c3超棒的單片機(jī)教學(xué)課件

1、上次課的回顧1.單片機(jī)的概念：單片微型計(jì)算機(jī)是指集成在一個芯片上的微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī) 單片機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個芯片 是將CPU(進(jìn)行運(yùn)算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲器)、I/O口(串口、并口等)、ROM(程序存儲器)集成到單芯片中。2.特點(diǎn)：體積小，重量輕;電源單一，功耗低;功能強(qiáng)，價格低;運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高 單片機(jī)：控制（或受控于）外設(shè)。 單片機(jī)的專長則是測控，往往嵌入某個儀器/設(shè)備/系統(tǒng)中，使其達(dá)到智能化的效果。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、保安、金融、儀器儀表、航空航天、醫(yī)療、通訊、辦公設(shè)備、娛樂休閑、健身、體育競賽、服務(wù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。正迅速改變著人們傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活方式。2022/

2、8/151第1頁，共27頁。上次課的回顧3.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般硬件組成單片機(jī)主系統(tǒng);用于測控目的前向傳感器輸入通道;后向伺服控制輸出通道基本的人機(jī)對話通道。2022/8/152第2頁，共27頁。上次課的回顧4.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容1）單片機(jī)主系統(tǒng)設(shè)計(jì)2) 通道與接口設(shè)計(jì)3) 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)4) 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容 a.單片機(jī)選型； b.MSC-51系列片內(nèi)有程序存儲器的機(jī)型，只需在片外配上電源、復(fù)位電路、振蕩電路，這樣便于對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測試與調(diào)試。 c.配置能滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求的一些外圍功能器件。單片機(jī)主系統(tǒng)2022/8/153第3頁，共27頁。第三章:單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程與內(nèi)

3、容OUTLINE一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟二、總體方案確定三、硬件設(shè)計(jì)四、軟件設(shè)計(jì)2022/8/154第4頁，共27頁。設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制系統(tǒng)一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟2022/8/155第5頁，共27頁。設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制系統(tǒng)一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟總體方案確定:(1) 需求分析:任務(wù)書(功能要求)： 設(shè)有一個南北（SN）向和東西(WE)向的十字路口，兩方向各有兩組相同交通控制信號燈，每組各有四盞信號燈，分別為直行信號燈（S）、左拐信號燈（L）、紅燈（R）和黃燈（Y），交通控制信號燈布置如右圖所示。 2022/8/156第6頁，共27頁。設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制系統(tǒng)

4、一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟總體方案確定:(1) 需求分析:任務(wù)書(功能要求)： 要求:根據(jù)交通流量不同，交通信號燈的控制分為自動控制和手動控制兩種。平時使用自動控制，高峰區(qū)可使用手動控制。 手動控制時，用戶通過鍵盤對交通信號燈進(jìn)行人工控制；自動控制時，交通信號燈控制規(guī)律可用右圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來描述。2022/8/157第7頁，共27頁。設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制系統(tǒng)一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟總體方案確定:(1) 需求分析:方案論證:： 本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為中心處理部件，輸入/輸出量均屬開關(guān)量，而緊急車輛通過，采用實(shí)時中斷方式。(2)機(jī)型和器件的選擇 系統(tǒng)以常用的89C51單片機(jī)作為中心處理部

5、件，2732A作為程序存儲器，紅、綠、黃燈各4個作為交通指示燈，反應(yīng)A道、B道有無車輛的傳感器各2個，處理緊急車輛的中斷按鈕一個。 理由: 89C51單片機(jī)廉價;低功耗;系統(tǒng)均為開關(guān)量;滿足要求.2022/8/158第8頁，共27頁。設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制系統(tǒng)一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟硬件設(shè)計(jì):-結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖2022/8/159第9頁，共27頁。設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制系統(tǒng)一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟硬件設(shè)計(jì):- 單片機(jī)主系統(tǒng)CPU和存儲器部分電路 2022/8/1510第10頁，共27頁。設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制系統(tǒng)一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟硬件設(shè)計(jì):- 驅(qū)動控制電路功率開關(guān)

