第12章 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例

1、1/18 第十二章第十二章單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計舉例本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握掌握單片機單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的方法和步驟應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的方法和步驟2/18設(shè)計一壓力測控系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體要求如下：設(shè)計一壓力測控系統(tǒng)，系統(tǒng)的具體要求如下：（1）壓力檢測）壓力檢測檢測來自壓力傳感器輸出的電壓信號（檢測來自壓力傳感器輸出的電壓信號（05V），通過），通過A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。（2）工程變換）工程變換將轉(zhuǎn)換結(jié)果進行工程變換，即將轉(zhuǎn)換結(jié)果再轉(zhuǎn)換為壓將轉(zhuǎn)換結(jié)果進行工程變換，即將轉(zhuǎn)換結(jié)果再轉(zhuǎn)換為壓力大小（僅保留整數(shù)部分）。力大?。▋H保留整數(shù)部分）。（3）鍵盤）鍵盤用于設(shè)置壓力的

2、報警值和當(dāng)前時間。用于設(shè)置壓力的報警值和當(dāng)前時間。（4）數(shù)碼）數(shù)碼LED顯示顯示用于顯示壓力報警值的上限和下限，并顯示當(dāng)前壓力用于顯示壓力報警值的上限和下限，并顯示當(dāng)前壓力值。壓力值在值。壓力值在0100之間。之間。12.1 系統(tǒng)要求3/18（5）當(dāng)前壓力值超過報警值時，通過蜂鳴器報）當(dāng)前壓力值超過報警值時，通過蜂鳴器報警，并控制電機執(zhí)行相應(yīng)的動作。警，并控制電機執(zhí)行相應(yīng)的動作。壓力值低于下限時，合上控制電機正轉(zhuǎn)的繼電壓力值低于下限時，合上控制電機正轉(zhuǎn)的繼電器，控制電機正轉(zhuǎn)，壓力升高，壓力值升高到器，控制電機正轉(zhuǎn)，壓力升高，壓力值升高到正常范圍后，打開正轉(zhuǎn)繼電器，電機停轉(zhuǎn)；壓正常范圍后，打開正

3、轉(zhuǎn)繼電器，電機停轉(zhuǎn)；壓力值高于上限時，合上控制電機反轉(zhuǎn)的繼電器，力值高于上限時，合上控制電機反轉(zhuǎn)的繼電器，控制電機反轉(zhuǎn)，壓力值下降到正常范圍后，打控制電機反轉(zhuǎn)，壓力值下降到正常范圍后，打開反轉(zhuǎn)繼電器，電機停轉(zhuǎn)。沒有超過報警值時，開反轉(zhuǎn)繼電器，電機停轉(zhuǎn)。沒有超過報警值時，繼電器都打開，電機不轉(zhuǎn)。繼電器都打開，電機不轉(zhuǎn)。（6）上位機監(jiān)控軟件設(shè)計）上位機監(jiān)控軟件設(shè)計通過計算機顯示當(dāng)前的壓力值以及報警值。通過計算機顯示當(dāng)前的壓力值以及報警值。4/1812.2 需求分析需求分析1、單片機選型、單片機選型進行單片機選型時，應(yīng)盡量了解較多種類單片進行單片機選型時，應(yīng)盡量了解較多種類單片機的性能指標(biāo)和所集成的

4、資源。機的性能指標(biāo)和所集成的資源。根據(jù)系統(tǒng)的要求，選用合適的單片機。根據(jù)系統(tǒng)的要求，選用合適的單片機。目前許多單片機具有較高的集成度，因此，如目前許多單片機具有較高的集成度，因此，如果有模擬量檢測的要求時，應(yīng)盡量選擇帶有果有模擬量檢測的要求時，應(yīng)盡量選擇帶有A/D轉(zhuǎn)換模塊的單片機。并且，應(yīng)該注意所設(shè)轉(zhuǎn)換模塊的單片機。并且，應(yīng)該注意所設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用場合，選擇適當(dāng)?shù)男酒燃墸ㄜ娪嬒到y(tǒng)的應(yīng)用場合，選擇適當(dāng)?shù)男酒燃墸ㄜ娪眉墶⒐I(yè)級和商用級）。用級、工業(yè)級和商用級）。5/18STC15F2K60S2單片機片內(nèi)集成了單片機片內(nèi)集成了8通道通道10位位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且，具有較多的通用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并

