0 單片機原理及應用 機械類專業必修課 2012年 12月 1 教學內容 0、課程準備 1、微型計算機基礎 3、中斷、定時與串行通信 2、微機系統結構及編程 4、人機交互接口 5、信號轉換接口 6、微型計算機應用系統設計 2 第六講 微型計算機應用系統設計 本講重點講述單片機系統的 實際開發制作過程 ，以及在實際開發過程中需要了解的相關知識，如集成 開發環境的建立 、 電路板的設計與焊接 、 程序的燒寫下載 、 硬件與軟件的綜合調試技巧 等。 3 6.1 項目開發流程 1、項目開發概述 一個實際工程項目的開發，包括用戶需求分析、功能界定、總體方案設計、繪制原理圖及電路板制作、軟件編制和調試、程序下載、軟硬件綜合調試、現場環境試運行等多個階段。 第六講 微型計算機應用系統設計 4 第六講 微型計算機應用系統設計 5 2、需求與系統功能分析 需求分析： 指在具體原理方案確定之前，充分分析客戶對產品性能的需求，以期在原理方案制定階段，選擇恰當的單片機和主要功能部件，設計出合理的原理方案。 第六講 微型計算機應用系統設計 產品性能分析 ： 包括功能要求、技術指標要求、功耗要求、產品體積要求、運行環境、產品批量大小、產品運行期間的維護等。 6 第六講 微型計算機應用系統設計 原理方案設計 ： 確定單片機型號和幾個主要功能部件，其余常見的功能實現，可以有較大靈活性。 對系統功能和主要技術指標分析 ：了解系統功能復雜度、了解對系統運行速度快慢的要求、對 I/O口數量及驅動能力的需求、對單片機程序存儲容量大小的需求、對單片機擴展的要求等。 （ 1）主要功能和技術指標分析 7 第六講 微型計算機應用系統設計 當功能簡單、速度要求不高時 ， 常見的單片機即可勝任，就盡可能選擇常見的單片機，如 AT89S51， AT89S52等型號的單片機； 若功能比較復雜、運行速度較高 ，則要選擇一些集成度高，功能較強大、運行速度快的單片機，例如 AVR、 C8051F及 MSP430等類型的單片機。 8 第六講 微型計算機應用系統設計 單片機 I/O口分析 ： 包括 I/O口數量及驅動能力分析。盡量選擇有足夠數量 I/O口的單片機，而無需進行擴展。 如果 I/O口具有較大的驅動能力，就可以直接用 I/O口驅動外部元件，如 AT89C2051的 I/O口可直接驅動發光管。在設計中， I/O口不能用完，要留有余地以備將來系統功能擴展之用。尤其是 P0口，最好不要用作 I/O口而是留作總線用。 9 單片機存儲容量的選定 ： 現在的單片機，內部大都有程序存儲器，所以主要是存儲空間的選擇問題。根據功能復雜程度，估計程序量的大小，選擇有足夠容量的單片機型號。 第六講 微型計算機應用系統設計 如果程序量小，可以選擇 AT89S51單片機， AT89S51單片機內部有 4K的程序存儲器；如果程序量大，可以選擇AT89S52單片機，內部有 8K的程序存儲器；如果程序量再大，則可以選用 AT89S8253，其內部有 12K Flash ROM。 10 第六講 微型計算機應用系統設計 系統的主要功能模塊， 也要盡量采用單片機的片內功能塊實現。如定時 /計數器、 A/D轉換器、 D/A轉換器、 CAN總線通信模塊、串行通信模塊、 SPI串行總線、 I2C總線、USB功能、 MP3功能、 PWM功能、看門狗功能等等，都可以通過選擇合適的單片機，而不用外部擴展實現。 例如 AT89C51AC2、 AT89C5115內部有 10位的 A/D轉換器，AT89C51CC01/02/03內部帶有 CAN總線，還具有大容量 Flash ROM， AT83C5134/35/36等型號內部集成了 USB功能部件等。 11 第六講 微型計算機應用系統設計 （ 2）功耗分析 功耗分析 ： 主要考慮系統主要部件運行時對用電的要求。當系統是固定設備，在有電源的場合運行，則功耗要求不是很重要，但也要盡量選擇節能、有睡眠功能、耗電少的元器件。當系統是便攜式設備，在野外工作依靠電池供電，則系統的功耗就是一個必須認真對待的問題。這時，所選擇的單片機及主要元器件，就必須使用特別省電的元器件，且具有睡眠功能。 