1、東 北 石 油 大 學 課 程 設 計 2012 年 7 月 8 日 課 程 單片機課程設計 題 目 51 單片機實驗開發(fā)板設計 院 系 電氣信息工程學院測控系 專業(yè)班級 測控 09 學生姓名 學生學號 指導教師 東北石油大學課程設計任務書 課程 單片機課程設計 題目 51 單片機實驗開發(fā)板設計 專業(yè) 測控技術與儀器 姓名 學號 一、任務一、任務 設計一款基于 PROTEUS7.2 仿真軟件實現(xiàn)的 51 單片機實驗開發(fā)板。 二、設計要求二、設計要求 1 該實驗開發(fā)板力求單片機 IO 口分配合理，實驗板硬件資源豐富。 2 外圍電路設計合理，程序例程正確。 3 基本電路包括：單片機最小系統(tǒng)、8 位

2、流水燈電路、LED 顯示電路、蜂鳴 器電路、鍵盤電路、1602 及 12864 液晶顯示電路。 4 提交設計報告、電路圖及程序源碼。 三、參考資料三、參考資料 1 潘永雄.新編單片機原理與應用M.西安電子科技大學出版社,2003. 2 丁元杰.單片微機原理與應用M.機械工業(yè)出版社,2006. 3 朱定華.單片微機原理及接口技術實驗M.北方交通大學出版社,2002. 4 付家才.單片機控制工程實踐技術M.化學工業(yè)出版社,2004. 5 楊麗鳳,王艷秋,張軍.單片機原理與接口技術M.清華大學、北方交通大學 出版社,2004. 完成期限 2012.6.29 至 2012.7.8 指導教師 專業(yè)負責人

3、 曹廣華 2012 年 6 月 29 日 目目 錄錄 第第 1 1 章章 緒論緒論.1 1 1.1 單片機現(xiàn)狀與發(fā)展 .2 1.2 單片機的性能特點 .2 1.3 本設計任務 .3 第第 2 2 章章 總體方案論證與設計總體方案論證與設計 .3 3 2.1 電源 .4 2.2 顯示功能方案 .4 2.3 電位指示選擇 .4 2.4 總體硬件組成框圖 .4 第第 3 3 章章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計.6 6 3.1 單片機最小系統(tǒng) .6 3.2 鍵盤模塊設計 .6 3.3 LED 顯示模塊設計.7 3.4 流水燈顯示模塊設計 .8 3.5 發(fā)聲模塊設計 .9 3.6 串口通信模塊設計 .9 第

4、第 4 4 章章 系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)的軟件設計.1010 4.1 LED 模塊的程序設計.10 4.2 鍵盤模塊的軟件設計 .11 第第 5 5 章章 系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析.1212 5.1 使用的儀器儀表 .12 5.2 系統(tǒng)調(diào)試 .12 5.3 測試結(jié)果 .13 結(jié)結(jié) 論論.1414 參考文獻參考文獻.1515 附錄附錄 1 1 程序程序 .1616 第 1 章 緒論 由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，許多集成電路生產(chǎn) 廠家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中，MCS51 系 列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術及高可靠性和高性能價格比，

5、迅速占領 了市場，成為國內(nèi)單片機應用領域中的主流。目前，可用于 MCS51 系列單片 機開發(fā)的產(chǎn)品越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因 此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應用系統(tǒng)。 1.1 單片機現(xiàn)狀與發(fā)展 單片機屬于第四代微型計算機的一個重要分支。單片機是把中央處理器 CPU，隨機存取存儲器 RAM，只讀存儲器 ROM,定時器/計數(shù)器以及 I/O 接口電路 等主要計算部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。單片機的應用導致 了控制領域的一場革命，是微控制技術逐步取代傳統(tǒng)的硬件控制。近十幾年來， 單片機在生產(chǎn)過程控制、自動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算

6、、商業(yè)管理和 辦公室自動化等方面獲得了廣泛的應用。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、 價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應用于衛(wèi)星定向、汽車火花 控制、交通自動管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅 速，它己滲透到諸多學科的領域，以及人們生活的各個方面。 MCS-51 系列中的一片 89C51 芯片，內(nèi)部構(gòu)造了完整的計算機硬件系統(tǒng)。從 CPU、存儲器到輸入輸出端口，一應俱全。只要寫入程序，就可完成中央控制或 數(shù)據(jù)采集、處理及通信傳輸?shù)男畔⑻幚頇C，MCS-51 單片機指令系統(tǒng)中為適應控 制的需要設有極強的位處理功能，具有加、減、乘、除指令;CPU 時鐘高達 12MHz，

