摘 要 本文主要阐述MCS51单片机软件和硬件设计的基本思路，根据经验，谈一些经常遇到的问题和对策。 关键词 单片机；软件设计；硬件设计；时间片；串口通信 中图分类号TP368.1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）96-0201-04 0引言 单片机在智能仪表，控制设备，机电一体化和自动化控制系统中的应用愈来愈广，很多仪表设备在升级换代的改造中都将单片机作为首选方案。单片机的优越性能使电路设计更加简单，但软件设计的任务相应的比较繁重。 系统设备中51单片机是在目前比较流行的单片机系统。是性能价格比较高的一种单片机系统。其软硬件设计，都比较成熟，是一种容易掌握的单片机系统。在实际开发中比较容易实现要求的控制功能和控制成本。本人在实际设计中摸索了一些经验和方法，对于系统软件和硬件设计有帮助。 对于大多数单片机的编程设计者，最初的经验多来自阅读其他程序员的软件，在此基础上进行自己的程序设计。 笔者设计的通信电源监控器，使用51单片机，采用MAX191进行模数转换，采用RS232方式通信，采用EDM12816液晶显示器进行信息显示，八位键盘。 该控制器的功能为检测电源系统的输出电压，当电压超过或低于设定值，报警，蜂鸣器鸣叫；输出将被使用继电器切断；通过串口送出按协议编码的报警信息，根据接收到的数据调整参数，控制动作。报警电压的上限和下限可以设定和修改。 1硬件系统设计 系统硬件设计采用了51系统的一般模式。 采用89C55内置20K程序存储空间，省去EPROM，同时大大加强系统程序的保密性。 采用窄DIP 封装62256，32K RAM作为系统的数据存储单元，供液晶显示的数据拼装，以及系统相关数据的存储资源。 采用MAX191完成模拟量数字量转换，数据为12位，使用CD4051作为模拟量通道，由译码电路完成通道的切换。 采用EDM12816，16*16点阵8个汉字作为液晶显示器，进行人机交流界面。LED背光源，背光亮度可以调节。 采用MAX813作为看门狗、复位控制电路，电压监视电路，集成度高。 采用DS1302作为时间计时器，为系统提供日期，时间以及31字节数据保存单元，需要使用3.6V电池的数据保存单元。 采用MAX232作为RS232通信的电平转换芯片。MAX232是RS232C收发器，这种收发器由于它的内部有电荷泵电压变换器，可将+5 V电源变换成RS-232所需的±10V电压，因而只需用单一的+5V电源就可实现电压的转换，符合RS-232的技术规范。 采用8255作为输出通道和键盘通道控制器。 2 软件设计 程序设计的步骤和基本方法。软件设计可以采用C51和PLM、汇编，本系统的软件设计采用汇编语言，主要基于时序控制实现简单，可以借鉴的相关资料丰富。 基于控制的考虑，系统采用时间片和循环相结合的方法进行程序控制。 根据时间片序号的不同置位时间片标志，通过时间片标志控制各个程序按照需要执行。这是一种类似高级语言的编程方式，比较有利于对程序的控制。系统可以根据任务的紧急程度，将紧急程度度最高的任务设置为每次循环都执行的工作方式，而将紧急程度低的任务设置为按相应时间片执行的方式。紧急程度的区分，由程序根据相应的位标志进行。在进行编程时，应当对每个由时间片标志控制的程序运行时间进行计算，确定占用的时间片具体数目，进行恰当的安排调度。 程序设计的主要部分： 1）系统初始化部分，包括资源的分配，单元的预定义。定义详细和完整可以对程序的设计起到事半功倍的效果； 2 ）主程序循环基于时间片的跳转。充分使用51单片机丰富的位资源，为与每个时间片相对应的程序确定时间片运行标志位，控制程序运行； 3 ）中断程序的处理，包括定时器0和串口中断。串口中断的优先级高于定时器中断。对定时器中断，和串口中断程序处理进行说明； 4 ）键盘扫描程序，模数转换程序，时间芯片读写程序，端口处理程序，说明键盘扫描，延时处理；模数转换，以及计算处理，DS1302的读写，8255的读写； 5） 相应的数据处理程序，多字节乘法，多字节加减法。多字节加一，多字节减一程序。可以在参考资料上获取，仅需要修改入口和出口参数。在系统中直接调用。 下面分别详细介绍上述程序。 2.1系统初始化部分 首先要把系统使用的外部端口资源确定和分配好。 安排中断向量的跳转，预定义各个寄存器，内存单元，外部存储单元，相应的外部端口具体数值都应确切的设置。为了系统的稳定，系统使用的单元应当赋初始值。使用EQU，ORG，END，BIT，DB，SET等。可以把通用寄存器组的另外三组定义为连续的别名供使用，不用修改PSW中的RS0，RS1。一般仅在中断程序和程序调用中使用，这样可以不用入栈保护的相应的寄存器区，方便使用，节约了堆栈。 方便用户使用和方便记忆，可以采用拼音或英文缩写的方式进行定义。进行复杂的程序设计，作好预定义和赋初值处理会大大降低编程的难度。同时采用浮动方式进行预定义，方便后期修改.编制时应当加入文字说明以利使用和调试阅读。 初始化部分对内存进行刷新，对外部设备如8255进行初始化，在液晶显示屏上显示厂家标志，程序版本号。