5、且，具有較多的通用I/O和片上外設(shè)（定時器、和片上外設(shè)（定時器、UART等）。等）。因 此 ， 在 本 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 中 ， 可 以 采 用因 此 ， 在 本 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 中 ， 可 以 采 用STC15F2K60S2作為系統(tǒng)的檢測與控制中心。作為系統(tǒng)的檢測與控制中心。6/182、人機接口的設(shè)計選型、人機接口的設(shè)計選型系統(tǒng)要求使用鍵盤設(shè)置壓力的報警上限值和下限值，系統(tǒng)要求使用鍵盤設(shè)置壓力的報警上限值和下限值，使用使用LED進行顯示。在此，使用進行顯示。在此，使用4個按鍵作為系統(tǒng)鍵個按鍵作為系統(tǒng)鍵盤，選用盤，選用8位位LED顯示，用以顯示壓力的報警值（上顯示，用以顯示壓力的報警值（

6、上限、下限）、當(dāng)前值和當(dāng)前時間。限、下限）、當(dāng)前值和當(dāng)前時間。傳統(tǒng)的鍵盤和傳統(tǒng)的鍵盤和LED顯示電路設(shè)計，一般采用掃描的方顯示電路設(shè)計，一般采用掃描的方式。即，鍵盤采用掃描方式，式。即，鍵盤采用掃描方式，LED顯示采用動態(tài)掃描顯示采用動態(tài)掃描方式。鍵盤和方式。鍵盤和LED設(shè)計時，公用其中的某些口線。在設(shè)計時，公用其中的某些口線。在本例中，鍵盤采用掃描方式，而本例中，鍵盤采用掃描方式，而LED采用串行并行采用串行并行轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換芯片74HC595進行顯示。進行顯示。7/18除了除了LED顯示外，常見的信息顯示方式還有顯示外，常見的信息顯示方式還有LCD顯示（即液晶顯示）。限于篇幅，有關(guān)顯示（即液

7、晶顯示）。限于篇幅，有關(guān)LCD顯示的內(nèi)容從略。顯示的內(nèi)容從略。為了顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)計一個運行指示為了顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)計一個運行指示燈。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，以一定的頻率閃爍。燈。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，以一定的頻率閃爍。8/183、繼電器控制、繼電器控制單片機單片機I/O引腳本身的驅(qū)動能力有限，因此，引腳本身的驅(qū)動能力有限，因此，一般情況下，不能使用單片機的一般情況下，不能使用單片機的I/O引腳直接引腳直接控制繼電器?？刂评^電器。在常見的控制系統(tǒng)中，往往利用單片機在常見的控制系統(tǒng)中，往往利用單片機I/O引引腳加上驅(qū)動電路驅(qū)動小功率繼電器，這個小功腳加上驅(qū)動電路驅(qū)動小功率繼電器，這個小功率繼電

8、器作為中間繼電器，再用中間繼電器驅(qū)率繼電器作為中間繼電器，再用中間繼電器驅(qū)動控制大功率繼電器。動控制大功率繼電器。9/18使用中間繼電器控制大功率繼電器的方法，在使用中間繼電器控制大功率繼電器的方法，在一般的電器控制教材上都有詳細的介紹，在此一般的電器控制教材上都有詳細的介紹，在此從略。從略。連接單片機連接單片機I/O引腳和中間繼電器的驅(qū)動電路，引腳和中間繼電器的驅(qū)動電路，可以使用現(xiàn)成的集成驅(qū)動電路，如可以使用現(xiàn)成的集成驅(qū)動電路，如ULN2803，也可以利用分離元件自行設(shè)計。也可以利用分離元件自行設(shè)計。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在單片機的為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在單片機的I/O引腳和中間繼電

9、器之間最好采用光電隔離技術(shù)。引腳和中間繼電器之間最好采用光電隔離技術(shù)。由于本系統(tǒng)只需要控制兩個繼電器，因此，這由于本系統(tǒng)只需要控制兩個繼電器，因此，這里的驅(qū)動電路使用分離元件進行設(shè)計。里的驅(qū)動電路使用分離元件進行設(shè)計。10/184、上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計、上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計計算機和單片機的串行通信可以采用計算機和單片機的串行通信可以采用RS-232、RS-422或或RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)接口?？偩€標(biāo)準(zhǔn)接口。從硬件上講，計算機的串行口是從硬件上講，計算機的串行口是RS232電平的，而單電平的，而單片機的串口是片機的串口是TTL電平的。因此，要實現(xiàn)單片機與計電平的。因此，要實現(xiàn)單片機與計算機之間的串

