單片機(jī)及其最小應(yīng)用系統(tǒng)

單片機(jī)及其最小應(yīng)用系統(tǒng)第1頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)1認(rèn)識(shí)單片機(jī)單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）簡(jiǎn)稱。所謂單片機(jī)，通俗的來(lái)講，就是把中央處理器CPU（CentralProcessingUnit），存儲(chǔ)器（memory），定時(shí)器，I/O（Input/Output）接口電路等一些計(jì)算機(jī)的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)特別適合于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器MCU（MicroControlUnit）。中文“單片機(jī)”的稱呼是由英文名稱“SingleChipMicrocomputer”直接翻譯而來(lái)的。單片機(jī)只要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。1．單片機(jī)是什么（定義）第2頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)1認(rèn)識(shí)單片機(jī)2．單片機(jī)能干什么（應(yīng)用領(lǐng)域）（1）在智能儀器儀表上的應(yīng)用（2）在工業(yè)控制中的應(yīng)用（3）在家用電器中的應(yīng)用（4）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用（5）單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用（6）在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用此外，在工商，金融，科研、教育，國(guó)防航空航天等領(lǐng)域也有著十分廣泛的用途。第3頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)1認(rèn)識(shí)單片機(jī)3.為什么單片機(jī)這么能干（1）功能夠用：實(shí)際工作中并不是任何需要計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合都要求計(jì)算機(jī)有很高的性能，應(yīng)用的關(guān)鍵是看是否夠用，是否有很好的性能價(jià)格比。（2）價(jià)格便宜，即性價(jià)比高；（3）集成度高，體積小，可靠性好；（4）低功耗、低電壓；（5）易擴(kuò)展。第4頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)1認(rèn)識(shí)單片機(jī)4.單片機(jī)經(jīng)歷了哪些階段經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段：（1）SCM即單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。（2）MCU即微控制器（MicroControllerUnit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。（3）單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專(zhuān)用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。

第5頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)1認(rèn)識(shí)單片機(jī)5．單片機(jī)有哪些系列（1）8051單片機(jī)（2）MOTOROLA單片機(jī)（3）Microchip單片機(jī)（4）Atmel單片機(jī)（5）NEC單片機(jī)（6）東芝單片機(jī)（7）富士通單片機(jī)（8）LG公司生產(chǎn)的GMS90系列單片機(jī)（9）凌陽(yáng)16位單片機(jī)（10）Scenix單片機(jī)（11）EPSON單片機(jī)（12）華邦單片機(jī)第6頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溫馨提示1.熟悉和了解單片機(jī)的內(nèi)部資源和指令系統(tǒng)；2.了解并熟練掌握常用軟件的使用方法。源程序編譯及調(diào)試軟件KeilC51等；硬件電路仿真軟件Proteus。3.堅(jiān)持手、腦并用的原則；要勤于動(dòng)手，要多做、多看、多想，先看懂別人的程序，再學(xué)修改別人的設(shè)計(jì)，最后是自己設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序。4.學(xué)好相關(guān)硬件電路知識(shí)，軟件與硬設(shè)計(jì)結(jié)合，理論與實(shí)踐結(jié)合。學(xué)會(huì)利用網(wǎng)上的資源，會(huì)上單片機(jī)的網(wǎng)站并會(huì)查相關(guān)資料。5.最后要自己動(dòng)手完整設(shè)計(jì)完成一個(gè)課題，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中掌握單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)。怎樣學(xué)習(xí)單片機(jī)課程？第7頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.計(jì)算機(jī)一臺(tái)：無(wú)特殊要求，可選用經(jīng)濟(jì)型電腦。能上網(wǎng)最佳。2.開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)板一塊：學(xué)校統(tǒng)一提供，可完成多個(gè)實(shí)用課題。也可以自己制作。3.ISP下載線一條：用于對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程下載，可自制。4.相關(guān)軟件：開(kāi)發(fā)軟件、仿真軟件、ISP下載軟件等，如： 源程序編輯軟件：記事本、UltraEdit等。 集成開(kāi)發(fā)軟件：KeilC51等。 電路仿真軟件：Proteus等 其它工具軟件：參數(shù)計(jì)算設(shè)置軟件、串口調(diào)試、PCB設(shè)計(jì)等軟件5.工具書(shū)：教材1～2本6.其它資料：器件資料、應(yīng)用文檔、實(shí)例等，主要由網(wǎng)絡(luò)收集。7.U盤(pán)：1G，用于保存資料（選購(gòu)）。溫馨提示學(xué)習(xí)單片機(jī)要哪些準(zhǔn)備？第8頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀AT89S51單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytes可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器，既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

AT89S51單片機(jī)芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。單片機(jī)AT89S51的TQFP和PLCC封裝形式如圖1.2.1所示，PDIP封裝形式和三種封裝的實(shí)物芯片外形如圖1.2.2所示。第9頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀AT89S51的封裝形式和三種封裝的芯片外形

