单片机实验指导书(模块化).doc

威 海 职 业 学 院实验(实训)指导书单片机应用技术课程电工教研室编制2012年9月目 录一、总体说明1二、实训一 八段数码管显示实验2三、实训二 拆字与拼字程序13四、实训三 数据排序程序实验17五、实训四 脉冲计数20六、实训五 步进电机控制实验25一、总体说明本实训指导书供2010机电一体化技术（一）使用，根据2010机电一体化技术（一）单片机应用技术课程标准编写。本实训指导书包含五个实训，分别对应课程标准中的五个学习模块。每个实训包含实训的目的及要求、硬件设计、程序编写及实训过程，还有实训的最后考核要求。总体要求：由于单片机的应用技术程序设计与硬件密切相关，所以同学在使用实训指导书的过程中，首先需要特别注意硬件设计与程序编写的密切联系，其次注意指令的正确使用，第三要注意程序结构的安排。二、实训一 八段数码管显示实验1、实训目的：（1）了解数码管动态显示的原理。（2）了解74LS164扩展端口的方法。2、实训要求：利用实验仪提供的显示电路，动态显示一行数据。3、实训设备：（1）KEIL仿真器1台（2）计算机1台4、实训准备：（1）原理图：（2）工作原理说明本实验提供了8段数码管LED显示电路，学生只要按地址输入相应数据，就可以实现对显示器的控制。显示共有6位，采用动态方式显示。8段数码管是由8155的PB0、PB1经74LS164“串转并”后输出得到。6位位码由8155的PA0口输出，经uA2003反向驱动后，选择相应显示位。74LS164是串行输入并行输出转换电路，串行输入的数据位由8155的PB0控制，时钟位由8155的PB1控制。写程序时，只要向数据位地址输出数据，然后向时钟位地址输出一高一低两个电平就可以将数据位移到74LS164中，向显示位选通地址输出高电平就可以点亮相应的显示位。本实验仪中数据位输出地址为0E102H，时钟输出地址为0E102H，位选通输出地址为0E101H（意味着P2口在执行movx指令输出地址时，为11100001B）。本实验涉及到了8155 I/O/RAM扩展芯片的工作原理及74LS164器件的工作原理，AD0至AD7接P0.0至P0.7，4号引脚接单片机的RESET，8接P2.7，9接RD，10接WR，11接ALE，7接P2.0，也就是7为1（高电位，扩展I/0）工作，8为1（高电位，非扩展RAM）。字符代码如下表：显示字型gfedcba段码001111113fh1000011006h210110115bh310011114fh4110011066h511011016dh611111017dh7000011107h811111117fh911011116fhA111011177hB11111007chC011100139hD10111105ehE111100179hF111000171h（3）程序框图：5、实验步骤：（1）将keil仿真器上40芯排线一端和实验箱上51CPU板上的40芯排针连接起来，将仿真器连接的USB或串口线与PC机对应的USB或串口连接起来，打开实验箱电源。（2）进入Keil软件界面，点击项目/打开项目。在c:keiluv23000tb51配套实验例程中选择实验一，内有ASM和C51两种程序，进入ASM文件夹打开LED项目文件，出现代码界面后，点击“调试/启动/停止调试”，进行调试界面，点击“调试/运行”可看到8段码交替显示0-F。请同学试着不使用上段文字描述的方法，自己输入程序，并通过编译、连接、调试程序，判断自己输入程序的正确与否，熟悉语句的正确格式。（3）实验程序：;八段数码管显示OUTBITequ 0e101h;位控制口（8155A口地址）CLK164equ 0e102h;段控制口(接164时钟位，8155B口地址)DAT164equ 0e102h;段控制口(接164数据位，8155B口地址)INequ 0e103h;键盘读入口（8155C口地址）LEDBufequ 60h;显示缓冲Numequ 70h;显示的数据DelayTequ 75h;org 0000hljmp StartLEDMAP:;八段管显示码db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07hdb 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71hDelay: ;延时子程序mov r7, #0DelayLoop:djnz r7, DelayLoopdjnz r6, DelayLoopretDisplayLED:mov r0, #LEDBufmov r1, #6 ;共6个八段管mov r2, #00100000b;从左边开始显示Loop:mov dptr, #OUTBITmov a, #00hmovx dptr, a ; 关所有八段管mov a, r0mov B, #8 ; 送164DLP:rlc amov r3, amov