Микропроцессорные системы: учебное пособие по курсовому проектированию

 

 
 
 
 

В. И. МЯСНИКОВ 

 
 
 
 

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ  

СИСТЕМЫ 

 
 

Учебное пособие  

по курсовому проектированию 

 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

2019 

УДК 681.3 
ББК  32.97 

М 88 

 
 
 
Рецензенты: 

зав. кафедрой информатики ПГТУ, канд. техн. наук, доцент 
А. В. Кревецкий;  
технический директор СКБ «Хроматэк» В. С. Устюгов 

 
 
 
 

Печатается по решению  

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 
 

 

Мясников, В. И. 

М 88       Микропроцессорные системы: учебное пособие по курсовому 

проектированию / В. И. Мясников. – Йошкар-Ола: Поволжский 
государственный технологический университет, 2019. – 200 с. 
ISBN 978-5-8158-2077-7 

 

В учебном пособии рассматриваются основные принципы проекти
рования аппаратных и программных средств микропроцессорных систем 
на базе современных микроконтроллеров. 

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 09.03.01 – 

«Информатика и вычислительная техника», квалификация бакалавр, а 
также для студентов других направлений, изучающих микропроцессорную технику. Может быть полезно также широкому кругу специалистов в 
области проектирования информационных и управляющих систем, микроэлектронной аппаратуры, программного обеспечения. 

УДК 681.3 
ББК 32.97 

 
ISBN 978-5-8158-2077-7 
 В. И. Мясников, 2019 
 Поволжский государственный 
 технологический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................ 5 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ........................................................................ 6 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 7 

 
1. ЦИКЛ   ПРОЕКТИРОВАНИЯ   МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ 

СИСТЕМ ................................................................................................... 9 
1.1. Задание на курсовой проект ..........................................................11 
1.2. Содержание и оформление курсового проекта ...........................13 
1.3. Защита курсового проекта ............................................................15 

 

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ ........... 16 

2.1. Требования пользователей и функциональная спецификация ..16 

 

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ............................. 20 

3.1. Типовая структура микропроцессорной системы .......................20 
3.2. Система питания микропроцессорных систем ............................23 

3.2.1. Питание от сети переменного напряжения  ~220 В ..........23 
3.2.2. Питание от постоянного напряжения ................................25 
3.2.3. Питание от аккумуляторов .................................................27 
3.2.4. Комбинированный источник питания ...............................28 
3.2.5. Расчет потребляемой мощности .........................................29 

3.3. Пульт оператора .............................................................................29 

3.3.1. Подключение клавиатуры ...................................................29 
3.3.2. Подключение индикатора ...................................................33 
3.3.3. Разработка пульта оператора ..............................................37 

3.4. Организация ввода данных ...........................................................37 

3.4.1. Ввод аналоговой информации ............................................38 
3.4.2. Расчет входных схем ...........................................................41 
3.4.3. Ввод цифровой информации ..............................................45 

3.5. Организация вывода данных ........................................................47 

3.5.1. Цифровые выходы ...............................................................47 
3.5.2. Аналоговые выходы ............................................................48 
3.5.3. Управление силовыми цепями ...........................................50 

3.6. Устройства для связи с объектами управления ..........................54 

3.6.1. Датчики ................................................................................54 
3.6.2. Исполнительные устройства. .............................................68 

3.7. Стандартные интерфейсы межпроцессорного обмена ...............73 
3.8. Выбор микроконтроллера .............................................................77 

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ......................... 79 

4.1. Технология разработки программного обеспечения ..................83 

4.1.1. Технология задачи/состояния ............................................84 

4.2. Программная реализация типовых модулей  

микропроцессорных систем ........................................................100 
4.2.1. Сопряжение с клавиатурой ..............................................100 
4.2.2. Сопряжение с символьным ЖКИ-модулем ....................112 
4.2.3. Сопряжение с последовательным асинхронным 

интерфейсом ......................................................................120 

 

5. ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО 

УСТРОЙСТВА ..................................................................................... 131 
5.1. Разработка контроллера управления газовым котлом  

отопления коттеджа .....................................................................131 
5.1.1. Требования пользователя и построение  

функциональной спецификации ......................................132 

5.1.2. Проектирование системы .................................................135 
5.1.3. Проектирование аппаратной части ..................................142 
5.1.4. Проектирование программной части ..............................160 

 
ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ ........................................................................181 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................192 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ....................................................193 

Приложение 1 ..........................................................................................195 

Приложение 2 ..........................................................................................199 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Данное учебное пособие, составленное в соответствии с 

требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования направления подготовки 
09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» и типового учебного плана, посвящено вопросам практической подготовки инженеров в области разработки микропроцессорных 
систем.  

