單片機(jī)開發(fā)過程中的硬件調(diào)試技巧

在單片機(jī)開發(fā)過程中，從硬件設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)幾乎是開發(fā)者針對本系統(tǒng)特點(diǎn)親自完成的。這樣雖然可以降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，但是每個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試占去了總開發(fā)時(shí)間的2/3，可見調(diào)試的工作量比較大。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開的，許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試以進(jìn)一步排除故障。可見硬件的調(diào)試是基礎(chǔ)，如果硬件調(diào)試不通過，軟件設(shè)計(jì)則是無從做起。本文結(jié)合作者在單片機(jī)開發(fā)過程中體會，討論硬件調(diào)試的技巧。

當(dāng)硬件設(shè)計(jì)從布線到焊接安裝完成之后，就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段，調(diào)試大體分為以下幾步。

1、硬件靜態(tài)的調(diào)試

（1）、排除邏輯故障

這類故障往往由于設(shè)計(jì)和加工制板過程中工藝性錯(cuò)誤所造成的。主要包括錯(cuò)線、開路、短路。排除的方法是首先將加工的印制板認(rèn)真對照原理圖，看兩者是否一致。應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源短路和極性錯(cuò)誤，并重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線(地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線)是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。必要時(shí)利用數(shù)字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯(cuò)時(shí)間。

（2）、排除元器件失效

造成這類錯(cuò)誤的原因有兩個(gè)：一個(gè)是元器件買來時(shí)就已壞了；另一個(gè)是由于安裝錯(cuò)誤，造成器件燒壞。可以采取檢查元器件與設(shè)計(jì)要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯(cuò)誤。

（3）、排除電源故障

在通電前，一定要檢查電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位，一般先檢查VCC與GND之間電位，若在5V～4.8V之間屬正常。若有高壓，聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試時(shí)，將會損壞仿真器等，有時(shí)會使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。

2、聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試

聯(lián)機(jī)仿真必須借助仿真開發(fā)裝置、示波器、萬用表等工具。這些工具是單片機(jī)開發(fā)的最基本工具。

信號線是聯(lián)絡(luò)8031和外部器件的紐帶，如果信號線連結(jié)錯(cuò)誤或時(shí)序不對，那么都會造成對外圍電路讀寫錯(cuò)誤。51系列單片機(jī)的信號線大體分為讀、寫信號線、片選信號線、時(shí)鐘信號線、外部程序存貯器讀選通信號(PSEN)、地址鎖存信號(ALE)、復(fù)位信號等幾大類。    

這些信號大多屬于脈沖信號，對于脈沖信號借助示波器(這里指通用示波器)用常規(guī)方法很難觀測到，必須采取一定措施才能觀測到。應(yīng)該利用軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)。例如對片選信號，運(yùn)行下面的小程序就可以檢測出譯碼片選信號是否正常。

執(zhí)行程序后，就可以利用示波器觀察芯片的片選信號引出腳(用示波器掃描時(shí)間為1μs/每格檔)，這時(shí)應(yīng)看到周期為數(shù)微秒的負(fù)脈沖波形，若看不到則說明譯碼信號有錯(cuò)誤。

對于電平類信號，觀測起來就比較容易。例如對復(fù)位信號觀測就可以直接利用示波器，當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，可以看到8031的復(fù)位引腳將變?yōu)楦唠娖剑灰坏┧砷_，電平將變低。

總而言之，對于脈沖觸發(fā)類的信號我們要用軟件來配合，并要把程序編為死循環(huán)，再利用示波器觀察;對于電平類觸發(fā)信號，可以直接用示波器觀察。

下面結(jié)合在自動(dòng)配料控制系統(tǒng)中鍵盤、顯示部分的調(diào)試過程來加以說明。本系統(tǒng)中的鍵盤、顯示部分都是由并行口芯片8155擴(kuò)展而成的。8155屬于可編程器件，因而很難劃分硬件和軟件，往往在調(diào)試中即使電路安裝正確沒有一定的指令去指揮它工作，也是無法發(fā)現(xiàn)硬件的故障。因此要使用一些簡單的調(diào)試程序來確定硬件的組裝是否正確、功能是否完整。在本系統(tǒng)中采取了先對顯示器調(diào)試，再對鍵盤調(diào)試。

