单片机最小应用系统设计报告-计数器设计.doc

微机单片机接口设 计 报 告指导老师: 学 生: 学 号: 机电工程学院 单片机最小应用系统设计报告一、设计题目1二、设计内容与要求1三、设计目的要求和意义13.1 设计的目的要求13.2 系统设计意义1四、系统硬件电路图设计2五、程序流程图与源代码35.1 程序流程图35.2 程序源代码3六、系统功能分析与说明66.1单片机部分66.2预置初值跟按键识别电路116.3二极管显示电路126.4电路板的制作12七、设计总结14八、参考文献16一 设计题目：计数器设计二 设计内容与要求用at89s51单片机实现可预置、可逆的4位计数器。要求p1.0p1.3接四个发光二极管l1l4，用来指示当前技术的数据；p3.0p3.3作为预置数据的输入端，接四个拨动开关k1k4。用p3.6/wr和p3.7/rd端口接两个轻触开关，用作加计数和减计数的开关。三 设计目的要求和意义3.1 设计的目的要求1.进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理，加深对单片机理论知识的理解；2.掌握单片机内部功能模块。如定时器/计数器、中断系统、存储器、i/o口等；3.掌握单片机的接口及相关外围芯片的特性、使用与控制方法；4.掌握单片机的编程方法，调试方法；5.掌握单片机应用系统的构建和使用，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好的基础；6.学会使用并熟练掌握电路绘制软件protel99se（或dxp）；7.掌握电路图绘制及pcb图布线技巧。3.2 系统设计意义1、在掌握单片机相应基础知识的前提下，熟悉单片机最小应用系统的设计方法及系统设计的基本步骤；2、完成所需单片机最小应用系统原理图设计绘制的基础上完成系统的电路图设计；3、完成系统所需的硬件设计制作，在提高实际动手能力的基础上进一步巩固所学知识；4、进行题目要求功能基础上的软件程序编程，会用相应软件进行程序调试和测试工作；5、通过单片机应用系统的设计将所学的知识融会贯通，锻炼独立设计、制作和调试单片机应用系统的能力；领会单片机应用系统的软、硬件调试方法和系统的研制开发过程，为进一步的科研实践活动打下坚实的基础。四 系统硬件电路图设计整个设计主要包括单片机基本的晶振电路，上电复位电路，设计中需要的二极管，开关、按键等。具体的电路图如下图1所示：图1 系统原理图五 程序流程图与源代码5.1 程序流程图开 始读取预置值并显示加数器按键成功识别否?加数器按键成功识别否?计数器加1计数到16吗？回到预置值计数器减1计数到0吗？回到预置值指示计数值5.2 程序源代码#include unsigned char curcount;void delay10ms(void) unsigned char i,j; for(i=20;i0;i-) for(j=248;j0;j-);void main(void) curcount=p3 & 0x0f; p1=curcount; while(1) if(p3_6=0) delay10ms(); if(p3_6=0) if(curcount=15) curcount=15; else curcount+; p1=curcount; while(p3_6=0); if(p3_7=0) delay10ms(); if(p3_7=0) if(curcount=0) curcount=0; else curcount-; p1=curcount; while(p3_7=0); 六 系统功能分析与说明本次设计的单片机最小系统包括：单片机at89s51部分，预置初值跟按键识别部分，二极管显示部分以及软件设计部分。下面就针对其中部分的特点进行简要的说明。6.1 单片机部分1.at89s51介绍at89s51单片机是美国atmel公司生产的低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集flash程序存储器，既可在线编程（isp）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，atmel公司的功能强大，低价at89s51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。图2 at89s51引脚图at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含8k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及89c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元，功能强大的微型计算机的at89s51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。