这里因为使用外部数据存储芯片，设定专门程序对外部数据存储芯片62256进行检测，同时对8255端口赋初值。对系统程序计算和保存数据需要用到的单元，初始化，保证系统数据的可靠性。 在进行初始化时有液晶显示，提示正在进行初始化。对于外部端口的处理应当置于安全的状态。包括继电器的吸合和开关量的设置应不会对人员和设备造成危害。 2.2 对于主程序循环的考虑 主程序循环的方法，通常采用下面的方法： 1）定时器0中断中，修改控制程序执行的时间片位标志。 根据当前Timeover的数值，判断哪些时间片标志应当被置位，进行置位。在退出中断后，在主程序循环中，根据标志位控制相应的程序的执行。如果控制程序执行的位单元置位，程序相应的执行，执行完毕清除控制程序执行的位标志。在全部标志位扫描完毕，转回循环开始，进行下一次循环。 2）采用纯循环方式 无限制的循环。执行完全部的指令，重新回到循环开始，这样反复循环。 3）事件激活方式 循环等待，检测到由外部状态的变化，相应执行某些操作，进行相应的处理。即在程序中循环检测相关标志位的变化。 本文所设计的程序采用时间片的方法，使用上述三种方法的结合。 电源监控器主程序循环具体如下。 2.2.1键盘处理 判断Keytime标志位，如果被置位，在主程序中，执行键扫描，确定有无键按下。如果有键按下，保存键值，修改相应的标志位。进行多次判断，确定有效，修改标志位执行按键执行程序。在确认键值后，转入相应的表处理程序决定执行哪个模块。若无键按下，顺序执行主循环的下一项程序。 2.2.2液晶显示处理 判断Displaytime标志位，如果被置位，在主程序中，显示状态刷新，执行内存中的数据拼装，确定菜单状态，当前显示第几层菜单（需要一字节），光标位置（需要一字节）。某些实时程序，产生的数据，应放在指定单元，直接取用进行内存的更新。 2.2.3模数转换 判断Adtime标志位，如果被置位，在主程序中，开始进行模数转换，调用多字节乘法，转换为要求的数值形式。同某些预设值进行比较，判断是否处于告警状态。 2.2.4时间扫描 判断Gettime标志位，如果被置位，读取DS1302中的时间数据，刷新在内存中的时间单元数据。供显示和数据记录使用。 2.2.5外部端口的扫描 判断8255time标志位，如果被置位，查询8255的B，C口数据，判断外部端口是否发生变化，并做出相应的处理。 2.2.6串口接收到的数据处理 判断Seriestime标志位，如果被置位，当串口接收到完整的一帧数据，修改接收串口接收完成标志，启动接收数据处理程序，修改数据。 2.2.7对于一些重要的，需要每周期都执行的实时程序可以在主程序中集中调用进行处理 2.3系统的中断设定 系统使用两个中断源 第一，定时器0中断，最重要的，用以确定时间片，控制程序运行。 第二，串口中断（串口，使用定时器1作为波特率发生器。） 2.3.1定时器中断功能 定时器0设定每个时间片为5ms，共20（保存在Timeover单元中）个时间片100ms，为一次大循环。每次定时器0中断，Timeover计数值减一，当此值为零时，程序重新赋初值。 根据计数器值，修改相应得标志，是主程序循环执行各个程序段。 1）断Timeover为1，进行键盘扫描.置位Keytime标志位。 2）判断Timeover为4，8，12，16，20，进行模数转换，置位Adtime标志位。由主程序循环进行程序调用。可以根据需要为安排某个程序多次执行。如在一个大循环中，安排模数转换4次以上执行，保证每100ms，有一次或多次有效的模数转换。 3）判断Timeover为6，进行显示刷新，置位Displaytime的位标志。 4）判断Timeover为2，读取DS1302时间，则置为位Gettime的标志位。 5）判断Timeover为3，进行端口数据的读取，8255端口的检测，则置为位8255time的标志位。 2.3.2 串口中断功能 串口通信是单片机系统的重要资源，不仅提高系统的功能，而且方便系统调试。为了保证接收数据的完整和实时，串口通信的接收采用中断方式。并且在内部存储器中开辟缓冲区保留数据。同时为了保障通信的实时、有效和完整，使用超时检测的功能和校验功能。 串口中断处理程序，将接收到的数据放到通讯缓冲区中，设有接收指针，确定已接收位，应接收的长度。在程序中，可以判断通信是否完成，未完成应当继续接收。如完成接收应当转入相应的处理程序。根据通信协议，当判断通信完成接收到全部字节。可以置位标志位，转入相应的校验处理。 通过校验后，修改相应的串口接收成功Serrecok位标志，由主程序循环中的相应程序调用进行处理。如果校验未通过，放弃本次接收的数据，转入相应的超时处理程序，释放占用的资源。也可以进行CRC 校验，用另外一个程序调用来完成循环冗余码校验，本文使用累加和校验方式。为尽量减少串口通信对程序运行的影响，不在中断程序中进行接收数据的相关处理。 在串口中断程序中，在指定区域设置接收缓冲区，使用mov @R0，a方式保存数据。Sertimov为接收超时标志。Checksum为校验和字节，即所接收到的数据的累加和，限定到一字节内。 