本章分为两节，主要介绍：

9.2 提高系统可靠性的一般方法9.1 单片机应用系统设计过程

9.4 智能二线制温度变送器设计实例9.3 数据采集系统设计

9.1 单片机应用系统设计过程

一、可靠性要高 应用系统在满足使用功能的前提下，应具有较高的可靠性。这是因为单片机系统完成的任务是系统前端信号的采集和控制输出，一旦系统出现故障，必将造成整个生产过程的混乱和失控，从而产生严重的后果。因此，对可靠性的考虑应贯穿于单片机应用系统设计的整个过程。

9.1.1 系统设计的基本要求

在设计时对系统的应用环境要进行细致地了解，认真分析可能出现的各种影响系统可靠性的因素，采取切实可行的措施排除故障隐患。 在总体设计时应考虑系统的故障自动检测和处理功能。在系统正常运行时，定时地进行各个功能模块的自诊断，并对外界的异常情况做出快速处理。对于无法解决的问题，应及时切换到后备装置或报警。

三、性能价格比要高 为了使系统具有良好的市场竞争力，在提高系统功能指标的同时，还要优化系统设计，采用硬件软化技术提高系统的性能价格比。

二、使用和维修要方便 在总体设计时应考虑系统的使用和维修要方便，尽量降低对操作人员的计算机专业知识的要求，以便于系统的广泛使用。 系统的控制开关不能太多，不能太复杂，操作顺序应简单明了，参数的输入 / 输出应采用十进制，功能符号要简明直观。

一、确定任务•单片机应用系统可以分为智能仪器仪表和工业测控系统两大类。无论哪一类，都必须以市场需求为前提。所以，在系统设计前，首先要进行广泛的市场调查，了解该系统的市场应用概况，分析系统当前存在的问题，研究系统的市场前景，确定系统开发设计的目的和目标。简单地说，就是通过调研克服旧缺点、开发新功能。•在确定了大的方向的基础上，就应该对系统的具体实现进行规划。包括应该采集的信号的种类、数量、范围，输出信号的匹配和转换，控制算法的选择，技术指标的确定等。

9.1.2 系统设计的步骤

二、方案设计（ 1）单片机机型和器件的选择

性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置；性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比；结构原理要熟悉，以缩短开发周期；货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。

（ 2）硬件与软件的功能划分 系统的硬件和软件要作统一的规划。因为一种功能往往是既可以由硬件实现，又可以由软件实现。 用硬件实现速度比较快，可以节省 CPU 的时间，但系统的硬件接线复杂、系统成本较高。用软件实现则较为经济，但要更多地占用CPU 的时间。所以，在 CPU 时间不紧张的情况下，应尽量采用软件。如果系统回路多、实时性要求强，则要考虑用硬件完成。

三、硬件设计 硬件的设计是根据总体设计要求，在选择完单片机机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元件，并设计出系统的电路原理图，经过必要的实验后完成工艺结构设计、电路板制作和样机的组装。主要硬件设计包括：

（ 1）单片机电路设计 （ 2）扩展电路设计 （ 3）输入 / 输出通道设计（ 4）控制面板设计

四、软件设计

•单片机应用系统的设计中，软件设计占有重要的位置。单片机应用系统的软件通常应包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机联系程序、数据管理程序。•软件设计通常采用模块化程序设计、自顶向下的程序设计方法。。

总体论证

●任务分析●确定功能、性能要求●制定总体方案

总体设计

●系统功能分配●确定软硬件功能关系●拟定调试方案

硬件设计

●绘制硬件原理图●绘制印制板图●配置元器件●硬件功能分调

软件设计

●确定算法与数据结构●程序模块划分●绘制程序流程图●程序编写与仿真调试

样机联调

●在样机中运行软件●软硬件修改与完善●反复调试以达设计要求

考机定型

●现场运行样机●组装定型、软件固化●编写技术报告及说明书

设计开发过程 ：

9.2 提高系统可靠性的一般方法 9.2.1 电源干扰及其抑制

一、交流电源干扰及其抑制

t 220V～

V

电源滤波器 220V～

电源滤波器

交流稳压器

直流稳压器

220V～ U

1: 1 隔离变压器 电源变压器

+

-

交流电源综合配置 ：

二、直流电源抗干扰措施（ 1）采用高质量集成稳压路单独供电 采用低纹波高质量集成稳压电路。每个稳压电路单独对电压过载进行保护，因此不会因某个电路出现故障而使整个系统遭到破坏。使供电系统的可靠性大大提高。

