调试通过，虽然还不能完全说明实际系统就完全通过，但至少在逻辑上是行得通的。虽然还不能完全说明实际系统就完全通过，但至少在逻辑上是行得通的。软件仿真通过后，再进行软硬件设计与实现，软件仿真通过后，再进行软硬件设计与实现，可大大减少设计上所走的可大大减少设计上所走的弯路弯路。这也是目前世界上流行的一种开发方法。这也是目前世界上流行的一种开发方法。4资料与文件包括：资料与文件包括：任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、性能任务描述、设计的指导思想及设计方案论证、性能测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料（流程图、子程序使测定及现场试用报告与说明、使用指南、软件资料（流程图、子程序使用说明、地址分配、程序清单）、硬件资料（电原理图、元件布置图及用说明、地址分配、程序清单）、硬件资料（电原理图、元件布置图及接线图、接插件引脚图、线路板图、注意事项）。接线图、接插件引脚图、线路板图、注意事项）。文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维修以及进一步再设文件不仅是设计工作的结果，而且是以后使用、维修以及进一步再设计的依据。计的依据。因此，要精心编写，描述清楚，使数据及资料齐全。因此，要精心编写，描述清楚，使数据及资料齐全。612.2单片机应用系统设计单片机应用系统设计介绍如何进行系统的设计。主要从介绍如何进行系统的设计。主要从硬件设计硬件设计和和软件设计软件设计两方面考虑。两方面考虑。12.2.1硬件设计应考虑的问题硬件设计应考虑的问题硬件设计硬件设计时，应重点考虑以下问题。时，应重点考虑以下问题。1尽可能采用功能强的芯片尽可能采用功能强的芯片（1）单片机选型）单片机选型。单片机的集成度越来越高，许多外围部件都已集。单片机的集成度越来越高，许多外围部件都已集成在芯片内，有的单片机本身就是一个系统，这可省去许多外围部件的成在芯片内，有的单片机本身就是一个系统，这可省去许多外围部件的扩展工作，使设计工作简化。扩展工作，使设计工作简化。7第第1章已介绍较为流行的各种单片机，根据需求，选择合适机型。章已介绍较为流行的各种单片机，根据需求，选择合适机型。例如，例如，目前市场上较为流行的目前市场上较为流行的美国美国Cygnal公司公司的的C8051F0208位单位单片机，片内集成有片机，片内集成有8通道通道A/D、两路、两路D/A、两路电压比较器，内置温度传、两路电压比较器，内置温度传感器、定时器、可编程数字交叉开关和感器、定时器、可编程数字交叉开关和64个通用个通用I/O口、电源监测、看门口、电源监测、看门狗、多种类型的串行总线（两个狗、多种类型的串行总线（两个UART、SPI）等。用）等。用1片片C8051F020单片机，就构成一个应用系统。再如，如系统需要较大的单片机，就构成一个应用系统。再如，如系统需要较大的I/O驱动能力和驱动能力和较强的抗干扰能力，较强的抗干扰能力，可考虑选用可考虑选用AVR单片机单片机。8（5）预留）预留A/D和和D/A通道通道。与上述。与上述I/O端口同样原因，留出一些端口同样原因，留出一些A/D和和D/A通道将来可能会解决大问题。通道将来可能会解决大问题。2以软代硬以软代硬原则上，只要软件能做到且能满足性能要求，就不用硬件。原则上，只要软件能做到且能满足性能要求，就不用硬件。硬件多不但硬件多不但增加成本，而且系统故障率也会提高增加成本，而且系统故障率也会提高。以软带硬的实质，是以时间换空间，。以软带硬的实质，是以时间换空间，软件执行过程需要消耗时间，因此带来的软件执行过程需要消耗时间，因此带来的问题就是实时性下降。问题就是实时性下降。在实时性要在实时性要求不高的场合，以软代硬是很合算的。求不高的场合，以软代硬是很合算的。3工艺设计工艺设计包括机箱、面板、配线、接插件等。须考虑到安装、调试、维修方便。包括机箱、面板、配线、接插件等。须考虑到安装、调试、维修方便。