程序说明： 串口通信（接收使用中断）（中断源设定中串口中断优先）。 判断Sersynok串口同步标志是否被置位，如果置位是正在接收状态。如是，继续判断是否收完。未接收完，接收数据保存在内存单元中，退出中断。 检测接收超Sertimov标志时，未超时退出，否则，恢复全部初始状态，送出错信息。 本系统中，通信需要考虑的寄存器和内存单元问题 1）使用一部分芯片内内存单元作为缓冲区，应有确定的首址，因为系统协议最长为8字节，应当有8字节长度的数据缓冲区，设置在内存38H-3FH单元； 2）设置正在进行通信的标志位，为Sersynok，只有完成接收同步头后才置位； 3）设置已经接收的串口通信数据字节数，保存在R0中； 4）超时计数单元Sercount，应当可以维持1s时间的计数，超过1s可以视为通信超时，有一字节。通信超时时间一般应当是最大接收数据所用时间的2～3倍或更长。本系统中，使用的波特率较低，协议长度为8字节，加上同步头和校验字节，一共10字节，超时计数器，应当可以维持1s时间的计数，超过1s可以视为通信超时。因为系统定时器中断时间设计为5MS，故超时Sercount字节设为200，即1s，也就是Sercount字节和Sertimov标志位（超时标志位）。 串口程序编制的一些考虑： 串口接收程序设计采用接收1个A作为有效同步的开始，建立正在接收标志，其后面是命令和数据，接收一字节，存储在自38H单元开始的8字节数据存储区内。 在全部接收完毕，对于数据进行累加和校验。只有通过累加和校验，才能置位Serrecok成功接收标志。在主程序执行中，执行串口接受数据处理程序，根据相应的散转程序进行解释和修改内存单元的字节和位单元，调用处理程序，完成串口数据处理。 在退出串口中断处理程序之前不要开放串口中断，以避免再次中断。应在出栈所有寄存器之后再开放串口中断，执行中断返回，有深刻的教训。 在定时器中断中，程序根据Sersynok标志判断是否在接收数据状态中，不是，略过。如果处在接收数据状态，则对Sercount超时计数器进行减一操作。当计数值为0时，转入超时处理。正常通信结束后，清除Sersynok正在接收标志，使在定时器中断0中不再进行通信超时计数值的处理。 入栈保护应当配对使用POP和PUSH，否则一定出错。同时没有必要保护的寄存器区不必保护，以免占用过多的存储空间。主程序中应当保留足够的堆栈空间，此外要限制调用的深度，不要超过三层。以避免发生不可预见的堆栈溢出。 2.4键盘扫描程序，模数转换程序，时间芯片读写程序，端口处理程序，显示程序 2.4.1 键盘扫描程序 键盘处理比较简单，一般是进行扫描，获取键值，延时，滤除干扰，等待释放，确认按键有效，最后转入键处理程序。 系统软件设计中，键盘接收处理程序，进行三种判断，检测有键按下，按键释放，按键按下有效次数。 程序中要求对按键进行20次循环以上的有效计数，对应大约10ms，才确认为有效键，不使用简单的延时等待。在检测到有按键按下时，键扫描程序执行完本次循环，不清除时间片标志，直到此次按键被判为有效或放弃之后才清键扫描时间片标志。也就是当系统检测到有键按下时，键扫描程序不再按时间片运行，而按20次主程序循环来进行。当按键有效按下达到20次修改标志，表明KEY_OK，按键被有效检出。此后，只要检出KEY_OFF键释放标志有效，即可转入键盘处理程序。键有效按下，程序进行异或比较，确定按下的键是同一个键，避免干扰。 设有NEW_KEY，OLD_KEY两个单元保存最近的两次按键键值。读取8255的A 端口，根据读取到的数值判断是否有按键按下。如果有键下，读取键值，保存在Newkeys单元中，将原来的键值保存在Oldkeys单元中。在以后的扫描程序中，判断按键是否达到了要求的按键按下次数。如果按键按下达到要求的保持时间，仅判断按键是否释放，检测到键盘释放，修改成功检测到按键标志。对于未达到规定的按键时间的按键放弃处理。 如果有效按键释放，修改标志，使主程序运行键处理程序。系统程序在主程序循环中根据当前处于哪种处理界面中，在键处理程序中可以修改相应的参数，调用相应的处理程序进行处理，修改相应的显示内容，进行按键处理。 2.4.2模数转换模数转换程序程序，A/D转换算法 模数转换的关键是滤除干扰和数值转换。 MAX191数摸转换芯片，是十二位数模转换。该芯片可以使用单电源方式和双电源方式。基准为4096mv。封装为窄24DIP。启动数模转换芯片，等待芯片的忙闲标志。在忙闲标志为低时，读取转换数值。高四位，低八位，可以放在内存单元中读取的转换值用二进制表示，进行计算，即使用多字节乘法，乘相应的系数。结果保存在内存单元，计算完毕转换为BCD码，确定小数点位。 模数转换程序应当使用数字滤波技术，去除干扰数据。本文采用四次取样，滤除最大值，最小值的，另外两个数据平均的方法作为一次有效数据的处理方法。为保证显示数据的不跳动本软件采用16次数据滑动方式，每次取样的有效数据冲消掉16次取样数据中最早的一个. 然后使用平均数据的方式，取得的数据为有效值。也可以根据具体情况使用冒泡法或其他方法。 