51单片机实验开发板设计.doc

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2012 年 7 月 8 日 课 程 单片机课程设计 题 目 51 单片机实验开发板设计 院 系 电气信息工程学院测控系 专业班级 测控 09 学生姓名 学生学号 指导教师 东北石油大学课程设计任务书 课程 单片机课程设计 题目 51 单片机实验开发板设计 专业 测控技术与仪器 姓名 学号 一、任务一、任务 设计一款基于 proteus7.2 仿真软件实现的 51 单片机实验开发板。 二、设计要求二、设计要求 1 该实验开发板力求单片机 io 口分配合理，实验板硬件资源丰富。 2 外围电路设计合理，程序例程正确。 3 基本电路包括：单片机最小系统、8 位流水灯电路、led 显示电路、蜂鸣 器电路、键盘电路、1602 及 12864 液晶显示电路。 4 提交设计报告、电路图及程序源码。 三、参考资料三、参考资料 1 潘永雄.新编单片机原理与应用m.西安电子科技大学出版社,2003. 2 丁元杰.单片微机原理与应用m.机械工业出版社,2006. 3 朱定华.单片微机原理及接口技术实验m.北方交通大学出版社,2002. 4 付家才.单片机控制工程实践技术m.化学工业出版社,2004. 5 杨丽凤,王艳秋,张军.单片机原理与接口技术m.清华大学、北方交通大学 出版社,2004. 完成期限 2012.6.29 至 2012.7.8 指导教师 专业负责人 曹广华 2012 年 6 月 29 日 51 单片机实验开发板设计 目目 录录 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1 1.1 单片机现状与发展 .2 1.2 单片机的性能特点 .2 1.3 本设计任务 .3 第第 2 2 章章 总体方案论证与设计总体方案论证与设计 3 3 2.1 电源 .4 2.2 显示功能方案 .4 2.3 电位指示选择 .4 2.4 总体硬件组成框图 .4 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计6 6 3.1 单片机最小系统 .6 3.2 键盘模块设计 .6 3.3 led 显示模块设计7 3.4 流水灯显示模块设计 .8 3.5 发声模块设计 .9 3.6 串口通信模块设计 .9 第第 4 4 章章 系统的软件设计系统的软件设计1010 4.1 led 模块的程序设计10 4.2 键盘模块的软件设计 .11 第第 5 5 章章 系统调试与测试结果分析系统调试与测试结果分析1212 5.1 使用的仪器仪表 12 5.2 系统调试 12 5.3 测试结果 13 结结 论论1414 参考文献参考文献1515 附录附录 1 1 程序程序 1616 51 单片机实验开发板设计 第 1 章 绪论 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，许多集成电路生产 厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，mcs51 系 列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领 了市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前，可用于 mcs51 系列单片 机开发的产品越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因 此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。 1.1 单片机现状与发展 单片机属于第四代微型计算机的一个重要分支。单片机是把中央处理器 cpu，随机存取存储器 ram，只读存储器 rom,定时器/计数器以及 i/o 接口电路 等主要计算部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机的应用导致 了控制领域的一场革命，是微控制技术逐步取代传统的硬件控制。近十几年来， 单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和 办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、 价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花 控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅 速，它己渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。 mcs-51 系列中的一片 89c51 芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。