7、完成單字節(jié)乘法或除法運算器件分軍用和民用兩級，民用產(chǎn)品主要用于 辦公室及機房環(huán)境，工作溫度在 0-701C，軍用產(chǎn)品要求在惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定 工作，工作溫度在-65125:工業(yè)級產(chǎn)品的性能介于以上兩者之間，在- 40+85C 溫度環(huán)境可正常工作。工業(yè)產(chǎn)品可靠性比民用產(chǎn)品強，而價格較軍用 品低。在單片機應用中，可以根據(jù)實際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級芯片，保證系統(tǒng) 可靠性。 1.2 單片機的性能特點 單片機芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，除了具備通用微機 CPU 的數(shù)值計算 功能外，還必須具有靈活、強大的控制功能，以便實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸入量、控 制系統(tǒng)的輸出量，實現(xiàn)自動控制的目的。由于單片機主要面向工業(yè)控制，

8、工作 環(huán)境比較惡劣，加高溫、強電磁干擾，甚至合有腐蝕性氣體；在太空小工作的 單片機控制系統(tǒng)，還必須具有抗輻射能力。因而，決定了單片機 CPU 與通用微 機 CPU 具有小同的技術特征和發(fā)展方向。 80C51 系列新一代 8 位單片機的主要特點： 普遍采用 CMOS 工藝，除了具有節(jié)電運行模式和掉電數(shù)據(jù)保護功能外，整 機功耗比采用 HMOS 工藝的 80C51 系列低。 片內(nèi)存儲器容量大，規(guī)格多，程序存儲器類型也趨于多樣化。該系列不 同品種的片內(nèi)程序存儲器容量從 4KB 擴展到 8KB、16KB，甚至 32KB，數(shù)據(jù)存儲 器容量從 128B 擴展到 512B。片內(nèi)程序存儲器類型不僅限于掩模 RO

9、M 和 EPROM， 普遍采用 OTP EPROM(一次性編程的 EPR()M，簡稱 TOP ROM。 最高時鐘頻率從 12MHZ 提高到 16MHZ、24MHZ、33MHZ ，甚至 40MHZ ， 指令執(zhí)行時間大大縮短，增強了這些產(chǎn)品的實時處理能力。 工作電壓低、范圍寬(18V6oV)，可用電池供電，便于野外作業(yè)使 用。 擴展了接口電路功能，如增加了高速 I/O 接口，擴展了 I/O 口引線數(shù)目。 部分型號增加了定時計數(shù)器的個數(shù)，還擴展了定時計數(shù)器的功能。 部分型號增加廠定時復位功能，提高了抗干擾能力。 強化并且完善了串行通信功能。 封裝形式多樣化，同一型號的 CPU，具有多種封裝形式，如

10、PDIP 封裝、 CDIP 封裝、PLCC(方形壁插塑封)、CLCC(方形壁插陶瓷封裝)、PQFP(塑料方形 四邊引線扁平封裝)，部分產(chǎn)品還采用了 BGA(球形網(wǎng)格陣列)封裝。 1.3 本設計任務 本課題設計了一款單片機實驗開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)專業(yè)基礎課、專 業(yè)課(單片機原理與應用，單片機接口技術等)、課程設計和畢業(yè)設計的實驗。 實驗板是參考單片機教材中的實驗內(nèi)容設計的，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的測試實驗。本 論文包括硬件系統(tǒng)的詳細設計及匯編語言在基本控制中的應用。 第 2 章 總體方案論證與設計 單片機實驗開發(fā)板是一個實際應用的系統(tǒng)，能夠為相關專業(yè)的學生開設單 片機實驗提供支持。此實驗板是參考單片機

11、教材中的實驗內(nèi)容設計的，能夠?qū)?現(xiàn)簡單的綜合驗證實驗。本論文包括硬件系統(tǒng)的詳細設計及匯編語言在基本控 制中的應用。此實驗板設計的功能如下： 2.1 電源 方案一：變壓器變壓整流但這不僅體積大而且也很重，也不方便攜帶。 方案二：采用平常生活中比較經(jīng)常遇到的電源，如 usb 電源、電池等。 比較以上兩種方案，系統(tǒng)設計中采用方案二。 2.2 顯示功能方案 方案一：采用 74ls138 和 74ls248 分別驅(qū)動 4 個七段碼共陰極 led 來顯示， 這樣占用的 i/o 端口少，但顯示的字符有限。 方案二：采用分立元件加上拉電阻，不僅可以顯示七段譯碼器的字符，還 可以顯示 h（點）等其他的字符。比較