В первом разделе рассмотрены цикл проектирования мик
ропроцессорных систем, примерное задание и требования к 
оформлению курсового проекта. Во втором – изложены требования к техническому заданию на курсовой проект, а также 
показано составление на его основе функциональной спецификации, определения состава модулей разрабатываемой системы. 

Проектированию аппаратных средств микропроцессорных 

систем посвящен третий раздел. Здесь приведены типовые 
схемы включения аппаратных модулей, их расчет и характеристики.  

В следующем разделе рассмотрена технология разработки 

программного обеспечения систем, работающих в реальном 
масштабе. Здесь же представлены программные реализации 
типовых модулей микропроцессорных систем.  

В пятом разделе приведены примеры разработки проектов, 

использующих описанные методики. В конце даны варианты 
типовых заданий на разработку МПС. 

Приложения с образцами оформления и примером разра
ботки технического задания, а также литература, представленная в библиографическом списке, окажут студентам помощь в 
самостоятельной работе. 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

 

АС – аппаратное средство 
АЦП – аналого-цифровой преобразователь 
ВЭД – вентильный двигатель  
ДПР – датчик положения ротора 
ЕСКД – Единая система конструкторской документации 
ЕСПД – Единая система программной документации 
ЖКИ – жидкокристаллический индикатор 
КПД – коэффициент полезного действия  
МПС – микропроцессорная система  
ПЗ – пояснительная записка 
ПО – программное обеспечение 
ПС – программное средство 
ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика 
ЦАП – цифроаналоговый преобразователь  
ШД – шаговый двигатель 
ШИМ – широтно-импульсная модуляция 
ШЭД – шаговый электродвигатель 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

В настоящее время на жизнь каждого человека в значитель
ной степени оказывает влияние автоматизация практически 
всей окружающей среды с помощью дешевых и мощных микроконтроллеров. Микроконтроллеры отличаются не только 
архитектурой и характеристиками, но и особенностями функционирования и реализации. Разработка систем на базе микроконтроллеров – микропроцессорных систем (МПС) – это как 
аппаратная, так и программная задача. 

Курсовой проект предназначен:  
 для практического усвоения студентами  основных раз
делов дисциплин «Микропроцессорные системы», «Программирование», «Электротехника, электроника и схемотехника», 
«Теория автоматов» типового учебного плана направления 
подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника»;  

 закрепления знаний по проектированию аппаратных и 

программных средств микропроцессорных систем; 

 развития практических навыков проектирования систем 

на базе современных микроконтроллеров. 

В задачи курсового проекта по дисциплине «Микропроцес
сорные системы» входят:  

 развитие у студентов навыка проектно-конструкторской 

работы в области разработки микропроцессорных систем;  

 принятие экономически и технически обоснованных ин
женерных решений;  

 анализ научно-технической литературы и ресурсов сети 

Интернет; 

 использование стандартов, справочников, технической 

документации по элементной базе, аппаратным и программным решениям и т.д.  

В предлагаемом издании с единых методологических пози
ций разработки микропроцессорной системы рассматриваются 
вопросы выполнения курсового проекта на базе современных 
микроконтроллеров, даются конкретные указания по выполнению основных этапов проектирования: разработка аппаратной и программной частей системы.  

Существенное место занимают важные вопросы практиче
ской реализации алгоритмов. В пособии приведены варианты 
типовых 
заданий 
на 
разработку 
микропроцессорных 

устройств.  

В результате выполнения курсового проекта по дисциплине 

«Микропроцессорные системы» студент должен научиться: 

 работать с научно-технической и справочной литерату
рой в области проектирования микропроцессорных систем; 

 решать отдельные прикладные задачи по разработке 

микропроцессорных устройств; 

 работать с современными инструментальными средства
ми проектировщика; 

 выступать перед аудиторией с целью защиты результа
тов своей работы. 