另外，硬件抗干扰措施（将在本章后面介绍）也须在硬件设计时一并考虑进另外，硬件抗干扰措施（将在本章后面介绍）也须在硬件设计时一并考虑进去。去。1012.2.2典型的单片机应用系统典型的单片机应用系统典型单片机应用系统框图如典型单片机应用系统框图如图图12-1所示。所示。11图图12-1单片机典型应用系统框图单片机典型应用系统框图连接连接传感器传感器与与A/D转换器转换器之间的桥梁是之间的桥梁是信号调理电路信号调理电路，传感器输出的，传感器输出的模拟信号要经信号调理电路模拟信号要经信号调理电路对信号进行放大、滤波、隔离、量程调整对信号进行放大、滤波、隔离、量程调整等，等，变换成适合变换成适合A/D转换的电压信号。信号放大通常由单片式仪表放大器承转换的电压信号。信号放大通常由单片式仪表放大器承担。仪表放大器对信号进行放大比普通运算放大器具有更优异的性能。担。仪表放大器对信号进行放大比普通运算放大器具有更优异的性能。如何根据不同的传感器正确地选择仪表放大器来进行信号调理电路的设如何根据不同的传感器正确地选择仪表放大器来进行信号调理电路的设计，请读者参阅有关资料和文献。计，请读者参阅有关资料和文献。（3）输出部分）输出部分是应用系统是应用系统“控控”的部分的部分，包括包括数字量、开关量控制信号的输出和模数字量、开关量控制信号的输出和模拟量控制信号（常用于伺服控制）的输出。拟量控制信号（常用于伺服控制）的输出。13图图12-2为为AT89S51单单片片机机总总线线驱驱动动扩扩展展原原理理图图。P2口口需需要要单单向向驱驱动动，常常见见的的单单向向总总线线驱驱动动器器为为74LS244。图图12-3为为74LS244引引脚脚图图和和逻逻辑辑图图。8个个三态驱动器分成两组，分别由三态驱动器分成两组，分别由1G*和和2G*控制。控制。15图图12-2AT89S51单片机总线驱动扩展原理图单片机总线驱动扩展原理图16图图12-3单向驱动器单向驱动器74LS244引脚图和逻辑图引脚图和逻辑图1819图图12-474LS245的引脚图和逻辑图的引脚图和逻辑图20图图12-5AT89S51单片机应用系统中的总线驱动扩展电路图单片机应用系统中的总线驱动扩展电路图P0口口双向驱动器双向驱动器74LS245的的G*接地接地，保证芯片一直处于工作状态，保证芯片一直处于工作状态，而而输入输入/输出的方向控制输出的方向控制由单片机的数据存储器的由单片机的数据存储器的“读读”控制引脚控制引脚RD*和和程序存储器的程序存储器的取指控制引脚取指控制引脚PSEN*通过与门控制通过与门控制DIR引脚实现。无论是引脚实现。无论是“读读”数据存储器中数据（数据存储器中数据（RD*有效）还是从程序存储器中取指令（有效）还是从程序存储器中取指令（PSEN*有效），都能保证对有效），都能保证对P0口的输入驱动；口的输入驱动；除此以外的时间（除此以外的时间（RD*及及PSEN*均无效），保证对均无效），保证对P0口的输出驱口的输出驱动。对于动。对于P2口，因为只用作单向的地址输出，故口，因为只用作单向的地址输出，故74LS244的驱动门控制的驱动门控制端端1G*、2G*接地。接地。2112.2.4AT89S51单片机的最小应用系统单片机的最小应用系统AT89S51内部有内部有4KB闪存闪存，本身就是一个数字量输入，本身就是一个数字量输入/输出的最小应输出的最小应用系统。用系统。在构建在构建AT89S51单片机最小应用系统时，单片机最小应用系统时，AT89S51单片机单片机需要外接需要外接时时钟电路钟电路和和复位电路复位电路即可，如即可，如图图12-6所示所示。注意，本最小应用系统只能作为小型的数字量的测控单元。注意，本最小应用系统只能作为小型的数字量的测控单元。2212.3单片机应用系统的仿真开发与调试单片机应用系统的仿真开发与调试当用户样机完成当用户样机完成硬件和软件设计硬件和软件设计，全部元器件安装完毕后，在用户样，全部元器件安装完毕后，在用户样机的程序存储器中放入编写好的应用程序，系统即可运行。机的程序存储器中放入编写好的应用程序，系统即可运行。