第9章 MCS-51单片机系统的开发应用西安思源学院电子信息工程学院29.1 单片机应用系统研制过程39.1.1 总体设计1．明确设计任
务 认真进行目标分析，根据应用场合、工作环境、具体用途，考虑系统的可靠性、通用性、可维护性、先进性，以及成本等，提出合理的
、详尽的功能技术指标。 2．器件选择（1）单片机选择 主要从性能指标如字长、主频、寻址能力、指令系统、内部寄存器状况、存
储器容量、有无A/D、D/A通道、功耗、价能比等方面进行选择。对于一般的测控系统，选择8位机即能满足要求。（2）外围器件的选择
外围器件应符合系统的精度、速度和可靠性、功耗、抗干扰等方面的要求。应考虑功耗、电压、温度、价格、封装形式等其他方面的指标，应尽
可能选择标准化、模块化、功能强、集成度高的典型电路。43．总体设计 总体设计就是根据设计任务、指标要求和给定条件，设计
出符合现场条件的软、硬件方案。并进行方案优化。应划分硬件、软件任务，画出系统结构框图。要合理分配系统内部的硬件、软件资源。包括以下
几个方面： （1）从系统功能需求出发设计功能模块。包括显示器、键盘、数据采集、检测、通信、控制、驱动、供电方式等。 （2）从系
统应用需求分配元器件资源。包括定时器/计数器、中断系统、串行口、I/O接口、A/D、D/A、信号调理、时钟发生器等。 （3）从开
发条件与市场情况出发选择元器件。包括仿真器、编程器、元器件、语言、程序设计的简易等。 （4）从系统可靠性需求确定系统设计工艺。包
括去耦、光隔、屏蔽、印制板、低功耗、散热、传输距离/速度、节电方式、掉电保护、软件措施等。59.1.2 硬件设计
由总体设计所给出的硬件框图所规定的硬件功能，在确定单片机类型的基础上进行硬件设计、实验。进行必要的工艺结构设计，制作出印刷电路板
，组装后即完成了硬件设计。 一个单片机应用系统的硬件设计包含系统扩展和系统的配置（按照系统功能要求配置外围设备）两部分。1．
硬件电路设计的一般原则 （1）采用新技术，注意通用性，选择典型电路。 （2）向片上系统（SOC）方向发展。扩展
接口尽可能采用PSD等器件。 （3）注重标准化、模块化。 （4）满足应用系统的功能要求，并留有适当余
地，以便进行二次开发。 （5）工艺设计时要考虑安装、调试、维修的方便。62．硬件电路各模块设计的原则单片机应用系统的
一般结构 如下图所示。各模块电路设计时应考虑以下几个方面： （1）存储器扩展：类型、容量、速度和接口，尽量减少芯片的数量
。 （2）I/O接口的扩展：体积、价格、负载能力、功能，合适的地址译码方法。7（3）输入通道的设计：开关量（接口形式、电
压等级、隔离方式、扩展接口等），模拟输入通道（信号检测、信号传输、隔离、信号处理、 A/D、扩展接口、速度、精度和价格等）。（4）
输出通道的设计：开关量（功率、控制方式等），模拟量输出通道（输出信号的形式、 D/A 、隔离方式、扩展接口等）（5）人机界面的设计
：键盘、开关、拨码盘、启/停操作、复位、显示器、打印、指示、报警、扩展接口等。（6）通信电路的设计：根据需要选择RS-232C、R
S-485、红外收发等通信标准。（7）印刷电路板的设计与制作：专业设计软件（ Protel，OrCAD等）、设计、专业化制作厂家、
安装元件、调试等。8 （8）负载容限：总线驱动。 （9）信号逻辑电平兼容性：电平兼容和转换。 （10）电源系统的配置：
电源的组数、输出功率、抗干扰。 （11）抗干扰的实施：芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。99.1.4 软
件设计101．总体规划 结合硬件结构，明确软件任务，确定具体实施的方法，合理分配资源。定义输入/输出、确定信息交换的方式（数
据速率、数据格式、校验方法、状态信号等）、时间要求，检查与纠正错误。2．程序设计技术 软件结构实现结构化，各功能程序
实行模块化、子程序化。一般有以下两种设计方法： （1）模块程序设计：优点是单个功能明确的程序模块的设计和调试比较方便，容易完
成，一个模块可以为多个程序所共享。其缺点是各个模块的连接有时有一定难度。 （2）自顶向下的程序设计：优点是比较符合于人们的日
常思维，设计、调试和连接同时按一个线索进行，程序错误可以较早的发现。缺点是上一级的程序错误将对整个程序产生影响，一处修改可能引起对
整个程序的全面修改。113．程序设计（1）建立数学模型：描述出各输入变量和各输出变量之间的数学关系。（2）绘制程序流程图：以简明直