第10頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月40個(gè)引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀1．功能特性概述第11頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 ?8031CPU與MCS-51兼容

?4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器(壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)) ?全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz ?三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定

?128*8位內(nèi)部RAM ?32條可編程I/O線

?兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

?6個(gè)中斷源

?可編程串行通道

?低功耗的閑置和掉電模式

?片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀2．主要性能參數(shù)第12頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）電源引腳Vcc和GNDVcc（40腳）：電源端，接＋5V。GND（20腳）：接地端（2）時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。XTAL2（18腳）：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳為外部時(shí)鐘的輸入端。（3）ALE（30腳）：地址鎖存允許系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用。（4）（32腳）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。是讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，低電平有效。（5）/VPP（31腳）：外程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端。當(dāng)為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng)PC中的值超過(guò)0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。當(dāng)為低電平時(shí)，CPU只執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。（6）RST（9腳）：復(fù)位信號(hào)輸入端。該信號(hào)高電平有效，在輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀3．引腳功能說(shuō)明第13頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（7）4個(gè)輸入/輸出端口P0、P1、P2和P3P0口（P0.0～P0.7）：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1口（P1.0～P1.7）：它是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1口的驅(qū)動(dòng)能力為4個(gè)LSTTL負(fù)載。通常，P1口是提供給用戶使用的I/O口。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接受低8位地址。同時(shí)P1.5、P1.6、P1.7具有第二功能，如表1-2-1所示。任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀第14頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P2口（P2.0~P2.7）：P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。

Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀第15頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P3口（P3.0～P3.7）：P3口是一組帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／0口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)P3口寫(xiě)入“l(fā)”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I／0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表1-2-2所示.P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀第16頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MCS-51單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，均具64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。·程序存儲(chǔ)器如果EA引腳接地（GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。在AT89S51，假如EA接至Vcc（電源+），程序首先執(zhí)行地址從0000H－0FFFH（4KB）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，再執(zhí)行地址為1000H－FFFFH（60KB）的外部程序存儲(chǔ)器。·數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT89S51的具有128字節(jié)的內(nèi)部RAM，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問(wèn)，堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行，128字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀4.存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