6、接口和交通信號燈控制部分電路 2022/8/1511第11頁，共27頁。設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制系統(tǒng)一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟硬件設(shè)計(jì):- 顯示與人機(jī)接口電路 顯示器和鍵盤部分電路 2022/8/1512第12頁，共27頁。設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制系統(tǒng)一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟軟件設(shè)計(jì): 程序流程圖 2022/8/1513第13頁，共27頁。經(jīng)歷四個主要步驟： 總體設(shè)計(jì)階段、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)。 一、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主要步驟總體設(shè)計(jì)：需求分析，方案論證。 需求分析:被測控參數(shù)（電量、非電量、模擬量和數(shù)字量等）、參數(shù)的范圍、性能指標(biāo)、系統(tǒng)功能、工作環(huán)境等要求。 方案論證

7、:滿足用戶要求，系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)和可靠。硬件設(shè)計(jì):選擇器件、電路設(shè)計(jì)、電路板制作和硬件調(diào)試。軟件設(shè)計(jì):軟件流程設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試。設(shè)計(jì)文件的整理:設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方案論證、硬件電路圖及元器件清單、軟件流程圖及程序清單、調(diào)試記錄、性能測定及現(xiàn)場試用報(bào)告、使用說明等。2022/8/1514第14頁，共27頁。1. 需求分析與方案論證二、總體方案確定 需求分析: 通過需求分析確定測控系統(tǒng)的任務(wù)要求應(yīng)包括以下幾點(diǎn)功能要求 測量功能：哪些量？有實(shí)時在線要求否？什么輸出形式？ （ 顯示、打印、傳輸、通信）； 控制功能：什么對象？模型為何？哪些狀態(tài)？ 需構(gòu)成什么系統(tǒng)？ （隨動、恒值、串級控制）； 管理功能：操作要

8、求、數(shù)據(jù)庫要求、打印報(bào)表、 決策分析、統(tǒng)計(jì)分析。2022/8/1515第15頁，共27頁。1. 需求分析與方案論證 需求分析: 通過需求分析確定智能儀表任務(wù)要求應(yīng)包括以下幾點(diǎn)性能要求 測量范圍 測量精度 測量靈敏度（分辨率） 穩(wěn)定性、可靠性要求 響應(yīng)速度 動態(tài)特性 數(shù)據(jù)庫瀏覽（查詢）方式、容量、安全性二、總體方案確定2022/8/1516第16頁，共27頁。1. 需求分析與方案論證 需求分析: 通過需求分析確定智能儀表任務(wù)要求應(yīng)包括以下幾點(diǎn)對象特性 輸入輸出關(guān)系（傳遞函數(shù)、用戶以往的經(jīng)驗(yàn)、作法、 其它圖紙資料） 各變量的性質(zhì)（幅度、變化率、分布性等） 生產(chǎn)使用規(guī)律環(huán)境條件其它: 用戶長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)

9、劃、擴(kuò)展、升級的計(jì)劃調(diào)查研究的結(jié)果應(yīng)形成需求分析報(bào)告，以便設(shè)計(jì)方案。 二、總體方案確定2022/8/1517第17頁，共27頁。1. 需求分析與方案論證 方案論證: 總方案論證包括測控（工作）原理分析、推導(dǎo)，測控系統(tǒng)組成說明(可以用框圖)，總體的硬、軟件結(jié)構(gòu)描述，主要性能、功能的計(jì)算、分析和說明等內(nèi)容。 總體方案設(shè)計(jì)時，既要仔細(xì)研究測控儀表的功能要求、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境條件等因素，還要與可以達(dá)到的技術(shù)水平，設(shè)備、資金的擁有量，必要的實(shí)驗(yàn)場地，必備的元器件來源，以及投入的人力和規(guī)定的完成時間等條件相比較，在此基礎(chǔ)上確立總體方案的可行性。二、總體方案確定2022/8/1518第18頁，共27頁。2.機(jī)

10、型和器件選擇 元器件的選擇包括單片機(jī)、傳感器、模擬電路、輸入輸出電路和存儲器等。這些器件的選擇應(yīng)符合系統(tǒng)的精度、速度和可靠性等方面的要求。除此之外還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： 1貨源充足穩(wěn)定，便于批量生產(chǎn)； 2在考慮性能/價格比的前提下選擇最容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的機(jī)型和器件； 3要選擇自己最熟悉的機(jī)型和器件，以縮短研制周期； 4.選擇功能強(qiáng)的,減少外圍元件的擴(kuò)展.縮短研制周期；并提高可靠性.二、總體方案確定2022/8/1519第19頁，共27頁。3.硬件和軟件的功能劃分 系統(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)是密切聯(lián)系在一起的，且硬件和軟件具有一定的互換性。 多用硬件完成一些功能，可以提高整個系統(tǒng)的工作速度，減少軟