观的方式对任务进行描述。（3）程序的编制：选择语数据结构、控制算法、存储空间分配，系统硬件资源的合理分配与使用，子程序的入/出口参
数的设置与传递。 4．软件装配 各程序模块编辑之后，需进行汇编或编译、调试，当满足设计要求后，将各程序模块按照软件结构设
计的要求连接起来，即为软件装配。在软件装配时，应注意软件接口。129.1.5 系统调试 单片机应用系统的软、硬件制作完成后
，必须反复进行调试、修改，直至完全正常工作，经过测试，功能完全符合系统性能指标要求，应用系统设计才算完成。 1．硬件调试 （1）静
态检查 根据硬件电路图核对元器件的型号、极性、安装是否正确，检查硬件电路连线是否与电路图一致，有无短路、虚焊等现象。
（2）通电检查 通电检查时，可以模拟各种输入信号分别送入电路的各有关部分，观察I/O口的动作情况，查看电路板上有无元件过热、
冒烟、异味等现象，各相关设备的动作是否符合要求，整个系统的功能是否符合要求。132．软件调试 程序模块编写完成后，通过汇编或编译
后，在开发系统上进行调试。调试时应先分别调试各模块子程序，调试通过后，再调试中断服务子程序，最后调试主程序，并将各部分进行联调。3
．系统调试 当硬件和软件调试完成之后，就可以进行全系统软、硬件调试，对于有电气控制负载的系统，应先试验空载，空载正常后再试验负载
情况。系统调试的任务是排除软、硬件中的残留错误，使整个系统能够完成预定的工作任务，达到要求的性能指标。4．程序固化 系统调试成功
之后，可以将程序通过专用程序固化器固化到ROM。145．脱机运行调试 将固化好程序的ROM插回到应用系统电路板的相应位置，
即可脱机运行。系统试运行要连续运行相当长的时间（也称为考机），以考验其稳定性。并要进一步进行修改和完善处理。6．测试单片机系统的可
靠性 单片机系统设计完成时，一般需进行单片机软件功能的测试，上电、掉电测试，老化测试，静电放电（ElectroStatic D
ischarge，ESD）抗扰度和电快进瞬变脉冲群（Electrical Fast Transient，EFT）抗扰度等测试。可以
使用各种干扰模拟器来测试单片机系统的可靠性，还可以模拟人为使用中可能发生的破坏情况。 经过调试、测试后，若系统完全正常工作
，功能完全符合系统性能指标要求，则一个单片机应用系统的研制过程全部结束159.2 磁电机性能智能测试台的研制9.2.1 系统概述
双缸摩托车上的磁电机有一个发电线圈和二个点火线圈，为摩托车提供前灯照明电压，及通过放电器为发动机的二个气缸提供点
火信号，其质量直接影响到摩托车的运行性能。目前，磁电机性能测试普遍使用人工观察和判断的方法。 通常采用标准针状放电器替代火花塞检测
点火装置产生电火花的能力，用刻度盘加指针的方法来测取点火提前角，精度低，且效率低下。为此研制了磁电机性能智能测试台，对双缸摩托车用
磁电机的多项参数进行自动测试。16测试内容、条件及标准如下1．点火线圈高压绝缘介电强度测试 在放电器极距为11mm，磁电机转
速为6000r／min时，放电器应能产生每秒不少于50次的火花。2．连续点火性能测试 磁电机在放电器极距为6mm时，最低连续
点火转速为280r／min，最高连续点火转速为13 000r／min，每次运行20s，不能有缺火现象．3．照明及充电性能测试
直流负载用2.2士0.05?无感等效电阻，磁电机转速为2400r／min时，直流负载电压大于13.5V；磁电机转速为6800r／
min时，负载电压应小于28V。174．点火提前角与自动进角测试 点火提前角是磁电机的点火信号超前于摩托车活塞上死点
的角度。磁电机转速为280～13000r／min的范围内，点火提前角应能从15?土2?随转速升高而自动连续进角到41°土2°。28
0～l 300r／min范围内点火提前角应为15°土2°，6000～13000r／min范围内点火提前角为41°土2°。189.2
.2 测试系统硬件设计 磁电机性能智能测试系统硬件结构图19接口电路原理图20接口电路中有关节点电压波形219.2.4 程序
设计系统程序结构图22中断服务程序流程图239.3 水产养殖水体多参数测控仪 本系统以单片机为核心，采用RS
-485协议组建分布式控制网络，利用计算机自动检测养殖水池的温度、溶氧含量、浑浊度等各环境因子，通过对增氧机、电磁阀等执行机构的控
制，可以把各项环境因子调整到合适的范围，使鱼类生长在最适宜环境条件下，系统还可以自动对大量现场数据和曲线进行分析，实现参数的自校正