第17頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月WDT是為了解決CPU程序運(yùn)行時(shí)可能進(jìn)入混亂或死循環(huán)而設(shè)置，它由一個(gè)14bit計(jì)數(shù)器和看門(mén)狗復(fù)位SFR（WDTRST）構(gòu)成。外部復(fù)位時(shí)，WDT默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，要打開(kāi)WDT，用戶必須按順序?qū)?1EH和0E1H寫(xiě)到WDTRST寄存器（SFR地址為0A6H），當(dāng)啟動(dòng)了WDT，它會(huì)隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，除硬件復(fù)位或WDT溢出復(fù)位外沒(méi)其它方法關(guān)閉WDT，當(dāng)WDT溢出，將使RST引腳輸出高電平的復(fù)位脈沖。使用看門(mén)狗（WDT）打開(kāi)WDT需按次序?qū)?1EH和0E1H到WDTRST寄存器（SFR的地址為0A6H），當(dāng)WDT打開(kāi)后，需在一定的時(shí)候01EH和0E1H到WDTRST寄存器以避免WDT計(jì)數(shù)溢出。14位WDT計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到16383（3FFFH），WDT將溢出并使器件復(fù)位。WDT打開(kāi)時(shí)，它會(huì)隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，這意味著用戶必須在小于每個(gè)16383機(jī)器周期內(nèi)復(fù)位WDT，也即寫(xiě)01EH和0E1H到WDTRST寄存器，WDTRST為只寫(xiě)寄存器。WDT計(jì)數(shù)器既不可讀也不可寫(xiě)，當(dāng)WDT溢出時(shí)，通將使RST引腳輸出高電平的復(fù)位脈沖。復(fù)位脈沖持續(xù)時(shí)間為98×Tosc，而Tosc=1／Fosc（晶體振蕩頻率）。為使WDT工作最優(yōu)化，必須在合適的程序代碼時(shí)間段周期地復(fù)位WDT防止WDT溢出。任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀5.看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）第18頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月掉電時(shí)期，晶體振蕩停止，WDT也停止。掉電模式下，用戶不能再?gòu)?fù)位WDT。兩種方法可退出掉電模式：硬件復(fù)位或通過(guò)激活外部中斷。當(dāng)硬件復(fù)位退出掉電模式時(shí)，處理WDT可象通常的上電復(fù)位一樣。當(dāng)由中斷退出掉電模式則所不同，中斷低電平狀態(tài)持續(xù)到晶體振蕩穩(wěn)定，當(dāng)中斷電平變?yōu)楦呒错憫?yīng)中斷服務(wù)。為防止中斷誤復(fù)位，當(dāng)器件復(fù)位，中斷引腳持續(xù)為低時(shí)，WDT并未開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到中斷引腳被拉高為止。這為在掉電模式下的中斷執(zhí)行中斷服務(wù)程序而設(shè)置。為保證WDT在退出掉電模式時(shí)極端情況下不溢出，最好在進(jìn)入掉電模式前復(fù)位WDT。在進(jìn)入空閑模式前，WDT打開(kāi)時(shí)，WDT是否繼續(xù)計(jì)數(shù)由SFR中的AUXR的WDIDLE位決定，在IDLE期間（位WDIDLE=0）默認(rèn)狀態(tài)是繼續(xù)計(jì)數(shù)。為防止AT89S51從空閑模式復(fù)位，用戶應(yīng)周期性地設(shè)置定時(shí)器，重新進(jìn)入空閑模式。當(dāng)位WDIDLE被置位，在空閑模式WDT將停止計(jì)數(shù)，直到從空閑（IDLE）模式退出重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。任務(wù)2單片機(jī)AT89S51的識(shí)讀掉電和空閑狀態(tài)時(shí)的WDT第19頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)3單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成所謂單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指用最少的元件能使單片機(jī)工作起來(lái)的一個(gè)最基本的組成電路。那么拿到一塊單片機(jī)芯片，想要使用它，怎么辦呢？首先要知道怎樣連線。對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路等。同時(shí)，單片機(jī)要正常運(yùn)行，還必須具備電源正常、時(shí)鐘正常、復(fù)位正常三個(gè)基本條件。以AT89S51單片機(jī)組成的最小系統(tǒng)圖如1.3.1所示，（a）圖為電路原理圖，（b）圖為實(shí)物電路圖。第20頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖1.3.1（a）單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖圖1.3.1（b）單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)物圖任務(wù)3單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成第21頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電路以單片機(jī)AT89S51為核心，AT89S51的18，19引腳外接由C1、C2、X1構(gòu)成石英晶體振蕩電路，9引腳外接由C3、R1構(gòu)成的上電復(fù)位電路，加上20引腳接地，40引腳、31引腳接電源VCC，這就構(gòu)成了AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)。通上電，單片機(jī)就開(kāi)始工作了。當(dāng)然沒(méi)有程序的單片機(jī)還是什么工作也沒(méi)能完成的，只能說(shuō)是進(jìn)入工作準(zhǔn)備就緒狀態(tài)。1．電源電路：電源是單片機(jī)工作的動(dòng)力源泉。對(duì)應(yīng)的接線方法為：40腳（VCC）電源引腳，工作時(shí)接+5V電源，20腳（GND）為接地線。2．時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)序脈沖，單片機(jī)所有運(yùn)算與控制過(guò)程都是在統(tǒng)一的時(shí)序脈沖的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行的。時(shí)鐘電路就好比人的心臟，如果人的心跳停止了，人就。。。同樣，如果單片機(jī)的時(shí)鐘電路停止工作（晶振停振），那么單片機(jī)也就停止運(yùn)行了。3．復(fù)位電路：在復(fù)位引腳（9腳）腳持續(xù)出現(xiàn)24個(gè)振蕩器脈沖周期（即2個(gè)機(jī)器周期）的高電平信號(hào)將使單片機(jī)復(fù)位，此時(shí)，一些專(zhuān)用寄存器的狀態(tài)值將恢復(fù)為初始值。4．控制引腳EA接法。EA/VPP（31腳）為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制引腳，當(dāng)EA為低電位時(shí)，單片機(jī)從外部程序存儲(chǔ)器取指令；當(dāng)EA接高電平時(shí)，單片機(jī)從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器取指令。任務(wù)3單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成第22頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各地信號(hào)之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。（1）時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生在MCS-51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益相反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機(jī)的時(shí)鐘電路，如圖1.3.2所示。

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1．單片機(jī)的時(shí)鐘電路第23頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過(guò)觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。請(qǐng)讀者特別注意時(shí)鐘脈沖與振蕩脈沖之間的二分頻關(guān)系，否則會(huì)造成概念上的錯(cuò)誤。一般電容C1和C2取30pF左右，晶體的振蕩頻率范圍是1.2MHZ～12MHZ。晶體振蕩頻率高,則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高,單片機(jī)運(yùn)行速度也就快。MCS-51在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為的6MHZ或12MHZ。1．單片機(jī)的時(shí)鐘電路

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第24頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）引入外部脈沖信號(hào)在由多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，為了各單片機(jī)之間時(shí)鐘信號(hào)的同步，應(yīng)當(dāng)引入唯一的公用外部脈沖信號(hào)作為各單片機(jī)的振蕩脈沖。這時(shí)外部的脈沖信號(hào)是經(jīng)XTAL2引腳注入，其連接如圖1.3.3所示。