但应用程序运但应用程序运行一次性成功几乎是不可能的，多少会存在一些软件、硬件上的错误，行一次性成功几乎是不可能的，多少会存在一些软件、硬件上的错误，需需借助单片机的仿真开发工具进行调试，发现错误并加以改正。借助单片机的仿真开发工具进行调试，发现错误并加以改正。AT89S51只是一个芯片，既只是一个芯片，既没有键盘，又没有没有键盘，又没有CRT、LED显示器，显示器，无无法进行软件的开发法进行软件的开发（如编辑、汇编、调试程序等），（如编辑、汇编、调试程序等），必须借助某种开发工必须借助某种开发工具（也称为仿真开发系统）具（也称为仿真开发系统）所提供的开发手段。一般来说，所提供的开发手段。一般来说，仿真开发工具仿真开发工具应具有如下最基本功能。应具有如下最基本功能。24（1）用户样机程序的输入与修改。）用户样机程序的输入与修改。（2）程序的运行、调试（单步运行、设置断点运行）、排错、状态查）程序的运行、调试（单步运行、设置断点运行）、排错、状态查询等功能。询等功能。（3）用户样机）用户样机硬件电路的诊断与检查硬件电路的诊断与检查。（4）有较全的开发软件。用户可用汇编语言或）有较全的开发软件。用户可用汇编语言或C语言编制应用程序；语言编制应用程序；由开发系统编译连接生成目标文件、可执行文件。配有反汇编软件，能由开发系统编译连接生成目标文件、可执行文件。配有反汇编软件，能将目标程序转换成汇编语言程序；有丰富的子程序可供用户选择调用。将目标程序转换成汇编语言程序；有丰富的子程序可供用户选择调用。（5）将）将调试正确的程序写入到程序存储器中调试正确的程序写入到程序存储器中。下面首先介绍常用的仿真开发工具。下面首先介绍常用的仿真开发工具。251.仿真开发系统简介仿真开发系统简介通通用用机机仿仿真真开开发发系系统统是是目目前前设设计计者者使使用用最最多多的的一一类类开开发发装装置置。这这是是一一种种通通过过PC机机的的并并行行口口、串串行行口口或或USB口口，外外加加在在线线仿仿真真器器的的仿仿真真开开发发系系统统，如如图图12-7。在在线线仿仿真真器器一一侧侧与与PC机机的的串串行行口口、并并行行口口、或或USB口口相相连连。在在线线仿仿真真器器另另一一侧侧的的仿仿真真插插头头插插入入到到用用户户样样机机的的单单片片机机插插座座上上，来来对对样样机机上上的的单单片片机机进进行行“仿仿真真”。从从仿仿真真插插头头向向在在线线仿仿真真器器看看去去，看看到到的的就就是是一一个个“单单片片机机”。这这个个“单单片片机机”是是用用来来“代代替替”用用户户样样机机上上的的单单片片机机。但但是是这这个个“单单片片机机”片片内内程程序序的的运运行行是是由由PC机机上上的的软软件件控控制制的的。由由于于在在线线仿仿真真器器有有PC机机及及其其仿仿真真开开发发软软件件的的强强大大支支持持，可可以以在在PC机机的的屏屏幕幕上上观观察察用用户户程程序序的的运运行行情情况况，可可以以采采用用单单步步、设设断断点点等等手手段段逐逐条条跟跟踪踪用用户户程程序序并并进进行行修修改改、调调试试和和查查找找软软、硬件故障。硬件故障。26在调试用户程序时，仿真器的在调试用户程序时，仿真器的仿真插头仿真插头必须插入用户样机空出的单片必须插入用户样机空出的单片机插座中。当仿真开发系统与机插座中。当仿真开发系统与PC机联机后，用户可利用机联机后，用户可利用PC机上的仿真开机上的仿真开发软件，在发软件，在PC机上编辑、修改源程序，然后通过交叉汇编软件将其汇编成机上编辑、修改源程序，然后通过交叉汇编软件将其汇编成机器代码，传送到在线仿真器中的仿真机器代码，传送到在线仿真器中的仿真RAM中。中。这时用户可用这时用户可用单步、断点、跟踪、全速单步、断点、跟踪、全速等方式运行用户程序，系统状等方式运行用户程序，系统状态实时地显示在屏幕上。态实时地显示在屏幕上。待程序调试通过后，再使用仿真开发系统提供的编程器或使用专用编待程序调试通过后，再使用仿真开发系统提供的编程器或使用专用编程器，把调试完毕的程序写入到单片机内的程器，把调试完毕的程序写入到单片机内的Flash存储器中或外扩的存储器中或外扩的EPROM中。