和自适应控制，真正达到了低成本、高效益的现代化水产养殖要求。在相关模型和软件支持下，工控机和下位机均能在发生池水缺氧，温度、酸碱度
不适等异常情况时自动发出报警信号。24监控系统硬件结构图251.传感器选型温度与PH值传感器：采用了配以导热系数较大的不锈钢保护钢
管的铂电阻元件、玻璃电极和参比电极组合在一起的塑壳可充式复合电极(上海雷磁E－201－C型复合电极)。溶解氧传感器： 原电池式薄
膜电极（青岛昱昌科技有限公司的YC-DO-1溶解氧传感器）。水位传感器： 全温度补偿低压力传感器；恒流供电，0～70mV；电压线
性输出；精度：高气压传感器： JQYB-1A型气压变送器，0~110Kpa, 24VDC供电，0~5V输出，精度：北京昆仑海岸传
感技术中心生产。26系统设计保证如下条件：前端桥式电路放大倍数 2.调理电路的设计（1）温度信号调理电路图9-12 温度信号调理
电路R6=R7R5=R827(2) pH值调理电路图9-13 PH值调理电路283. A/D与D/A转换电路图9-14AD/DA转
换器接口电路图294. 单片机系统与看门狗电路图9-16单片机系统与看门狗电路图306. 通信接口电路 图9-17 通信接
口电路图317. 控制面板电路 图9-18 控制面板电路图329.3.4 软件设计系统主程序流程图33
9.4 单片机温度控制实验装置的研制 单片机温度控制实验装置的系统框图见图9-
20。该系统主要由单片机及扩展电路、固态继电器（Solid State Relay,简写为SSR）、加热元件、R/V变换电路、感
温元件、铝块、PC机等组成。其中单片机及扩展电路包括8255、ADC0809、键盘、LED显示器、RS232/TTL 电平转换电路
及其它电路。34图9-20单片机温度控制实验装置的系统框图35电热丝为普通电烙铁用电热丝，用2根，固定在铝块的左右两侧深孔内，使铝
块加温。 热敏电阻为负温度系数热敏电阻，其阻值随周围的温度升高而减小。热敏电阻嵌入铝块内部来感知铝块温度，通过R/V转换电路，将铝
块温度转化为对应的电压。ADC0809为模/数转换器，将R/V转换电路的模拟输出电压转换为对应的数字量，送单片机。SSR为过零触发
固态继电器，只有在交流电压的过零点附近才能使双向晶闸管触发导通。该器件能对交流电进行控制的最小周期为半个周波，即10ms。36课堂
设计的基本内容1.熟悉单片机温控系统硬件结构和温控原理。了解常用的温控算法。2.编制测温程序。A/D转换值在LED显示器上显示，铝
块温度由插入铝块深孔中的温度计读数反映。实测铝块在升温和降温过程中的温度/A/D转换关系表。3.编制单片机温控程序，在PC机上编译
后，经串行口下载到单片机，并调试。37部分连线图38设计说明 1.数码管显示字形 LED显示器是由发光二极管构成的字
段组成的显示器。39显示程序任务：设置显示缓冲区(7EH－ 79 H) ，存放待显示数据和字符（位置码）。显示译码：程序存储器中建
立字形码常数表，查表得出对应数据和字符的字形码。输出显示：输出字形码到显示端口。2.字位口表（从高位起） 3.键盘显示原理图404
14.周波控制法： 实现温度控制。以某一时间间隔（例如200ms）为1个控制周期Tc，调整每个控制周期中加到固态继电器输入端的控
制信号uc的宽度tp，即可改变加到电热丝上的电压uo和平均功率。42模块流程采用动态显示方式，即一位一位地轮流点亮（扫描）6位显示
器。在8032RAM存储器中设置六个显示缓冲区单元7EH-79H，分别存放6位显示器的显示数据（从高到低）。43实验系统有4×8的
键盘结构（见键扫显示原理图）。键盘的行线通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时所有的行线和列线都断开，行线都为高电平。当键盘上某一
键闭合时，则该键所对应的行线和列线都短路。CPU逐行逐列地检查键盘的状态，可判断键盘上有无键闭合。CPU对键盘上闭合键的键号确定，
可根据行线和列线的状态计算求得，也可以根据行线和列线的状态查表求得。44主程序和T0中断服务程序。T0设定10ms定时中断一次，对
测量结果进行采样。调节周期定为0.5秒459.5 单片机的C语言程序开发1. Keil软件系统概述 2.Keil uVisio
n2 Keil uVision2 是优秀的单片机开发软件之一,读者可以向Keil公司代理周立功网站索取并下载得到
, 解压后在Windows下运行软件包中的WIN\Setup.exe安装，在桌面上有Keil uVision2图标,点击后出现如图