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1．單片機(jī)的時(shí)鐘電路第25頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）時(shí)序時(shí)序是用定時(shí)單位來(lái)說(shuō)明的。MCS-51的時(shí)序定時(shí)單位共有4個(gè)，從小到大依次是：節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。下面分別加以說(shuō)明。1）節(jié)拍與狀態(tài)把振蕩脈沖的周期定義為拍節(jié)（用P表示）。振蕩脈沖經(jīng)過(guò)二分頻后，就是單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)的周期定義為狀態(tài)（用S表示）。這樣，一個(gè)狀態(tài)就包含兩個(gè)拍節(jié)，具前半周期對(duì)應(yīng)的拍節(jié)叫拍節(jié)1（P1），后半周期對(duì)應(yīng)的拍節(jié)2(P2).2）機(jī)器周期MCS-51采用定時(shí)控制方式,因此它有固定的機(jī)器周期。規(guī)定1個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)，并依次表示為S1～S6。由于1個(gè)狀態(tài)又包括兩個(gè)節(jié)拍,因此1個(gè)機(jī)器周期總共有12個(gè)節(jié)拍,分別記作S1P1S1P2。。。。。。S6P2.由于1個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩脈沖周期，因此機(jī)器周期就是振蕩脈沖的十二分頻。當(dāng)振蕩脈沖頻率為12MHZ時(shí),一個(gè)機(jī)器周期為1us。當(dāng)振蕩脈沖頻率為6MHZ時(shí),一個(gè)機(jī)器周期為2us。3）指令周期指令周期是最大的時(shí)序定時(shí)單位,執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱之為指令周期。它一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。不同的指令，所需要的機(jī)器周期數(shù)也不相同。通常，包含1個(gè)機(jī)器周期的指令稱為單周期指令，包含2個(gè)機(jī)器周期的指令稱為雙周期指令，等等。指令的運(yùn)算速度和指令所包含的機(jī)器周期有關(guān)，機(jī)器周期數(shù)越少的指令執(zhí)行速度越快。MCS-51單片機(jī)通?？梢苑譃閱沃芷谥噶?、雙周期指令和四周期指令等3種。

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1．單片機(jī)的時(shí)鐘電路第26頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。無(wú)論是在單片機(jī)剛開(kāi)始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。所以，必須弄清楚MCS-51型單片機(jī)復(fù)位的條件、復(fù)位電路和復(fù)位后狀態(tài)。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使RST/VPD或RST引腳（9）加上持續(xù)二個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)振蕩周期）的高電平。例如：若時(shí)鐘頻率為12MHZ，每機(jī)器周期為1us，則只需2us以上時(shí)間的高電平。在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行復(fù)位。單片機(jī)常見(jiàn)的復(fù)位電路如圖1.3.4（a）（b）所示。

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2.單片機(jī)的復(fù)位電路第27頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖1.3.4（a）為上電復(fù)位電路，它是利用電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在接電瞬間，RST端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。只要保證RST為高電平的時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。圖1.3.4（b）為按鍵復(fù)位電路。該電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只需按圖1.3.4（b）中的RESET鍵，此時(shí)電源VCC經(jīng)電阻R1、R2分壓，在RST端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。

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2.單片機(jī)的復(fù)位電路第28頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE和信號(hào)，即ALE=1和=1。這表明單片機(jī)復(fù)位期間不會(huì)有任何取指操作。復(fù)位后，內(nèi)部各專(zhuān)用寄存器狀態(tài)如下：

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2.單片機(jī)的復(fù)位電路第29頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其中x表示無(wú)關(guān)位。請(qǐng)注意：（1）復(fù)位后PC值為0000H，表明復(fù)位后程序從0000H開(kāi)始執(zhí)行，這一點(diǎn)在實(shí)訓(xùn)中已介紹。（2）SP值為07H，表明堆棧底部在07H。一般需重新設(shè)置SP值。（3）P0~P3口值為FFH。P0~P3口用作輸入口時(shí)，必須先寫(xiě)入“1”。單片機(jī)在復(fù)位后，已使P0~P3口每一端線為“1”，為這些端線用作輸入口做好了準(zhǔn)備。

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2.單片機(jī)的復(fù)位電路第30頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配以輸入、輸出、顯示、控制等外圍電路和軟件，能實(shí)現(xiàn)一種或多種功能的實(shí)用系統(tǒng)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是由硬件和軟件組成，硬件是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是在硬件的基礎(chǔ)上對(duì)其資源進(jìn)行合理調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)，二者相互依賴，缺一不可，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成如圖1.4.1所示。圖1.4.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成第31頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由此可見(jiàn)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員必須從硬件和軟件兩個(gè)角度來(lái)深入了解單片機(jī)，并能夠?qū)⒍哂袡C(jī)結(jié)合起來(lái)，才能形成具有特定功能的應(yīng)用系統(tǒng)或整機(jī)產(chǎn)品。通過(guò)單片機(jī)的I/O接口，在其周?chē)梢栽O(shè)置很多的外圍應(yīng)用電路。下面我們以一些典型外圍電路進(jìn)行說(shuō)明。第32頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、實(shí)現(xiàn)顯示輸出的發(fā)光二極管電路8路發(fā)光二極管顯示電路如圖1.4.2所示，8個(gè)采用共陽(yáng)極連接方式的發(fā)光二極管，每個(gè)發(fā)光二極管均接有限流電阻。只要將單片機(jī)最小系統(tǒng)中的任意一個(gè)I/O口與之相連接，就可以構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)電路。當(dāng)單片機(jī)I/O口輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管就亮；而輸出高電平時(shí)，發(fā)光二極管就不亮；圖1.4.28路發(fā)光二極管顯示電路

