单片机原理与应用实验指导书.pdf

Harbin Institute 单 电子 of Technology 单片机 实 哈尔 子与信息工 20 机原理 实验指 尔滨工业大 工程学院 015 年 04 与应 导 大学 电子工程 月 用 程系 目 录 目 录 前言前言 1 一 实验素养和一般知识 1 二 单片机实验开发系统 1 三、实验报告内容和要求 4 第一部分第一部分 软件实验软件实验 5 实验一 清零实验 6 实验二 拆字拼字实验 7 实验三 查找相同数个数实验 8 实验四 二进制转 ASCII 码实验 9 实验五 数据块传送实验 10 第二部分第二部分 硬件实验硬件实验 11 实验一 复杂 IO 控制实验 11 实验二 定时器中断实验 12 实验三 直流电机控制实验 13 实验四 PC 串口通信实验 . 14 实验五 键盘扫描与显示实验 15 附录一附录一 主板布局图主板布局图 16 附录二附录二 ISP 安装与使用安装与使用 17 附录三附录三 常见故障分析常见故障分析 20 附录四附录四 硬件实验硬件实验 5 程序代码程序代码 21 - 1 - 前前 言言 一、 实验素养和一般知识一、 实验素养和一般知识 1. 实验前准备工作 (1) 明确实验目的、熟悉实验内容、掌握实验步骤、了解所用单片机实验 开发系统及仪器设备的性能。 (2) 做好实验前预习和必要的准备（先编好程序），做到有的放矢。 2. 进入实验室后 (1) 进入实验室后请首先了解关于实验仪器和相关操作的介绍，熟悉所用 的单片机实验开发系统及仪器设备。 (2) 严格按照操作流程进行实验操作，保证自身安全和实验设备的完好无 损：接线要简单、正确、明了，一个人接线，另一个人检查，经老师 复查允许后才可通电。 (3) 通电瞬间，应注意仪器是否正常工作，不要只看开关，如有不正常现 象，应立即断电查找原因。 3. 实验进行时 (1) 正常请况下，按规定步骤进行，读取数据，并及时记录。 (2) 各种操作要有目的、按要求进行。 4. 实验完成后 经老师察看或签字，并把仪器、导线、工具等清理收拾完毕后，学生签到 方可离开实验室。 二、 单片机实验开发系统二、 单片机实验开发系统 图 1 Proteus 软件与 FB-EDU-MCU-F 型微控制器仿真实训实验箱 - 2 - FB-EDU-MCU-F 型微控制器仿真实训实验箱可以支撑目前各高校普遍开设 的课程实验内容，如“单片机（微控制器）原理与应用”， “单片机（微控制器） 技术”，“微机原理与接口”，“单片机 C 语言程序设计”，“EDA 与 SOPC 技术”，“嵌入式系统与技术”等微控制器及其应用技术教学大纲的要求，本实 验箱将 Proteus 仿真软件设计与硬件实践紧密结合， 可提高实践环节的授课效果。 FB-EDU-MCU-F 型实验箱提供了计算机平台、 Proteus 软件、 丰富的硬件资源 与接口电路、多种处理器模块、CPLD/FPGA 模块，还包括一些典型应用系统电 路。既兼容传统的实验模式，又引入 Proteus 仿真实验实训模式，提供完善的实 验例程， 是本科教学中与单片机、 微处理器有关的实验教学、 课程设计以及实训、 考核竞赛的理想设备。 【系统特点】 综合性：该实验箱可支持 8051、8086、AVR、PIC、MSP430、TI DSP2000、 ARM、CORTEX 等多种单片机的实验实训，还支持 CPLD/FPGA 的实验实训。 不仅提供了大量的验证性实训电路，还提供了大量的可选配的实训系统，可完成 许多设计性实训及考核任务。 软硬件结合：该实验系统包含仿真平台 Proteus 和硬件实验箱，本实验系统 具有较强的软硬件设计开发能力，不仅支持传统实验模式，还支持软件仿真与硬 件实际系统的实时互联，把软硬件紧密结合。该系统支持先进行 Proteus 仿真实 验， 然后对照进行硬件的实验， 而且在仿真层面可以实现更多复杂的实验与分析， 加深对电路及程序的理解。 扩展性强： 本系统有1个统一总线的处理器核心区同时支持扩展一个处理器， 可扩展处理器模块和实验扩展模块。 而且核心板和扩展模块还可脱离实验箱自行 连接构成小系统，为实训、竞赛提供灵活选择。 结合实际应用：支持非接触 IC 卡、传感网络系统等热点应用。 仪器丰富、功能强大：系统集成了大量的仪器工具，如 USB 示波器及信号 源、仿真器、通用编程下载器。 同步与交互：选配 USB 接口的 Proteus ICE 仿真器，可以使实际硬件与虚拟 的 Proteus 电路进行同步与交互，实现各种实验创新与扩展。 【工具资源】 虚拟示波器、信号源、通用编程器、仿真器、多路电源输出。 