單片機開發過程中的硬件調試技巧

在單片機開發過程中，從硬件設計到軟件設計幾乎是開發者針對本系統特點親自完成的。這樣雖然可以降低系統成本，提高系統的適應性，但是每個系統的調試占去了總開發時間的2/3，可見調試的工作量比較大。單片機系統的硬件調試和軟件調試是不能分開的，許多硬件錯誤是在軟件調試中被發現和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結合起來調試以進一步排除故障。可見硬件的調試是基礎，如果硬件調試不通過，軟件設計則是無從做起。本文結合作者在單片機開發過程中體會，討論硬件調試的技巧。

當硬件設計從布線到焊接安裝完成之后，就開始進入硬件調試階段，調試大體分為以下幾步。

1、硬件靜態的調試

（1）、排除邏輯故障

這類故障往往由于設計和加工制板過程中工藝性錯誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將加工的印制板認真對照原理圖，看兩者是否一致。應特別注意電源系統檢查，以防止電源短路和極性錯誤，并重點檢查系統總線(地址總線、數據總線和控制總線)是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。必要時利用數字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯時間。

（2）、排除元器件失效

造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞。可以采取檢查元器件與設計要求的型號、規格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯誤。

（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，聯機仿真器調試時，將會損壞仿真器等，有時會使應用系統中的集成塊發熱損壞。

2、聯機仿真調試

聯機仿真必須借助仿真開發裝置、示波器、萬用表等工具。這些工具是單片機開發的最基本工具。

信號線是聯絡8031和外部器件的紐帶，如果信號線連結錯誤或時序不對，那么都會造成對外圍電路讀寫錯誤。51系列單片機的信號線大體分為讀、寫信號線、片選信號線、時鐘信號線、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)用常規方法很難觀測到，必須采取一定措施才能觀測到。應該利用軟件編程的方法來實現。例如對片選信號，運行下面的小程序就可以檢測出譯碼片選信號是否正常。

執行程序后，就可以利用示波器觀察芯片的片選信號引出腳(用示波器掃描時間為1μs/每格檔)，這時應看到周期為數微秒的負脈沖波形，若看不到則說明譯碼信號有錯誤。

對于電平類信號，觀測起來就比較容易。例如對復位信號觀測就可以直接利用示波器，當按下復位鍵時，可以看到8031的復位引腳將變為高電平；一旦松開，電平將變低。

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

下面結合在自動配料控制系統中鍵盤、顯示部分的調試過程來加以說明。本系統中的鍵盤、顯示部分都是由并行口芯片8155擴展而成的。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，也是無法發現硬件的故障。因此要使用一些簡單的調試程序來確定硬件的組裝是否正確、功能是否完整。在本系統中采取了先對顯示器調試，再對鍵盤調試。

(1)、顯示器部分調試為了使調試順利進行，首先將8155與LED顯示分離，這樣就可以用靜態方法先測試LED顯示，分別用規定的電平加至控制數碼管段和位顯示的引腳，看數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應進行編程調試時，分為兩個步驟：第一，對其進行初始化(即寫入命令控制字，最好定義為輸出方式)后，分別向PA、PB、PC三個口送入#0FFH，這時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，這時各口的位電壓應為0.03 V;第二，將8155與LED結合起來，借助開發機，通過編制程序(最好采用“8”字循環程序)進行調試。若調試通過后，就可以編制應用程序了。