acc.0, cANL A, #0FDHmov dptr, #DAT164;数据通过8155B口D0位串行送入164movx dptr,a;并使8155B口D1位为0mov dptr, #CLK164orl a,#02hmovx dptr, a;8155B口D0位为1，产生一下上升沿，164锁存数据anl a,#0fDhmovx dptr, amov a, r3djnz B, DLPmov dptr, #OUTBITmov a, r2movx dptr, a ; 显示一位八段管mov r6, #1call Delaymov a, r2 ; 显示下一位rr amov r2, ainc r0djnz r1, Loopmov dptr, #OUTBITmov a, #0movx dptr, a ; 关所有八段管retStart:mov dptr,#0e100hmov a,#03hmovx dptr,a;03H送0e100h：8155A、B口输出，C为输入，禁止中断mov sp, #40hmov Num, #0MLoop:inc Nummov a, Nummov b, amov r0, #LEDBufFillBuf:mov a, banl a, #0fhmov dptr, #LEDMapmovc a, a+dptr ; 数字转换成显示码mov r0,a ; 显示在码填入显示缓冲inc r0inc bcjne r0, #LEDBuf+6, FillBufmov DelayT,#30DispAgain:call DisplayLED ; 显示djnz DelayT,DispAgainljmp MLoopEND6、补充内容：（1）74LS164使用说明：当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B任意一个为 低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。 引脚功能：CLOCK ：时钟输入端CLEAR： 同步清除输入端（低电平有效）A，B ：串行数据输入端QAQH： 输出端74LS164引脚图74LS164内部逻辑图极限值:电源电压7V，输入电压5.5V，工作环境温度54164是-55125，74164是-070，储存温度是-65150。真值表真值表中的注释：H高电平，L低电平，X任意电平，低到高电平跳变，QA0,QB0,QH0 规定的稳态条件建立前的电平，QAn,QGn 时钟最近的前的电平。时序图（2）8155的说明：1）8155的结构及引脚8155内部结构框图8155共有40个引脚，分述如下：AD0至AD7：地址/数据总线。/CE：片选信号线。/RD:读信号线。/WR:写信号线。ALE：地址允许锁存器，高电平有效，其下降沿将AD0AD7地址、的状态锁存到器件中。：IO接口及存储器选择信号线。PA0至PA7：PB0至PB7：PC0：AIntrPC1:A口缓冲器满信号线PC2：A口选通线PC3：BINTRPC4：B口缓冲器满信号线PC5：B口选通线RESET：复位信号线Vcc：5V电源GND：地2）8155的内部结构包括两个8位并行输入/输出端口，一个6位并行输入/输出端口，256字节的静态随机存储器RAM，一个地址锁存器，一个14位的定时器/计数器以及逻辑控制部件电路。各部件和存储器地址的选择由信号决定。当0时，单片机对8155的RAM进行读写，8155内部RAM的低8位地址为00HFFH。当1时，单片机对8155的I/O接口进行读写，8155的内部I/O口、定时器/计数器的低8位地址见下表：AD0AD7寄存器A7A6A5A4A3A2A1A0000命令/状态寄存器（命令状态口）001A口010B口011C口100定时器/计数器低8位寄存器101定时器/计数器高6位以及2位定时器/计数器输出波形工作方式位3）8155的寄存器8155只有一个控制字，将一个8位控制字写入控制命令寄存器就确定了PA口、PB口、PC口和定时器的工作方式及功能。控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置PA口、PB口、PC口的工作方式，第4、5位用来确定PA、PB口以选通输入/输出方式工作时是否允许中断请求，第6、7位用来设置定时器/计数器操作。工作方式控制字的格式如下表所示：D7D6D5D4D3D2D1D0TM2TM1IEBIEAPC2PC1PBPAPA：0，A口输入；1，A口输出。PB：0，B口输入；1，B口输出。PC2、PC1：00，ALT1方式，A、B基本输入输出，C口输入；01，ALT2方式，A、B基本输入输出，C口输出；10，ALT3方式，A口选通输入输出，B口基本输入输出，PC0为AINTR，PC1为A数据缓冲满信号线，PC2为A口选通信号线，PC3PC5输出。11，ALT4方式，A、B选通输入输出，PC0为AINTR，PC1为A数据缓冲满信号线，PC2为A选通信号线，PC3为BINTR，PC4为B数据缓冲满信号线，PC5为B选通信号线。