1、8.1 8.1 单片机应用系统开发过程单片机应用系统开发过程单片机控制系统的设计流程为：熟悉工艺流程和控制要求单片机控制系统的设计流程为：熟悉工艺流程和控制要求总体方案设计总体方案设计硬件系统硬件系统设计设计软件系统设计软件系统设计调试调试固化。固化。一、总体方案设计一、总体方案设计由需求调查可以确定出单片机应用系统的设计目标，制定系统实现方案，编写设计任由需求调查可以确定出单片机应用系统的设计目标，制定系统实现方案，编写设计任务书。系统功能主要有数据采集、数据处理、输出控制等。机电一体化产品往往是一个务书。系统功能主要有数据采集、数据处理、输出控制等。机电一体化产品往往是一个紧密的整体，其性
2、能指标是各个环节共同作用完成的。任务确定后，先设计硬件，再设紧密的整体，其性能指标是各个环节共同作用完成的。任务确定后，先设计硬件，再设计软件。计软件。二、硬件系统设计二、硬件系统设计单片机是嵌入式系统的控制核心，选择单片机首先考虑单片机的功能和性能满足应用单片机是嵌入式系统的控制核心，选择单片机首先考虑单片机的功能和性能满足应用系统的要求，尽量选择功能强大的芯片，其次要考虑供货渠道是否畅通。系统的要求，尽量选择功能强大的芯片，其次要考虑供货渠道是否畅通。单片机应用系统的硬件设计随着器件功能的完善，设计工作量逐渐减少，尽量使用器单片机应用系统的硬件设计随着器件功能的完善，设计工作量逐渐减少，尽
3、量使用器件内部提供的功能。其扩展部分设计应考虑如下问题：件内部提供的功能。其扩展部分设计应考虑如下问题：1、程序存储器、程序存储器目前外部扩展的存储器通常选用目前外部扩展的存储器通常选用E2PROM或或FLASH。为简化电路板设计，串行存储器应。为简化电路板设计，串行存储器应用较为广泛。用较为广泛。2、数据存储器、数据存储器由于控制系统数据量较少，单片机一般不由于控制系统数据量较少，单片机一般不需扩展外部数据存储器。需扩展外部数据存储器。3、I/O接口接口尽量使用单片机内部尽量使用单片机内部I/O资源，串行资源，串行I/O器件。器件。4、抗干扰电路、抗干扰电路在单片机应用系统中，一个不可缺少的
4、抗干扰电路就是抗电源干扰电路。最简单的实在单片机应用系统中，一个不可缺少的抗干扰电路就是抗电源干扰电路。最简单的实现方法是在系统弱电部分的电源入口处对地跨接现方法是在系统弱电部分的电源入口处对地跨接1个大电容（个大电容（100F左右）与左右）与1个小电容个小电容（0.1F左右），在系统内部各芯片的电源端对地跨接左右），在系统内部各芯片的电源端对地跨接1个小电容（个小电容（0.01F0.1F）。还）。还应利用看门狗功能进行超时纠错。应利用看门狗功能进行超时纠错。三、软件系统设计三、软件系统设计1、任务确定、任务确定根据系统软、硬件的功能分工，确定出软件应完成什么功能。根据系统软、硬件的功能分工，
5、确定出软件应完成什么功能。2、软件结构设计、软件结构设计在单片机应用系统中，最常用的程序设计方法是模块程序设计。模块程序设计具有结在单片机应用系统中，最常用的程序设计方法是模块程序设计。模块程序设计具有结构清晰、功能明确、设计简便、程序模块可共享、便于功能扩展及便于程序维护等特点。构清晰、功能明确、设计简便、程序模块可共享、便于功能扩展及便于程序维护等特点。四、系统调试四、系统调试系统调试的目的是要查出用户系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能出现的系统调试的目的是要查出用户系统中硬件设计与软件设计中存在的错误及可能出现的不协调问题，以便修改设计，最终使用户系统能正确可靠地工作。不协调问题