（ 2）采用直流开关电源 直流开关电源是一种脉宽调制型电源。它甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高、电网电压范围宽、变化时不易输出过电压和欠电压，同时还具有较好的初、次级隔离作用。（ 3）采用 DC－ DC 变换器 DC－ DC 变换器的特点是，输入电压范围大、输出电压稳定且可调整、效率高、体积小、有多种封装形式。

9.2.2 地线干扰及其抑制

一、一点接地和多点接地的应用 在低频电路中，布线和元件间的寄生电感影响不大，因而常采用一点接地，以减少地线造成的地环路。在高频电路中，布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的耦合，影响比较突出，此时应采用多点接地。

通常，频率小于 1MHz 时，采用一点接地；频率高于 10MHz 时，采用多点接地；频率处于 1至10MHz 时，若采用一点接地，其地线长度不应超过波长的二十分之一。否则，应采用多点接地。

二、数字地与模拟地的连接原则

数字地是指 TTL 或 CMOS芯片、 I/O接口电路芯片、 CPU芯片等数字逻辑电路的接地端，以及A/D 、 D/A转换器的数字地。模拟地是指放大器、采样保持器和 A/D 、 D/A中模拟信号的接地端。在单片机系统中，数字地和模拟地应分别接地。即使是一个芯片上有两种地也要分别接地，然后在一点处把两种地连接起来，否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。

三、印刷电路板的地线分布原则

（ 1） TTL 、 CMOS 器件的接地线要呈辐射网状，避免环形；（ 2）板上地线的宽度要根据通过的电流大小而定，最好不小于 3mm 。在可能的情况下，地线尽量加宽；（ 3）旁路电容的地线不要太长；（ 4）功率地通过电流信号较大，地线应较宽，必须与小信号地分开。

四、信号电缆屏蔽层的接地

•信号电缆可以采用双绞线和多芯线，又有屏蔽和无屏蔽两种情况。双绞线具有抑制电磁干扰的作用，屏蔽线具有抑制静电感应干扰的作用。•对于屏蔽线，屏蔽层最佳的接地点是在信号源侧（一点接地）。

一、使用微处理器监控电路

芯片具有如下功能：•上电复位；•监控电压变化；•Watchdog 功能；•片使能；•备份电池切换开关等。 典型产品如美国MAXIM公司推出的， MAX703～MAX709/813L ， MAX791等 。

9.2.3 其它提高系统可靠性的方法

二、软件抗干扰措施 （ 1）输入 / 输出抗干扰• 对于开关量的输入，在软件上可以采取多次（至少两次）读入的方法，几次读入经比较无误后，再行确认。开关量输出时，可以对输出量进行回读，经比较确认无误后再输出。对于按钮及开关，要用软件延时的办法避免机械抖动造成的误读。•在条件控制中，对于条件控制的一次采样、处理、控制输出，应改为循环地采样、处理、控制输出。避免偶然性的干扰造成的误输出。•对于可能酿成重大事故的输出，要注意设置人工干预措施。

（ 2）避免系统“死机”的方法

除了采用硬件 Watchdog 外，还可以设立软件陷阱防止系统失控。办法是在未用到的中断矢量区及其它未使用的 EPROM区设置如下指令： …

NOP

NOP

LJMP 0000H

9.3 数据采集系统设计9.3.1 模拟输入通道的组成

模拟输入通道的一般构成 ：

+

-+

-

放大器 采样保持器

A/ D转换器

多路开关传感器

9.3.2 设计示例一、设计要求 被测温度范围是 0～ 500℃，被测点为 4 个。要求

测量的温度分辨率为 0.5℃，每 2秒测量一次。

二、器件选择 传感器选用镍铬 -镍硅热电偶，分度号为 K（旧分度

号为 EU-2）。当温度为 500℃时热电动势为 20.64 mV 。 满量程为 500℃，对于 0.5℃的分辨要求， A/D转换

器要具有 0.5/500＝ 1/1000 的分辨能力。选用 5G14433 。 采用放大器将热电偶输出的 20.64 mV 的信号放大。 采用差动多路转换器 CD4052 以提高放大器的抑制共