从 cpu、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或 数据采集、处理及通信传输的信息处理机，mcs-51 单片机指令系统中为适应控 制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令;cpu 时钟高达 12mhz，完成单字节乘法或除法运算器件分军用和民用两级，民用产品主要用于 办公室及机房环境，工作温度在 0-701c，军用产品要求在恶劣环境条件下稳定 工作，工作温度在-65125:工业级产品的性能介于以上两者之间，在- 40+85c 温度环境可正常工作。工业产品可靠性比民用产品强，而价格较军用 品低。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选择工业级芯片，保证系统 可靠性。 1.2 单片机的性能特点 51 单片机实验开发板设计 单片机芯片作为控制系统的核心部件，除了具备通用微机 cpu 的数值计算 功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控 制系统的输出量，实现自动控制的目的。由于单片机主要面向工业控制，工作 环境比较恶劣，加高温、强电磁干扰，甚至合有腐蚀性气体；在太空小工作的 单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力。因而，决定了单片机 cpu 与通用微 机 cpu 具有小同的技术特征和发展方向。 80c51 系列新一代 8 位单片机的主要特点： 普遍采用 cmos 工艺，除了具有节电运行模式和掉电数据保护功能外，整 机功耗比采用 hmos 工艺的 80c51 系列低。 片内存储器容量大，规格多，程序存储器类型也趋于多样化。该系列不 同品种的片内程序存储器容量从 4kb 扩展到 8kb、16kb，甚至 32kb，数据存储 器容量从 128b 扩展到 512b。片内程序存储器类型不仅限于掩模 rom 和 eprom， 普遍采用 otp eprom(一次性编程的 epr()m，简称 top rom。 最高时钟频率从 12mhz 提高到 16mhz、24mhz、33mhz ，甚至 40mhz ， 指令执行时间大大缩短，增强了这些产品的实时处理能力。 工作电压低、范围宽(18v6ov)，可用电池供电，便于野外作业使 用。 扩展了接口电路功能，如增加了高速 i/o 接口，扩展了 i/o 口引线数目。 部分型号增加了定时计数器的个数，还扩展了定时计数器的功能。 部分型号增加厂定时复位功能，提高了抗干扰能力。 强化并且完善了串行通信功能。 封装形式多样化，同一型号的 cpu，具有多种封装形式，如 pdip 封装、 cdip 封装、plcc(方形壁插塑封)、clcc(方形壁插陶瓷封装)、pqfp(塑料方形 四边引线扁平封装)，部分产品还采用了 bga(球形网格阵列)封装。 1.3 本设计任务 本课题设计了一款单片机实验开发系统，该系统可以实现专业基础课、专 业课(单片机原理与应用，单片机接口技术等)、课程设计和毕业设计的实验。 实验板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实现简单的测试实验。本 论文包括硬件系统的详细设计及汇编语言在基本控制中的应用。 51 单片机实验开发板设计 第 2 章 总体方案论证与设计 单片机实验开发板是一个实际应用的系统，能够为相关专业的学生开设单 片机实验提供支持。此实验板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实 现简单的综合验证实验。本论文包括硬件系统的详细设计及汇编语言在基本控 制中的应用。此实验板设计的功能如下： 2.1 电源 方案一：变压器变压整流但这不仅体积大而且也很重，也不方便携带。 方案二：采用平常生活中比较经常遇到的电源，如 usb 电源、电池等。 比较以上两种方案，系统设计中采用方案二。 2.2 显示功能方案 方案一：采用 74ls138 和 74ls248 分别驱动 4 个七段码共阴极 led 来显示， 这样占用的 i/o 端口少，但显示的字符有限。 方案二：采用分立元件加上拉电阻，不仅可以显示七段译码器的字符，还 可以显示 h（点）等其他的字符。比较以上两种方案，系统设计中采用方案二。 2.3 电位指示选择 方案一：电压表精确度比较高显示直观，同时设计也比较复杂。 方案二：逻辑电笔工作原理简单，体积小，并且该系统中大部分都是数字 信号状态明显，所以采用逻辑电笔观察各点的电位更为直观。因此该系统采用 逻辑电笔。比较以上两种方案，系统设计中采用方案二。 2.4 总体硬件组成框图 51 单片机实验开发板设计 系统设计以mcs-51系列单片机中8031，8051，89c51作为cpu进行系统扩展， 将数据存储器、程序存储器、1/o口扩展、串行口通讯、led显示、键盘与显示 等多种功能模块集成于一体。