6、，以便修改设计，最终使用户系统能正确可靠地工作。1、硬件调试、硬件调试2、软件调试、软件调试3、系统联调、系统联调8.2 8.2 开发工具和语言的选择开发工具和语言的选择一、开发工具一、开发工具单片机的开发工具有计算机、编程器和仿真机。仿真机和编程器通过串行接口和计算单片机的开发工具有计算机、编程器和仿真机。仿真机和编程器通过串行接口和计算机的串行口机的串行口COM1或或COM2相连，借助计算机的键盘、监视器及相应的软件完成人机的交相连，借助计算机的键盘、监视器及相应的软件完成人机的交互。互。1、编程器、编程器编程器又称烧写器、下载器，通过它将调试好的程序烧写到程序存储器中。编程器又称烧写器、
7、下载器，通过它将调试好的程序烧写到程序存储器中。2、仿真机、仿真机仿真机又称为在线仿真机，英文为仿真机又称为在线仿真机，英文为In Circuit Emulation（简称（简称ICE），它是以被仿真），它是以被仿真的微处理器（的微处理器（MPU）或微控制器（）或微控制器（MCU如单片机）为核心的一系列硬件构成，使用时拔如单片机）为核心的一系列硬件构成，使用时拔下下MPU或或MCU，换插，换插ICE插头（又称为仿真头），这样用户系统就成了插头（又称为仿真头），这样用户系统就成了ICE的一部分，原的一部分，原来由来由MPU或或MCU执行程序改由仿真机来执行，利用仿真机的完整的硬件资源和监控程序，
8、执行程序改由仿真机来执行，利用仿真机的完整的硬件资源和监控程序，实现对用户目标码程序的跟踪调试，观察程序执行过程中的单片机寄存器和存储器的内实现对用户目标码程序的跟踪调试，观察程序执行过程中的单片机寄存器和存储器的内容，根据执行情况随时修改程序。容，根据执行情况随时修改程序。二、嵌人式系统的调试二、嵌人式系统的调试当嵌入式应用系统设计安装完毕，应先进行硬件的静态检查，即在不加电的情况下用当嵌入式应用系统设计安装完毕，应先进行硬件的静态检查，即在不加电的情况下用万用表等工具检查电路的接线是否正确，电源对地是否短路。加电后在不插芯片的情况万用表等工具检查电路的接线是否正确，电源对地是否短路。加电后
9、在不插芯片的情况下，检查各插座引脚的电位是否正常，检查无误以后，再在断电的情况下插上芯片。然下，检查各插座引脚的电位是否正常，检查无误以后，再在断电的情况下插上芯片。然后再进行软、硬件的联调。后再进行软、硬件的联调。1、计算机、计算机+模拟仿真软件模拟仿真软件+编程器编程器将单片机从用户板（又称目标板）上拔下来，插到编程器插座上，编程器通过将单片机从用户板（又称目标板）上拔下来，插到编程器插座上，编程器通过RS-232插座和插座和PC机的串行口机的串行口COM1或或COM2相连，运行烧写程序，用户的程序就烧写进单片相连，运行烧写程序，用户的程序就烧写进单片机内的程序存储器（或外部机内的程序存储
10、器（或外部EEPROM）中，再将单片机（或外部）中，再将单片机（或外部EEPROM）从编程器上）从编程器上取下，插到用户板，上电后，就可以运行单片机中的程序。取下，插到用户板，上电后，就可以运行单片机中的程序。2、计算机、计算机+在线仿真器在线仿真器+编程器编程器使用该方式要购买一台在线仿真器，另外还需买一台编程器。利用仿真器完整的硬件使用该方式要购买一台在线仿真器，另外还需买一台编程器。利用仿真器完整的硬件资源和监控程序，实现对用户目标码程序的跟踪调试，在跟踪调试中侦错和即时排除错资源和监控程序，实现对用户目标码程序的跟踪调试，在跟踪调试中侦错和即时排除错误。误。三、编程语言三、编程语言51
11、系列单片机支持系列单片机支持C51和和A51。C语言和汇编语言可以交叉使用。汇编语言程序代码语言和汇编语言可以交叉使用。汇编语言程序代码短。运行速度快，用于对时序要求严格的场合。但复杂运算编程耗时，用短。运行速度快，用于对时序要求严格的场合。但复杂运算编程耗时，用C语言开发省时。语言开发省时。如果用汇编语言编写与硬件有关的部分程序，用如果用汇编语言编写与硬件有关的部分程序，用C语言编写与硬件无关的运算部分程序，语言编写与硬件无关的运算部分程序，充分发挥两种语言的长处，则可以提高开发效率。充分发挥两种语言的长处，则可以提高开发效率。8.3 8.3 应用程序设计原则与方法应用程序设计原则与方法一、