IEA：1，允许A口中断；0，禁止A口中断。IEB：1，允许B口中断；0，禁止B口中断。TM2、TM1：00,空操作；01，停止定时器计数；10，在定时器溢出后停止它的工作；11：连续方式，当计数器被赋予初值后，立即启动定时器/计数器，当计数器正在运行时，表示置新的方式和初值，计数结束后，按新的方式和初值计数。8155的A、B可工作于基本IO方式或选通IO方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A、B选通工作时的状态控制信号线。l 基本IO工作方式：当工作于ALT1、ALT2时，A、B、C均为基本输入输出方式。该方式不需要任何状态选通信号。l 选通IO工作方式：当工作于ALT3，A口为选通IO，B口为基本IO；当设定为ALT4时，A、B均为选通IO工作方式。4）8155与单片机的连接举例：三、实训二 拆字与拼字程序任务一 拆字程序实验1、实验目的：掌握汇编语言程序设计方法。2、实验内容：把8000H地址的内容拆开，高位送8001H地址的低位，低位送8002H地址的低位，8001H、8002H地址的高位清0。本程序通常把数据送显示缓冲区时使用。3、实验器材：计算机 1台。4、实验步骤：（1）按流程图编写程序，以下是通过计算机交叉汇编得到的LST文件清单，供参考。（2）文件编译连接、装载，用鼠标点击项目/重建所有目标文件，系统自动进行编译，并弹出信息窗口，若有错误则重新修改再编译；若无错误，点击调试/启动/停止调试后进入调试状态。（3）设置观察窗口：1）用鼠标点击视图/存储器窗口，在地址栏中输入：x:0x8000；2）在8000H写入任意数据：在地址栏内选定任意数据，如：0x008000：00 00 00 00（注：初始数据均为“00”）。右键点击一初始数据“00”，在出现的对话框中点击“修改位于X：0x008000的内存”，在新弹出的对话框：输入字节于X:0x008000内输入任意数据，确定即完成数据的写入。3）单步执行观察寄存器8000H8002H的变化。5、程序框图：6、实验程序：;把指定字节的高低位拆开分别存放，多用于显示字程序ORG 0000HMOV DPTR,#8000H;指定的字节MOVX A,DPTRMOV B,A;暂存SWAP A;交换ANL A,#0FH;屏蔽高位INC DPTRMOVX DPTR,AINC DPTRMOV A,BANL A,#0FH;指定字节的内容屏蔽高位MOVX DPTR,ALOOP:SJMP LOOPEND;结束汇编任务二 拼字程序实验1、实验目的：（1）进一步掌握汇编语言设计。（2）熟悉软件调试方法。2、实验内容：把8000H、8001H两个字节的低位分别送入8002H的高位和低位。本程序一般用于把显示缓冲区数据取出拼装成一个字节。3、实验器材：计算机 1台4、实验步骤：（1）编写程序并编译成机器代码。（2）用断点或单步方式运行程序，检查8000H-8002H，A、B中内容变化情况。查看内部RAM、外部RAM断点运行方式、单步操作等参阅课本有关章节及Keil C51 uVsion2软件菜单、工具。（3）输入程序1）文件、编译、连接、装载：用鼠标点击项目/重建所有目标文件，系统自动进行编译，并弹出信息窗口，若有错误则重新修改再编译；若无错误，点击调试/启动/停止调试后进入调试状态。2）用鼠标点击视图/存储器窗口，在地址栏中输入：x:0x8000，将地址定位于8000H。3）在8000H、8001H中写入任意数据，音步执行观察存储器和数据存储区的变化。5、程序框图：6、思考问题：修改8000H、8001H内容重复上述实验。7、实验程序：;把两字节的低位合拼成一个字节，多用于显示字程序ORG 0000HMOV DPTR,#8000HMOVX A,DPTRANL A,#0FH;屏蔽高位SWAP AMOV B,A;保存INC DPTRMOVX A,DPTRANL A,#0FHORL A,B;合拼INC DPTRMOVX DPTR,A;送8002H存放LOOP:SJMP LOOPEND;结束汇编四、实训三 数据排序程序实验1、实验目的：（1）进一步掌握汇编语言设计。（2）熟悉软件调试方法。2、实验内容：自主编写主程序，并确定需要排序的数及存储位置，将存储位置赋与相应的寄存器，然后调用实验中给出的子程序进行调试，并查看实验结果。3、实验器材：计算机1台4、实验步骤：（1）编写程序并编译成机器代码。（2）建立工程文件，并作相应的器件设置与仿真设置。输入程序，加入工程中，编辑、链接，并运行程序。（3）使用查看存储器的内容观察程序运行前与运行后的数据存储有什么变化，得出结论。5、算法及程序如下：（1）算法（2）程序设计思想及程序代码：数据排序是将数据块中的数据按升序或降序排列。常采用冒泡法。