所示界面，该集成软件开发平台，具有汇编语言和C语言源代码编辑、编译、仿真于一体，它的人机界面友好，操作方便，是51单片机开发者的首
选。46Keil Vision2软件的运行 双击软件图标进入集成开发系统，如图所示，界面由工程管理窗口、源程序
编辑调试窗口和输出窗口组成，界面上还有菜单和工具栏。当系统工作时还有内存窗口，变量观察窗口以及外围设备对话框出现，其中工程管理窗口
有三个选择页面File，Regs，Books。分别显示当前项目的文件结构、CPU的寄存器的值、CPU的附加说明文件。 474849
在软件使用中还会出现下列窗口 1. 主窗口（Mainframe Window） 可设置其它各种调试窗口，设置断点、观察点，修
改地址空间，加载文件等等； 2. 调试窗口（DEBUG Window） 支持用户程序的各种显示方式，可连续运行，单步运行用户
程序，并可在线汇编； 3. 命令窗口（Command Window） 支持命令行的输入； 504. 观察窗口（Watch W
indow） 可设置所要观察的变量、表达式等； 5. 寄存器窗口（Registe Window） 显示内部寄存器的
内容，程序运行次数等； 6. 串口窗口（Serical Windows） 显示串口接收和发送的数据； 7. 性能分析窗口
显示所要观察的各程序段占用CPU的空间； 8. 内存窗口（Memory Window） 显示所选择的内存中的数据； 9.
符号浏览窗口（Symbol Browser Window） 显示各种符号名称，包括专有符号，用户自定义符号（函
数名、变量、标号）等；51 10. 调用线窗口（Call－Stack Window） 动态显示当前执行的程序段的函数调用关系
； 11. 代码覆盖窗口 提供当前模块内各程序段中被执行代码的比率； 12. 外围设备窗口(peripherals)
显示I/O口，定时器，中断，串口等外围设备状态；523. 菜单和工具栏 Keil uVision2软件菜单有:F
ile文件和命令菜单，Edit是编辑和编辑命令菜单，View是视图菜单，Project是项目和项目命令菜单，Debug是调试和调试
命令菜单，Flash存储器下载设置菜单,Peripherals是外围器件菜单，Tools是工具菜单，Svcs是软件版本控制系统菜单
，Window是视窗设置菜单，Help是帮助菜单。 53 除Window常用工具外,软件还有一些专门工具,视图
菜单View和调试菜单Debug等的一些功能有专门的工具栏。如:Options for Target设置对象或文件工具选项, Bu
ild Target编译修改过的文件并生成应用文件,Rebuild all Target重新编译所有文件并生成应用,Transla
te current编译当前文件, stop Build停止生成应用,GO运行程序直到一个断点,STEP单步运行程序,遇到子程序进
入, Start/Stop开始/停止调试模式,Kill All取消所有断点,Insert/Remove设置/取消当前行的断点等等。
544.软件调试与使用操作过程主要任务的操作过程1、点击软件图标开机，运行Keil uVision2；2、创建工程；
鼠标左键单击主菜单“Project”----------项目命令菜单，鼠标左键单击子菜单“New Project”--------
-创建新项目，弹出“Creat New Project”对话框---------Window格式文件对话框，用鼠标在“保存在”下拉
框选择你要保存的文件夹(比如“我的文档”)----------在“文件名”文本框处用键盘敲入你给这个工程起的工程名(如“test1
”)----------鼠标左键单击“保存”按键----------弹出“Select Device for Target ‘Ta
rget1’”对话框---------公司和CPU型号选择。 55用鼠标在左边列表框“Data Base”区双击ATMEL或单击A
TMEL前的“+”号 ATMEL子选项展开----------选公司ATMEL，用鼠标左键单击“89C52”----------选
择项目所用CPU，用鼠标左键单击“确定”按键--------完成项目创建，出现7.1所示窗口。 563、建立源程序A、建立汇编程序
源程序并编译过程 鼠标左键单击菜单“File”----------主菜单中的文件菜单，鼠标左键单击菜单“New”-----