12、以上兩種方案，系統(tǒng)設計中采用方案二。 2.3 電位指示選擇 方案一：電壓表精確度比較高顯示直觀，同時設計也比較復雜。 方案二：邏輯電筆工作原理簡單，體積小，并且該系統(tǒng)中大部分都是數(shù)字 信號狀態(tài)明顯，所以采用邏輯電筆觀察各點的電位更為直觀。因此該系統(tǒng)采用 邏輯電筆。比較以上兩種方案，系統(tǒng)設計中采用方案二。 2.4 總體硬件組成框圖 系統(tǒng)設計以MCS-51系列單片機中8031，8051，89C51作為CPU進行系統(tǒng)擴展， 將數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、1/O口擴展、串行口通訊、LED顯示、鍵盤與顯示 等多種功能模塊集成于一體。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)布局如圖2-1所示： 圖 2-1 總體硬件組成框圖 51 單片機

13、 電源電路 按鍵 發(fā)聲模塊 流水燈模塊 串行口模塊 LED 顯示模塊 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 本論文設計的單片機實驗開發(fā)板是以 AT89S51 作為主控制芯片，串口通信 芯片 MAX232、DB9 插座、液晶顯示器、按鍵開關等元器件組成，通過軟硬件結(jié) 合實現(xiàn)鍵盤掃描、液晶顯示、數(shù)碼顯示、與上位機串行通信、IO 口擴展等功 能。一方面，它能作為學生簡單實驗的工具，另一方面，它也是綜合型單片機 系統(tǒng)設計的基礎，可擴展許多其它功能。 3.1 單片機最小系統(tǒng) 本設計中采用 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低 電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用

14、 ATMEL 高密度非易 失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于 將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種 高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。如 圖 3-1 所示。 圖3-1 單片機最小系統(tǒng) 3.2 鍵盤模塊設計 鍵盤是人與AT89S51聯(lián)系的重要手段，用于向CPU輸入運行參數(shù)和控制系統(tǒng) 的運行狀態(tài)。鍵盤電路形式分為直接編碼輸入鍵盤和矩陣鍵盤。前者接口電路 簡單，一般應用于需要少量按鍵的控制系統(tǒng)。后者因占用FO引腳數(shù)少，常被按 鍵較多的控制系統(tǒng)所采用。本實驗板用于學生實

15、驗，為了減少鍵盤電路占用UO 引腳數(shù)目，將鍵盤電路設計為4x4矩陣鍵盤形式。其中行線作為輸入引腳與P0口 的P03一P00連接，列線作為引腳與P07PO4連接。實驗板的鍵盤電路 如圖3-2所示： 圖3-2 實驗板的鍵盤電路 3.3 LED 顯示模塊設計 把單片機的 P0.0P0.7 ，P2.0P2.3 口與 LED 顯示模塊對應的引腳用排 線連接起來，即可進行實驗。其連法如圖 3-3 所示：P0.0P0.7 是控制數(shù)碼管 顯示的數(shù)據(jù)口，而 P2.0P2.3 為數(shù)碼管的位選端，4 個數(shù)碼管采用動態(tài)顯示的 方法顯示。如圖 3-3 所示。 圖 3-3 實驗板的數(shù)碼管顯示電路 3.4 流水燈顯示模塊設

16、計 用 5V 電源給單片機供電，并把單片機的 P0.0P0.7 口與流水燈模塊的 8 個引腳用排線連接起來，每個發(fā)光二極管外接一個 1K 電阻，防止電流過大而燒 壞發(fā)光二極管。其連法如圖 3-4 所示。 圖3-4 實驗板的流水燈顯示電路 3.5 發(fā)聲模塊設計 發(fā)聲模塊電路原理圖如圖3-4所示，信號由P3.4引腳進入三極管進行放大， 推動蜂鳴器SPK發(fā)聲。該部分只用3個元件，三極管型號為8550，蜂鳴器為微型 壓電式。如圖3-5所示。 圖3-5 實驗板的發(fā)聲電路 3.6 串口通信模塊設計 單片機的 P3.0、3.1 引腳與串口通信模塊中的 RS-232 的 12、1 引腳相連， 而 13、4 引