系统硬件结构布局如图2-1所示： 图 2-1 总体硬件组成框图 51 单片机 电源电路 按键 发声模块 流水灯模块 串行口模块 led 显示模块 51 单片机实验开发板设计 第 3 章 系统硬件设计 本论文设计的单片机实验开发板是以 at89s51 作为主控制芯片，串口通信 芯片 max232、db9 插座、液晶显示器、按键开关等元器件组成，通过软硬件结 合实现键盘扫描、液晶显示、数码显示、与上位机串行通信、io 口扩展等功 能。一方面，它能作为学生简单实验的工具，另一方面，它也是综合型单片机 系统设计的基础，可扩展许多其它功能。 3.1 单片机最小系统 本设计中采用 at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低 电压，高性能 cmos8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 atmel 高密度非易 失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。由于 将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种 高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如 图 3-1 所示。 51 单片机实验开发板设计 图3-1 单片机最小系统 3.2 键盘模块设计 键盘是人与at89s51联系的重要手段，用于向cpu输入运行参数和控制系统 的运行状态。键盘电路形式分为直接编码输入键盘和矩阵键盘。前者接口电路 简单，一般应用于需要少量按键的控制系统。后者因占用fo引脚数少，常被按 键较多的控制系统所采用。本实验板用于学生实验，为了减少键盘电路占用uo 引脚数目，将键盘电路设计为4x4矩阵键盘形式。其中行线作为输入引脚与p0口 的p03“一p00连接，列线作为引脚与p07po4连接。实验板的键盘电路 如图3-2所示： 51 单片机实验开发板设计 图3-2 实验板的键盘电路 3.3 led 显示模块设计 把单片机的 p0.0p0.7 ，p2.0p2.3 口与 led 显示模块对应的引脚用排 线连接起来，即可进行实验。其连法如图 3-3 所示：p0.0p0.7 是控制数码管 显示的数据口，而 p2.0p2.3 为数码管的位选端，4 个数码管采用动态显示的 方法显示。如图 3-3 所示。 图 3-3 实验板的数码管显示电路 3.4 流水灯显示模块设计 用 5v 电源给单片机供电，并把单片机的 p0.0p0.7 口与流水灯模块的 8 个引脚用排线连接起来，每个发光二极管外接一个 1k 电阻，防止电流过大而烧 坏发光二极管。其连法如图 3-4 所示。 51 单片机实验开发板设计 图3-4 实验板的流水灯显示电路 3.5 发声模块设计 发声模块电路原理图如图3-4所示，信号由p3.4引脚进入三极管进行放大， 推动蜂鸣器spk发声。该部分只用3个元件，三极管型号为8550，蜂鸣器为微型 压电式。如图3-5所示。 图3-5 实验板的发声电路 3.6 串口通信模块设计 51 单片机实验开发板设计 单片机的 p3.0、3.1 引脚与串口通信模块中的 rs-232 的 12、1 引脚相连， 而 13、4 引脚接到 9 引脚的连接器的 7 引脚上，连接器的 5 脚接电路板的地， 连接器的另一端连到 pc 机上。如图 3-6 所示。 图3-6 实验板的液晶显示电路 第 4 章 系统的软件设计 实验板的软件设计是在硬件电路板的基础上，通过汇编程序来实现的。下 面是一些测试程序。 4.1 led 模块的程序设计 功能说明：设计出一个 4 位显示的电子时钟，对于单片机初学者来说，设 计一个电子时钟真的是很有用的，其中要理解的东西有很多，如 p0 口的数据传 送；p2 口的位控制，也就是数码管的位选通；数码管数字显示代码；延时的处 理；数码管动态显示；还有的就是中断子程序的设计，感觉这个是最难的，因 为单片机的计秒不是人类的大脑思维，如果让计算机实现 1 秒后实现中断的效 果，是最大的难处。还其他的一些知识的应用，及算法的实现，如果以后要扩 51 单片机实验开发板设计 展成一个电子闹钟，可能还要应该到中断优先级相关的知识。程序流程图见图 4-1。 开始 设置 t0 为 16 位 定时器 给 th0 和 tl0 附初识值 定时 10ms 全局中断和 t0 中断 显示时间 图 4-1 led 显示程序流程图 4.2 键盘模块的软件设计 功能说明：使用键盘通过扫描方法控制显示器输出。根据键盘的工作原理， 因此我们可以设计出程序流程如图 4-2 所示。 