項目11單片機嵌入式系統(tǒng)原理及應用(賈好來)單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)過程

1、1第11章單片機應用系統(tǒng)開發(fā)及實例本章內(nèi)容11.1單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)過程 11.2電噴汽車噴油嘴清洗機控制系統(tǒng) 11.3基于實時操作系統(tǒng)RTX51的萬年歷設計211.1 單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)過程11.1.1 開發(fā)者必須具備的知識和能力1.必須具有一定的硬件基礎知識2.需要有一定的動手能力3.需要具備一定的軟件設計能力4.具有綜合運用新知識和新技術的能力5.搜集、檢索、提煉有用知識和資料的能力6.必須了解生產(chǎn)工藝或制造工藝311.1.2 單片機應用系統(tǒng)開發(fā)的步驟1.確定系統(tǒng)的目標任務開發(fā)設計一個單片機應用系統(tǒng)或者設計智能化的儀器，首先要明白做什么，然后才是怎么做。目標任務即系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能以

2、及技術指標。應用的場合不同，具體的要求會有區(qū)別。這些目標任務的提出一般由開發(fā)系統(tǒng)的投資方提出，開發(fā)設計人員認可。目標任務要盡可能清晰、完善，完整的目標任務為后續(xù)系統(tǒng)的設計和開發(fā)奠定堅實的基礎。有些目標任務在開始設計時并不是非常清楚、完善，隨著系統(tǒng)的研制開發(fā)、現(xiàn)場的應用以及市場的變化可能會有不斷的更新和變化，設計方案要盡可能適應這些變化。4 2.系統(tǒng)的總體設計系統(tǒng)的總體設計包括單片機的選擇、重要環(huán)節(jié)關鍵器件的選型、技術指標的實現(xiàn)、硬件軟件功能的劃分等。單片機以及關鍵器件的選擇一定要考慮技術是否成熟，是否滿足系統(tǒng)的精度、速度和可靠性要求，貨源是否充足等，如出現(xiàn)問題是否有可以替代的器件等。技術指標與

3、整個系統(tǒng)的硬件與軟件都有關系，所以要綜合考慮，硬件選擇滿足精度要求的產(chǎn)品，軟件采用合適的數(shù)學模型和算法。5硬件、軟件功能在一定程度上具有互換性，即有些硬件電路的功能可用軟件實現(xiàn)，反之亦然。具體采用什么方法，要根據(jù)具體要求及整個系統(tǒng)的性能價格比，加以綜合平衡后確定。一般而言，使用硬件完成速度較快，可節(jié)省CPU的時間，但價格相對昂貴，而且系統(tǒng)比較復雜，勢必增加硬件設計和調(diào)試的工作量和難度。用軟件實現(xiàn)則相對經(jīng)濟，但占用CPU較多的時間。所以一般的原則是：在CPU時間允許的情況下，盡量采用軟件。所以總體設計時，必須權衡利弊，仔細劃分硬件和軟件的功能。63.系統(tǒng)的結構框圖系統(tǒng)的總體結構設計完成后，將整個

4、系統(tǒng)劃分成若干模塊，利用框圖表示出各模塊之間的關系、數(shù)據(jù)流向、控制流向，說明各模塊的工作原理、采用的核心技術以及實現(xiàn)的功能。結構框圖將整個系統(tǒng)的結構圖形化、清晰化、簡單化，有助于對系統(tǒng)的進一步理解和掌握，并為硬件和軟件設計的模塊化打下基礎。74.系統(tǒng)的硬件設計系統(tǒng)的硬件設計是根據(jù)總體設計方案以及結構框圖，在所選擇的單片機以及關鍵元器件的基礎上，再進一步確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，分模塊繪制系統(tǒng)的電路原理圖，最后將各模塊的電路圖綜合起來，得到系統(tǒng)的總體電路圖，并依據(jù)電路圖設計、制作印刷電路板以及組裝樣機等。設計時要綜合考慮各元件的驅(qū)動和帶負載能力，要根據(jù)情況進行擴展，必要時做一些部件環(huán)節(jié)實驗以驗

