第12章 单片机应用系统设计举例

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1、1/18 第十二章第十二章单片机应用系统设计举例单片机应用系统设计举例本章学习目标本章学习目标掌握掌握单片机单片机应用系统设计的方法和步骤应用系统设计的方法和步骤2/18设计一压力测控系统，系统的具体要求如下：设计一压力测控系统，系统的具体要求如下：（1）压力检测）压力检测检测来自压力传感器输出的电压信号（检测来自压力传感器输出的电压信号（05V），通过），通过A/D转换器进行转换。转换器进行转换。（2）工程变换）工程变换将转换结果进行工程变换，即将转换结果再转换为压将转换结果进行工程变换，即将转换结果再转换为压力大小（仅保留整数部分）。力大小（仅保留整数部分）。（3）键盘）键盘用于设置压力的

2、报警值和当前时间。用于设置压力的报警值和当前时间。（4）数码）数码LED显示显示用于显示压力报警值的上限和下限，并显示当前压力用于显示压力报警值的上限和下限，并显示当前压力值。压力值在值。压力值在0100之间。之间。12.1 系统要求3/18（5）当前压力值超过报警值时，通过蜂鸣器报）当前压力值超过报警值时，通过蜂鸣器报警，并控制电机执行相应的动作。警，并控制电机执行相应的动作。压力值低于下限时，合上控制电机正转的继电压力值低于下限时，合上控制电机正转的继电器，控制电机正转，压力升高，压力值升高到器，控制电机正转，压力升高，压力值升高到正常范围后，打开正转继电器，电机停转；压正常范围后，打开正

3、转继电器，电机停转；压力值高于上限时，合上控制电机反转的继电器，力值高于上限时，合上控制电机反转的继电器，控制电机反转，压力值下降到正常范围后，打控制电机反转，压力值下降到正常范围后，打开反转继电器，电机停转。没有超过报警值时，开反转继电器，电机停转。没有超过报警值时，继电器都打开，电机不转。继电器都打开，电机不转。（6）上位机监控软件设计）上位机监控软件设计通过计算机显示当前的压力值以及报警值。通过计算机显示当前的压力值以及报警值。4/1812.2 需求分析需求分析1、单片机选型、单片机选型进行单片机选型时，应尽量了解较多种类单片进行单片机选型时，应尽量了解较多种类单片机的性能指标和所集成的

4、资源。机的性能指标和所集成的资源。根据系统的要求，选用合适的单片机。根据系统的要求，选用合适的单片机。目前许多单片机具有较高的集成度，因此，如目前许多单片机具有较高的集成度，因此，如果有模拟量检测的要求时，应尽量选择带有果有模拟量检测的要求时，应尽量选择带有A/D转换模块的单片机。并且，应该注意所设转换模块的单片机。并且，应该注意所设计系统的应用场合，选择适当的芯片等级（军计系统的应用场合，选择适当的芯片等级（军用级、工业级和商用级）。用级、工业级和商用级）。5/18STC15F2K60S2单片机片内集成了单片机片内集成了8通道通道10位位高速模数转换器，并且，具有较多的通用高速模数转换器，并

5、且，具有较多的通用I/O和片上外设（定时器、和片上外设（定时器、UART等）。等）。因 此 ， 在 本 系 统 的 设 计 中 ， 可 以 采 用因 此 ， 在 本 系 统 的 设 计 中 ， 可 以 采 用STC15F2K60S2作为系统的检测与控制中心。作为系统的检测与控制中心。6/182、人机接口的设计选型、人机接口的设计选型系统要求使用键盘设置压力的报警上限值和下限值，系统要求使用键盘设置压力的报警上限值和下限值，使用使用LED进行显示。在此，使用进行显示。在此，使用4个按键作为系统键个按键作为系统键盘，选用盘，选用8位位LED显示，用以显示压力的报警值（上显示，用以显示压力的报警值（

6、上限、下限）、当前值和当前时间。限、下限）、当前值和当前时间。传统的键盘和传统的键盘和LED显示电路设计，一般采用扫描的方显示电路设计，一般采用扫描的方式。即，键盘采用扫描方式，式。即，键盘采用扫描方式，LED显示采用动态扫描显示采用动态扫描方式。键盘和方式。键盘和LED设计时，公用其中的某些口线。在设计时，公用其中的某些口线。在本例中，键盘采用扫描方式，而本例中，键盘采用扫描方式，而LED采用串行并行采用串行并行转换芯片转换芯片74HC595进行显示。进行显示。7/18除了除了LED显示外，常见的信息显示方式还有显示外，常见的信息显示方式还有LCD显示（即液晶显示）。限于篇幅，有关显示（即液

7、晶显示）。限于篇幅，有关LCD显示的内容从略。显示的内容从略。为了显示系统的工作状态，设计一个运行指示为了显示系统的工作状态，设计一个运行指示灯。当系统正常运行时，以一定的频率闪烁。灯。当系统正常运行时，以一定的频率闪烁。8/183、继电器控制、继电器控制单片机单片机I/O引脚本身的驱动能力有限，因此，引脚本身的驱动能力有限，因此，一般情况下，不能使用单片机的一般情况下，不能使用单片机的I/O引脚直接引脚直接控制继电器。控制继电器。在常见的控制系统中，往往利用单片机在常见的控制系统中，往往利用单片机I/O引引脚加上驱动电路驱动小功率继电器，这个小功脚加上驱动电路驱动小功率继电器，这个小功率继电