12、模块化程序设计一、模块化程序设计实际的应用程序一般都由一个主程序（包括若干个功能模块）和多个子程序构成，每实际的应用程序一般都由一个主程序（包括若干个功能模块）和多个子程序构成，每一程序模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能，如显示、打印等。作为初一程序模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能，如显示、打印等。作为初学者，采用学者，采用ISP单片机，制作单片机，制作LED流水灯显示，六位流水灯显示，六位LED七段显示，四位按键，七段显示，四位按键，A/D和和D/A等模块，既学习了单片机，又可在用户系统中有选择地使用。等模块，既学习了单片机，又可在用户系统中有选择地使用。模块化程序
13、设计是按自上而下的过程进行的，主模块即为总模块，然后是多层次的子模块化程序设计是按自上而下的过程进行的，主模块即为总模块，然后是多层次的子模块。每个模块应具有独立的功能，能产生一明确的结果，模块之间的控制耦合应尽量模块。每个模块应具有独立的功能，能产生一明确的结果，模块之间的控制耦合应尽量简单。简单。二、判断程序设计二、判断程序设计用微机进行数据处理和过程控制的系统中，通常需要对检测的数据或状态进行分析，用微机进行数据处理和过程控制的系统中，通常需要对检测的数据或状态进行分析，然后根据数据的大小及状态进行判断，以决定下一步程序运行的方向。如在工业过程控然后根据数据的大小及状态进行判断，以决定下
14、一步程序运行的方向。如在工业过程控制系统中，常常要把检测值与给定值进行比较，根据控制规律，确定控制量。制系统中，常常要把检测值与给定值进行比较，根据控制规律，确定控制量。1、算术判断程序、算术判断程序2、逻辑判断程序、逻辑判断程序3、标志判断程序、标志判断程序三、巡回检测程序三、巡回检测程序巡回检测就是对生产过程中的各个参数以一定的周期进行循环检查和测量，检测的结巡回检测就是对生产过程中的各个参数以一定的周期进行循环检查和测量，检测的结果经微机处理后进行控制。微机在巡测中利用多路转换开关来实现输入通道的切换，即果经微机处理后进行控制。微机在巡测中利用多路转换开关来实现输入通道的切换，即微机把某
15、个通道的采样模微机把某个通道的采样模/数转换，延时片刻，待数据稳定后，再对下一个通道进行采样，数转换，延时片刻，待数据稳定后，再对下一个通道进行采样，依次循环。依次循环。五、数字滤波程序五、数字滤波程序为了得到真实的数据，多次采样，得到一个数据系列，从数据系列中提取逼近真值数为了得到真实的数据，多次采样，得到一个数据系列，从数据系列中提取逼近真值数据的软件算法，通常称为数字滤波算法。它有硬件滤波的功效，却不需要硬件投资。它据的软件算法，通常称为数字滤波算法。它有硬件滤波的功效，却不需要硬件投资。它的不足之处就是需要消耗一定的的不足之处就是需要消耗一定的CPU机时。机时。1、程序判断滤波、程序判
16、断滤波2、算术平均滤波：设、算术平均滤波：设8次采样值依次存放在次采样值依次存放在XBUF为首址的连续为首址的连续8个单元中，平均值个单元中，平均值求出后，保留在累加器求出后，保留在累加器A中。中。3、滑动平均值法、滑动平均值法滑动平均值法采用队列作为测量数据存储器，队列的队长固定为滑动平均值法采用队列作为测量数据存储器，队列的队长固定为N，每进行二次新的，每进行二次新的测量，把测得的结果放入队尾，而扔掉原来队首的二个数据，这样在队列中始终有测量，把测得的结果放入队尾，而扔掉原来队首的二个数据，这样在队列中始终有N个最个最新的数据。计算平均值时，只要把队列中的新的数据。计算平均值时，只要把队列