5、證電路的正確性。電路板設計時要綜合考慮模擬電路、數(shù)字電路；高頻電路、低頻電路；高壓電路、低壓電路的布線規(guī)則，地線的布線方法和原則，以及印刷電路板導線寬度與所能承受的電壓、電流關系等，并要綜合考慮抗干擾設計。85.系統(tǒng)的軟件設計根據(jù)系統(tǒng)總體設計方案中軟件實現(xiàn)的功能，明確數(shù)學模型和算法，遵循自頂向一下、模塊化設計的原則，綜合順序程序設計、分支程序設計、子程序設計、中斷服務程序設計的各種方法，繪制程序流程圖，并編寫相應的程序。96.系統(tǒng)的Proteus仿真應用傳統(tǒng)方法開發(fā)單片機應用系統(tǒng)開發(fā)時，只有當硬件制作完成后才能執(zhí)行檢驗軟件設計的正確性，這無疑延長了開發(fā)時間。Proteus提供了軟件和硬件同時開

6、發(fā)的可能性，開發(fā)者應盡可能使用Proteus仿真系統(tǒng)功能，確認在硬件制作前，系統(tǒng)設計滿足要求，以減少聯(lián)機調(diào)試困難。10 7.系統(tǒng)的聯(lián)機調(diào)試、運行和維護分模塊調(diào)試，且大的模塊又可以分成小的模塊。硬件是軟件的工作平臺，軟件只有工作在正確無誤的硬件平臺上才能驗證其正確性，所以一般的調(diào)試過程是硬件調(diào)試成功后再調(diào)試軟件。軟件利用開發(fā)系統(tǒng)先進行模擬仿真后，再進行在線仿真調(diào)試。整個系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試成功后，需要先在實驗環(huán)境運行，認真仔細地記錄其運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、連續(xù)運行時間等，最后寫出書面報告，根據(jù)運行報告再進行相應的硬件或軟件改動。11實驗環(huán)境運行滿足要求后，還要在現(xiàn)場環(huán)境運行，現(xiàn)場環(huán)境相對實驗環(huán)境要復雜得多

7、，一定要認真觀察運行情況，分析出現(xiàn)的各種故障及原因，此時出現(xiàn)故障時，盡量采用軟件的方法修正。系統(tǒng)在實際工作過程中，可能會受到來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種各樣的干擾，使系統(tǒng)發(fā)生異常狀態(tài)。通常把瞬時的不加修理也能恢復正常的異常狀態(tài)稱為錯誤；而必須通過修理才能恢復正常的異常狀態(tài)稱為故障。128.可靠性設計單片機應用系統(tǒng)的可靠性指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。規(guī)定的條件包括環(huán)境條件（如溫度、濕度、振動、電磁干擾等）、使用條件、維修條件、操作水平等。常用的描述可靠性的定量指標有可靠度、失效率、平均無故障時間?？煽慷戎府a(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。失效率又稱故障率

8、，指工作到某一時刻尚未失效的產(chǎn)品在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。平均壽命又稱平均無故障工作時間，指產(chǎn)品壽命的平均值。13為了減少系統(tǒng)的錯誤和故障，系統(tǒng)設計時常從以下幾個方面提高系統(tǒng)可靠性：冗余設計，電磁兼容設計，信息冗余技術，時間冗余技術，故障自動檢測與診斷技術，軟件可靠性技術，失效保險技術等。對于一個實際應用系統(tǒng)首先要保證可靠，其次是實時，然后是靈活和通用。1411.2電噴汽車噴油嘴清洗機控制系統(tǒng)11.2.1系統(tǒng)功能描述及工作原理系統(tǒng)功能描述噴油嘴是電噴發(fā)動機關鍵部件之一，它的工作狀況好壞直接影響發(fā)動機的性能。然而不少車主根本不重視發(fā)動機噴油嘴的清洗，或者認為發(fā)動機噴油嘴要隔很長時間才需