【教学方式】 本系统提供了三种教学方法： 软件仿真调试加上硬件实际操作。先通过 PROTEUS 软件对设计进行仿真和 调试，再将同样的 HEX 文件下载到硬件实验系统的处理器中运行，最后查看实 验结果，并进行比较。 软件辅助，硬件调试验证。需要使用单片机和硬件调试或仿真器。 调来 【硬 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 【扩 1） 2） 3） 4） 5） 6） 软件和硬件 来进行实验 硬件资源电 1）1616 点 2）LCD160 3）LCD128 4）八位 8 段 5）74LS373 6）74LS47B 7）74LS245 8）74LS04 9）有源蜂鸣 10）硬件看 11）EEPRO 12）时钟电 13）八位逻 14）八位逻 15）八位轻 16）74LS16 扩展模块区 TLC2543 模 ZIGBEE 无 人体红外传 可燃气体和 ISD1760 语 GPS 定位模 件配合教学 验。 图 电路】 点阵显示实 02 字符液晶 864 点阵液 段码 LED 数 3 锁存器电 BCD 译码器 5 总线收发 反相器电路 鸣器电路 看门狗电路 OM 电路 电路 逻辑电平显示 逻辑电平开关 轻触按键电路 64 串入并出 】 模数转换和 无线收发模块 传感和超声 和气体压力 语音录放模块 模块 学。 需要使用 2 软件仿真调 实验电路 晶屏显示电 晶屏显示电 数码管电路 电路 器电路 发电路 路 示电路 关电路 路 出移位电路 和 TLC5615 块 波测距模块 传感器模块 块 - 3 - 用 PROTEU 调试加上硬件 路 电路 路 路 数模转换模 块 块 US 仿真或者 件实际操作流 17）74LS 18）一路 19）两路 20）ADC 21）DAC 22）热敏 23）DS18 24）温度 25）湿度 26）红外 27）两路 28）两路 29）直流 30）步进 31）直流 32）44 矩 模块 7）微型打 8）RFID 9）U 盘读 10）CAN 11）交通 者和相应的 流程 S165 并入串 路继电器控制 路光耦隔离电 C0809 模数转 C0832 数模转 敏电阻传感电 8B20 单线温 加热控制电 检测电路 收发电路 路 MAX232 接 路 MAX485 接 流电机及驱动 进电机及驱动 流电机测速电 矩阵键盘带 打印机模块 射频 IC 卡 读写模块 N 总线通讯模 通灯模块 的单片机 IDE 串出移位电 制电路 电路 转换电路 转换电路 电路 温度传感电 电路 接口通讯电 接口通讯电 动电路 动电路 电路 带中断输出电 块 卡模块 模块 E 联 路 电路 电路 电路 电路 - 4 - 综合以上的资源和特点，本综合实验台可以软硬件兼施，充分调动学生的积 极性，使实验的地点不再局限于教室或者教学。通过多种方式的配合，使学生能 快速入门和深入学习。板上的处理器区和模块扩展区具有统一的总线接口，学生 可以自己动手，开发需要的硬件资源，也可以根据需求组合不同的模块，满足课 程实验、课程设计和创新项目的需要。 三、 实验报告内容和要求三、 实验报告内容和要求 1. 实验内容参考实验指导书，实验课前需完成程序设计。 2. 实验报告内容及形式按照统一的报告格式（见实验报告模板） 。 3. 实验报告分为软件部分和硬件部分，并提交实验报告。 4. 每个实验后的思考题必须完成。 5. 对实验中发现的问题应加以讨论，并提出自己的改进意见和要求、希望等。 - 5 - 第一部分第一部分 软件实验软件实验 本部分实验内容包括五个软件实验，进行汇编语言程序设计。利用 Proteus 软件调试仿真完成。 通过这些实验程序的调试， 使学生熟悉 MCS-51 的指令系统， 了解软件设计过程， 掌握汇编语言设计方法以及如何使用实验系统提供的调试手 段来排除软件错误。 图 3 软件实验中单片机最小系统的 Proteus 原理图 表 1 单片机最小系统原理图的元件清单 标号 器件 原理图模型 值 标号 器件 原理图模型 值 U1 单片机 AT89C52 C3 电解电容 CAP-ELEC 10uF X1 晶振 CRYSTAL 11.0592D1 LED 灯 LED-BULE 蓝色 C1,C2 电容 CAP 30pF U2 锁存器 74LS373 开关 BUTTON U3 外部 RAM62256 32K R1,R2 电阻 RES 10K， 470 RESET RESET P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 