8、器作为中间继电器，再用中间继电器驱率继电器作为中间继电器，再用中间继电器驱动控制大功率继电器。动控制大功率继电器。9/18使用中间继电器控制大功率继电器的方法，在使用中间继电器控制大功率继电器的方法，在一般的电器控制教材上都有详细的介绍，在此一般的电器控制教材上都有详细的介绍，在此从略。从略。连接单片机连接单片机I/O引脚和中间继电器的驱动电路，引脚和中间继电器的驱动电路，可以使用现成的集成驱动电路，如可以使用现成的集成驱动电路，如ULN2803，也可以利用分离元件自行设计。也可以利用分离元件自行设计。为了提高系统的抗干扰能力，在单片机的为了提高系统的抗干扰能力，在单片机的I/O引脚和中间继电

9、器之间最好采用光电隔离技术。引脚和中间继电器之间最好采用光电隔离技术。由于本系统只需要控制两个继电器，因此，这由于本系统只需要控制两个继电器，因此，这里的驱动电路使用分离元件进行设计。里的驱动电路使用分离元件进行设计。10/184、上位机监控软件的设计、上位机监控软件的设计计算机和单片机的串行通信可以采用计算机和单片机的串行通信可以采用RS-232、RS-422或或RS-485总线标准接口。总线标准接口。从硬件上讲，计算机的串行口是从硬件上讲，计算机的串行口是RS232电平的，而单电平的，而单片机的串口是片机的串口是TTL电平的。因此，要实现单片机与计电平的。因此，要实现单片机与计算机之间的串

10、行通信，必须通过电路实现算机之间的串行通信，必须通过电路实现TTL电平和电平和232电平的转换。常用的电平转换集成电路是电平的转换。常用的电平转换集成电路是MAX232。从软件的角度讲，要实现上位机监控软件的设计，需从软件的角度讲，要实现上位机监控软件的设计，需要掌握目前流行的基于要掌握目前流行的基于Windows操作系统的软件设计。操作系统的软件设计。可以选择较容易上手的可以选择较容易上手的Visual Basic开发环境，进行监开发环境，进行监控软件的设计。也可以选择控软件的设计。也可以选择Visual C+等。等。11/1812.3 系统硬件设计系统硬件设计1、CPU基本单元电路基本单元

11、电路图12-1 CPU基本单元电路12/182、声光报警电路、声光报警电路声光报警部分的电路如图声光报警部分的电路如图12-2所示。所示。VD2VD1VCCRunVD5+C14VCCU2BELLR4VT1R1R2R21AlarmPWMVCC47F1K1K1K1K图图12-2 声光报警电声光报警电路路13/183、RS232通信接口电路通信接口电路RS232通信接口电路如图通信接口电路如图12-3所示。所示。C7C11C9C10C8VCC162738495DB9C1+1C1-3C2-5GND15V-6V+2VCC16TIOUT14R1IN13R1OUT12T1IN11C2+4U3MAX232RX

12、DTXD1F1F1F1F1F图12-3 RS232通信接口电路 14/184、继电器控制电路图、继电器控制电路图继电器控制电路图如图继电器控制电路图如图12-4所示。所示。U5TLP521-1NegativeR81KRLY25VSPDTVT38050VD41N4007U4TLP521-1PositiveR5390R61KRLY15VSPDTVT28050VD31N4007VCCR7390VCCVCCVCC图12-4 继电器控制电路图 15/185、键盘和显示控制电路、键盘和显示控制电路LED显示电路图如图显示电路图如图12-5a、图、图12-5b、图、图12-5c和图和图12-5d所示。所示。

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

14、COM3VT89012VT99012VT109012VT119012VCCDIG4DIG5DIG6DIG7COM4COM5COM6COM7c)abcdefgdpcomabdcefgdpDS0abcdefgdpabcdefgdpcomabdcefgdpDS7abcdefgdpd)COM0COM717/18键盘电路如图键盘电路如图12-6所示。所示。S1S2S3S4VCCP00P01P02P03GND10K43304图12-6 键盘电路图18/18压力的检测报警程序采用压力的检测报警程序采用C语言编写。语言编写。系统采用每系统采用每10ms循环采样的方式采集压力信号（在此循环采样的方式采集压力信号

15、（在此假设采用假设采用8位转换精度）。位转换精度）。使用定时器使用定时器0实现实现10毫秒的定时。毫秒的定时。报警声音通过报警声音通过PWM控制蜂鸣器发出，监测的压力值超控制蜂鸣器发出，监测的压力值超过上限时，发出上限报警声音（高音调）过上限时，发出上限报警声音（高音调）.监测的压力值低于下限时，发出下限报警声音（低音监测的压力值低于下限时，发出下限报警声音（低音调）。不管发生哪种报警，报警指示灯闪烁（亮调）。不管发生哪种报警，报警指示灯闪烁（亮500ms，灭灭500ms，通过对定时器，通过对定时器0的中断计数的中断计数50次实现）。次实现）。如果没有报警，则不出现报警声音和闪烁信号。如果没有报警，则不出现报警声音和闪烁信号。系统运行指示灯通过对定时器系统运行指示灯通过对定时器0的中断计数的中断计数50次实现定次实现定时输出高低脉冲控制时输出高低脉冲控制D1。详细程序见教材详细程序见教材12.4 系统软件设计系统软件设计