(1)、顯示器部分調(diào)試為了使調(diào)試順利進(jìn)行，首先將8155與LED顯示分離，這樣就可以用靜態(tài)方法先測試LED顯示，分別用規(guī)定的電平加至控制數(shù)碼管段和位顯示的引腳，看數(shù)碼管顯示是否與理論上一致。不一致，一般為LED顯示器接觸不良所致，必須找出故障，排除后再檢測8155電路工作是否正常。對8155應(yīng)進(jìn)行編程調(diào)試時(shí)，分為兩個(gè)步驟：第一，對其進(jìn)行初始化(即寫入命令控制字，最好定義為輸出方式)后，分別向PA、PB、PC三個(gè)口送入#0FFH，這時(shí)可以利用萬用表測試各口的位電壓為3.8 V左右，若送入#00H，這時(shí)各口的位電壓應(yīng)為0.03 V;第二，將8155與LED結(jié)合起來，借助開發(fā)機(jī)，通過編制程序(最好采用“8”字循環(huán)程序)進(jìn)行調(diào)試。若調(diào)試通過后，就可以編制應(yīng)用程序了。

(2)、鍵盤調(diào)試一般顯示器調(diào)試通過后，鍵盤調(diào)試就比較簡單，完全可以借助于顯示器，利用程序進(jìn)行調(diào)試。利用開發(fā)裝置對程序進(jìn)行設(shè)置斷點(diǎn)，通過斷點(diǎn)可以檢查程序在斷點(diǎn)前后的鍵值變化，這樣可知鍵盤工作是否正常。

教學(xué)設(shè)備網(wǎng)推薦使用：ZRDPX-238單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)考核裝置