任務(wù)4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第33頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按鍵是單片機(jī)的輸入電路，通過(guò)按鍵操作實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的工作進(jìn)行控制。按鍵有按下和未按下之分，單片機(jī)通過(guò)定義按鍵的功能，判斷和檢測(cè)鍵是否按下來(lái)，以便決定單片機(jī)執(zhí)行哪一段程序，完成哪一個(gè)特定功能。按鍵電路如圖1.4.3所示，（a）獨(dú)立式按鍵電路，（b）矩陣式按鍵電路。只要將單片機(jī)最小系統(tǒng)中的任意一個(gè)I/O口與之相連接，就可以構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)按鍵輸入電路。對(duì)于獨(dú)立式按鍵電路來(lái)說(shuō)，當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的單片機(jī)I/O口線為低電平，反之為高電平時(shí)。2.實(shí)現(xiàn)輸入控制的按鍵電路任務(wù)4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第34頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（a）獨(dú)立式按鍵電路（b）矩陣式按鍵電路圖1.4.3按鍵電路第35頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)與數(shù)碼管連接的電路有兩種，一種是靜態(tài)顯示方式，一種是動(dòng)態(tài)顯示方式；在靜態(tài)顯示中，數(shù)碼管的每段LED需要占用一條端口線實(shí)現(xiàn)顯示控制。由于單片機(jī)端口的引腳有限，在數(shù)碼管較多時(shí)不宜采用靜態(tài)顯示方式，常采用動(dòng)態(tài)顯示控制方式來(lái)連接電路。如圖1.4.4所示，采用4位數(shù)碼管顯示的電路，通過(guò)段碼和位選碼來(lái)與單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行連接。3．實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的數(shù)碼管輸出電路第36頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖1.4.44位數(shù)碼管顯示電路圖1.4.5聲光報(bào)警電路第37頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)4單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4．實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的輸出電路聲光報(bào)警電路如圖1.4.5所示，當(dāng)單片機(jī)的P3.7輸出低電平，QB導(dǎo)通，二極管DB1點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。除上述電路外，還有相關(guān)的外圍硬件電路，在此不一一介紹了，放在相應(yīng)的項(xiàng)目或任務(wù)中講解。對(duì)于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)而言，要想完成一個(gè)特定的工作任務(wù)，光設(shè)計(jì)好硬件電路還不行，還必須根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制軟件，這樣才能使電路按照設(shè)計(jì)要求自動(dòng)地進(jìn)行工作。對(duì)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)而言，除要應(yīng)用到硬件知識(shí)，還要應(yīng)用到相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)知識(shí)。因此，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的結(jié)合。第38頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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1.1如何讓單片機(jī)工作起來(lái)把需單片機(jī)完成的任務(wù)編成程序裝入單片機(jī)芯片中，給單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)加電（有的需其它電路），單片機(jī)就會(huì)自動(dòng)工作起來(lái)。1.2單片機(jī)的工作過(guò)程單片機(jī)的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行用戶編制程序的過(guò)程，一般程序的機(jī)器碼都已固化到存儲(chǔ)器中，因此開(kāi)機(jī)復(fù)位后，就可以執(zhí)行指令。執(zhí)行指令又是取指令和執(zhí)行指令的周而復(fù)始的過(guò)程。單片機(jī)通過(guò)PC控制下，一條條的從程序存儲(chǔ)器中讀取指令（至于如何把程序存到存儲(chǔ)器中，我們可以利用相應(yīng)工具實(shí)現(xiàn)的），然后執(zhí)行該指令就可以實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的控制功能。程序開(kāi)發(fā)的過(guò)程就是：把用戶要求——轉(zhuǎn)化為指令（程序語(yǔ)句）——存放到程序存儲(chǔ)器——在單片機(jī)CPU控制下——取指令——執(zhí)行指令——實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。必須明白我們的角色就是主要是完成第一步，就是要進(jìn)行程序的編制，使單片機(jī)按照我們的要求工作，而剩余的工作是由單片機(jī)自動(dòng)完成的。第39頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3如何進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)分析任務(wù)（即明確設(shè)計(jì)任務(wù)具體是什么）---方案選擇（根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)選擇一組最適合的電路方案）——硬件電路設(shè)計(jì)——軟件程序設(shè)計(jì)——調(diào)試程序——單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試、測(cè)試。具體如下：1.3.1總體設(shè)計(jì)1．明確設(shè)計(jì)任務(wù)認(rèn)真進(jìn)行目標(biāo)分析，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合、工作環(huán)境、具體用途，考慮系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性、先進(jìn)性，以及成本等，提出合理的、詳盡的功能技術(shù)指標(biāo)。2．器件選擇（1）單片機(jī)選擇主要從性能指標(biāo)如字長(zhǎng)、主頻、尋址能力、指令系統(tǒng)、內(nèi)部寄存器狀況、存儲(chǔ)器容量、有無(wú)A/D、D/A通道、功耗、價(jià)能比等方面進(jìn)行選擇。對(duì)于一般的測(cè)控系統(tǒng)，選擇8位機(jī)即能滿足要求。

