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主讲教师:Email：Tel:第五章MCS-51系列单片机在工业控制中的应用5.1单片机应用系统的设计方法5.2SPI总线DS1302实时时钟控制5.3I²C总线24C04开启次数统计控制5.4电动机控制系统设计5.5RS485总线在单片机多机通信中的应用5.1单片机应用系统的设计方法5.1.1单片机应用系统的结构5.1.2前向通道的组成及其特点5.1.3后向通道的组成及其特点5.1.4人机通道的结构及其特点5.1.5相互通道及其特点5.1.6单片机应用系统的设计内容5.1单片机应用系统的设计方法一个实际的单片机应用系统除了基本组成结构、功能及其扩展基本外围设备的接口技术外，还需要多种配置及其接口连接；单片机应用系统设计涉及到许多复杂的内容和问题，如：多种类型的电路结构：模拟电路、伺服电路、抗干扰隔离电路等。因此，单片机应用系统设计应遵循一些基本原则和方法。从应用角度，了解单片机应用系统的结构、设计的内容与一般方法，对于单片机应用系统的工程设计与开发有十分重要的指导意义。5.1单片机应用系统的设计方法单片机应用系统的组成：硬件系统+软件系统硬件系统：单片机基本结构、扩展的存储器、外围设备及其接口电路软件系统：监控程序和各种应用程序5.1.1单片机应用系统的结构由于单片机主要用于工业控制，其典型应用系统应包括单片机系统、用于测控目的的前向传感器输入通道、用于伺服的后向控制输出通道及基本的人机对话通道。大型复杂的测控系统是一个多机系统，还包括机与机之间进行通信的互相通道。5.1.2前向通道的组成及其特点前向通道是单片机与测控对象相连的部分，是应用系统的数据采集的输入通道。来自被控对象的现场信息多种多样。按物理量的特征可分为模拟量、数字量和开关量。对于数字量（频率、周期、相位、计数等）的采集，输入比较简单。它们可直接作为计数输入、测试输入、I/O口输入或中断输入进行事件计数、定时计数，实现脉冲的频率、周期、相位及计数测量。对于开关量的一般通过I/O口线或扩展I/O口线直接输入。*单片机属于数字弱电系统，在数字量和开关量的采集通道中，要用隔离器件进行隔离（如光电藕元器件）对于模拟量的采集则比较复杂：一般被控对象都是交变电流、交变电压大电流系统。5.1.2前向通道的组成及其特点模拟量输入通道，一般包括变换器、隔离放大器、滤波器、采样保持器、多路电子转换开关、A/D转换器及其接口电路。变换器是各种传感器的总称，它采集现场的各种信号，并变换成电信号（电压信号或电流信号）；隔离放大器：传感器输出的信号一般较弱；滤波器：现场信息来自各种工业现场，夹带大量的噪音和干扰信号，为提高系统的可靠性，必须隔离或削减干扰信号；抗干扰设计重点部位采样保持器：在前向通道有两个作用(1)实现多路模拟信号的同时采集;(2)消除A/D转换器的”孔径”误差（”孔径时间”：A/D转换器从开始转换到转换结束输出稳定信号这一段时间）多路电子转换开关：实现一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换；A/D转换器：前向通道中模拟系统与数字系统连接的核心部件。5.1.2前向通道的组成及其特点前向通道的特点：（1）与现场对象相连接，是现场干扰进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位；（2）由于所采集的对象不同，有模拟量、数字量和开关量，而这些都是由安放在现场的传感、变换装置产生的，许多参量信号不能满足单片机输入的要求，故有大量的、形式多样的信号变换调节电路；（3）前向通道是一个模拟、数字混合电路系统，其电路功耗小，一般没有功率驱动要求。5.1.3后向通道的组成及其特点后向通道是应用系统的伺服驱动通道。作用于控制对象的控制信号通常有两种：一种是开关量控制信号，另一种是模拟量控制信号。开关量控制信号的后向通道比较简单，只需要采用隔离器件进行隔离及电平转换。模拟量控制信号的后向通道，需要进行D/A转换、隔离放大、功率驱动等器件进行隔离及电平转换。5.1.3后向通道的组成及其特点后向通道的特点：（1）后向通道是应用系统的输出通道，大多数需要功率驱动；（2）靠近伺服驱动现场，伺服控制系统的大功率负荷易从后向通道进入单片机系统，故后向通道的隔离对系统的可靠性影响很大；（3）根据输出控制的要求不同，后向通道电路多种多样，如模拟电路、数字电路和开关电路，输出信号的形式有电流输出、电压输出、开关量输出及数字量输出等。5.1.4人机通道的结构及其特点单片机系统中的人机通道是用户为了对应用系统进行干预（如启动、参数设置等），以及了解应用系统运行状态所设置的对话通道，主要有键盘、显示器、打印机等通道接口。人机通道的特点：（1）由于通常的单片机应用系统大多数是小规模系统，因此，应用系统中的人机对话通道及人机对话设备的配置都是小规模的，如微型打印机、功能键、LED/LCD显示器等。若需要高水平的人机对话配置，如通用打印机、CRT、硬盘、标准键盘等，则往往将单片机应用系统通过外总线与通用计算机相连，享用通用计算机的外围人机对话设备。（2）单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内总线形式，与计算机系统扩展密切相关。5.1.5相互通道及其特点单片机系统中的相互通道是解决单片机系统间相互通信的接口，在较大规模的多机测控系统中，就需要设计相互通道接口。相互通道设计中须考虑的问题：（1）中、高档单片机大多设有串行端口，为构成系统的相互通道提供了方便条件；（2）单片机本身的串行口只为相互通道提供了硬件结构及基本的通信方式，并没有提供标准的通信规程。