9、進行清洗，殊不知噴油嘴阻塞會嚴重影響汽車性能。一般來說，在行駛20000km30000km左右進行清洗，清除噴油嘴上的積炭和污物，使發(fā)動機恢復其動力特性。15過去這類保養(yǎng)通常要交汽修廠進行，費用昂貴。現(xiàn)在市場上出現(xiàn)的一種電噴汽車噴油嘴清洗機，結合專用的燃油系統(tǒng)清洗劑，不需拆裝發(fā)動機，只需用接頭與發(fā)動機供油管及回油管連接，在發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)狀況下， 讓清洗混合液進入燃油供給系統(tǒng)，在 30min 內(nèi)即可溶解發(fā)動機供油管、噴油嘴針閥和燃燒室各組件的積炭、油泥、膠質(zhì)及漆類污染物，經(jīng)由循環(huán)燃燒分解過程，從汽車排放系統(tǒng)排出，恢復該車的性能，使其啟動順暢，怠速平穩(wěn)，加油輕快，增加動力，達到省油及降低空氣污染的

10、效果。下面就對電噴汽車噴油嘴清洗機的原理與設計作一介紹。162電噴汽車噴油嘴清洗機的工作原理把汽油和清洗劑混合，通過高壓汽油泵為發(fā)動機提供燃料。由于清洗劑對噴油嘴上的污染物有清洗作用，使噴油嘴清除堵塞。電噴汽車噴油嘴清洗機的工作過程及技術要求如下所述:(1)按啟動停止鍵，數(shù)碼管顯示器顯示“00”。(2)按時間+、-鍵選擇工作時間，每次累加（減）1 min，時間的選擇范圍為0060min。(3)選好時間，延時5s繼電器吸合工作，汽油泵運行在額定電壓12V狀態(tài)，數(shù)碼管同時顯示剩余的工作時間。汽油泵的額定功率為70W，額定電壓為12V。17(4)按壓力+、-鍵通過改變直流電機上的電壓（即改變汽油泵轉(zhuǎn)

11、速）調(diào)整清洗壓力，電壓調(diào)整范圍為7V12V。(5)當剩余工作時間小于4min時，蜂鳴器開始鳴叫，直到定時結束，繼電器釋放，汽油泵停止工作，蜂鳴器停止鳴叫，數(shù)碼管顯示“00”。(6)5min內(nèi)無任何操作則自動斷電，數(shù)碼管無顯示。18(7)保護措施油面過低保護。為防止無油損壞汽油泵，油面過低時，傳感器開關閉合，汽油泵自動斷電，數(shù)碼管g段顯示“”，但不閃爍;油溫過高保護。為防止油溫過高起火，溫度過高時，溫度繼電器開關閉合，汽油泵自動斷電，數(shù)碼管g段顯示“”，閃爍。1911.2.2系統(tǒng)方案及電路設計1. 系統(tǒng)方案20圖11-1 電噴汽車噴油嘴清洗機系統(tǒng)組成方框圖21AT89S51單片機是整個系統(tǒng)的核心

12、，負責控制檢測輸入/輸出顯示和電機調(diào)速等。按鍵輸入電路負責對整個清洗過程一系列工作參數(shù)進行設定輸入。數(shù)碼管顯示器在工作過程中顯示剩余工作時間。電機調(diào)速利用了單片機內(nèi)部的定時器，配合軟件產(chǎn)生脈寬調(diào)制波(PWM)，再通過功率場效應管去驅(qū)動低壓直流電機，具有效率高、能耗低、轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)等特點。輸出控制電路在油溫過高或油面過低的情況下，切斷高壓汽油泵電機的供電，防止發(fā)生事故。電噴汽車噴油嘴清洗機的工作電源取自汽車上的12V蓄電池，經(jīng)降壓穩(wěn)壓后得到5V的穩(wěn)定工作電壓。 2.電路設計電噴汽油嘴清洗機電路共有6個模塊，如圖11-2(a)(f)。22(a)單片機及其接口電路(b) 電機驅(qū)動電路23 (c)油位