產(chǎn)品特點(diǎn)：
1.入門容易，簡潔而不簡單：為了使入門容易，我們采用簡單易懂的版面設(shè)計(jì)，從最基本的一個(gè)跑馬燈開始就讓您無縫地切入教學(xué)。大部分的模塊在保證安全的前提下反面是鏤空的。這使得您可以讓學(xué)生一目了然看到，并可以觸摸到，這點(diǎn)很重要。因?yàn)槲覀兩钪�，感性認(rèn)識的重要性。
2、人體工學(xué)，美觀而舒適：采用模塊平放結(jié)構(gòu)，使得視線趨于自然向下，如同平時(shí)讀書寫字。靠近用戶側(cè)又略帶傾斜，使得操作時(shí)更加方便。同時(shí)抬頭時(shí)視線使得毫無遮擋。可以方便地聽講，老師亦可觀察實(shí)驗(yàn)情況。
3、高度開放，激發(fā)創(chuàng)新：采用模塊化設(shè)計(jì)，我們并不簡單的，單獨(dú)設(shè)計(jì)模塊，而是將模塊間聯(lián)系，可能性，功能性做了綜合考慮，提供經(jīng)典實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，我們建議用戶利用高度開放性的模塊，設(shè)計(jì)出自己的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
4、貼近實(shí)際，易于拓展：深知教學(xué)與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合的重要性。特別設(shè)計(jì)了多達(dá)幾十種的實(shí)訓(xùn)包
技術(shù)性能：
1、輸入電源：AC220V±10%      50Hz
2、工作環(huán)境：溫度-10~+40℃      相對濕度＜85%(25℃)
3、裝置容量：200VA
4、重量：100kg
5、外形尺寸：1600×750×1100mm
三、本設(shè)備各個(gè)功能模塊功能特點(diǎn)
1、 主機(jī)模塊
單片機(jī)采用愛特梅爾的AT89S52。該單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有256Byte的RAM和8KByte的FLASH、三個(gè)16位定時(shí)器，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，片內(nèi)集成了一個(gè)看門狗電路。64KRAM擴(kuò)展空間、64KROM擴(kuò)展空間；32個(gè)IO口，6個(gè)向量中斷源；0~33MHz的工作頻率，三級程序加密功能；工作電壓4.0V~5.5V。使用DIP40封裝便于更換芯片及仿真。并設(shè)計(jì)有在系統(tǒng)下載設(shè)計(jì)接口，通過USB下載器可以方便地進(jìn)行編程，無需把單片機(jī)從電路上取下。
該模塊上還放有串行通信接口，該接口已經(jīng)加入升壓電路，可以直接與計(jì)算機(jī)通信，飛利浦單片機(jī)和宏晶單片機(jī)也可以通過此口進(jìn)行程序下載。復(fù)位電路上加有手動(dòng)復(fù)位按扭，可以直接復(fù)位操作。模塊上還設(shè)有有源蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，直接給固定電平就可以發(fā)出聲響。
2、 電源模塊
電源模塊采用線性電源和開關(guān)電源兩種電源。單片機(jī)等芯片采用線性電源供電，可以有效減少因電源干擾引的程序跑飛。電機(jī)等大功率器件采用開關(guān)電源供電，確保提供足夠的功率。電源采用漏電保護(hù)開關(guān)作為總控制，安全可靠。用船形開關(guān)單獨(dú)控制低壓電，市電與低壓電分開控制。該模塊共有三組相互獨(dú)立的低壓電源，其中有兩組是正負(fù)雙電源輸出。面板上放置了一個(gè)AC220輸出插板，可以同時(shí)掛接三個(gè)儀器儀表。其中每組電源都有保險(xiǎn)絲作過載保護(hù)。
3、仿真器模塊
配備有高性能單片機(jī)仿真器，可以全功能仿真MCS51系列單片機(jī)，也可以軟件仿真；軟件為中國自主研發(fā)，可以很好的支持中文，支持關(guān)鍵字提示，自動(dòng)完成符號配對等功能。支持64K程序地址斷點(diǎn)、64K源程序有效行斷點(diǎn)和64K臨時(shí)斷點(diǎn)，單片機(jī)內(nèi)部寄存器狀態(tài)一目了然。主機(jī)與計(jì)算機(jī)采用流行的USB接口。
4、 顯示模塊
該模塊無論從最基本的顯示元件LED發(fā)光二極管，還是到最高級的LCD顯示屏都包含在內(nèi)。具體配置為8位跑馬燈（邏輯電平指示）、8位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示、16×32點(diǎn)陣LED屏、1602字符型液晶顯示屏、128×64繪圖液晶顯示屏。單片機(jī)常用的顯示器件全部包含在內(nèi)，使學(xué)習(xí)者可以接觸所有的顯示方案，設(shè)計(jì)人機(jī)界面時(shí)可以得心應(yīng)手。
5、繼電器模塊
繼電器是常用的執(zhí)行元件，也是常用的隔離元件，它能用低壓控制高壓電路，遠(yuǎn)程切換強(qiáng)電電路狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它的執(zhí)行元件又是一個(gè)線圈，在通電及斷電時(shí)會產(chǎn)生電磁干擾。為此繼電器模塊在集成了驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加了光電隔離措施。該模塊共有6路繼電器，每個(gè)繼電器的開關(guān)觸點(diǎn)全部引出，并明確標(biāo)示；每個(gè)繼電器還設(shè)有工作指示燈，那一路繼電器在通電工作使人一目了然。六組繼電器中有兩組為AC220控制的繼電器，可以控制交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停止，通過轉(zhuǎn)換頭可以連接電子連線。另外四組為電子連線座輸出。繼電器觸點(diǎn)容量250V/6A、DC28V/12A
6、 指令模塊
指令模塊上放置了單片機(jī)常用的輸入元件，其中有8個(gè)獨(dú)立鍵盤接口，8路8位開關(guān)量輸入，4*4矩形鍵盤接口，可以滿足學(xué)生從基礎(chǔ)到高級，從簡單到復(fù)雜的實(shí)訓(xùn)要求。如果用戶需要更多的按鍵或需要更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)，則可以采用該模塊的PS2鍵盤鼠標(biāo)接口進(jìn)行擴(kuò)展。
7、 ADC/DAC模塊
ADC/DAC模塊上設(shè)計(jì)了兩種轉(zhuǎn)換芯片ADC0809和DAC0832。為了便于調(diào)試程序和硬件，板載了三個(gè)功能子模塊：0-5V模擬電壓輸出、8等級LED電平指示器和有源時(shí)鐘發(fā)生器。ADC0809實(shí)驗(yàn)時(shí)可以用有源時(shí)鐘發(fā)生器作為芯片的時(shí)鐘，可以用0-5V模擬電壓輸出作為模擬量，用8等級LED電平指示用作模擬量大小的指示；DAC0832實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以將芯片的輸出接在8等級LED電平指示器上，轉(zhuǎn)換結(jié)果是否正常一目了然。
8、 交直流電機(jī)控制模塊