17、腳接到 9 引腳的連接器的 7 引腳上，連接器的 5 腳接電路板的地， 連接器的另一端連到 PC 機上。如圖 3-6 所示。 圖3-6 實驗板的液晶顯示電路 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設計 實驗板的軟件設計是在硬件電路板的基礎上，通過匯編程序來實現(xiàn)的。下 面是一些測試程序。 4.1 LED 模塊的程序設計 功能說明：設計出一個 4 位顯示的電子時鐘，對于單片機初學者來說，設 計一個電子時鐘真的是很有用的，其中要理解的東西有很多，如 P0 口的數(shù)據(jù)傳 送；P2 口的位控制，也就是數(shù)碼管的位選通；數(shù)碼管數(shù)字顯示代碼；延時的處 理；數(shù)碼管動態(tài)顯示；還有的就是中斷子程序的設計，感覺這個是最難的，因 為單片

18、機的計秒不是人類的大腦思維，如果讓計算機實現(xiàn) 1 秒后實現(xiàn)中斷的效 果，是最大的難處。還其他的一些知識的應用，及算法的實現(xiàn)，如果以后要擴 展成一個電子鬧鐘，可能還要應該到中斷優(yōu)先級相關的知識。程序流程圖見圖 4-1。 開始 設置 T0 為 16 位 定時器 給 TH0 和 TL0 附初識值 定時 10ms 全局中斷和 T0 中斷 顯示時間 圖 4-1 LED 顯示程序流程圖 4.2 鍵盤模塊的軟件設計 功能說明：使用鍵盤通過掃描方法控制顯示器輸出。根據(jù)鍵盤的工作原理， 因此我們可以設計出程序流程如圖 4-2 所示。 否 否 否 否 是 是 是 是 開始 P1 口置 0 第一列清 0 第一行是否

19、為 0 第二行是否為 0 第三行是否為 0 第四行是否為 0 第二列清 0 以下同上 計算按鍵值 返回 圖 4-2 鍵盤程序流程圖 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析 5.1 使用的儀器儀表 數(shù)字萬用表 DT9203 單片機仿真器 WAVE6000 燒寫器 GF2100 雙蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 DH1718E-5 5.2 系統(tǒng)調(diào)試 在系統(tǒng)功能設定，硬件電路板的制作和軟件程序的編寫過程中都對實驗板 進行了嚴格的檢查。對于手工編寫好的程序，必須使用開發(fā)軟件進行編譯連接 等過程，最終生成目標文件，然后再通過編程器下載到單片機當中測試。 5.2.1 硬件調(diào)試 硬件電路板制作完成后，主要利用萬用表對電路板的線

20、路連接狀況、各元 器件的焊接情況進行檢查。 5.2.2 軟件調(diào)試 利用實驗板對所編寫的程序進行調(diào)試。硬件電路板是否支持程序執(zhí)行，各 子程序功能的能否具體實現(xiàn)，對出錯的程序進行修改。 5.2.3 硬件軟件聯(lián)調(diào) 完成以上調(diào)試后便可將調(diào)試成功的程序錄入到 AT89S51 芯片中，在實驗中 進行調(diào)用。 5.3 測試結(jié)果 5.3.1 流水燈顯示測試結(jié)果 將寫入程序的單片機插入實驗板，接通電源后會看到LED在不斷地向右移動 t當移到最右端后，又回到最左端重新開始向右移動，不斷循環(huán)。 5.3.2 用矩陣鍵盤控制 LED 測試結(jié)果 鍵盤上字符排序與該程序中的編碼表TABLE中代碼的排序是相同的，例如， 按下第

21、一排左數(shù)第一個鍵，數(shù)碼管顯示器將顯示0；按下第一排左數(shù)第二個鍵， 數(shù)碼管顯示1。按鍵盤中不同鍵號，顯示器將會顯示出相應的十六進制數(shù)。 5.3.3 音樂發(fā)聲實驗測試結(jié)果 將程序?qū)懭雴纹瑱C后，當接通實驗板上蜂鳴器的控制插針后，聽到變頻報 警聲。 結(jié) 論 51 單片機開發(fā)板也稱 51 單片機實驗板、51 單片機學習板,是用于學習 51 型號的單片機的實驗及學習器件，它將 51 單片機常用的外圍（比如流水燈、 數(shù)碼管、 eeprom、時鐘、繼電器等）集成在一小塊電路板上，可以直接插在 pc 機上面，便于攜帶和學習，另外一些中小型項目也可以直接在此板上面進行 二次開發(fā)，開發(fā)完成后即可以在此基礎上重新畫圖