ALE ALE WR RD P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P25 P24 P26 WR RD XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 AT89C52 12 X1 CRYSTAL C1 30pF C2 30pF C3 10uF R1 10k D1 LED-BLUE R2 470 Schematic Animation D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U2 74LS373 A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 4 A7 3 A8 25 A9 24 A10 21 A11 23 A12 2 CE 20 WE 27 OE 22 D0 11 D1 12 D2 13 D3 15 D4 16 D5 17 D6 18 D7 19 A13 26 A14 1 U3 62256 - 6 - 实验一实验一 清零实验清零实验 一、实验目的一、实验目的 掌握汇编语言程序设计和调试方法。 二、实验内容二、实验内容 1. 把40H-5FH的内容置为#0AAH； 2. 把 40H-4FH 的内容清零。 三、程序框图三、程序框图 四、实验步骤四、实验步骤 用连续或单步方式运行程序， 检查40H-5FH地址中执行程序前后的内容变化， 将实验结果截图记录。 五、思考问题五、思考问题 1. 清零之后，40H-4FH 的内容是什么？50H-5FH 的内容是什么？ 2. 累加器 A、堆栈指针 SP 的初始状态是什么？ - 7 - 实验二实验二 拆字拼字实验拆字拼字实验 一、实验目的一、实验目的 掌握汇编语言程序设计和调试方法。 二、实验内容二、实验内容 1. 将30H地址的内容设置为#5AH； 2. 将30H地址的内容进行拆分，高字节保存在31H，低字节保存在32H； 3. 将31H、32H地址的内容进行合并，保存在40H。 三、程序框图三、程序框图 四、实验步骤四、实验步骤 用连续或单步方式运行程序， 检查30H-40H地址中执行程序前后的内容变化， 将实验结果截图记录。 五、思考问题五、思考问题 1. 运行程序后 40H 的最终内容是？ 2. 如果欲使 40H 内容为 0A5H，程序应如何修改？ - 8 - 实验三实验三 查找相同数个数实验查找相同数个数实验 一、实验目的一、实验目的 掌握汇编语言程序设计和调试方法。 二、实验内容二、实验内容 1. 初始化后，30H-3FH 地址的内容为#00H，将 39H 的内容赋值为#01H，将 3AH 的内容赋值为#01H； 2. 在 30H-3FH 中查找有几个单元存放的内容是#00H，把个数放在 R7 中。 三、程序框图三、程序框图 四、实验步骤四、实验步骤 用连续或单步方式运行程序， 检查30H-3FH地址中执行程序前后的内容变化， 将实验结果截图记录。 五、思考问题五、思考问题 1. 如需使用第 3 组工作寄存器的 R7，需如何修改程序？ 2. 如需从 30H 单元开始，查 20 个单元的内容，需修改程序哪个语句，如何 修改？ - 9 - 实验四实验四 二进制转二进制转 ASCII 实验实验 一、实验目的一、实验目的 熟悉 ASCII 的编码原理，学习其与二进制之间的转换。 二、实验内容二、实验内容 1. 将#1AH转为相应的ASCII； 2. 将结果存放到50H、51H地址； 3. 利用查表的方式实现。 三、程序框图三、程序框图 四、实验步骤四、实验步骤 用连续或单步方式运行程序， 检查50H-51H地址中执行程序前后的内容变化， 将实验结果截图记录。 五、思考问题五、思考问题 1. 简述 ASCII、BCD 码与二进制之间的关系。 2. 简述 MOVC 两条指令，并说明其作用及区别。 - 10 - 实验五实验五 数据块传送实验数据块传送实验 一、实验目的一、实验目的 掌握外部扩展 RAM 中的数据操作。 二、实验内容二、实验内容 1. 对2020H地址开始的100个字节进行赋值，值为#A6H； 2. 再将2020H地址开始的32个字节传送到以0080H开始的目的地址。 三、程序框图三、程序框图 四、实验步骤四、实验步骤 用连续或单步方式运行程序，检查外部 RAM 中 2020H 和 0080H 地址中执行 程序前后的内容变化，将实验结果截图记录。 五、思考问题五、思考问题 1. 简述 MOVX 两组指令，并说明其作用及区别。 