 
 

1 

ЦИКЛ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ 

СИСТЕМ 

 
 

 
Проектирование аппаратуры и программного обеспечения 

должно проводиться на системной основе с целью минимизации как стоимости проектирования, так и времени, затрачиваемого на разработку. Это приводит к понятию цикла 
проектирования, которое позволяет разбить весь процесс проектирования на отдельные этапы.  

Цикл проектирования системы, содержащей микроконтрол
лер, включает определенную последовательность шагов. 

Требования пользователя и функциональная спецификация 
Первый шаг цикла проектирования системы включает 

определение набора требований пользователя и построение 
функциональной спецификации, вытекающей из требований 
пользователей. Требования пользователей определяют, что 
пользователь хочет от системы и что она должна делать.  

Хорошие системные спецификации определяют функции, 

выполняемые системой для пользователя после завершения 
проектирования, уточняя, таким образом, насколько система 
соответствует требованиям пользователя. Она включает опи

сания форматов как на входе, так и на выходе, а также внешние условия, управляющие действиями системы. Функциональная спецификация и требования пользователей являются 
критериями оценки функциональных характеристик системы 
после завершения проектирования. 

Проектирование системы 
Следующим шагом является проектирование системы на 

основе функциональной спецификации. Проектирование системы заключается в разбиении ее на отдельные модули, которые могут быть реализованы как в виде аппаратных средств, 
так и в виде программ. 

На этом этапе должно быть принято решение о распределе
нии функций и технических требований между аппаратными 
(АС) и программными (ПС) средствами микропроцессорного 
устройства. Большинство современных МПС имеют развитую 
систему встроенной периферии, вследствие чего задача распределения функций между аппаратной и программной частями  становится менее трудоемкой.  

Проектирование аппаратных средств МПС  
Особенностью проектирования аппаратных средств являет
ся то, что в большинстве случаев состав аппаратуры различных 
МПС 
представлен 
одинаковыми 
блоками: 

микроконтроллер, клавиатура, индикация, периферийные схемы для связи с внешними устройствами и т.д.  

Проектирование программных средств МПС  
Для выполнения собственно программирования и тестиро
вания необходимо использовать специальные инструментальные аппаратно-программные средства. Включение стадии 
моделирования в процесс проектирования всегда дает выиг

рыш во времени. Моделирование особенно важно, когда МПС 
разрабатывается параллельно с объектом управления. 

Отладка и испытание МПС 
Хотя аппаратные и программные средства по отдельности 

проходят этапы отладки, основная отладка осуществляется 
при непосредственном взаимодействии и взаимосвязи программных и аппаратных средств. 

Документация 
Одним из наиболее важных факторов добросовестного про
ектирования систем является хорошая документация. Под хорошей понимается четко организованная, легко читаемая и 
усваиваемая документация, сжатая, но полная, допускающая 
внесение изменений. Постепенно продвигаясь в рамках цикла 
проектирования от требований пользователя и функциональной спецификации к объединению и оценке действующей системы, можно сформировать следующий набор документации: 

 Требования пользователей и функциональные специфи
кации. 

 Проектная документация системы. 
 Программная документация. 
 Техническая документация. 
 Инструкция по отладке аппаратных и программных 

средств. 

1.1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 

Задание на курсовой проект заключается в разработке мик
ропроцессорного устройства, предназначенного для управления, регулирования, контроля и т.д. 

Общая структура разрабатываемой МПС может быть пред
ставлена следующим образом (в виде схемы, приведенной на 
рисунке 1.1). Штрихами обозначены границы возможной интеграции устройств ввода/вывода. 

 

Рис. 1.1. Общая структура разрабатываемой МПС 

 
В качестве управляющей микроЭВМ, если не задан кон
кретный тип микроконтроллера, можно использовать AVR, 
PIC и т.д.  

В задании могут быть конкретизированы типы датчиков, 

исполнительных устройств, питание, интерфейсы связи с 
внешними устройствами. Например: 

Входные сигналы:  
- количество и типы датчиков; 
- количество цифровых входов; 
- количество аналоговых входов, их динамический и ча
стотный диапазоны; 

- наличие или отсутствие гальванической развязки для от
дельных входов. 

Выходные сигналы: 

Датчики
Интерфейс
МикроЭВМ
Интерфейс

Исполнительные 
устройства

Источник
питания

Пульт 

управления

Интерфейс

к РС верхнего уровня