第7章 MCS-51单片机应用系统设计.doc

第7章 MCS-51单片机应用系统设计 主要内容：从总体设计、硬件设计、软件设计、可靠性设计、系统调试与测试等几个方面介绍了单片机应用系统设计的方法及基本过程，并给出了典型设计实例，同时还简单介绍了C51编程方法和Keil C51开发系统。重点在于单片机应用系统开发的方法与实际应用，难点在于将单片机应用系统开发的方法应用于实际工程中，设计出最优的单片机应用系统。 7.1 概述 由于单片机具有体积小、功耗低、功能强、可靠性高、实时性强、简单易学、使用方便灵巧、易于维护和操作、性能价格比高、易于推广应用、可实现网络通信等技术特点。因此，单片机在自动化装置、智能仪表、家用电器，乃至数据采集、工业控制、计算机通信、汽车电子、机器人等领域得到了日益广泛的应用。 单片机应用系统设计应当考虑其主要技术性能（速度 精度 功耗 可靠性 驱动能力等），还应当考虑功能需求，应用需求，开发条件，市场情况，可靠性需求，成本需求，尽量以软件代替硬件等。下图描述了单片机应用系统设计的一般过程。 7.2 MCS-51单片机应用系统设计 7.2.1 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 （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。 （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： （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。 （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。 7.2.2 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。 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 如下图所示。 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、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：专业设计软件（ Protel，OrCAD等）、设计、专业化制作厂家、安装元件、调试等。 （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。 7.2.3 软件设计 软件设计流程图如下图所示。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