at89s51具有如下特点：40个引脚，8k bytes flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。at89s51有两种节电运行模式：空闲模式和掉电模式。 （1）空闲模式 在空闲模式下，cpu处于睡眠状态，振荡器和所有片内外围电路仍然有效。空闲模式可由软件设置进入（设idl1）。在这种模式下，片内ram和sfr中的内容保持不变。空闲模式可通过任何一个允许中断或硬件复位退出。 若用硬件复位方式结束空闲模式，则在片内复位控制逻辑发生作用前长达约两个机器周期时间内，器件从断点处开始执行程序。片内硬件禁止访问内部ram，但不禁止访问端口。为避免采用复位方式退出空闲模式时对端口的不应有的访问，在紧随设置进入空闲指令（即设idl1）的后面，不能是写端口或外部ram的指令。（2）掉电模式引起掉电模式的指令是执行程序中的最后一条指令（使pd1的指令）。在掉电模式下，振荡器停止工作，cpu和片内所有外围部件均停止工作，但片内ram和sfr中的内容保留不变，直到掉电模式结束。 退出掉电模式可用硬件复位或任何一个有效的外部中断int0和int1。复位可重新设置sfr中的内容，但不改变片内ram中的内容。在vcc电源恢复到正常值并维持足够长的时间之后，允许振荡器恢复并达到稳定，方可进行复位，以退出掉电模式。mcs-51系列单片机的并行i/o口接口电路是微机必不可少的组成部分，并行输入确出接口是cpu和外部进行信息交换的主要通道。msc51系列单片有4个8位并行双向i/o口p0p3，共32根i/o线。每一根线能独立用作输入或输出。单片机可以外接键盘、显示器等外围设备还可以进行系统扩展，以解决硬件资源不足问题。4个并行口都是双向口，既可以输入又可以输出。p0、p2口经常作外部扩展存储器时的数据、地址线，p3口除作i/o口外，每一根都有第二功能。这4个i/o口结构基本相同，但仍存在差别。(1) p1口是最常用的i/o口如图3所示，因为不作数据地址线，其结构中没有数据地址线，也没有多路开关mux，输出驱动电路接有上拉电阻。p1口输入输出时与p0作i/o时相似，输出数据时先写入锁存器，经q端反相，再经场效应管反相输出到引脚。输入时，先向锁存器写l，使v管截止外部引脚信号由下方读缓冲器送入内部总线，完成读引脚操作。p1口也可以读锁存器。外部提升电阻将引脚拉升至高电平，但输人的低电平信号能将其拉低，不会影响低电平的输入。图3 p1口一位结构 (2) p2口的位结构比p1多了一个控制转换部分如图4所示，结构与p0口基本相似，如下图所示。p2口改p0推拉式输出驱动电路为上拉电阻式，当控制信号s为低电平，作i/o口使用时，多路开关mux使锁存器输出端q与输出驱动输入端接通，构成一个准双向口。此外，当外部扩展存储器时，p2口常做高8位地址线使用。图4 p2口一位结构下表中概括了单片机中使用到的并行口p1、p2功能： 表1 p1、p2功能一览表2.晶振电路图5 系统晶振电路系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路（如图5所示）。at89s单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容c1和c2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12mhz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22f。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。3.复位电路复位使单片机处于起始状态，并从此状态开始运行mcs5-51单片机rst引脚为复位端，该引脚连续保持2个机器周期(24个时钟振荡周期)以上的高电平。可使单片机复位。本论文使用的是外部复位电路，单片机在启动后要从复位状态开始运行，因此上电时要完成复位工作，称上电复位，如图6a所示。上电瞬间电容两端的电压不能发生突变，只rst端为高电平5v，上电后电容通过及rc电路放电rst端电压逐渐下降，直至低电平0v，如图6c所示。适当选择r、c的值，使rst端的高i电平维持2个机器周期以上即可完成复位。单片机l在运行过程中，出于本身或外并干扰的原因会导致出错。这时可按复位键以重新开始远行，按键复位可分为按键电平复位或按健脉冲复位，如图6b所示。按键脉冲复位和上电平复值的原理是一样的，都是利用rc电路的放电原理，如图6d所示。让rst端能保持一段时间的高电平，以完成复位，按键电平复位时，按键时间也应保持在两个机器周期以上。(a) 上电复位 (b) 按键电平复位 (c) rc放电过程 (d) 电平复位过程图6 单片机常用复位电路根据设计要求和计算简便的原则，我们选择12m的石英晶振、30pf的电容、+5v电源，最小系统如下：图7 单片机最小系统6.2 预置初值跟按键识别电路图8 预置初值跟按键识别电路 如图8所示，系统中的预置值有开关k1、k2、k3、k4控制，他们分别连接单片机中的p3.0/rxd、p3.1/txd、p3.2/int0、p3.3/int1引脚。