数值转换采用的方法采用多字节二进制乘法，将获得的取样值乘相对应的系数，获得实际值。一般还要经过BCD码转换。变成可以供进行比较和转换的数值形式。 系统设置电压上下限比较功能，具有上下限输入值BCD码的加减法运算功能，主要进行加、减的运算，进行BCD码比较，判断电压过压或欠压，转为告警状态。 系统有相应的上下限数据设定程序，该值初始设定为某一固定值，每次按键，相应的数据加一或减一。同时该数据被保存在DS1302的存储空间中，在每次初始化后由DS1302读取后送入外部数据存储器中保存，供程序调用。 软件系统设有告警Alarmword字节，其中的每一位都代表一种告警错误。在主程序循环中，有专门程序对该字节进行位判断，驱动告警，相应的从串口送出错误告警码。模数转换修改其中的过、欠压标志。 对于使用数模转换的数据处理应当采用数据平滑，即对数具进行过滤数据超限。也不应进行过多的平均，以免电压变化过于慢，系统不能立即反应电压的变化。 2.4.3时间芯片读写程序 对于DS1302的读写，使用串行方式进行，比较并行端口的读写相对较耗时。并且需要对数据进行相应的格式变换。处理相对复杂。 2.4.4端口处理程序 8255的端口，采用扫描方式，按位进行逻辑处理，根据每个端口的状态进行相应的处理。 8255需要一定时间复位，半秒左右，再初始化。如果未能正确初始化，端口高阻状态，用发光二极管指示，不亮，低电平会被抬高。在8255运行时不要多次对命令寄存器单元设置，有时会出现混乱。8155应当也是这样的。许多外部设备都是这样的。应当注意。 在系统初始化时应当加入适当的延时，确保8255有效复位。 2.4.5显示程序 液晶显示作为一种显示方式，具有比LED显示可以提供更多的信息量和直观。以汉字方式显示信息，方便操作人员的理解和掌握。 本系统显示屏为点阵显示方式。显示的字符所需字模的获取，采用专用软件。液晶字库的取法，采用16X16点阵，字型采用小四号字，可以调整左右偏移。上下偏移，纵向取模，字节倒序。 根据显示屏的说明，对于EDM12816型液晶，每个字的前十六个字节放在第一页面中，后十六个字节放在第二个页面的相应位置。即每个汉字的上下两个部分不在连续存储单元。 液晶显示对于单个字符可以采用，指定页内地址的办法处理。即在外部存储器的指定区域内进行数据拼装。应注意对于EDM12816来说，16字节半个汉字，32字节一个汉字。显示的内容要在内存中进行拼装，通过每一幅显示画面相应的程序进行拼装，在外部数据存储区内指定的区域，将所要显示的字符和画面以字节为单位有序排列，拼装完毕后，调用显示程序将上述内容送到液晶显示屏。进行内存数据拼装时，根据要显示字符的位置，把字符对应的字节数据放到外部存储器相应单元。 显示程序按页面对显示内容进行处理和刷新，即根据当前的显示页面号，确定应当显示的内容，在内存中进行显示数据拼装，之后调用显示刷新程序，将指定的内存区的内容传送到液晶显示器中。这和按键的处理是一样的，即程序的操作应当根据当前的具体页面号，所处在的程序进程，进行相应显示程序处理。 系统所用到的显示字符，预先作成系统小字库，连续存储在程序存储器中。最好以整数存储单元作为存储单元的开始。 3 硬件设计过程中的一些考虑 3.1地址译码使用的考虑 在作地址译码和使用片选时，尽可能使用高字节地址，因为许多外部设备的通道或命令寄存器使用低位作为片选。译码时使用低位，会很难处理，有重叠。使用高位可以有效避免这种尴尬。译码电路最好使用多位控制译码电路的片选。地址译码，尽量选用低位开始的地址线，给高位留有余地。使用138译码器时，尽可能使用高位而不是低位地址线。 3.2电路设计上的考虑 CD4051应当使用双电源，模拟通道对AD转换还是有不同程度的影响。在模数转换之前，应当加入采样保持电路。 max191使用时应当注意其极性，双电源模式，或单电源模式，直接在端口接电压信号，可以正确检测，数值准确。为了提高精度可以使用可调节的外部基准源，确保基准源有较好的温度特性。模数转换的模拟地应尽量短，尽量粗与电源地连接。 液晶屏显示使用74ls245 驱动应注意门的开方向。控制不要仅采用WR，Rd控制，应当与片选译码信号共同作用。液晶屏接口电路，门电路尽可能使用高速门。地址线和读写信号要有确定的时序关系，尽量减少门延迟。 4结论 采用时间片循环的方法，进行51单片机程序设计，为一般小系统的开发提供了方便，使得程序的开发和移植变得相当容易。本文介绍的内容较为浅显，但实用性较强，开发人员可以在此基础上研发出更为复杂的单片机应用系统。 本文的经验也可以在其它单片机系统中使用，其中的键盘，A/D转换，液晶显示，串口通信对于其他单片机也是有参考价值的。 本系统的软件和硬件设计，在实际运行中稳定，达到了设计的要求。 参考文献 [1]周航慈编著.北京航空航天大学出版社.单片机应用程序设计技术. [2]李勋，林广艳，卢景山编著.北京航空航天大学出版社.单片微型计算机. [3]楼然苗，李光飞编著.北京航空航天大学出版社.51系列单片机设计实例. [4]李勋，林广艳，卢景山编著.北京航空航天大学出版社.单片微型计算机.