----新建文件，在出现的文本窗口（Text1）中用键盘键入你的汇编程序鼠标左键单击菜单File------Save as----
-----在新建的文档中键入你的汇编程序名称，弹出Save As对话框---- 用鼠标在“保存在”下拉框选择你要保存的文件夹(比如
“我的文档”)--------在“文件名”文本框处用键盘敲入你给这个工程起的工程名(如“test1.asm”)-------- 注
意同时输入扩展名,并且是认可的扩展名。鼠标左键单击“保存”按键。例如使P1.0输出高低电平的源程序：57 在左边资源管理器
用鼠标左键双击“Target 1”或单击“Target 1”前的“+”号，鼠标右键单击Source Group，弹出“Add fi
le to Group ‘Source Group 1’” 新建文件加入到项目组中, 如图7.2所示。 “文件类型”选
“asm source file (.a)”: 选择文件类型C语言或汇编等，找到“test1.asm”文件，鼠标左键单击该文件
，找到刚才输入的文件，鼠标左键单击Add加入工程项目中，鼠标左键单击“Close”:关闭对话框。 编译修改过的程序：鼠
标左键单击主菜单“Project”------58 鼠标左键单击子下拉菜单中的“Built target”:编译文件、生成
应用文件, 输出窗口显示“”test1“-0 Errors(s)，0 Warning(s)”:完成编译，没有误如有错误，点击输出
窗口中的提示行，鼠标会跳到源程序所在窗口中的错误处则根据提示修改源程序，然后再编译。用上述方法也可打开已有的汇编程序进行修改和编译
。 建立C51语言源程序并编译 鼠标左键单击菜单“File”------鼠标左键单击菜单“New”-------
在新建的文本窗口“Text 1”中用键盘键入，鼠标左键单击菜单file:save as在新建的文档中键入你的C51源程序， 弹出S
ave as对话框: 用鼠标在"保存在"下拉框选择你要保存的文件夹(比如"我的文档") 59 在“文件名”文本框处用键盘敲
入你给这个文件起的文件名(如"text51.c") 只能使用默认的扩展名如a和c 鼠标左键单击左边列表框Target1-
---- 鼠标右键单击Source Group--------选择源文件组 弹出Add file to Group ''So
urce Group 1''------文件加入源文件1组 文件类型选c source file (.c)--- 找到" tex
t51.c "鼠标左键单击该文件-------- 找到所输入文件 鼠标左键单击"add"------- 加入组中鼠标左键单击"cl
ose" 修改源程序，最后鼠标左键单击菜单“Project”------项目管理与命令 鼠标左键单击子菜单“Built t
arget”------编译命令 下边图7.3窗口显示" text51.c "-0 Errors(s)，0 Warning(s)"60614、设置参数 用鼠标左键单击主菜单“Project”------项目和项目命令菜单用鼠标左键单击子菜单“Options for Target ‘Target1’”------设置对象或文件工具选项窗口。如图所示。 弹出“Options for Target ‘Target1’”对话框------ 在“Target”标签下修改“Xtal(Mhz)”为“11.0592”-------- 在“Output”标签下，选中“Create HEX file”(如果你要生成 hex文件用编程器写到目标板的）。62设置对象或文件工具选项窗口63 在“C51”标签下修改“Interrupt vectors at address”为“0x8000”--在“BL51 Locate”标签“Code”中填入“0x8000”------ 在“debug”标签选中“Use keil monitor-51 driver”-----如图所示。设置对象中“debug”标签选项对话框窗口64 用鼠标左键单击“Setting”按键,根据你用的串口用鼠标选择Port---左键单击"ok"按键---- 选中“Load Application at Start”选中“Go tillmain()”--- 用鼠标左键单击“确认”按键,其余缺省。设置对象中“debug”标签选项对话框窗口 65第九章 结 束 |
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