此类仿真开发系统是目前最流行的仿真开发工具。配置不同中。此类仿真开发系统是目前最流行的仿真开发工具。配置不同的在线仿真器，可仿真开发各种单片机。的在线仿真器，可仿真开发各种单片机。28但是随着但是随着ISP技术的普及，对于技术的普及，对于AT89S5x单片机也可不使用在线仿真器单片机也可不使用在线仿真器以及编程器，用户只需要在以及编程器，用户只需要在PC上修改程序，然后将修改的程序直接写入用上修改程序，然后将修改的程序直接写入用户样机的单片机的户样机的单片机的Flash存储器中。存储器中。293.用户样机的源程序调试用户样机的源程序调试下下面面介介绍绍如如何何使使用用仿仿真真开开发发工工具具进进行行汇汇编编语语言言源源程程序序编编写写、调调试试以以及及与与用户样机硬件联调工作。用户样机硬件联调工作。用户源程序调试过程如用户源程序调试过程如图图12-8所示所示，分以下，分以下4个步骤。个步骤。（1）输入用户源程序输入用户源程序。用户使用编辑软件。用户使用编辑软件WS，按照汇编语言源程序要求，按照汇编语言源程序要求的格式、语法规定，的格式、语法规定，把源程序输入到把源程序输入到PC机中，并保存在磁盘上机中，并保存在磁盘上。（2）在）在PC机上，利用汇编程序对用户源程序进行汇编，直至语法错误全部纠正机上，利用汇编程序对用户源程序进行汇编，直至语法错误全部纠正为止。为止。如无语法错误，则进入下一个步骤。如无语法错误，则进入下一个步骤。（3）动态在线调试。）动态在线调试。这一步对用户的源程序进行调试。上述的步骤（这一步对用户的源程序进行调试。上述的步骤（1）、步骤）、步骤（2）是一个纯粹的软件运行过程，）是一个纯粹的软件运行过程，这一步，必须要有在线仿真器配合，这一步，必须要有在线仿真器配合，才能对用户才能对用户源程序进行调试。用户程序中分为与用户样机硬件无关以及与用户样机紧密相关的源程序进行调试。用户程序中分为与用户样机硬件无关以及与用户样机紧密相关的程序。程序。31图图12-8用户样机软件设计、调试的过程用户样机软件设计、调试的过程32对于与用户样机硬件无关的程序，对于与用户样机硬件无关的程序，如计算程序如计算程序，虽然没有语法错误，虽然没有语法错误，但可能存在逻辑错误，使计算结果不正确，此时必须借助于在线仿真器但可能存在逻辑错误，使计算结果不正确，此时必须借助于在线仿真器的动态在线调试手段，如单步运行、设置断点等，发现逻辑错误，然后的动态在线调试手段，如单步运行、设置断点等，发现逻辑错误，然后返回到步骤（返回到步骤（1）修改，直至逻辑错误纠正为止。）修改，直至逻辑错误纠正为止。对于对于与用户样机硬件紧密相关的程序段与用户样机硬件紧密相关的程序段（如接口驱动程序），一定要（如接口驱动程序），一定要先把在线仿真器的仿真插头插入用户样机的单片机插座中（见先把在线仿真器的仿真插头插入用户样机的单片机插座中（见图图12-7），），进行在线仿真调试，利用仿真开发系统提供单步、设置断点等调试手段进行在线仿真调试，利用仿真开发系统提供单步、设置断点等调试手段来进行系统的调试。来进行系统的调试。33部分程序段运行不正常，部分程序段运行不正常，可能是可能是软件逻辑软件逻辑上有问题，也可能是上有问题，也可能是硬件硬件有有故障故障，必须先通过在线仿真调试程序提供的调试手段，必须先通过在线仿真调试程序提供的调试手段，把硬件故障排除把硬件故障排除以后，再与硬件配合，以后，再与硬件配合，对用户程序进行动态在线调试。对于软件的逻辑对用户程序进行动态在线调试。对于软件的逻辑错误，则返回到第一步进行修改，直至逻辑错误消除为止。在调试这类错误，则返回到第一步进行修改，直至逻辑错误消除为止。在调试这类程序时，硬件调试与软件调试是不能完全分开的。许多硬件错误是通过程序时，硬件调试与软件调试是不能完全分开的。许多硬件错误是通过软件的调试而发现和纠正的。软件的调试而发现和纠正的。（4）将调试完毕的用户程序通过）将调试完毕的用户程序通过编程写入器编程写入器（也称烧写器），固化在程（也称烧写器），固化在程序存储器中。