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第40頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）外圍器件的選擇外圍器件應(yīng)符合系統(tǒng)的精度、速度和可靠性、功耗、抗干擾等方面的要求。應(yīng)考慮功耗、電壓、溫度、價(jià)格、封裝形式等其他方面的指標(biāo)，應(yīng)盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、功能強(qiáng)、集成度高的典型電路。3．總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)就是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、指標(biāo)要求和給定條件，設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)場(chǎng)條件的軟、硬件方案。并進(jìn)行方案優(yōu)化。應(yīng)劃分硬件、軟件任務(wù)，畫(huà)出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。要合理分配系統(tǒng)內(nèi)部的硬件、軟件資源。包括以下幾個(gè)方面：（1）從系統(tǒng)功能需求出發(fā)設(shè)計(jì)功能模塊。包括顯示器、鍵盤(pán)、數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)、通信、控制、驅(qū)動(dòng)、供電方式等（2）從系統(tǒng)應(yīng)用需求分配元器件資源。包括定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行口、I/O接口、A/D、D/A、信號(hào)調(diào)理、時(shí)鐘發(fā)生器等。（3）從開(kāi)發(fā)條件與市場(chǎng)情況出發(fā)選擇元器件。包括仿真器、編程器、元器件、語(yǔ)言、程序設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易等。

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第41頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）從系統(tǒng)可靠性需求確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝。包括去耦、光隔、屏蔽、印制板、低功耗、散熱、傳輸距離/速度、節(jié)電方式、掉電保護(hù)、軟件措施等。1.3.2硬件設(shè)計(jì)由總體設(shè)計(jì)所給出的硬件框圖所規(guī)定的硬件功能，在確定單片機(jī)類(lèi)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行必要的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制作出印刷電路板，組裝后即完成了硬件設(shè)計(jì)。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)的配置（按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備）兩部分。1．硬件電路設(shè)計(jì)的一般原則（1）采用新技術(shù)，注意通用性，選擇典型電路。（2）向片上系統(tǒng)（SOC）方向發(fā)展。擴(kuò)展接口盡可能采用PSD等器件。（3）注重標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。（4）滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。（5）工藝設(shè)計(jì)時(shí)要考慮安裝、調(diào)試、維修的方便。

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第42頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．硬件電路各模塊設(shè)計(jì)的原則

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1.4.6所示。圖圖

1.4.6單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

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第43頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各模塊電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：（1）存儲(chǔ)器擴(kuò)展：類(lèi)型、容量、速度和接口，盡量減少芯片的數(shù)量。（2）I/O接口的擴(kuò)展：體積、價(jià)格、負(fù)載能力、功能，合適的地址譯碼方法。（3）輸入通道的設(shè)計(jì)：開(kāi)關(guān)量（接口形式、電壓等級(jí)、隔離方式、擴(kuò)展接口等），模擬輸入通道（信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)傳輸、隔離、信號(hào)處理、A/D、擴(kuò)展接口、速度、精度和價(jià)格等）。（4）輸出通道的設(shè)計(jì)：開(kāi)關(guān)量（功率、控制方式等），模擬量輸出通道（輸出信號(hào)的形式、D/A、隔離方式、擴(kuò)展接口等）（5）人機(jī)界面的設(shè)計(jì)：鍵盤(pán)、開(kāi)關(guān)、撥碼盤(pán)、啟/停操作、復(fù)位、顯示器、打印、指示、報(bào)警、擴(kuò)展接口等。（6）通信電路的設(shè)計(jì)：根據(jù)需要選擇RS-232C、RS-485、紅外收發(fā)等通信標(biāo)準(zhǔn)。（7）印刷電路板的設(shè)計(jì)與制作：專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件（Protel，OrCAD等）、設(shè)計(jì)、專(zhuān)業(yè)化制作廠家、安裝元件、調(diào)試等。

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第44頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（8）負(fù)載容限：總線驅(qū)動(dòng)。（9）信號(hào)邏輯電平兼容性：電平兼容和轉(zhuǎn)換。（10）電源系統(tǒng)的配置：電源的組數(shù)、輸出功率、抗干擾。（11）抗干擾的實(shí)施：芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。1.3.3軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖1.4.7所示?？煞譃橐韵聨讉€(gè)方面。1．總體規(guī)劃結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)，明確軟件任務(wù)，確定具體實(shí)施的方法，合理分配資源。定義輸入/輸出、確定信息交換的方式（數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)格式、校驗(yàn)方法、狀態(tài)信號(hào)等）、時(shí)間要求，檢查與糾正錯(cuò)誤。