摘 要 本文主要阐述MCS51单片机软件和硬件设计的基本思路，根据经验，谈一些经常遇到的问题和对策。 关键词 单片机；软件设计；硬件设计；时间片；串口通信 中图分类号TP368.1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）96-0201-04 0引言 单片机在智能仪表，控制设备，机电一体化和自动化控制系统中的应用愈来愈广，很多仪表设备在升级换代的改造中都将单片机作为首选方案。单片机的优越性能使电路设计更加简单，但软件设计的任务相应的比较繁重。 系统设备中51单片机是在目前比较流行的单片机系统。是性能价格比较高的一种单片机系统。其软硬件设计，都比较成熟，是一种容易掌握的单片机系统。在实际开发中比较容易实现要求的控制功能和控制成本。本人在实际设计中摸索了一些经验和方法，对于系统软件和硬件设计有帮助。 对于大多数单片机的编程设计者，最初的经验多来自阅读其他程序员的软件，在此基础上进行自己的程序设计。 笔者设计的通信电源监控器，使用51单片机，采用MAX191进行模数转换，采用RS232方式通信，采用EDM12816液晶显示器进行信息显示，八位键盘。 该控制器的功能为检测电源系统的输出电压，当电压超过或低于设定值，报警，蜂鸣器鸣叫；输出将被使用继电器切断；通过串口送出按协议编码的报警信息，根据接收到的数据调整参数，控制动作。报警电压的上限和下限可以设定和修改。 1硬件系统设计 系统硬件设计采用了51系统的一般模式。 采用89C55内置20K程序存储空间，省去EPROM，同时大大加强系统程序的保密性。 采用窄DIP 封装62256，32K RAM作为系统的数据存储单元，供液晶显示的数据拼装，以及系统相关数据的存储资源。 采用MAX191完成模拟量数字量转换，数据为12位，使用CD4051作为模拟量通道，由译码电路完成通道的切换。 采用EDM12816，16*16点阵8个汉字作为液晶显示器，进行人机交流界面。LED背光源，背光亮度可以调节。 采用MAX813作为看门狗、复位控制电路，电压监视电路，集成度高。 采用DS1302作为时间计时器，为系统提供日期，时间以及31字节数据保存单元，需要使用3.6V电池的数据保存单元。 采用MAX232作为RS232通信的电平转换芯片。MAX232是RS232C收发器，这种收发器由于它的内部有电荷泵电压变换器，可将+5 V电源变换成RS-232所需的±10V电压，因而只需用单一的+5V电源就可实现电压的转换，符合RS-232的技术规范。 采用8255作为输出通道和键盘通道控制器。 2 软件设计 程序设计的步骤和基本方法。软件设计可以采用C51和PLM、汇编，本系统的软件设计采用汇编语言，主要基于时序控制实现简单，可以借鉴的相关资料丰富。 基于控制的考虑，系统采用时间片和循环相结合的方法进行程序控制。 根据时间片序号的不同置位时间片标志，通过时间片标志控制各个程序按照需要执行。这是一种类似高级语言的编程方式，比较有利于对程序的控制。系统可以根据任务的紧急程度，将紧急程度度最高的任务设置为每次循环都执行的工作方式，而将紧急程度低的任务设置为按相应时间片执行的方式。紧急程度的区分，由程序根据相应的位标志进行。在进行编程时，应当对每个由时间片标志控制的程序运行时间进行计算，确定占用的时间片具体数目，进行恰当的安排调度。 程序设计的主要部分： 1）系统初始化部分，包括资源的分配，单元的预定义。定义详细和完整可以对程序的设计起到事半功倍的效果； 2 ）主程序循环基于时间片的跳转。充分使用51单片机丰富的位资源，为与每个时间片相对应的程序确定时间片运行标志位，控制程序运行； 3 ）中断程序的处理，包括定时器0和串口中断。串口中断的优先级高于定时器中断。对定时器中断，和串口中断程序处理进行说明； 4 ）键盘扫描程序，模数转换程序，时间芯片读写程序，端口处理程序，说明键盘扫描，延时处理；模数转换，以及计算处理，DS1302的读写，8255的读写； 5） 相应的数据处理程序，多字节乘法，多字节加减法。多字节加一，多字节减一程序。可以在参考资料上获取，仅需要修改入口和出口参数。在系统中直接调用。 下面分别详细介绍上述程序。 2.1系统初始化部分 首先要把系统使用的外部端口资源确定和分配好。 安排中断向量的跳转，预定义各个寄存器，内存单元，外部存储单元，相应的外部端口具体数值都应确切的设置。为了系统的稳定，系统使用的单元应当赋初始值。使用EQU，ORG，END，BIT，DB，SET等。可以把通用寄存器组的另外三组定义为连续的别名供使用，不用修改PSW中的RS0，RS1。一般仅在中断程序和程序调用中使用，这样可以不用入栈保护的相应的寄存器区，方便使用，节约了堆栈。 方便用户使用和方便记忆，可以采用拼音或英文缩写的方式进行定义。进行复杂的程序设计，作好预定义和赋初值处理会大大降低编程的难度。同时采用浮动方式进行预定义，方便后期修改.编制时应当加入文字说明以利使用和调试阅读。 初始化部分对内存进行刷新，对外部设备如8255进行初始化，在液晶显示屏上显示厂家标志，程序版本号。