17、中的N个数据进行算术平均，就可得到新的算术平个数据进行算术平均，就可得到新的算术平均值。这样每进行一次测量，就可计算得到一个新的算术平均值。均值。这样每进行一次测量，就可计算得到一个新的算术平均值。六、数字调零和误差自动校准六、数字调零和误差自动校准在微机控制系统的测量输入电路中。一般均存在零点偏差和漂移，放大电路的增益误在微机控制系统的测量输入电路中。一般均存在零点偏差和漂移，放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，必须对这些偏差进行自动校准其中零点偏差校准在实差及器件参数的不稳定等现象，必须对这些偏差进行自动校准其中零点偏差校准在实际中应用最多，且常用程序来实现，称为数字调零。除了数字
18、调零外，还可采用零点偏际中应用最多，且常用程序来实现，称为数字调零。除了数字调零外，还可采用零点偏差和增益误差的自动校准。自动校准的基本思想是在系统开机后或每隔一定时间自动测差和增益误差的自动校准。自动校准的基本思想是在系统开机后或每隔一定时间自动测量基准参数，如数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压，然后计算误差模型，获量基准参数，如数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压，然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子，在正式测量时，根据测量结果和误差补偿因子，计算校准方程，得并存储误差补偿因子，在正式测量时，根据测量结果和误差补偿因子，计算校准方程，从而消除误差。从而消除误差。七、标度变换程
19、序七、标度变换程序由于由于A/D值与被测数据的量纲和数值时不同的，要转成工程量才能处理、显示，称为值与被测数据的量纲和数值时不同的，要转成工程量才能处理、显示，称为标度变换。标度变换。八、上下限报警程序八、上下限报警程序对于紧急状态，应做声光报警以提醒工作人员及时采取措施。一般采用压电式蜂鸣器对于紧急状态，应做声光报警以提醒工作人员及时采取措施。一般采用压电式蜂鸣器实现报警。蜂鸣器外加实现报警。蜂鸣器外加315V电压，电压，10mA工作电流，通过工作电流，通过7406或或7407驱动。驱动。8.4 8.4 应用举例应用举例8.4.1 8.4.1 过零触发双向晶闸管调功器过零触发双向晶闸管调功器
20、一、温度控制系统的工作原理一、温度控制系统的工作原理系统利用电阻丝加热，温度控制采用晶闸管调功方式，双向晶闸管串在交流电源和电系统利用电阻丝加热，温度控制采用晶闸管调功方式，双向晶闸管串在交流电源和电阻丝之间。由单片机通过热电偶定时对炉温进行检测，经阻丝之间。由单片机通过热电偶定时对炉温进行检测，经A/D转换后，形成温度反馈信号，转换后，形成温度反馈信号，与温度给定信号比较，经过控制器判断和运算，得到相应的控制量，改变晶闸管通断时与温度给定信号比较，经过控制器判断和运算，得到相应的控制量，改变晶闸管通断时间，控制加热丝两端电压，从而实现对温度的控制。间，控制加热丝两端电压，从而实现对温度的控制
21、。4、温度控制电路、温度控制电路晶闸管串接在晶闸管串接在220V/50Hz交流电源和加热丝之间，采用交流电源和加热丝之间，采用MOC3061光耦过零触发驱动光耦过零触发驱动器实现对功率晶闸管器实现对功率晶闸管KS的过零触发，单片机的过零触发，单片机P1.3口输出过零脉冲控制信号。口输出过零脉冲控制信号。P1.3l 时时关断晶闸管，关断晶闸管，P1.3=0时开启晶闸管。时开启晶闸管。在给定周期内改变晶闸管的接通时间，就能达到加热功率改变的目的，从而实现温度在给定周期内改变晶闸管的接通时间，就能达到加热功率改变的目的，从而实现温度调节，加热丝一般接电源中线。晶闸管调节，加热丝一般接电源中线。晶闸管