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第45頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．程序設(shè)計(jì)技術(shù)軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化，各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。一般有以下兩種設(shè)計(jì)方法：（1）模塊程序設(shè)計(jì)：優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)功能明確的程序模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試比較方便，容易完成，一個(gè)模塊可以為多個(gè)程序所共享。其缺點(diǎn)是各個(gè)模塊的連接有時(shí)有一定難度。如圖1.4.7軟件設(shè)計(jì)流程圖

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第46頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）自頂向下的程序設(shè)計(jì)：優(yōu)點(diǎn)是比較符合于人們的日常思維，設(shè)計(jì)、調(diào)試和連接同時(shí)按一個(gè)線索進(jìn)行，程序錯(cuò)誤可以較早的發(fā)現(xiàn)。缺點(diǎn)是上一級(jí)的程序錯(cuò)誤將對(duì)整個(gè)程序產(chǎn)生影響，一處修改可能引起對(duì)整個(gè)程序的全面修改。3．程序設(shè)計(jì)（1）建立數(shù)學(xué)模型：描述出各輸入變量和各輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。（2）繪制程序流程圖：以簡(jiǎn)明直觀的方式對(duì)任務(wù)進(jìn)行描述。（3）程序的編制：選擇語(yǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、控制算法、存儲(chǔ)空間分配，系統(tǒng)硬件資源的合理分配與使用，子程序的入/出口參數(shù)的設(shè)置與傳遞。4．軟件裝配各程序模塊編輯之后，需進(jìn)行匯編或編譯、調(diào)試，當(dāng)滿足設(shè)計(jì)要求后，將各程序模塊按照軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求連接起來(lái)，即為軟件裝配。在軟件裝配時(shí)，應(yīng)注意軟件接口。

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第47頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4可靠性設(shè)計(jì)可靠性，通常是指在規(guī)定的條件（環(huán)境條件如溫度、濕度、振動(dòng)，供電條件等）下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（平均無(wú)故障時(shí)間）完成規(guī)定功能的能力。提高單片機(jī)本身的可靠性措施：降低外時(shí)鐘頻率，采用時(shí)鐘監(jiān)測(cè)電路與看門(mén)狗技術(shù)、低電壓復(fù)位、EFT抗干擾技術(shù)、指令設(shè)計(jì)上的軟件抗干擾等幾方面。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的主要干擾渠道：空間干擾、過(guò)程通道干擾、供電系統(tǒng)干擾。應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，應(yīng)重點(diǎn)防止供電系統(tǒng)與過(guò)程通道的干擾。

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第48頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．供電系統(tǒng)干擾與抑制干擾源：電源及輸電線路的內(nèi)阻、分布電容和電感等?？垢蓴_措施：采用交流穩(wěn)壓器、電源低通濾波器、帶屏蔽層的隔離變壓器、獨(dú)立的（或?qū)I(yè)的）直流穩(wěn)壓模塊，交流引線應(yīng)盡量短，主要集成芯片的電源采用去耦電路，增大輸入/輸出濾波電容等措施。2．過(guò)程通道的干擾與抑制干擾源：長(zhǎng)線傳輸。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，從現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)或從傳感器輸出的微弱模擬信號(hào)，經(jīng)傳輸線送入單片機(jī)，信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生延時(shí)、畸變、衰減及通道干擾?？垢蓴_措施：（1）采用隔離技術(shù)：光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。典型的信號(hào)隔離是光電隔離。其優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，從而使過(guò)程通道上的信噪比大大提高。（2）采用屏蔽措施：金屬盒罩、金屬網(wǎng)狀屏蔽線。但金屬屏蔽本身必須接真正的地（保護(hù)地）。（3）采用雙絞線傳輸：雙絞線能使各個(gè)小環(huán)路的電磁感應(yīng)干抗相互抵消。其特點(diǎn)是波阻抗高、抗共模噪聲能力強(qiáng)，但頻帶較差。

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第49頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（4）采用長(zhǎng)線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ洌河兴姆N形式，如圖1.4.8所示圖1.4.8長(zhǎng)線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ?/p>

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第50頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①終端并聯(lián)阻抗匹配：如圖1.4.8（a）所示，RP=R1//R2，其特點(diǎn)是終端阻值低，降低了高電平的抗干擾能力。②始端串聯(lián)匹配：如圖1.4.8（b）所示，匹配電阻R的取值為RP與A門(mén)輸出低電平的輸出阻抗ROUT（約20）之差值，其特點(diǎn)是終端的低電平抬高，降低了低電平的抗干擾能力。③終端并聯(lián)隔直流匹配：如圖1.4.8（c）所示，R=Rp，其特點(diǎn)是增加了對(duì)高電平的抗干擾能力。④終端接鉗位二極管匹配：如圖1.4.8（d）所示，利用二極管D把B門(mén)輸入端低電平鉗位在0.3V以下。其特點(diǎn)是減少波的反射和振蕩，提高動(dòng)態(tài)抗干擾能力。注意：長(zhǎng)線傳輸時(shí)，用電流傳輸代替電壓傳輸，可獲得較好的抗干擾能力。3．其他硬件抗干擾措施