51 单片机实验开发板设计 否 否 否 否 是 是 是 是 开始 p1 口置 0 第一列清 0 第一行是否为 0 第二行是否为 0 第三行是否为 0 第四行是否为 0 第二列清 0 以下同上 计算按键值 返回 图 4-2 键盘程序流程图 第 5 章 系统调试与测试结果分析 51 单片机实验开发板设计 5.1 使用的仪器仪表 数字万用表 dt9203 单片机仿真器 wave6000 烧写器 gf2100 双踪稳压稳流电源 dh1718e-5 5.2 系统调试 在系统功能设定，硬件电路板的制作和软件程序的编写过程中都对实验板 进行了严格的检查。对于手工编写好的程序，必须使用开发软件进行编译连接 等过程，最终生成目标文件，然后再通过编程器下载到单片机当中测试。 5.2.1 硬件调试 硬件电路板制作完成后，主要利用万用表对电路板的线路连接状况、各元 器件的焊接情况进行检查。 5.2.2 软件调试 利用实验板对所编写的程序进行调试。硬件电路板是否支持程序执行，各 子程序功能的能否具体实现，对出错的程序进行修改。 5.2.3 硬件软件联调 完成以上调试后便可将调试成功的程序录入到 at89s51 芯片中，在实验中 进行调用。 5.3 测试结果 5.3.1 流水灯显示测试结果 51 单片机实验开发板设计 将写入程序的单片机插入实验板，接通电源后会看到led在不断地向右移动 t当移到最右端后，又回到最左端重新开始向右移动，不断循环。 5.3.2 用矩阵键盘控制 led 测试结果 键盘上字符排序与该程序中的编码表table中代码的排序是相同的，例如， 按下第一排左数第一个键，数码管显示器将显示0；按下第一排左数第二个键， 数码管显示1。按键盘中不同键号，显示器将会显示出相应的十六进制数。 5.3.3 音乐发声实验测试结果 将程序写入单片机后，当接通实验板上蜂鸣器的控制插针后，听到变频报 警声。 结 论 51 单片机实验开发板设计 51 单片机开发板也称 51 单片机实验板、51 单片机学习板,是用于学习 51 型号的单片机的实验及学习器件，它将 51 单片机常用的外围（比如流水灯、 数码管、 eeprom、时钟、继电器等）集成在一小块电路板上，可以直接插在 pc 机上面，便于携带和学习，另外一些中小型项目也可以直接在此板上面进行 二次开发，开发完成后即可以在此基础上重新画图做板，极大地缩短了公司的 开发周期，节省硬件成本。本开发板在以 c51 单片机为核心控制器的基础上， 对外围电路进行了设计，包括复位电路、时钟电路、显示电路、声光报警电路、 记忆存储电路、下载电路等，主要实现了程序下载和调试功能，可以用于各类 通用实验、软硬件测试和 51 单片机的学习，具有操作简单、性价比高和可靠 性高特点，因此具有一定的实用价值和现实意义。 本系统能实现数据存储器、i/ o口的扩展,能进行a/ d 与d/ a 转换、键盘 与显示及串行口通讯等接口实验. 学生如适当增加局部电路,可作为实际控制板 使用.学生进行原理设计后可很快在该实验板上进行软件开发与调试,改变了原 始方式,增强了系统的可靠性,大大提高了学生自己设计控制系统的成功率. 51 单片机实验开发板设计 参考文献 1潘永雄.新编单片机原理与应用m.西安电子科技大学出版社,2003. 2丁元杰.单片微机原理与应用m.机械工业出版社,2006. 3朱定华.单片微机原理及接口技术实验m.北方交通大学出版社,2002. 4付家才.单片机控制工程实践技术m.化学工业出版社,2004. 5杨丽凤,王艳秋,张军.单片机原理与接口技术m.清华大学、北方交通大学出 版社,2004. 6张友德.单片微型机原理、应用与实验m.复旦大学出版社,2000. 7王雷,钟爱琴.at89系列单片机原理与接口技术m.北京航空航天大学,2004. 8周航慈.单片机程序设计基础m.北京航空航天大学,2003. 9孙江宏,李良玉.protel99电路设计与应用m.机械工业出版社,2004. 10张吉春.蓝牙技术及应用j.中国人民公安大学学报,2003(04). 11杨春光,余胜生.蓝牙技术综述j.当代通信，2003(21). 12孟建华,郝晋霞.at89s 系列单片机及在线编程技术西安工程科技学报,2006. 51 单片机实验开发板设计 附录 1 程序 流水灯的程序 org 0000h ajmp start org 0040h start： mov p1， #0ffh call delay call delay mov p1， #01h loop： call delay mov a， p1 rl a mov p1， a sjmp loop delay：mov r1， #00h del1： mov r6， #00h djnz r6， $ djnz r1， del1 ret 串口通信模块的程序 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 ajmp writ ； delay： mov r6， #00h dey2： mov r7， #00h djnz r7， $ 51 单片机实验开发板设计 djnz r6， dey2 ret 音乐模块的程序 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 in