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

教學設備網推薦使用：ZRDPX-238單片機技術應用實訓考核裝置

產品特點：
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計，從最基本的一個跑馬燈開始就讓您無縫地切入教學。大部分的模塊在保證安全的前提下反面是鏤空的。這使得您可以讓學生一目了然看到，并可以觸摸到，這點很重要。因為我們深知，感性認識的重要性。
2、人體工學，美觀而舒適：采用模塊平放結構，使得視線趨于自然向下，如同平時讀書寫字。靠近用戶側又略帶傾斜，使得操作時更加方便。同時抬頭時視線使得毫無遮擋。可以方便地聽講，老師亦可觀察實驗情況。
3、高度開放，激發創新：采用模塊化設計，我們并不簡單的，單獨設計模塊，而是將模塊間聯系，可能性，功能性做了綜合考慮，提供經典實訓項目，我們建議用戶利用高度開放性的模塊，設計出自己的實驗項目。
4、貼近實際，易于拓展：深知教學與實際生產結合的重要性。特別設計了多達幾十種的實訓包
技術性能：
1、輸入電源：AC220V±10%      50Hz
2、工作環境：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、本設備各個功能模塊功能特點
1、 主機模塊
單片機采用愛特梅爾的AT89S52。該單片機內部設有256Byte的RAM和8KByte的FLASH、三個16位定時器，兩個數據指針，片內集成了一個看門狗電路。64KRAM擴展空間、64KROM擴展空間；32個IO口，6個向量中斷源；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。并設計有在系統下載設計接口，通過USB下載器可以方便地進行編程，無需把單片機從電路上取下。
該模塊上還放有串行通信接口，該接口已經加入升壓電路，可以直接與計算機通信，飛利浦單片機和宏晶單片機也可以通過此口進行程序下載。復位電路上加有手動復位按扭，可以直接復位操作。模塊上還設有有源蜂鳴器驅動電路，直接給固定電平就可以發出聲響。
2、 電源模塊
電源模塊采用線性電源和開關電源兩種電源。單片機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。電機等大功率器件采用開關電源供電，確保提供足夠的功率。電源采用漏電保護開關作為總控制，安全可靠。用船形開關單獨控制低壓電，市電與低壓電分開控制。該模塊共有三組相互獨立的低壓電源，其中有兩組是正負雙電源輸出。面板上放置了一個AC220輸出插板，可以同時掛接三個儀器儀表。其中每組電源都有保險絲作過載保護。
3、仿真器模塊
配備有高性能單片機仿真器，可以全功能仿真MCS51系列單片機，也可以軟件仿真；軟件為中國自主研發，可以很好的支持中文，支持關鍵字提示，自動完成符號配對等功能。支持64K程序地址斷點、64K源程序有效行斷點和64K臨時斷點，單片機內部寄存器狀態一目了然。主機與計算機采用流行的USB接口。
4、 顯示模塊
該模塊無論從最基本的顯示元件LED發光二極管，還是到最高級的LCD顯示屏都包含在內。具體配置為8位跑馬燈（邏輯電平指示）、8位數碼管動態顯示、16×32點陣LED屏、1602字符型液晶顯示屏、128×64繪圖液晶顯示屏。單片機常用的顯示器件全部包含在內，使學習者可以接觸所有的顯示方案，設計人機界面時可以得心應手。
5、繼電器模塊
繼電器是常用的執行元件，也是常用的隔離元件，它能用低壓控制高壓電路，遠程切換強電電路狀態優點，同時它的執行元件又是一個線圈，在通電及斷電時會產生電磁干擾。為此繼電器模塊在集成了驅動電路的基礎上增加了光電隔離措施。該模塊共有6路繼電器，每個繼電器的開關觸點全部引出，并明確標示；每個繼電器還設有工作指示燈，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，可以控制交流電機的正反轉及停止，通過轉換頭可以連接電子連線。另外四組為電子連線座輸出。繼電器觸點容量250V/6A、DC28V/12A
6、 指令模塊
指令模塊上放置了單片機常用的輸入元件，其中有8個獨立鍵盤接口，8路8位開關量輸入，4*4矩形鍵盤接口，可以滿足學生從基礎到高級，從簡單到復雜的實訓要求。如果用戶需要更多的按鍵或需要更為復雜的設計，則可以采用該模塊的PS2鍵盤鼠標接口進行擴展。
7、 ADC/DAC模塊
ADC/DAC模塊上設計了兩種轉換芯片ADC0809和DAC0832。為了便于調試程序和硬件，板載了三個功能子模塊：0-5V模擬電壓輸出、8等級LED電平指示器和有源時鐘發生器。ADC0809實驗時可以用有源時鐘發生器作為芯片的時鐘，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實驗時，可以將芯片的輸出接在8等級LED電平指示器上，轉換結果是否正常一目了然。
8、 交直流電機控制模塊
該模塊可以完成兩種電機的控制實驗，分別是24V直流減速電機和220V交流減速電機。每種電機的轉盤下面放有光電開關計數器，可以用單片機感知其位置和轉動了多少圈。每個電機控制線路中設有超程保護輸入端口，在與水平移動裝置組合實驗時可以有效保護電機和機構的安全。
9、步進電機控制模塊
該模塊設有一只24V兩相步進電機和大功率步進電機驅動器。模塊改變了電機的軸轉式運行方式，采用了一個水平移動機構，該機構可以把電機的軸轉改為水平直線運動，并用鋁直尺的刻度指示。該模塊還可以做閉環控制的實驗項目，因為在運動機構上裝有感知距離的閉環元件。同時設計了一個超程保護電路，當機構走到一個程序不可知狀態時，可自動關閉電機電源，避免機構超程損壞。直線運動機構上帶了左右限位輸出端子，供單片機查詢狀態。
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計的一塊電路單元，該單元共有兩組16路光電隔離IO口，每個光電隔離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換接口用于工業傳感器的連接。
11、 擴展模塊
因為82C55的控制方式仍有學習價值，目前在許多教材中仍有它的身影，擴展模塊能滿足實驗的需求；82C55的三個端口全部引出，可以用電子連線連接，也可以用排線連接。控制端與數據通信口安排在一起，整體布局美觀大方。另設有一片74LS245芯片，可以用來與82C55組合起來完成不同的實驗功能。
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，內有大功率加熱電阻，加熱指示器等。工作狀態一清二楚。可以用來做恒溫控制，溫控器等實驗。
13、 智能物料搬運裝置
配置雙軸機器人作為裝配的執行機構，具有X軸、Y軸兩個方向的執行能力，可完成智能抓取物料放料等功能；配置有行程開關，光電傳感器，光纖傳感器等，可確保各執行器的準確定位；超出最大行程時，具有硬件自動保護功能，確保系統安全及人身安全；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，為學生的創新設計提供了廣闊的發揮空間。
四、實訓項目
實訓一 燈光閃爍實訓
實訓二 跑馬燈實訓
實訓三 獨立按鍵輸入實訓
實訓四 光隔離輸入輸出實訓
實訓五 金屬檢測實訓
實訓六 動態數碼管顯示實訓
實訓七 矩陣鍵盤接口實訓
實訓八 繼電器隔離控制實訓
實訓九 蜂鳴器演奏實訓
實訓十 8255芯片擴展IO實訓
實訓十一 字符型液晶顯示模塊控制實訓
實訓十二 液晶顯示模塊控制實訓
實訓十三 點陣L E D屏漢字顯示實訓
實訓十四 AD轉換實訓
實訓十五 DA轉換實訓
實訓十六 LM35溫度傳感器采集實驗
實訓十七 單總線溫度傳感器采集實訓
實訓十八 交直流減速電機控制實訓
實訓十九 步進電機開環控制實訓
實訓二十 RS232通信實訓
實訓二十一 PS2鍵盤通信實驗
實訓二十二 智能物料搬運裝置實訓
1. 傳感器技術實訓
2. 直流減速電機應用實訓
3. 氣動回路應用實訓
4. 絲桿傳動機構應用實訓
5. 直線運動單元定位控制實訓
6. 機械故障檢測與排除實訓氣動電磁閥的控制實驗