10、行通信，必須通過電路實現(xiàn)算機之間的串行通信，必須通過電路實現(xiàn)TTL電平和電平和232電平的轉(zhuǎn)換。常用的電平轉(zhuǎn)換集成電路是電平的轉(zhuǎn)換。常用的電平轉(zhuǎn)換集成電路是MAX232。從軟件的角度講，要實現(xiàn)上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計，需從軟件的角度講，要實現(xiàn)上位機監(jiān)控軟件的設(shè)計，需要掌握目前流行的基于要掌握目前流行的基于Windows操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計。操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計?？梢赃x擇較容易上手的可以選擇較容易上手的Visual Basic開發(fā)環(huán)境，進行監(jiān)開發(fā)環(huán)境，進行監(jiān)控軟件的設(shè)計。也可以選擇控軟件的設(shè)計。也可以選擇Visual C+等。等。11/1812.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計1、CPU基本單元電路基本單元

11、電路圖12-1 CPU基本單元電路12/182、聲光報警電路、聲光報警電路聲光報警部分的電路如圖聲光報警部分的電路如圖12-2所示。所示。VD2VD1VCCRunVD5+C14VCCU2BELLR4VT1R1R2R21AlarmPWMVCC47F1K1K1K1K圖圖12-2 聲光報警電聲光報警電路路13/183、RS232通信接口電路通信接口電路RS232通信接口電路如圖通信接口電路如圖12-3所示。所示。C7C11C9C10C8VCC162738495DB9C1+1C1-3C2-5GND15V-6V+2VCC16TIOUT14R1IN13R1OUT12T1IN11C2+4U3MAX232RX

12、DTXD1F1F1F1F1F圖12-3 RS232通信接口電路 14/184、繼電器控制電路圖、繼電器控制電路圖繼電器控制電路圖如圖繼電器控制電路圖如圖12-4所示。所示。U5TLP521-1NegativeR81KRLY25VSPDTVT38050VD41N4007U4TLP521-1PositiveR5390R61KRLY15VSPDTVT28050VD31N4007VCCR7390VCCVCCVCC圖12-4 繼電器控制電路圖 15/185、鍵盤和顯示控制電路、鍵盤和顯示控制電路LED顯示電路圖如圖顯示電路圖如圖12-5a、圖、圖12-5b、圖、圖12-5c和圖和圖12-5d所示。所示。

13、dpgfedcba/SCLR10QA15VCC16QB1SCK11QC2SER14QD3RCK12QE4/G13QF5QG6GND8QH774HC595SPICLKMOSIP27VCCGNDP21U64758a)DIG7DIG6DIG4DIG3DIG2DIG1DIG0/SCLR10QA15VCC16QB1SCK11QC2SER14QD3RCK12QE4/G13QF5QG6GND8QH774HC595SPICLKMOSIP26VCCGNDP22U75.1K8b)DIG516/18VT49012VT59012VT69012VT79012VCCDIG0DIG1DIG2DIG3COM0COM1COM2

14、COM3VT89012VT99012VT109012VT119012VCCDIG4DIG5DIG6DIG7COM4COM5COM6COM7c)abcdefgdpcomabdcefgdpDS0abcdefgdpabcdefgdpcomabdcefgdpDS7abcdefgdpd)COM0COM717/18鍵盤電路如圖鍵盤電路如圖12-6所示。所示。S1S2S3S4VCCP00P01P02P03GND10K43304圖12-6 鍵盤電路圖18/18壓力的檢測報警程序采用壓力的檢測報警程序采用C語言編寫。語言編寫。系統(tǒng)采用每系統(tǒng)采用每10ms循環(huán)采樣的方式采集壓力信號（在此循環(huán)采樣的方式采集壓力信號（在此假設(shè)采用假設(shè)采用8位轉(zhuǎn)換精度）。位轉(zhuǎn)換精度）。使用定時器使用定時器0實現(xiàn)實現(xiàn)10毫秒的定時。毫秒的定時。報警聲音通過報警聲音通過PWM控制蜂鳴器發(fā)出，監(jiān)測的壓力值超控制蜂鳴器發(fā)出，監(jiān)測的壓力值超過上限時，發(fā)出上限報警聲音（高音調(diào)）過上限時，發(fā)出上限報警聲音（高音調(diào)）.監(jiān)測的壓力值低于下限時，發(fā)出下限報警聲音（低音監(jiān)測的壓力值低于下限時，發(fā)出下限報警聲音（低音調(diào)）。