22、做板，極大地縮短了公司的 開發(fā)周期，節(jié)省硬件成本。本開發(fā)板在以 c51 單片機為核心控制器的基礎上， 對外圍電路進行了設計，包括復位電路、時鐘電路、顯示電路、聲光報警電路、 記憶存儲電路、下載電路等，主要實現(xiàn)了程序下載和調(diào)試功能，可以用于各類 通用實驗、軟硬件測試和 51 單片機的學習，具有操作簡單、性價比高和可靠 性高特點，因此具有一定的實用價值和現(xiàn)實意義。 本系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲器、I/ O口的擴展,能進行A/ D 與D/ A 轉(zhuǎn)換、鍵盤 與顯示及串行口通訊等接口實驗. 學生如適當增加局部電路,可作為實際控制板 使用.學生進行原理設計后可很快在該實驗板上進行軟件開發(fā)與調(diào)試,改變了原 始方式,

23、增強了系統(tǒng)的可靠性,大大提高了學生自己設計控制系統(tǒng)的成功率. 參考文獻 1潘永雄.新編單片機原理與應用M.西安電子科技大學出版社,2003. 2丁元杰.單片微機原理與應用M.機械工業(yè)出版社,2006. 3朱定華.單片微機原理及接口技術實驗M.北方交通大學出版社,2002. 4付家才.單片機控制工程實踐技術M.化學工業(yè)出版社,2004. 5楊麗鳳,王艷秋,張軍.單片機原理與接口技術M.清華大學、北方交通大學出 版社,2004. 6張友德.單片微型機原理、應用與實驗M.復旦大學出版社,2000. 7王雷,鐘愛琴.AT89系列單片機原理與接口技術M.北京航空航天大學,2004. 8周航慈.單片機程序

24、設計基礎M.北京航空航天大學,2003. 9孫江宏,李良玉.Protel99電路設計與應用M.機械工業(yè)出版社,2004. 10張吉春.藍牙技術及應用J.中國人民公安大學學報,2003(04). 11楊春光,余勝生.藍牙技術綜述J.當代通信，2003(21). 12孟建華,郝晉霞.AT89S 系列單片機及在線編程技術西安工程科技學報,2006. 附錄 1 程序 流水燈的程序 ORG 0000H AJMP START ORG 0040H START： MOV P1， #0FFH CALL DELAY CALL DELAY MOV P1， #01H LOOP： CALL DELAY MOV A， P

25、1 RL A MOV P1， A SJMP LOOP DELAY：MOV R1， #00H DEL1： MOV R6， #00H DJNZ R6， $ DJNZ R1， DEL1 RET 串口通信模塊的程序 ORG 0000H JMP START ORG 0030H START： MOV SCON， #50H MOV TMOD， #20H MOV PCON， #80H MOV TH1， #0FAH MOV TL1， #0FAH SETB TR1 WRIT： MOV A，#0AFH MOV SBUF， A MOV R5， #09H LOOP： CALL DELAY DJNZ R5，LOOP AJ

26、MP WRIT ； DELAY： MOV R6， #00H DEY2： MOV R7， #00H DJNZ R7， $ DJNZ R6， DEY2 RET 音樂模塊的程序 ORG 0000H LJMP START ORG 000BH START:MOV SP,#50H MOV TH0,#0D8H MOV TL0,#0EFH MOV TMOD,#01H MOV IE,#82H MUSIC0:NOP MOV DPTR,#DAT MOV 20H,#00H MUSIC1:NOP CLR A MOVC A, A+DPTR CJNE A,#0FFH,MUSIC5 LJMP MUSIC3 MUSIC5: NOP MOV R6,A INC DPTR MOV A,#0 MOVC A,A+DPTR MOV R7,A MOV R0,#0FFH MUSIC2:NOP CPL P3.3 MOV A, R6 MOV R3,A LCALL DEL MOV A,R7 CJNE A, 20H,MUSIC2 MOV 20H,#00H