該模塊可以完成兩種電機(jī)的控制實(shí)驗(yàn)，分別是24V直流減速電機(jī)和220V交流減速電機(jī)。每種電機(jī)的轉(zhuǎn)盤下面放有光電開關(guān)計(jì)數(shù)器，可以用單片機(jī)感知其位置和轉(zhuǎn)動(dòng)了多少圈。每個(gè)電機(jī)控制線路中設(shè)有超程保護(hù)輸入端口，在與水平移動(dòng)裝置組合實(shí)驗(yàn)時(shí)可以有效保護(hù)電機(jī)和機(jī)構(gòu)的安全。
9、步進(jìn)電機(jī)控制模塊
該模塊設(shè)有一只24V兩相步進(jìn)電機(jī)和大功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。模塊改變了電機(jī)的軸轉(zhuǎn)式運(yùn)行方式，采用了一個(gè)水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以把電機(jī)的軸轉(zhuǎn)改為水平直線運(yùn)動(dòng)，并用鋁直尺的刻度指示。該模塊還可以做閉環(huán)控制的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上裝有感知距離的閉環(huán)元件。同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)超程保護(hù)電路，當(dāng)機(jī)構(gòu)走到一個(gè)程序不可知狀態(tài)時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉電機(jī)電源，避免機(jī)構(gòu)超程損壞。直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上帶了左右限位輸出端子，供單片機(jī)查詢狀態(tài)。
10、 傳感器配接模塊(4路傳感器接口)
傳感器配接模塊是專為傳感器的配接和電氣隔離而設(shè)計(jì)的一塊電路單元，該單元共有兩組16路光電隔離IO口，每個(gè)光電隔離IO口均可仿PLC與24V電源供電的傳感器連接。并配有四路傳感器轉(zhuǎn)換接口用于工業(yè)傳感器的連接。
11、 擴(kuò)展模塊
因?yàn)?2C55的控制方式仍有學(xué)習(xí)價(jià)值，目前在許多教材中仍有它的身影，擴(kuò)展模塊能滿足實(shí)驗(yàn)的需求；82C55的三個(gè)端口全部引出，可以用電子連線連接，也可以用排線連接。控制端與數(shù)據(jù)通信口安排在一起，整體布局美觀大方。另設(shè)有一片74LS245芯片，可以用來與82C55組合起來完成不同的實(shí)驗(yàn)功能。
12、 溫度傳感器模塊
該模塊配備有兩種芯片型溫度傳感器：數(shù)字量溫度傳感器18B20和模擬量溫度傳感器LM35。LM35器件還加有運(yùn)算放大器，放大的模擬量可以提高測量精度。每種傳感器都有透明外殼加固保護(hù)，內(nèi)有大功率加熱電阻，加熱指示器等。工作狀態(tài)一清二楚。可以用來做恒溫控制，溫控器等實(shí)驗(yàn)。
13、 智能物料搬運(yùn)裝置
配置雙軸機(jī)器人作為裝配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有X軸、Y軸兩個(gè)方向的執(zhí)行能力，可完成智能抓取物料放料等功能；配置有行程開關(guān)，光電傳感器，光纖傳感器等，可確保各執(zhí)行器的準(zhǔn)確定位；超出最大行程時(shí)，具有硬件自動(dòng)保護(hù)功能，確保系統(tǒng)安全及人身安全；本裝置為通用的模塊化的多功能裝置，各功能端口完全開放，可以能過不同的接線來完成各種不同的功能，為學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了廣闊的發(fā)揮空間。
四、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目
實(shí)訓(xùn)一 燈光閃爍實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)二 跑馬燈實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)三 獨(dú)立按鍵輸入實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)四 光隔離輸入輸出實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)五 金屬檢測實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)六 動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)七 矩陣鍵盤接口實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)八 繼電器隔離控制實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)九 蜂鳴器演奏實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)十 8255芯片擴(kuò)展IO實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)十一 字符型液晶顯示模塊控制實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)十二 液晶顯示模塊控制實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)十三 點(diǎn)陣L E D屏漢字顯示實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)十四 AD轉(zhuǎn)換實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)十五 DA轉(zhuǎn)換實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)十六 LM35溫度傳感器采集實(shí)驗(yàn)
實(shí)訓(xùn)十七 單總線溫度傳感器采集實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)十八 交直流減速電機(jī)控制實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)十九 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)二十 RS232通信實(shí)訓(xùn)
實(shí)訓(xùn)二十一 PS2鍵盤通信實(shí)驗(yàn)
實(shí)訓(xùn)二十二 智能物料搬運(yùn)裝置實(shí)訓(xùn)
1. 傳感器技術(shù)實(shí)訓(xùn)
2. 直流減速電機(jī)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)
3. 氣動(dòng)回路應(yīng)用實(shí)訓(xùn)
4. 絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)
5. 直線運(yùn)動(dòng)單元定位控制實(shí)訓(xùn)
6. 機(jī)械故障檢測與排除實(shí)訓(xùn)氣動(dòng)電磁閥的控制實(shí)驗(yàn)