序存储器中。344用户样机的硬件调试用户样机的硬件调试用户样机全部焊接完毕，就可对样机的硬件进行调试。首先进行用户样机全部焊接完毕，就可对样机的硬件进行调试。首先进行静态调静态调试试，目的是排除明显的硬件故障。，目的是排除明显的硬件故障。（1）静态调试）静态调试分两步：分两步：第一步第一步在样机加电之前，根据硬件设计图，用万用表等工具，仔细检查在样机加电之前，根据硬件设计图，用万用表等工具，仔细检查样机线路样机线路是否连接正确是否连接正确，并核对元器件型号、规格和安装是否符合要求，并核对元器件型号、规格和安装是否符合要求，应应特别注意特别注意电源系统电源系统的检查的检查，防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总，防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线、控制总线）是否存在相互之间短路或与其他信号线（地址总线、数据总线、控制总线）是否存在相互之间短路或与其他信号线短路。线短路。35第二步第二步加电后检查各芯片插座上加电后检查各芯片插座上有关引脚的电位有关引脚的电位，测量，测量各点电平是否各点电平是否正常正常，尤其应注意，尤其应注意AT89S51插座的各点电位，插座的各点电位，若有高压，与在线仿真器若有高压，与在线仿真器联机调试时，将会损坏在线仿真器联机调试时，将会损坏在线仿真器。具体步骤如下。具体步骤如下。n电源检查。电源检查。当用户样机板连接或焊接完成之后，当用户样机板连接或焊接完成之后，先不插主要元器件，先不插主要元器件，通上电源。通常用通上电源。通常用+5V直流电源（这是直流电源（这是TTL电源），用万用表电压挡测试电源），用万用表电压挡测试各元器件插座上相应电源引脚电压数值是否正确，极性是否符合。各元器件插座上相应电源引脚电压数值是否正确，极性是否符合。如有如有错误，要及时检查、排除，以使每个电源引脚的数值都符合要求。错误，要及时检查、排除，以使每个电源引脚的数值都符合要求。36n各元器件电源检查。各元器件电源检查。断开电源，按正确的元器件方向插上元器件。断开电源，按正确的元器件方向插上元器件。最最好是分别插入，分别通电，好是分别插入，分别通电，逐一检查每个元器件上的电源是否正确逐一检查每个元器件上的电源是否正确，直，直到最后全部插上元器件。通电后，每个元器件上电源值应正确无误。到最后全部插上元器件。通电后，每个元器件上电源值应正确无误。n检查相应芯片的逻辑关系。检查相应芯片的逻辑关系。通常采用通常采用静态电平检查法，即在一个芯片静态电平检查法，即在一个芯片信号输入端加入一个相应电平，检查输出电平是否正确。信号输入端加入一个相应电平，检查输出电平是否正确。单片机系统大单片机系统大都是数字逻辑电路，使用电平检查法可首先检查出逻辑设计是否正确，都是数字逻辑电路，使用电平检查法可首先检查出逻辑设计是否正确，选用的元器件是否符合要求，逻辑关系是否匹配，元器件连接关系是否选用的元器件是否符合要求，逻辑关系是否匹配，元器件连接关系是否符合要求等。符合要求等。37（2）用户样机的用户样机的在线仿真与动态调试在线仿真与动态调试在静态调试中，对用户样机硬件进行初步调试，只能排除一些明显的在静态调试中，对用户样机硬件进行初步调试，只能排除一些明显的静态故障。静态故障。用户样机中的用户样机中的硬件故障硬件故障（如各个部件内部存在的故障和部件之间连接（如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误）主要靠的逻辑错误）主要靠联机在线仿真来排除的。联机在线仿真来排除的。在断电情况下，除单片机外，插上所有的元器件，并把在线仿真器在断电情况下，除单片机外，插上所有的元器件，并把在线仿真器的仿真插头插入样机上的仿真插头插入样机上AT89S51单片机的插座（见单片机的插座（见图图12-7），然后分别），然后分别打开用户样机和仿真器电源后便可开始联机在线仿真调试。