冒泡法是一相邻数据互换的排列方法，同查找极大值的方法一样，一次冒泡即找到数据块的极大值放到数据块最后，再一次冒泡时，次大数排列在倒数第二位置，多次冒泡实现升序排列。设R7为比较次数计数器（内循环），R6为冒泡次数，F0为冒泡过程中是否有数据交换的状态标志，F0=0表示无交换发生，程序结束；F0=1表示有交换发生，须继续循环。R0指向RAM单元的地址指针，R3是排序数据的个数。程序如下：SORT:MOV A,R3MOV R6,ADEC R6;计算冒泡次数MOV A,R0MOV R4,A;首地址暂存R4GOON:MOV A,R4MOV R0,A;恢复首地址到R0CLR F0;清交换标志MOV A,R6MOV R7,A;设置比较次数LOOP:MOV A,R0MOV 3BH,A;取第一个数暂存3BHINC R0MOV 3AH,R0;取第二个数暂存3AHCLR CCJNE A,3AH,EXCH;第1个数与第二个数比较，不等转移LJMP NEXT;相等不用交换，转走EXCH:JC NEXT;第二个数大，不用交换，转走MOV R0,3BH;第1个数大，与第二个数交换DEC R0MOV R0,3AHINC R0;指向第二个数，为下一次比较准备SETB F0;因交换，置交换标志NEXT:DJNZ R7,LOOP;次数没有比较完，继续JNB F0,DONE;在一次冒泡中，没有交换，则排序已完成DJNZ R6,GOON;冒泡次数没有完，继续DONE:MOV A,R4MOV R0,A;恢复R0的值（首地址）RET五、实验四 脉冲计数（定时/计数器的记数功能实验）一、实验目的1、熟悉8031定时/计数功能。2、掌握初始化编程方法。3、掌握中断程序的调试方法。二、实验内容：定时/计数器0对外部输入的脉冲进行计数，并送显示器显示。三、实验器材：1、Keil仿真器1台。2、连线若干根。3、计算机1台。四、实验原理：MCS-51有两个16位的定时/计数器：T0和T1。计数和定时实质上都是对脉冲信号进行计数，只不过脉冲源不同而已。当工作在定时方式时，计数脉冲来自单片机的内部，每个机器周期使计数器加1，由于计数脉冲的频率是固定的（即每个脉冲为1个机器周期的时间），故可通过设定计数数值来实现定时功能。当工作在计数方式时，计数脉冲来自单片机的引脚，每当引脚上出现一个由1至0的电平变化时，计数器的值加1，从而实现计数功能。可能通过编程来指定时计数器的功能，以及它的工作方式。读取计数器的当前值，应读3次。这样就可以避免在第一次读完后，第二次读之前，由于低位溢出向高位进位时的错误。五、接线图案：六、程序框图：七、实验步骤：用连线把“总线插孔”的P3.4连“脉冲源”的“DOWN”孔，执行程序，按动AN锁按钮，观察数码管上的计数脉冲的个数。八、思考问题：把P3.4孔分别与“脉冲源”的2MHz、1MHz、0.5MHz孔相连时，显示值反而比0.25MHz更慢，为什么？当fosc=6MHz时，能够计数的脉冲信号最高频率为多少？九、实验程序：;“验证式”实验三 脉冲计数（定时/记数实验）;对定时器0外部输入的脉冲信号进行计数且显示OUTBIT equ 0e101hCLK164 equ 0e102h; 段控制口(接164时钟位)DAT164 equ 0e102h; 段控制口(接164数据位)LEDBuf equ 40hIN equ 0e103hORG 0000hMOV SP,#60HMOV DPTR,#0e100H;8155初始化MOV A,#03HMOVX DPTR,AMOV TMOD,#05H;定时器初始化MOV TH0,#00HMOV TL0,#00HSETB TR0LOOP0:MOV R2,TH0MOV R3,TL0LCALL LOOP1MOV R0,#40HMOV A,R6LCALL PTDSMOV A,R5LCALL PTDSMOV A,R4LCALL PTDSLCALL DISPLAYSJMP LOOP0LOOP1:CLR A;二转十子程序MOV R4,AMOV R5,AMOV R6,AMOV R7,#10HLOOP2:CLR CMOV A,R3RLC AMOV R3,AMOV A,R2RLC AMOV R2,AMOV A,R6ADDC A,R6DA AMOV R6,AMOV A,R5ADDC A,R5DA AMOV R5,AMOV A,R4ADDC A,R4DA AMOV R4,ADJNZ R7,LOOP2RETPTDS:MOV R1,A;拆字子程序ACALL PTDS1MOV A,R1SWAP APTDS1:ANL A,#0FHMOV R0,AINC R0RETDelay:mov r7, #0; 延时子程序DelayLoop:djnz r7, DelayLoopdjnz r6, DelayLoopretDISPLAY:setb 0d3hmov r0, #LEDBufmov r1, #6 ; 共6个八段管mov r2, #00000001b ; 从左边开始显示Loop:mov dptr, #OUTBITmov a, #00hmovx dptr, a ; 关所有八段管mov a, r0mov dptr,#LEDmapmovc a,a+dptrmov B, #8 ; 送164DLP:rlc amov r3, amov acc.0, canl a,#0fdhmov dptr, #DAT164movx dptr, amov dptr, #CLK164orl a,#02hmovx dptr, aanl a,#0fDhmovx dptr, amov a, r3djnz B, DLPmov dptr, #OUTBITmov a, r2movx dptr, a ; 显示一位八段管mov r6, #1call Delaymov a, r2 ; 显示下一位rl amov r2, ainc r0djnz r1, Loopmov dptr, #OUTBITmov a, #0movx dptr, a ; 关所有八段管clr 0d3hretLEDMAP: ; 八段管显示码db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07hdb 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71hEND附：74LS393中文资料:54/74393双4位二进制计数器（异步清零）简要说明:393为两个 4 位二进制计数器，共有 54/74393 和 54/74LS393 两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别):型号 fC PD54393/74393 35MHz 190mW54LS393/74LS393 35MHz 75mW异步清零端（1clear,2clear）为高电平时，不管时钟端 1A，2A 状态如何，即可以完成清除功能。当 1clear,2clear 为低电平时，在 1A,2A 脉冲下降沿作用下进行计数操作。引出端符号：1A、2A 时钟输入端（下降沿有效）1clear,2clear 异步清零端1Qa1Qd、2Qa2Qb 输出端外接管腿图：六、实验五 步进电机控制实验一、实验目的了解步进电机的工作原理，掌握用单片机的步进电机控制系统的硬件设计方法，熟悉步进电机驱动程序的设计与调试，提高单片机应用系统设计的调试水平。二、实验内容三、工作原理步进电机是工业过程控制及仪表中常用的控制元件之一，例如在机械装置中可以用丝杠把度变为直接位移，也可以用步进电机带螺旋电位器，调节电压或电流，从而实现对执行机构的控制。步进电机可以直接接收数据信号，不必进行数模转换，用起来非常方便。步进电机还具有快速启停、精确步进和定位等特点，因而在数控机床、绘图仪、打印机及光学仪器中得到广泛应用。步进电机实际上是一个数字/角度器，三相步进电机的结构原理如图所示。从图中可以看出，电机的定子上有六个等分磁极，A、A、B、B、C、C，相邻的两个磁极之间夹角为60，相对的两个磁极组成一相，当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成N极和S极，每个磁极上各有五个均匀分布矩形小齿，电机的转子上有40个矩形小齿均匀地分布在圆周上，相邻两个齿之间夹角为9。三相步进电机结构示意图当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路，如果这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的原因。例如在三相三拍控制方式中，若A相通电，B、C相都不通电，在磁场作用下使转子齿和A相的定子齿对齐，我们以此作为初始状态。设与A相磁极中心线对齐的转子的齿为0号齿，由于B相磁极与A相磁极相差120，不是9的整数倍，所以此时转子齿没有与B相定子的齿对应，只是第13齿靠近B相磁极的中断线，与中心线相差3，如果此时突然变为B相通电，A、C相不通电，则B相磁极迫使13号转子齿与之对齐，转子就转动3，这样使电机转了一步。如果按照A-B-C的顺序轮流通电一周，则转子如图所示逆时针转动9。步进电机的运转是由脉冲信号控制的，传统方法是采用数字逻辑电路环形脉冲分配器控制步进电机的步进。下图为环形脉冲分配器的简化框图。1、运转方向控制。如以上两图所示为逆时针旋转，否则为顺时针旋转。2、运转速度的控制。当改变CP脉冲的频率时，电机转速发生改变。3、旋转的角度控制。因为每输入一个CP脉冲使步进电机三相绕组状态变化一次，并相应地旋转一个角度，所以步进电机旋转的角度由输入CP脉冲的个数确定。实验仪所选用的是20BY0型4相步进电机，其工作电压为4.5V，在双四拍运行方式时，其步距角为18，相直流电阻为55，最大静电流为80mA。采用8031单片机控制步进电机的运转，按四相四拍方式在P1口输出控制代码，令其正转或反转。因此P1口输出代码的变化周期T控制了电机的运转速度：n=60/（T.N），其中：n是步进电机的转速（转/分），N是步进电