11、件設(shè)計(jì)工作量，但增加了硬件成本。 若用軟件替代某些硬件的功能，可使硬件成本降低，但增加了軟件的復(fù)雜性，而且降低了系統(tǒng)的工作速度。 因此，總體設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮以上因素，合理搭配軟硬件的比重。在不影響系統(tǒng)速度的情況下，盡量使用硬件。二、總體方案確定2022/8/1520第20頁，共27頁。1.硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容三、硬件設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)擴(kuò)展:即單片機(jī)內(nèi)容的功能單元如ROM、RAM、I/O、定時器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。(2)系統(tǒng)配置:即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、模擬量/數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器等，設(shè)計(jì)合適的接口電路。2

12、022/8/1521第21頁，共27頁。2.硬件設(shè)計(jì)原則三、硬件設(shè)計(jì)（1）盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。（2）應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有余地。（3）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮?？紤]的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但應(yīng)注意，系統(tǒng)運(yùn)行速度,實(shí)時性.（4）系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用CMOS芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。（5）必須進(jìn)行可靠性及抗干擾設(shè)計(jì).包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。（6）單片機(jī)外圍電路較多時，必須考慮其

13、驅(qū)動能力。2022/8/1522第22頁，共27頁。1.軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容四、軟件設(shè)計(jì)（1）建立數(shù)學(xué)模型 應(yīng)對被控對象的物理過程和計(jì)算任務(wù)進(jìn)行全面分析，并從中提煉出數(shù)學(xué)表達(dá)式，即建立數(shù)學(xué)模型。 數(shù)學(xué)模型的形式是多樣的，可以是一系列數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以是數(shù)學(xué)推理和判斷，也可以是運(yùn)行狀態(tài)的模擬。 例如在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，可以采用數(shù)字PID控制算法；在測量系統(tǒng)中從模擬輸入通道得到的溫度、流量、壓力等現(xiàn)場信息與該信號對應(yīng)的實(shí)際值往往存在非線性關(guān)系，需要進(jìn)行非線性補(bǔ)償。非線性補(bǔ)償常用方法有：查表法、插值法、曲線擬合等。2022/8/1523第23頁，共27頁。1.軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容四、軟件設(shè)計(jì)（2）軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用

14、模塊化結(jié)構(gòu)，模塊分3到4層。 1)最低一層，(通用子程序庫)，包括: a.一般性子程序,如四則運(yùn)算、開方運(yùn)算、數(shù)的轉(zhuǎn)換等。 b.過程控制通用子程序。包括過程控制中常用的控制算法. 打印機(jī)及顯示器的驅(qū)動子程序、數(shù)據(jù)傳送和變換子程序。 2)執(zhí)行功能模塊層 在通用子程序庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)對過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的歸納、分類和規(guī)范化，組成各執(zhí)行功能模塊. 3)系統(tǒng)監(jiān)控與管理模塊層 它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度的角色。它包括主程序和管理程序2022/8/1524第24頁，共27頁。1.軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容四、軟件設(shè)計(jì)（2）繪制程序流程圖: 方法：從上到下，先總體框圖-然后分解-子模塊。 不論采用何種程序設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)者都要根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)和控制對象的數(shù)學(xué)模型畫出系統(tǒng)的總體框圖，以描述程序的總體結(jié)構(gòu)。 在總體框圖的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者還應(yīng)結(jié)合數(shù)學(xué)模型確立具體的算法和步驟，并演化成計(jì)算機(jī)能處理的形式，然后畫出子模塊的所有流程圖。2022/8/1525第25頁，共27頁。1.軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容四、軟件設(shè)計(jì)（3）系統(tǒng)定義 在軟件設(shè)計(jì)前，把軟件承擔(dān)的任務(wù)（結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)）明確表示出來，具體有： （1）定義各輸入/輸出口的功能，明確信息交流方式、與系統(tǒng)接口方式、端口地址、讀取和輸出方式等。 （2）在程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器區(qū)域中，合理分配存儲空間（包括系統(tǒng)主程序、常數(shù)