打开用户样机和仿真器电源后便可开始联机在线仿真调试。前面已经介绍，硬件调试和软件调试是不能完全分开的，许多硬件前面已经介绍，硬件调试和软件调试是不能完全分开的，许多硬件错误是在软件调试中发现和被纠正的。所以，在之前介绍的有关用户样错误是在软件调试中发现和被纠正的。所以，在之前介绍的有关用户样机软件调试的第（机软件调试的第（3）步的动态在线调试中，即包括联机仿真、硬件在线）步的动态在线调试中，即包括联机仿真、硬件在线动态调试以及硬件故障的排除。动态调试以及硬件故障的排除。3812.4单片机应用设计案例单片机应用设计案例本节介绍各种常用的单片机测控应用设计案例，通过这些案例使读者了本节介绍各种常用的单片机测控应用设计案例，通过这些案例使读者了解单片机系统的各种常见的应用设计。解单片机系统的各种常见的应用设计。12.4.1单片机控制步进电机的设计单片机控制步进电机的设计 步进电机是步进电机是将脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件将脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。非超载的情况下，电机转速、停止位置非超载的情况下，电机转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，数，而不受负载变化的影响，给电机加一脉冲信号，电机则转过一个步距角。给电机加一脉冲信号，电机则转过一个步距角。因而步进电机因而步进电机只有周期性误差而无累积误差只有周期性误差而无累积误差，在，在速度、位置速度、位置等控制领域有较等控制领域有较为广泛的应用。为广泛的应用。39401.控制步进电机的工作原理控制步进电机的工作原理 驱动步进电机由单片机通过对每组线圈中的电流的顺序切换来使电机作驱动步进电机由单片机通过对每组线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转，切换是单片机输出脉冲信号来实现。步进式旋转，切换是单片机输出脉冲信号来实现。调节脉冲信号频率就可改变步进电机转速；改变各相脉冲先后顺序，就调节脉冲信号频率就可改变步进电机转速；改变各相脉冲先后顺序，就可改变电机旋转方向。可改变电机旋转方向。步进电机驱动可采用步进电机驱动可采用双四拍双四拍（ABABBCBCCDCDDADAABAB）方式，也可采用）方式，也可采用单单四拍四拍（A AB BC CD DA A）方式。为使步进电机旋转平稳，还可采用单、双八）方式。为使步进电机旋转平稳，还可采用单、双八拍方式（拍方式（A AABABB BBCBCC CCDCDD DDADAA A）。）。各种工作方式时序各种工作方式时序见见图图12-912-9。41图图12-9各种工作方式时序图各种工作方式时序图42 图图12-912-9脉冲信号是高电平有效，但实际控制时公共端是接在脉冲信号是高电平有效，但实际控制时公共端是接在V VCCCC上，所以上，所以实际控制脉冲是低电平有效。实际控制脉冲是低电平有效。2.电路设计与编程电路设计与编程【例【例12-1】单片机对步进电机控制的原理电路见单片机对步进电机控制的原理电路见图图12-10。编写程序，用。编写程序，用四路四路I/O口输出实现环形脉冲分配，控制步进电机按固定方向连续转动。同口输出实现环形脉冲分配，控制步进电机按固定方向连续转动。同时，通过时，通过“正转正转”和和“反转反转”两个按键来控制电机的正转与反转。按下两个按键来控制电机的正转与反转。按下“正正转转”按键，步进电机正转；按下按键，步进电机正转；按下“反转反转”按键，步进电机反转；松开按键，按键，步进电机反转；松开按键，电机停止转动。电机停止转动。ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列系列产品，是高耐压、大电流达林顿阵列系列产品，7个个NPN达林顿管组达林顿管组成。多用于单片机、智能仪表、成。多用于单片机、智能仪表、PLC等控制电路中。等控制电路中。