这里因为使用外部数据存储芯片，设定专门程序对外部数据存储芯片62256进行检测，同时对8255端口赋初值。对系统程序计算和保存数据需要用到的单元，初始化，保证系统数据的可靠性。 在进行初始化时有液晶显示，提示正在进行初始化。对于外部端口的处理应当置于安全的状态。包括继电器的吸合和开关量的设置应不会对人员和设备造成危害。 2.2 对于主程序循环的考虑 主程序循环的方法，通常采用下面的方法： 1）定时器0中断中，修改控制程序执行的时间片位标志。 根据当前Timeover的数值，判断哪些时间片标志应当被置位，进行置位。在退出中断后，在主程序循环中，根据标志位控制相应的程序的执行。如果控制程序执行的位单元置位，程序相应的执行，执行完毕清除控制程序执行的位标志。在全部标志位扫描完毕，转回循环开始，进行下一次循环。 2）采用纯循环方式 无限制的循环。执行完全部的指令，重新回到循环开始，这样反复循环。 3）事件激活方式 循环等待，检测到由外部状态的变化，相应执行某些操作，进行相应的处理。即在程序中循环检测相关标志位的变化。 本文所设计的程序采用时间片的方法，使用上述三种方法的结合。 电源监控器主程序循环具体如下。 2.2.1键盘处理 判断Keytime标志位，如果被置位，在主程序中，执行键扫描，确定有无键按下。如果有键按下，保存键值，修改相应的标志位。进行多次判断，确定有效，修改标志位执行按键执行程序。在确认键值后，转入相应的表处理程序决定执行哪个模块。若无键按下，顺序执行主循环的下一项程序。 2.2.2液晶显示处理 判断Displaytime标志位，如果被置位，在主程序中，显示状态刷新，执行内存中的数据拼装，确定菜单状态，当前显示第几层菜单（需要一字节），光标位置（需要一字节）。某些实时程序，产生的数据，应放在指定单元，直接取用进行内存的更新。 2.2.3模数转换 判断Adtime标志位，如果被置位，在主程序中，开始进行模数转换，调用多字节乘法，转换为要求的数值形式。同某些预设值进行比较，判断是否处于告警状态。 2.2.4时间扫描 判断Gettime标志位，如果被置位，读取DS1302中的时间数据，刷新在内存中的时间单元数据。供显示和数据记录使用。 2.2.5外部端口的扫描 判断8255time标志位，如果被置位，查询8255的B，C口数据，判断外部端口是否发生变化，并做出相应的处理。 2.2.6串口接收到的数据处理 判断Seriestime标志位，如果被置位，当串口接收到完整的一帧数据，修改接收串口接收完成标志，启动接收数据处理程序，修改数据。 2.2.7对于一些重要的，需要每周期都执行的实时程序可以在主程序中集中调用进行处理 2.3系统的中断设定 系统使用两个中断源 第一，定时器0中断，最重要的，用以确定时间片，控制程序运行。 第二，串口中断（串口，使用定时器1作为波特率发生器。） 2.3.1定时器中断功能 定时器0设定每个时间片为5ms，共20（保存在Timeover单元中）个时间片100ms，为一次大循环。每次定时器0中断，Timeover计数值减一，当此值为零时，程序重新赋初值。 根据计数器值，修改相应得标志，是主程序循环执行各个程序段。 1）断Timeover为1，进行键盘扫描.置位Keytime标志位。 2）判断Timeover为4，8，12，16，20，进行模数转换，置位Adtime标志位。由主程序循环进行程序调用。可以根据需要为安排某个程序多次执行。如在一个大循环中，安排模数转换4次以上执行，保证每100ms，有一次或多次有效的模数转换。 3）判断Timeover为6，进行显示刷新，置位Displaytime的位标志。 4）判断Timeover为2，读取DS1302时间，则置为位Gettime的标志位。 5）判断Timeover为3，进行端口数据的读取，8255端口的检测，则置为位8255time的标志位。 2.3.2 串口中断功能 串口通信是单片机系统的重要资源，不仅提高系统的功能，而且方便系统调试。为了保证接收数据的完整和实时，串口通信的接收采用中断方式。并且在内部存储器中开辟缓冲区保留数据。同时为了保障通信的实时、有效和完整，使用超时检测的功能和校验功能。 串口中断处理程序，将接收到的数据放到通讯缓冲区中，设有接收指针，确定已接收位，应接收的长度。在程序中，可以判断通信是否完成，未完成应当继续接收。如完成接收应当转入相应的处理程序。根据通信协议，当判断通信完成接收到全部字节。可以置位标志位，转入相应的校验处理。 通过校验后，修改相应的串口接收成功Serrecok位标志，由主程序循环中的相应程序调用进行处理。如果校验未通过，放弃本次接收的数据，转入相应的超时处理程序，释放占用的资源。也可以进行CRC 校验，用另外一个程序调用来完成循环冗余码校验，本文使用累加和校验方式。为尽量减少串口通信对程序运行的影响，不在中断程序中进行接收数据的相关处理。 在串口中断程序中，在指定区域设置接收缓冲区，使用mov @R0，a方式保存数据。Sertimov为接收超时标志。Checksum为校验和字节，即所接收到的数据的累加和，限定到一字节内。 