13、過低傳感器輸入電路和油溫過高傳感器輸入電路24 (d)顯示器電路25 (e)報警電路26(f) 電機供電控制電路圖11-2 電噴汽油嘴清洗機電路原理圖27圖11-3 主程序流程圖狀態(tài)282變量定義及初始化模塊程序設計時需設立一系列的變量和標志，具體如下。uint deta; /*1 ms計時單元*/uchar sec; /*計時秒*/char set_min; /*設定分*/uchar min_5m; /*5min計數(shù)器*/uchar val; /*中間變量*/uchar pwm_val; /*調(diào)寬脈沖變量值*/char push_val; /*壓力變化值*/sfr WDT=0 xa6; /*

14、定義看門狗定時器*/sbit pushdec_key=P14; /*壓力鍵*/sbit pushinc_key=P13;/*壓力鍵*/29sbit timedec_key=P12; /*時間鍵*/sbit timeinc_key=Pl1; /*時間鍵*/sbit buzz=P35; /*驅(qū)動蜂鳴器端*/sbit out=P36; /*調(diào)寬脈沖輸出端*/sbit relay=P37; /*驅(qū)動繼電器端*/uchar dis_sel; /*顯示內(nèi)容散轉(zhuǎn)標志*/bit over_5m; /*5 min溢出標志*/bit flag_5m; /*5min標志*/bit flag_5s; /*5s標志*/

15、bit start; /*啟動標志 */bit dis_flag; /*顯示標志*/bit key_flag; /*按下鍵標志*/bit buzz_sound; /*蜂鳴器聲響標志*/30bit y; /*中間變量*/bit out_flag; /*PWM輸出標志*/*初始化*/void init( ) IT0=1; IE=0 x8b; reset( ) ;31/*定時器T0初始化*/void init_timer0( ) TMOD=0 x11; TH0=-(1150/256) ; /*1ms初值 */ TL0=-(1150%256) ; TR0=0; ET0=1; EA=1;32/*定時器T

16、1初始化*/void init_timerl( ) TH1=-(5000/256) ; /*5ms初值 */ TL1=-(5000%256) ; TR1=1; ET1=1; EA= 1;333. 調(diào)寬脈沖輸出子程序模塊AT89S51內(nèi)部沒有集成PWM部件，這里利用了內(nèi)部定時 器，與軟件配合產(chǎn)生出調(diào)寬脈沖波。34 if(pwm_val=50) pwm_val=0; else out=OFF;void pwm_out(void) if(out_flag) if(pwm_val2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)。S

17、CLK為時鐘輸入端。 43DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘有關，數(shù)據(jù)格式為BCD，其日歷、時間寄存器及其控制字如表11-1所示。DS1302 與微處理器進行數(shù)據(jù)交換時，首先由微處理器向電路發(fā)送命令字節(jié)，命令字節(jié)最高位Write Protect(D7)必須為邏輯1，如果D7=0，則禁止寫DS1302，即寫保護；D6=0，指定時鐘數(shù)據(jù)，D6=1，指定RAM數(shù)據(jù)；D5D1指定輸入或輸出的特定寄存器；最低位LSB(D0)為邏輯0，指定寫操作(輸入)， D0=1，指定讀操作(輸出)。4445讀寄存器寫寄存器BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0范圍81h

18、80hCH10秒秒00-5983h82h010分分00-5985h84h010時時1-120-23AM/PM87h86h0010日日1-3189h88h00010月月1-128Bh8Ah00000 周日1-78Dh8Ch 10年年00-998Fh8EhWP0000000 -表11-1 DS1302的日期和時間寄存器765432101RAMA4A3A2A1A0RDCKWR46表11-2 控制字（即地址與命令字節(jié)）DS1302與RAM相關的寄存器分為兩類:一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0HFDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性讀、寫所有的RAM的31個字節(jié)。單片機控制DS1302的程序主要包括對寄存器的地址定義