12 第六講 微型計算機應用系統設計 （ 3）系統安裝空間分析 安裝空間小，要求系統體積小，可以選擇貼片元件或少管腳單片機。如 AT89C2051只有 20個管腳，內部有 2K Flash ROM， AT89C4051也是 20個管腳的單片機，內部有4K Flash ROM。如果有足夠的安裝空間，則可以選擇管腳更多的單片機，以便有更多的 I/O口和功能資源。 13 第六講 微型計算機應用系統設計 （ 4）運行環境分析 運行環境分析 主要考慮系統工作的具體環境條件，包括是否有強電磁干擾，是否處于寒冷的室外環境，或工作于高溫環境。有強電磁干擾的環境，要求在設計之初就必須認真設計系統的抗干擾措施，系統工作于過冷或過熱環境，就必須選擇工作溫度范圍寬的工業級或軍品級元器件，確保器件在惡劣的工作環境能夠正常運行。 14 第六講 微型計算機應用系統設計 商業級芯片的工作溫度范圍為 0 70 C， 工業級芯片的工作溫度范圍為 40 +85 C， 軍品級芯片的工作范圍為 55 +125 C。 工作范圍越寬價格越高，可以根據具體的工作環境選用不同工作范圍的芯片。如果系統是大屏幕顯示，則要區分是室內屏還是室外屏。對于室外屏，要充分考慮陽光的照射，可能在室內很亮的屏幕，在室外陽光的照射下只有較低的亮度。 15 第六講 微型計算機應用系統設計 在滿足性能指標、功耗、及環境條件等要求的前提下，如果有多種元器件可供選擇，還要考慮自身對哪種器件更熟悉，哪種器件容易開發。 當器件開發需要專用開發設備時，還要有相應的開發設備。在學習階段，我們的主要目的是掌握基本原理和基本開發流程，可以暫時不用考慮這些因素。 16 第六講 微型計算機應用系統設計 3、系統總體設計 1劃分硬件和軟件任務，繪制系統總體結構框圖。 單片機應用系統是由硬件和軟件組成的，而硬件和軟件的設計是緊密相關的。為了降低成本，簡化硬件結構，能由軟件完成的工作盡量用軟件完成；若為了提高系統的實時性、可靠性，降低軟件復雜程度，也可以采用硬件實現。 根據對軟件和硬件任務的劃分，可以畫出系統的結構框圖，包括硬件框圖和軟件結構框圖。 在總體設計階段需要完成以下工作： 17 第六講 微型計算機應用系統設計 2確定機型及關鍵器件。 選擇機型要掌握幾個原則：首先是能夠滿足應用系統的工作要求，并且性能價格比高。其次該機型應是應用廣泛、成熟、市場供應充足，在一定時間內不會停產的產品。第三為提高效率、縮短開發周期，最好使用自己熟悉的機型。 應用系統除單片機外，通常還有傳感器， A/D、 D/A轉換器、放大器等關鍵器件 這些器件的選擇應滿足系統精度、速度和功率等方面的要求。 18 第六講 微型計算機應用系統設計 6.2 硬件電路設計 1、 PCB設計的一般原則 PCB即印刷電路板， PCB設計時主要考慮信號的完整性和抗干擾能力，對于高速信號尤為重要。在實際 PCB設計的時候，通常都需要從布局和布線兩個角度來綜合考慮這些問題。 硬件設計的主要任務是根據總體設計要求，逐一設計出每一個單元電路，最后組合起來，形成一個完整的硬件系統原理圖 。 19 第六講 微型計算機應用系統設計 （ 1）布局 首先要考慮 PCB尺寸大小。 PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降 ，過小則散熱性能不好。在確定 PCB尺寸后，再確定特殊元件的位置布局。最后根據電路的功能單元，對電路全部元器件進行布局。 20 第六講 微型計算機應用系統設計 （ 2）布線 21 第六講 微型計算機應用系統設計 （ 3） PCB及抗干擾措施 在設計電源線的時候，要根據線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻，使電源線、地線的走向和數據線的走向一致。 地線設計要把數字地和模擬地分開，使用合適的去耦電容， 22 第六講 微型計算機應用系統設計 2、準備工作 首先依據需要實現的功能和實現方案繪制原理圖。在不需要制板的情況下，可以把詳細的電路圖先畫在紙上，依據電路圖用萬用板焊接。