22、KS并联阻容吸收装置。并联阻容吸收装置。8.4.2 8.4.2 简易数控简易数控一、数控系统简介一、数控系统简介数控，即数字控制（数控，即数字控制（Numerical ControlNumerical Control，NCNC），在机床领域是指用数字化信号对机），在机床领域是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。如果采用存储程序的专用计算机来实现部分床运动及其加工过程进行控制的一种方法。如果采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能，则称为计算机数控（或全部基本数控功能，则称为计算机数控（Computerized Numerical ControlComputeri
23、zed Numerical Control，CNCCNC）。）。数控系统由程序、输入输出设备、计算机数控装置、可编程逻辑控制器及主轴、进给驱数控系统由程序、输入输出设备、计算机数控装置、可编程逻辑控制器及主轴、进给驱 动装置组成。动装置组成。主轴驱动装置控制主轴的旋转运动，而进给驱动装置控制机床各坐标轴的切削进给运主轴驱动装置控制主轴的旋转运动，而进给驱动装置控制机床各坐标轴的切削进给运动。进给驱动装置由驱动部件（交、直流电机及速度检测元件）和速度控制单元组成。动。进给驱动装置由驱动部件（交、直流电机及速度检测元件）和速度控制单元组成。用以提供切削过程中所需要的转矩和功率，并可任意调节转速。一
24、些要求不高的数控机用以提供切削过程中所需要的转矩和功率，并可任意调节转速。一些要求不高的数控机床，可采用步进电机及其驱动器作为进给驱动装置。床，可采用步进电机及其驱动器作为进给驱动装置。二、单片机在普通机床数控改造中的应用二、单片机在普通机床数控改造中的应用1、改造机械部分、改造机械部分主传动系统一般不作变动，进给传动系统中采用高精度的滚珠丝杠螺母副替换进给轴主传动系统一般不作变动，进给传动系统中采用高精度的滚珠丝杠螺母副替换进给轴原有的普通丝杠副。原有的普通丝杠副。2、增加装数控系统、增加装数控系统机械部分改造完成后，配上数控系统，用步进电机作为各进给轴动力，直接或经过一机械部分改造完成后，
25、配上数控系统，用步进电机作为各进给轴动力，直接或经过一级减速齿轮驱动级减速齿轮驱动X、Y、Z轴的运动。普通机床经过数控化改造后，其加工精度、生产率均轴的运动。普通机床经过数控化改造后，其加工精度、生产率均有提高，改造后的机床控制系统为开环控制系统，价格低廉，性能稳定，易实现。有提高，改造后的机床控制系统为开环控制系统，价格低廉，性能稳定，易实现。三、单片机简易数控系统举例三、单片机简易数控系统举例机床控制系统的控制对象是机床的移动部件，控制量为移动部件的位移（或角度）和机床控制系统的控制对象是机床的移动部件，控制量为移动部件的位移（或角度）和速度，控制信号来自数控装置的进给脉冲。速度，控制信号
26、来自数控装置的进给脉冲。1、硬件电路设计、硬件电路设计本系统选用本系统选用8031CPU作为数控系统的中央处理机。外接两片作为数控系统的中央处理机。外接两片2732EPROM，一片作，一片作为监控程序的程序存储器，一片作为存放常用零件的加工程序，再选用一片为监控程序的程序存储器，一片作为存放常用零件的加工程序，再选用一片6264SRAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LSl38译码器完成此功能。译码器完成此功能。8155/8255作为系统的输入作为系统的输入/输出口扩展，分别接键盘（系统输出口扩展，分别接键盘（系统控制面板）的输入和输出显示。控制面板）的输入和输出显示。机床改造后，进给系统各进给轴的进给速度由步进电机的速度控制，进给方向由步进机床改造后，进给系统各进给轴的进给速度由步进电机的速度控制，进给方向由步进电机的方向决定。在本系统中，采用电机的方向决定。在本系统中，采用8031作为步进电机的环形分配器，采用作为步进电机的环形分配器，采用8255输出口输出口的的PA的高的高4位、位、PB口的低口的低4位来分别控制位来分别控制X轴及轴及Y轴的步进电机轴的步进电机