模干扰的能力。

三、硬件电路

EOC

MC14

433

P1. 0

80C51

P1. 7

1C01

DU

Q0

I NT1

Q3DS1

DS1

C02

VEE

VSS

VDD

-5V

+5V

MC1403VR

VAG

VXCLK0CLK1

VX

R1/ C1C1 R1

0. 047μ F

0. 02μ F

0. 1μ F

0. 1μ F 470KΩ

300KΩ

1KΩ CD40

52

数据放大器

74LS273

1≥WR

P2. 7

I NH

A B

Y

X

P0. 0P0. 1

X0

Y0

X3

Y3

四、软件流程

开始

分配数据存储地址

设置采样通道数

设置采样次数

开中断

显示程序

保护现场

1通道号加

数据采集

送采集通道号

恢复现场

中断服务程序

中断返回

主程序

9.4 智能二线制温度变送器设计实例 9.4.1 智能温度变送器简介 结构框图 ：

信号采集

信号处理

数据运算

V/ I变换

电源管理

RL(250Ω）

3. 0V

+ 17 28 V（ ～ ）

- (4 20 mA～ ）

R信号

9.4.2 硬件设计 一、电源管理模块

二、信号处理模块

三、数据运算模块

四、 V/I 变换模块

五、系统功耗

电源管理部分，主要器件 MAX1615 的静态电流为 80μA 、 MAX619 的静态电流为 100μA；信号处理部分主要器件 X9c104 和 X9c504 的静态电流各为 500μA 、 TLC27L2 的静态电流为 120μA；数据运算部分主要器件 C8051F007 的静态电流近似为 1mA； V/I转换部分主要器件 TLE2021 的静态电流为 230μA 、 ICL7660 的静态电流近似为 200μA；其他部分散件的静态电流大约为 500μA 。总体静态电流 IA 为 3.73mA ，小于 4mA 。

AD_Change（）{

AXM0CF=0x00； ADCS2=1； ADCS1=0； ADCS0=0； //A/D转换时钟周期为 16 个系统时钟周期 AMPGN2=0； AMPGN1=1； AMPGN0=0； //增益为 4

ADM0SL=0x00； //选择 A/D通道 0

ADCEN=1； for（ i=0； i<=100； i++）； //启动 A/D转换 ADCBUSY=1； while（ ADCBUSY==1）； //等待转换结束 ad_result1=（ ADC0H&0x03） *256+ADC0L； //读转换结果 ADBUSY=0； //清 A/D转换标志 }

9.4.3 软件设计一、 A/D转换

二、线性化处理 对非线性的补偿，采用查表法和计算法结合的插值法。

先建立被测温度与 A/D转换数值之间的对应曲线。

T

N

Tk

Nk

Ti

Ni

Tk+1

Nk+1

Bk

Bk+1

将温度被分成 30 个均匀的区间，每个区间的端点A/D转换值 N k 都对应一个 T k 。当 A/D转换值为N i 时，实际测量温度值 Ti 一定会落在某个区间（ T k ， T k+1），采用线性插值法进行插值，用通过（ N k ， T k）和（ N k+1 ， Tk+1）两点的直线近似代替原特性。

k1k

kik1kki NN

)N(N)T(TTT

unsigned long Count_Tem（ unsigned int ad_counter） { unsigned long js1 ， js2； unsigned char js=0； while（ 1） {

js1=counter[js]； js2=counter[js+1]； if（ ad_counter>=js1 && ad_counter<=js2） //判断 Ni 是否在（ N k ， N k+1）内 {

temp1=tempture[js]； temp2=tempture[js+1]； temp=temp1+（ ad_counter-js1） *500/（ js2-js1）； //代入公式计算结果 return temp； //返回温度值 }

js=js+1； if（ js>61） {break； }

}

}

思考题及习题1 、单片机应用系统的设计有那些要求？2 、单片机应用系统的设计有那些步骤？3 、提高单片机应用系统的可靠性有那些措施？4 、数据采集系统的模拟通道有那些环节，各环节的功能是什么？5 、什么情况下可以不用采样保持器？6 、模拟信号的放大应注意哪些问题？7 、多路模拟开关的选择要注意什么？8 、与 80C51兼容的单片机主流产品有哪些？各有何特点？9 、单片机汇编语言与 C51语言在单片机应用系统的开发上有何特点？