43图图12-10单片机控制步进电机接口电路单片机控制步进电机接口电路44 在在5V5V电压下能与电压下能与TTLTTL和和CMOSCMOS电路直接相连电路直接相连,可直接驱动继电器等负载。具可直接驱动继电器等负载。具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点。有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点。输入输入5V5V的的TTLTTL电平，电平，输出可达输出可达500mA/50V500mA/50V。适于各类高速大功率驱动的系统。适于各类高速大功率驱动的系统。参考程序参考程序：#include reg51.h#include reg51.h#define uchar unsigned char#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define uint unsigned int#define out P2#define out P2sbit pos=P00;sbit pos=P00;/定义检测正转控制位定义检测正转控制位P0.0P0.0sbit neg=P01;sbit neg=P01;/定义检测反转控制位定义检测反转控制位P0.1P0.1void delayms(uint);void delayms(uint);45uchar code turn=0 x02,0 x06,0 x04,0 x0c,0 x08,0 x09,0 x01,0 x03;uchar code turn=0 x02,0 x06,0 x04,0 x0c,0 x08,0 x09,0 x01,0 x03;/步进脉冲数组步进脉冲数组void main(void)void main(void)uchar i;uchar i;out=0 x03;out=0 x03;while(1)while(1)if(!pos)/if(!pos)/如果正转按键按下如果正转按键按下 i=i 8?i+1:0;/i=i 8?i+1:0;/如果如果i8i 0?i-1:7;i=i 0?i-1:7;out=turni;out=turni;delayms(50);delayms(50);void delayms(uint j)void delayms(uint j)/函数功能：延时函数功能：延时 uchar i;uchar i;for(;j0;j-)for(;j0;j-)i=250;i=250;while(-i);while(-i);i=249;i=249;while(-i);while(-i);4712.4.2单片机控制直流电机单片机控制直流电机 直流电机多用在直流电机多用在无无交流电源、方便移动场合，具有低速大力矩等特点。交流电源、方便移动场合，具有低速大力矩等特点。如何用单片机控制直流电机。如何用单片机控制直流电机。1.控制直流电机的工作原理控制直流电机的工作原理对直流电机可精确控制其对直流电机可精确控制其旋转速度旋转速度或或转矩转矩，通过两个磁场相互作用产生，通过两个磁场相互作用产生旋转。结构旋转。结构见见图图12-11（a），定子装设一对直流励磁的静止主磁极，定子装设一对直流励磁的静止主磁极N和和S，在转子上装设电枢铁心。定子与转子间有一气隙。在电枢铁心上放置了由两在转子上装设电枢铁心。定子与转子间有一气隙。在电枢铁心上放置了由两根导体连成的电枢线圈，线圈首端和末端分别连到两个圆弧形铜片上，此铜根导体连成的电枢线圈，线圈首端和末端分别连到两个圆弧形铜片上，此铜片称为片称为换向片换向片。由换向片构成的整体称为换向器。由换向片构成的整体称为换向器。48 换向器固定在转轴上，换向片与转轴间互相绝缘。在换向片上放置一换向器固定在转轴上，换向片与转轴间互相绝缘。在换向片上放置一对固定不动的电刷对固定不动的电刷B1B1和和B2B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。外电路接通。