如果需要印刷制板，就要用到專用的電路設計工具軟件，例如： orCAD、 protel99 se、 protel dxp、 Altium等軟件。 （ 1）畫原理圖 23 第六講 微型計算機應用系統設計 24 第六講 微型計算機應用系統設計 主要工具有：數字萬用表、電烙鐵、焊錫、松香、導線等。 輔助工具有：剪刀，鑷子，吸錫器等。 最小系統元器件準備： AT89S51單片機（以 51單片機為例）， 12MHz晶振一個， 30pF獨石電容兩個， 10F極性電容兩個， 0.1F電容一個， 10K電阻一個，普通小按鍵一個，單列排針，管座，萬能板等 （ 2）硬件準備 25 第六講 微型計算機應用系統設計 26 第六講 微型計算機應用系統設計 3、最小系統硬件電路焊接 首先焊接 40腳管座， 把帶鎖緊機構的管座放到萬用板的中間位置，在附銅面焊接即可，使用時將單片機插在管座上鎖緊。這樣便于后續下載程序時隨時插拔單片機，也可以防止在焊接過程中燒壞單片機。 （ 1） 40腳管座的焊接 27 第六講 微型計算機應用系統設計 晶振和 30pF獨石電容不分正負極，焊接時要盡量靠近單片機的 18、 19管腳，以減少干擾。晶振一般用 11.0592MHz或 12MHz，前者在通信中經常使用利于波特率的計數，后者利于定時計算，視情況而定。 （ 2）晶振的連接 28 第六講 微型計算機應用系統設計 復位電路可分為上電復位和手動復位。 10F電容和10K電阻組合用來產生上電復位，跨接在電容兩端的小按鍵用于手動復位。 （ 3）復位電路的連接 （ 4）電源管腳的焊接 29 第六講 微型計算機應用系統設計 按照電路圖，將每個管腳都焊接在電路板上，并將 4個 8位端口，分別連接到一個 8根的插針上，以便在將來使用時用排線引出來。焊接好的最小系統如圖所示。 （ 5）其余管腳的焊接 30 第六講 微型計算機應用系統設計 4、電路板焊接效果檢查 按照原理圖將電路板焊接完畢，還要對電路板作認真的檢查，確保相互之間該連接的管腳電氣上一定相連，不該連接的管腳之間完全斷開。電路板的檢查是硬件焊接的基本功，在今后的所有電路板制作中，都要堅持在焊接完之后，對焊接結果進行詳細的檢查。 31 第六講 微型計算機應用系統設計 （ 1）檢測方法 32 第六講 微型計算機應用系統設計 對于兩個焊接在一起或通過導線相連的管腳，檢查的目的是發現虛焊或漏焊。檢測時應該出現蜂鳴器有鳴叫聲，同時顯示兩管腳之間電阻值為 0或接近于 0的結果。否則表明兩管腳之間有斷路錯誤，需要重新焊接。 （ 2）斷路錯誤的檢測 33 第六講 微型計算機應用系統設計 （ 3）短路錯誤的檢測 34 第六講 微型計算機應用系統設計 6.3 綜合調試 綜合排錯的順序是 ，首先保證電源正常，其次是最小系統能夠正常工作，第三是調試顯示部分，在調試其它復雜功能之前，保證顯示器能夠正常顯示信息，依次是調試其它各項功能，最后調試按鍵功能。 35 第六講 微型計算機應用系統設計 系統制作完成， 第一次上電時要特別小心 。在上電前，要再次檢查板路上電源焊接是否有短路。為防止電源有短路在上電時燒壞單片機和其它元件，在上電時，要一手操作上電按鈕，一手摸著單片機上表面，一旦感到單片機發熱燙手，說明有短路就趕快斷電。如果有短路現象，需要認真排除。 正常上電后，如果系統沒有正常運行，要首先檢查單片機電源是否正常。用萬用表測量單片機的電源（ 40）和地（ 20）引腳，正常的電壓為 5V左右。如果沒有電壓，或電壓過大過小，要認真檢查電源電路和電源本身。 （ 1）上電檢查 36 第六講 微型計算機應用系統設計 系統制作完成 ， 首先要保證最小系統工作 ，即單片機能夠啟振 。 如果有示波器 ， 用示波器檢測單片機 ALE（ 30） 管腳 ， 如果有均勻的脈沖 ， 表明系統已經啟振 ， 否則 ，需要認真檢查復位電路和時鐘電路 。 如果手邊沒有示波器 ， 可以采用下面的方法判斷 。 （ 2）起振檢查 37 第六講 微型計算機應用系統設計 當手邊沒有示波器和硬件仿真器時，系統是否啟振無從判斷。各項功能中，要首先調試顯示功能，使之工作正常。借助特定的顯示內容，判斷其它功能錯誤所在。 調試顯示功能的方法是，從程序上暫時屏蔽掉其它功能，只留