程序说明： 串口通信（接收使用中断）（中断源设定中串口中断优先）。 判断Sersynok串口同步标志是否被置位，如果置位是正在接收状态。如是，继续判断是否收完。未接收完，接收数据保存在内存单元中，退出中断。 检测接收超Sertimov标志时，未超时退出，否则，恢复全部初始状态，送出错信息。 本系统中，通信需要考虑的寄存器和内存单元问题 1）使用一部分芯片内内存单元作为缓冲区，应有确定的首址，因为系统协议最长为8字节，应当有8字节长度的数据缓冲区，设置在内存38H-3FH单元； 2）设置正在进行通信的标志位，为Sersynok，只有完成接收同步头后才置位； 3）设置已经接收的串口通信数据字节数，保存在R0中； 4）超时计数单元Sercount，应当可以维持1s时间的计数，超过1s可以视为通信超时，有一字节。通信超时时间一般应当是最大接收数据所用时间的2～3倍或更长。本系统中，使用的波特率较低，协议长度为8字节，加上同步头和校验字节，一共10字节，超时计数器，应当可以维持1s时间的计数，超过1s可以视为通信超时。因为系统定时器中断时间设计为5MS，故超时Sercount字节设为200，即1s，也就是Sercount字节和Sertimov标志位（超时标志位）。 串口程序编制的一些考虑： 串口接收程序设计采用接收1个A作为有效同步的开始，建立正在接收标志，其后面是命令和数据，接收一字节，存储在自38H单元开始的8字节数据存储区内。 在全部接收完毕，对于数据进行累加和校验。只有通过累加和校验，才能置位Serrecok成功接收标志。在主程序执行中，执行串口接受数据处理程序，根据相应的散转程序进行解释和修改内存单元的字节和位单元，调用处理程序，完成串口数据处理。 在退出串口中断处理程序之前不要开放串口中断，以避免再次中断。应在出栈所有寄存器之后再开放串口中断，执行中断返回，有深刻的教训。 在定时器中断中，程序根据Sersynok标志判断是否在接收数据状态中，不是，略过。如果处在接收数据状态，则对Sercount超时计数器进行减一操作。当计数值为0时，转入超时处理。正常通信结束后，清除Sersynok正在接收标志，使在定时器中断0中不再进行通信超时计数值的处理。 入栈保护应当配对使用POP和PUSH，否则一定出错。同时没有必要保护的寄存器区不必保护，以免占用过多的存储空间。主程序中应当保留足够的堆栈空间，此外要限制调用的深度，不要超过三层。以避免发生不可预见的堆栈溢出。 2.4键盘扫描程序，模数转换程序，时间芯片读写程序，端口处理程序，显示程序 2.4.1 键盘扫描程序 键盘处理比较简单，一般是进行扫描，获取键值，延时，滤除干扰，等待释放，确认按键有效，最后转入键处理程序。 系统软件设计中，键盘接收处理程序，进行三种判断，检测有键按下，按键释放，按键按下有效次数。 程序中要求对按键进行20次循环以上的有效计数，对应大约10ms，才确认为有效键，不使用简单的延时等待。在检测到有按键按下时，键扫描程序执行完本次循环，不清除时间片标志，直到此次按键被判为有效或放弃之后才清键扫描时间片标志。也就是当系统检测到有键按下时，键扫描程序不再按时间片运行，而按20次主程序循环来进行。当按键有效按下达到20次修改标志，表明KEY_OK，按键被有效检出。此后，只要检出KEY_OFF键释放标志有效，即可转入键盘处理程序。键有效按下，程序进行异或比较，确定按下的键是同一个键，避免干扰。 设有NEW_KEY，OLD_KEY两个单元保存最近的两次按键键值。读取8255的A 端口，根据读取到的数值判断是否有按键按下。如果有键下，读取键值，保存在Newkeys单元中，将原来的键值保存在Oldkeys单元中。在以后的扫描程序中，判断按键是否达到了要求的按键按下次数。如果按键按下达到要求的保持时间，仅判断按键是否释放，检测到键盘释放，修改成功检测到按键标志。对于未达到规定的按键时间的按键放弃处理。 如果有效按键释放，修改标志，使主程序运行键处理程序。系统程序在主程序循环中根据当前处于哪种处理界面中，在键处理程序中可以修改相应的参数，调用相应的处理程序进行处理，修改相应的显示内容，进行按键处理。 2.4.2模数转换模数转换程序程序，A/D转换算法 模数转换的关键是滤除干扰和数值转换。 MAX191数摸转换芯片，是十二位数模转换。该芯片可以使用单电源方式和双电源方式。基准为4096mv。封装为窄24DIP。启动数模转换芯片，等待芯片的忙闲标志。在忙闲标志为低时，读取转换数值。高四位，低八位，可以放在内存单元中读取的转换值用二进制表示，进行计算，即使用多字节乘法，乘相应的系数。结果保存在内存单元，计算完毕转换为BCD码，确定小数点位。 模数转换程序应当使用数字滤波技术，去除干扰数据。本文采用四次取样，滤除最大值，最小值的，另外两个数据平均的方法作为一次有效数据的处理方法。为保证显示数据的不跳动本软件采用16次数据滑动方式，每次取样的有效数据冲消掉16次取样数据中最早的一个. 然后使用平均数据的方式，取得的数据为有效值。也可以根据具体情况使用冒泡法或其他方法。 