故利用单片机串行口构成相互通道时，要配置比较复杂的通信软件；（3）在很多情况下，采用扩展标准控制通信芯片来组成相互通道。如，用扩展8250、8251、SIO、8273、MC6850等标准控制通信芯片来构成相互通信接口；（4）相互通信接口都是数字电路系统，抗干扰能力强。但大多数都需远距离传输，故需要解决长线传输的驱动、匹配、隔离等问题。5.1.6单片机应用系统的设计内容单片机应用系统的设计包含硬件设计和软件设计两部分。硬件设计又包括单片机系统扩展和配置。具体设计内容包括：1、单片机系统设计单片机本身具备比较强大的功能，但往往不能满足一个实际应用系统功能的要求，有些单片机本身就缺少一些功能部分，如8031片内无程序存储器，所以要通过系统扩展，构成一个完善的计算机系统，它是单片机应用系统中的核心部分。系统的扩展方法、内容、规模与所用的单片机和要求有关。单片机系统扩展的设计内容如下：（1）最小系统设计：给单片机配以必要的器件构成单片机最小系统。如MCS-51系列片内有程序存储器的机型，只需在片外配置上电源、复位电路、振荡电路，这样，便于对单片机系统进行测试和调试。（2）系统扩展设计：在单片机最小系统的基础上，再配置能满足应用系统要求的一些外围功能器件。5.1.6单片机应用系统的设计内容2、通道和接口设计由于通道大都是通过I/O口进行配置的，与单片机本身的联系不甚紧密，故大多数接口电路都能方便地到其它类型的单片机应用系统中去．３、系统抗干扰设计抗干扰设计要贯穿到应用系统设计的全过程。从具体方案、器件选择到电路系统设计，从硬件系统设计到软件系统设计，都要把抗干扰设计列为一项重要工作。４、应用软件设计应用软件是根据系统功能要求，采用汇编语言或高级语言进行设计。5.2SPI总线DS1302实时时钟控制5.2.1DS1302的基础知识5.2.2DS1302管脚的配置5.2.3DS1302采用1位LED显示时钟的设计5.2.1DS1302的基础知识SPI总线又称同步串行外设接口，是一种符合工业标准、全双工、三线或四线通信方式的总线系统，它允许MCU与各种外围设备以串行方式通信。数据的传输需要一条时钟线、一条数据线和一条控制线（有的需两条），可以工作在主模式或从模式下。在主模式下每位数据发送/接收需要一个时钟周期。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、星期、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行，由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。SCLK为时钟输入端，I/O为串行数据输入输出端(双向)。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。5.2.2DS1302管脚的配置5.2.3DS1302采用1位LED显示时钟的设计（1）设计要求DS1302采用1位LED显示时钟的设计（2）设计分析最小的单片机系统+数码管+DS1302DS1302为实时时钟/日历芯片，具有调时功能，因此需要一个调整控制按键及星期、年、月、日、时分的调整键。由于只有1位LED进行，因此可用单片机的P2口直接驱动。ProteusISIS7软件自带DS1302时钟窗口（在仿真时自动弹出），因此LED专门用来显示星期。（3）系统原理图设计单片机AT89C51瓷片电容CAP30pf晶振CRYSTAL12MHz电阻RES按钮BUTTON电解电容CAP-ELEC时钟芯片DS13027SEG-COM-ANODE（4）程序流程图设计(略)（5）源程序设计（C语言）•#includereg52.h•#defineucharunsignedchar•#defineuintunsignedint•ucharxingqi,nian,yue,ri,xiaoshi,fen,miao;•uchardd=2;•sbitclk=P1^0;•sbitdat=P1^1;•sbitrst=P1^2;•sbitA0=ACC^0;•sbitA1=ACC^1;•sbitA2=ACC^2;•sbitA3=ACC^3;•sbitA4=ACC^4;•sbitA5=ACC^5;•sbitA6=ACC^6;•sbitA7=ACC^7;•sbitp30=P3^0;•sbitp31=P3^1;•sbitp32=P3^2;•sbitp33=P3^3;•sbitp34=P3^4;•sbitp35=P3^5;•sbitp36=P3^6;•sbitp37=P3^7;•bitflag=0;•ucharcodetab[]={0xff,//共阴极数码管任意值•0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,};//1~7•ucharcodetab1[]={0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,•0x08,0x09,0x10,0x11,0x12,0x13,0x14,0x15,•0x16,0x17,0x18,0x19,0x20,0x21,0x22,0x23,•0x24,0x25,0x26,0x27,0x28,0x29,0x30,0x31,•0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39,•0x40,0x41,0x42,0x43,0x44,0x45,0x46,0x47,•0x48,0x49,0x50,0x51,0x52,0x53,0x54,0x55,•0x56,0x57,0x58,0x59,0x60};•//-----------------------------