定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一固定磁场，由于转子由一系列定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一固定磁场，由于转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。对有刷直流电机，转子上换向器和定子电刷在电机旋转时为每个绕组对有刷直流电机，转子上换向器和定子电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子供给电能。通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。当转子到达对准位置时，电刷通过换向器转动至与定子磁场对准的位置。当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动，见，见图图12-1112-11（b b）。49（a a）有刷直流电机结构示意图）有刷直流电机结构示意图（i i）导体）导体adad处于处于N N极下极下 （iiii）导体）导体adad处于处于S S极下极下（b b）有刷直流电机工作示意图）有刷直流电机工作示意图图图12-1112-11 直流电机工作示意图直流电机工作示意图 50 直流电机直流电机转速转速与施加与施加电压电压成正比，成正比，转矩转矩与与电流电流成正比。由于必须在工成正比。由于必须在工作期间改变直流电机的速度，直流电机控制是一较困难问题。直流电机作期间改变直流电机的速度，直流电机控制是一较困难问题。直流电机高效运行的常见方法是施加一个高效运行的常见方法是施加一个 PWM PWM（脉宽调制）脉冲波，其占空比对（脉宽调制）脉冲波，其占空比对应于所需速度。应于所需速度。电机起到了一个低通滤波器作用，电机起到了一个低通滤波器作用，PWMPWM信号相对容易产生，信号相对容易产生，这种驱动方式使用更为广泛。这种驱动方式使用更为广泛。2.电路设计与编程电路设计与编程 【例【例12-212-2】原理电路原理电路见见图图12-1212-12。使用单片机两个。使用单片机两个I/OI/O脚控制直流电机转脚控制直流电机转速和旋转方向。其中速和旋转方向。其中P3.7P3.7脚脚输出输出PWMPWM信号控制直流电机转速；信号控制直流电机转速；P3.6P3.6脚脚控制控制直流电机旋转方向。直流电机旋转方向。51图图12-12 12-12 单片机控制直流电机的接口电路单片机控制直流电机的接口电路 当当P3.6=1P3.6=1时，时，P3.7P3.7发送发送PWMPWM波，直流电机正转。且可通过波，直流电机正转。且可通过“INCINC”和和“DECDEC”两个按键来增大和减少直流电机转速。反之，两个按键来增大和减少直流电机转速。反之，P3.6=0P3.6=0时，时，P3.7P3.7发发送送PWMPWM信号，直流电机反转。信号，直流电机反转。因此，增大和减小电机转速，实际上是通过按下因此，增大和减小电机转速，实际上是通过按下“INCINC”或或“DECDEC”按键来改变输出按键来改变输出PWMPWM信号占空比，控制直流电机转速。信号占空比，控制直流电机转速。图图12-1212-12中驱动电路中驱动电路使用了使用了NPNNPN低频、低噪声小功率达林顿管低频、低噪声小功率达林顿管2SC25472SC2547。参考程序如下：参考程序如下：5253#include reg51.h#include reg51.h#include intrins.h#include intrins.h#define uchar unsigned char#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define uint unsigned int sbit INC=P34;sbit INC=P34;sbit DEC=P35;sbit DEC=P35;sbit DIR=P36