数值转换采用的方法采用多字节二进制乘法，将获得的取样值乘相对应的系数，获得实际值。一般还要经过BCD码转换。变成可以供进行比较和转换的数值形式。 系统设置电压上下限比较功能，具有上下限输入值BCD码的加减法运算功能，主要进行加、减的运算，进行BCD码比较，判断电压过压或欠压，转为告警状态。 系统有相应的上下限数据设定程序，该值初始设定为某一固定值，每次按键，相应的数据加一或减一。同时该数据被保存在DS1302的存储空间中，在每次初始化后由DS1302读取后送入外部数据存储器中保存，供程序调用。 软件系统设有告警Alarmword字节，其中的每一位都代表一种告警错误。在主程序循环中，有专门程序对该字节进行位判断，驱动告警，相应的从串口送出错误告警码。模数转换修改其中的过、欠压标志。 对于使用数模转换的数据处理应当采用数据平滑，即对数具进行过滤数据超限。也不应进行过多的平均，以免电压变化过于慢，系统不能立即反应电压的变化。 2.4.3时间芯片读写程序 对于DS1302的读写，使用串行方式进行，比较并行端口的读写相对较耗时。并且需要对数据进行相应的格式变换。处理相对复杂。 2.4.4端口处理程序 8255的端口，采用扫描方式，按位进行逻辑处理，根据每个端口的状态进行相应的处理。 8255需要一定时间复位，半秒左右，再初始化。如果未能正确初始化，端口高阻状态，用发光二极管指示，不亮，低电平会被抬高。在8255运行时不要多次对命令寄存器单元设置，有时会出现混乱。8155应当也是这样的。许多外部设备都是这样的。应当注意。 在系统初始化时应当加入适当的延时，确保8255有效复位。 2.4.5显示程序 液晶显示作为一种显示方式，具有比LED显示可以提供更多的信息量和直观。以汉字方式显示信息，方便操作人员的理解和掌握。 本系统显示屏为点阵显示方式。显示的字符所需字模的获取，采用专用软件。液晶字库的取法，采用16X16点阵，字型采用小四号字，可以调整左右偏移。上下偏移，纵向取模，字节倒序。 根据显示屏的说明，对于EDM12816型液晶，每个字的前十六个字节放在第一页面中，后十六个字节放在第二个页面的相应位置。即每个汉字的上下两个部分不在连续存储单元。 液晶显示对于单个字符可以采用，指定页内地址的办法处理。即在外部存储器的指定区域内进行数据拼装。应注意对于EDM12816来说，16字节半个汉字，32字节一个汉字。显示的内容要在内存中进行拼装，通过每一幅显示画面相应的程序进行拼装，在外部数据存储区内指定的区域，将所要显示的字符和画面以字节为单位有序排列，拼装完毕后，调用显示程序将上述内容送到液晶显示屏。进行内存数据拼装时，根据要显示字符的位置，把字符对应的字节数据放到外部存储器相应单元。 显示程序按页面对显示内容进行处理和刷新，即根据当前的显示页面号，确定应当显示的内容，在内存中进行显示数据拼装，之后调用显示刷新程序，将指定的内存区的内容传送到液晶显示器中。这和按键的处理是一样的，即程序的操作应当根据当前的具体页面号，所处在的程序进程，进行相应显示程序处理。 系统所用到的显示字符，预先作成系统小字库，连续存储在程序存储器中。最好以整数存储单元作为存储单元的开始。 3 硬件设计过程中的一些考虑 3.1地址译码使用的考虑 在作地址译码和使用片选时，尽可能使用高字节地址，因为许多外部设备的通道或命令寄存器使用低位作为片选。译码时使用低位，会很难处理，有重叠。使用高位可以有效避免这种尴尬。译码电路最好使用多位控制译码电路的片选。地址译码，尽量选用低位开始的地址线，给高位留有余地。使用138译码器时，尽可能使用高位而不是低位地址线。 3.2电路设计上的考虑 CD4051应当使用双电源，模拟通道对AD转换还是有不同程度的影响。在模数转换之前，应当加入采样保持电路。 max191使用时应当注意其极性，双电源模式，或单电源模式，直接在端口接电压信号，可以正确检测，数值准确。为了提高精度可以使用可调节的外部基准源，确保基准源有较好的温度特性。模数转换的模拟地应尽量短，尽量粗与电源地连接。 液晶屏显示使用74ls245 驱动应注意门的开方向。控制不要仅采用WR，Rd控制，应当与片选译码信号共同作用。液晶屏接口电路，门电路尽可能使用高速门。地址线和读写信号要有确定的时序关系，尽量减少门延迟。 4结论 采用时间片循环的方法，进行51单片机程序设计，为一般小系统的开发提供了方便，使得程序的开发和移植变得相当容易。本文介绍的内容较为浅显，但实用性较强，开发人员可以在此基础上研发出更为复杂的单片机应用系统。 本文的经验也可以在其它单片机系统中使用，其中的键盘，A/D转换，液晶显示，串口通信对于其他单片机也是有参考价值的。 本系统的软件和硬件设计，在实际运行中稳定，达到了设计的要求。 参考文献 [1]周航慈编著.北京航空航天大学出版社.单片机应用程序设计技术. [2]李勋，林广艳，卢景山编著.北京航空航天大学出版社.单片微型计算机. [3]楼然苗，李光飞编著.北京航空航天大学出版社.51系列单片机设计实例. [4]李勋，林广艳，卢景山编著.北京航空航天大学出版社.单片微型计算机.