如当k1、k2、k3、k4开关都打向接地端时，预置计数器的数值为0000（二进制），即四个二极管都不亮。而整个系统的加减计数则由按键sp1跟sp2来控制，它们分别连接单片机中的p3.6/wr、p3.7/rd引脚。当sp1按一下时，计数器加1；当sp2按一下时，计数器减1。6.3 二极管显示电路 图9 二极管显示电路如图9所示，输出电路由发光二极管和电阻组成。其中区域中的l1l4上要求：p1.0对应着l1，p1.1对应着l2，p1.2对应着l3，p1.3对应着l4；四个r1为限流电阻，电压为+5v情况下，其电阻值是由l1、l2、l3、l4的驱动电压有关，一般发光二极管的开启电压为2v左右，所以限流电阻值取220k。这样保证发光二极管能够正常工作。6.4 电路板的制作protel99功能强大，为我们进行电子电路原理图和印制板图的设计提供了良好的操作环境。用protell99进行电路设计分为两大部分：原理图的设计和电路板的设计。原理图的设计实在sch系统中进行的，电路原理图是印刷板电路设计的基础，只有设计好原理图才有可能进行下一步的电路板设计。用protel99进行电路板设计的第一步是其原理图的设计。显然，原理图决定整个电路的基本功能，也是接下来生成网表和设计印刷板电路的基础。具体步骤如下：（1）图面设置： protel99允许用户根据电路的规模设置图面的大小，按照偏好和习惯设置图面的样式。实际上，设置图面就是设置了一个工作平面，以后的工作就要在这个平面上进行。所以图面应该设置得足够大，为进一步工作提供一个足够大的工作空间。（2）放置元件： 所谓放置元件就是从元件库中选取所需得元件，将其布置到图面上合适的位置，有时还要重定义元件的编号、封装。元件的封装很重要，要根据元件的实际尺寸和实际封装来决定，要是元件没封装好，将会给以后电路板的制作带来很大的麻烦。这些都是下一步工作的基础。protel99为用户提供了一个非完备的元件库，并且允许用户对这个元件库进行编辑或者新建自己的元件库。电路板的制作过程：(1) 打印：将生成的pcb图打印到热转印纸上，需注意线不能太窄，墨要加重，否则制板时容易断线，如果在操作过程中断了线，可用电烙铁将锡带过。(2) 熨烫：将热转印纸覆在铜板上，用电熨斗进行熨烫，关键要注意熨烫的时间，不能太久，也不能时间太短，否则，太久会把铜板烫坏，不够的话墨迹覆不上去。(3) 腐蚀：把铜板放到三氯化铁溶液中腐蚀，需注意溶液浓度要较高，最好用热水配置，这样腐蚀更快，一般3分钟即可。如果时间过长，需剩下的铜线也可能被腐蚀。(4) 打孔：打孔时注意钻头尺寸，本次用的钻头大小是0.712mm的，最需注意的地方是集成块的管脚，如果打孔误差大，管座就很难插上。(5) 放置元件：放置前应先打磨一下打孔后留下的毛刺，并均匀地涂上松香水（目的是防止铜线氧化，易于焊锡覆着焊盘，但多涂会导致焊接时焊点变黑，影响美观）。放置元件时注意集成块的管脚，二极管和电解电容的正负，这些都是平时比较容易出错的地方。(6) 焊接：焊接技术比较难掌握，焊锡、烙铁与焊盘的位置关系，焊锡熔化时间长短，松香水的浓度，烙铁的温度等等，都是影响焊点美观的因素。(7) 检查：检查是否有虚焊，集成块管脚位置是否正确，电源引线位置是否恰当等。检查完毕就能进行调试了。 七 设计总结1、制作了这个最小系统后，基本理解了protel软件的一些基本使用思路：(1)主要分两个部分：一个为原理图，一个为pcb图。原理图为你所要实现电路的基本原理结构，只是实现其原理的框图。一个为pcb，就是你所做的电路的具体实现形式，所做电路的大小，元件大小，导线大小都完全和做出后的电路板一模一样，做pcb的时候，要考虑到很多的因素，比如导线的宽度，焊盘大小，安全间距，元件摆放位置，元件大小，干涉情况等。(2)原理图和pcb又是有关联的，它们电气特性是一样的，在一边的修改完全可以反映到另一方面。这就使的设计思路的唯一性，也让改动变得更加合理以及人性化。(3)原理图和pcb都是由自己元件库里的元件和一些基本的电路线路组成的。在做原理图和pcb的时候，最好先把它们的元件进行统一。使得原理图和pcb能环环相扣，减少设计出错得可能性。2、在进行最小系统的编程设计时，不用以前学习的汇编编程，改用c语言进行编程。学习了单片机的c语言编程后，发现c语言编单片机程序的时候比汇编更加直观，逻辑性也更加强，也更加容易编出大的程序。由于c语言强大的逻辑功能，有时候能编出一些汇编无法或者很难编写出来的程序，或者是说用软件逻辑实现硬件控制的一些操作。虽然c编程的时候对时间延迟有些不足，但是经过网上搜索后也找到了比较好的解决办法，延迟程序编写时应该也能和汇编做到差别不大。通过这次最小系统的制作，也已经基本掌握用c编单片机程序。3、在进行电路板和元件的组装过程中，自己也摸索出一些方法。比如元件放置到电路板上的时候，最好一个模块一个模块地放上去，做好第一次（比如是单片机及其最基本电路），先检测成功，然后再计划放第二个模块。放前事先考虑好放入模块后可能出现的电气特性（比如灯的亮灭，某些引脚的高的电平的状态），放入模块后检测这些状态是否和原先设想的一