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第51頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）機(jī)械觸點(diǎn)，接觸器、可控硅的噪聲抑制①開(kāi)關(guān)、按鈕、繼電器觸點(diǎn)等在操作時(shí)應(yīng)采取去抖處理。②在輸入/輸出通道中使用接觸器、繼電器時(shí)，應(yīng)在線圈兩端并接噪聲抑制器，繼電器線圈處要加裝放電二極管。③可控硅兩端并接RC抑制電路，可減小可控硅產(chǎn)生的噪聲。（4）印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)中的抗干擾問(wèn)題合理選擇PCB板的層數(shù)，大小要適中，布局、分區(qū)應(yīng)合理，把相互有關(guān)的元件盡量放得靠近一些。印刷導(dǎo)線的布設(shè)應(yīng)盡量短而寬，盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。導(dǎo)線的布局應(yīng)當(dāng)是均勻的、分開(kāi)的平行直線，以得到一條具有均勻波阻抗的傳輸通路。應(yīng)盡可能地減少過(guò)孔的數(shù)量。在PCB板的各個(gè)關(guān)鍵部位應(yīng)配置去耦電容。要將強(qiáng)、弱電路嚴(yán)格分開(kāi)，盡量不要把它們?cè)O(shè)計(jì)在一塊印刷電路板上。電源線的走向應(yīng)盡量與數(shù)據(jù)傳遞方向一致，電源線、地線應(yīng)盡量加粗，以減小阻抗

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第52頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（5）地線設(shè)計(jì)地線結(jié)構(gòu)大致有保護(hù)地、系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、數(shù)字地、模擬地等。在設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)字地和模擬地要分開(kāi)，分別與電源端地線相連；屏蔽線根據(jù)工作頻率可采用單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地；保護(hù)地的接地是指接大地。不能把接地線與動(dòng)力線的零線混淆。此外，應(yīng)提高元器件的可靠性，注意各電路之間的電平匹配，總線驅(qū)動(dòng)能力要符合要求，單片機(jī)的空閑端要接地或接電源，或者定義成輸出。室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或從室外架空引入室內(nèi)的電源線、信號(hào)線，要防止雷擊，常用的防雷擊器件有：氣體放電管，TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）等。

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第53頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4．軟件的抗干擾設(shè)計(jì)常用的軟件抗干擾技術(shù)有軟件陷阱、時(shí)間冗余、指令冗余、空間冗余、容錯(cuò)技術(shù)、設(shè)置特征標(biāo)志和軟件數(shù)字濾波等（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件抗干擾采用軟件數(shù)字濾波。常用的方法有以下幾種：①算術(shù)平均值法：對(duì)一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次（可取3～5次），以平均值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對(duì)采集結(jié)果的影響。②比較舍取法：對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采樣數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍辦法來(lái)剔除偏差數(shù)據(jù)。例如，“采三取二”，即對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣三次，取兩次相同數(shù)據(jù)作為采樣結(jié)果。③中值法：對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采集多個(gè)信號(hào)，并對(duì)這些采樣值進(jìn)行比較，取中值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果。

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第54頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）對(duì)信號(hào)整形可采用斯密特電路整形。（2）組件空閑輸入端的處理

組件空閑輸入端的處理方法如圖1.4.9所示。其中，圖（a）所示的方法最簡(jiǎn)單，但增加了前級(jí)門(mén)的負(fù)擔(dān)。圖（b）所示的方法適用于慢速、多干擾的場(chǎng)合。圖（c）利用印刷電路板上多余的反相器，讓其輸入端接地，使其輸出去控制工作門(mén)不用的輸入端。圖1.4.9組件空閑輸入端的處理方法

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第55頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月④一階遞推數(shù)字濾波法：利用軟件完成RC低通濾波器的算法。其公式為：Yn=QXn+（1－Q）Yn－1其中：Q——數(shù)字濾波器時(shí)間常數(shù)；

Xn——第n次采樣時(shí)的濾波器的輸入；

Yn－1——第n－1次采樣時(shí)的濾波器的輸出。

Yn——第n次采樣時(shí)的濾波器的輸出。注意：選取何種方法必須根據(jù)信號(hào)的變化規(guī)律予以確定。（2）開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)的軟件抗干擾可采取軟件冗余、設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元、設(shè)置自檢程序等軟件抗干擾措施。

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第56頁(yè)，課件共63頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5．程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策程序運(yùn)行失常：當(dāng)系統(tǒng)受到干擾侵害，致使程序計(jì)數(shù)器PC值改變，造成程序的無(wú)序運(yùn)行，甚至進(jìn)入死循環(huán)。程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策：發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后，及時(shí)引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)?？刹捎靡韵路椒ǎ撼绦虮O(jiān)視定時(shí)器（WatchDogTimer，WDT）技