2. 单片机访问外部 RAM 时，使用了哪几个控制引脚？ - 11 - 第二部分第二部分 硬件实验硬件实验 本部分包括五个硬件实验。 硬件实验主要使用 FB-EDU-MCU-F 型实验箱， 在 实验箱的硬件资源基础上开发并设计实验项目， 使学生掌握单片机硬件结构和系 统扩展以及输入输出接口设计的方法，理论联系实践，深入理解单片机原理，掌 握单片机应用设计过程，培养学生硬件调试方法和解决实际问题的能力。 实验一实验一 复杂复杂 IO 控制实验控制实验 一、实验目的一、实验目的 熟练掌握汇编语言的设计和调试方法，掌握对单片机 IO 的复杂控制。 二、实验内容二、实验内容 1. 通过开关控制实现8个LED的两种流水灯工作方式； 2. 当开关为低电平时，依次循环点亮8个LED，时间间隔为0.2秒； 3. 当开关为高电平时，相互间隔的 4 个 LED 点亮并与另外 4 个交替闪烁， 间隔为 0.5 秒。 三、实验步骤三、实验步骤 将实验箱上，P00-P07 接 D1-D8，P10 接 SW1。通过 ISP 向单片机烧录编写 的程序代码，按实验要求进行操作，观察结果。 四、实验电路四、实验电路 五、思考问题五、思考问题 1. 实验箱上的 8 个 LED 共阴还是共阳，怎么判断？ 2. 对于两种状态，当间隔分别小于多长时间时，通过肉眼观察不到 LED 闪 烁（常亮）？ - 12 - 实验二实验二 定时器中断实验定时器中断实验 一、实验目的一、实验目的 了解与掌握定时器中断的使用方法。 二、实验内容二、实验内容 1. 设定定时器1为工作方式2，即能自动再装入的8位定时器； 2. 自定义定时器的初值，并开启总中断与定时器中断； 3. 通过定时器中断，使P1.0引脚电平高低变化，完成1个LED灯的闪烁。 三、实验步骤三、实验步骤 将实验箱上，P10 接 D8。通过 ISP 向单片机烧录编写的程序代码，按实验要 求进行操作，观察结果。 四、实验电路四、实验电路 五、思考问题五、思考问题 1. 简述定时器四种不同的工作方式的区别。 2. 简述设计中断程序的一般方法。 - 13 - 实验三实验三 直流电机控制实验直流电机控制实验 一、实验目的一、实验目的 了解单片机控制直流电机的工作原理。 二、实验内容二、实验内容 1. 编写程序查询P1.0引脚的电平，使其低电平时电机正转，反之，反转； 2. 使用 P2.1 与 P2.2 两个引脚控制电机 IN1 与 IN2 的电平。 三、实验步骤三、实验步骤 将实验箱上，P10 接 SW1，电机模块 IN1 接 P21，IN2 接 P22，EN1 接+5V 电源。 通过 ISP 向单片机烧录编写的程序代码， 按实验要求进行操作， 观察结果。 四、实验电路四、实验电路 五、思考问题五、思考问题 1. 电机的正反转是通过什么方式控制的？ 2. 如何控制电机的转速，给出一个可行的方案。 - 14 - 实验四实验四 PC 串口通信实验串口通信实验 一、实验目的一、实验目的 了解与掌握串行通信的工作原理。 二、实验内容二、实验内容 1. 串行通信采用工作方式1，定时器采用工作方式2； 2. 单片机时钟频率为11.0592MHz，波特率为9600bit/s，设定定时器的初值； 3. 以查表的方式，发送字符串，如“! welcome to you!”，完 成串行通信； 4. 其中用寄存器 R0 记录发送的数据个数。 三、实验步骤三、实验步骤 将实验箱上， 通信接口区 232A-RXD 接 P30， 232A-TXD 接 P31； 232Aout-TXD 接 Pin2，232Aout-RXD 接 Pin3；串口线接主机箱后背板。通过 ISP 向单片机烧 录编写的程序代码，按实验要求进行操作，在 PC 机桌面打开串口助手，观察结 果。 四、实验电路四、实验电路 五、思考问题五、思考问题 1. 当串行通信工作在方式 1 的时候，是如何完成发送任务的？ 2. 当中断标志位 TI 置 1 的时候，为何要调用一段延时程序？ 一、 二、 三、 一、 二、 三、 R1- 行操 四、 五、 四、 五、 出不 实验目实验目的的 实验例程， 实验内实验内容容 1. 规定4 2. 当按下某 3. 参考程序 实验步实验步骤骤 将实验箱上 -R4+C1-C4接 操作，观察 实验电实验电路路 思考问思考问题题 1. 参照键盘 不同的字符 2. 谈一谈对 的的 通过讲解 容容 4的矩阵键 某个键时， 序设计见附 骤骤 上，八位数 接P10-P17 察结果。 路路 题题 盘扫描的原 符。 对单片机实 实验五实验五 解熟悉矩阵键 键盘从左到右 在七段数码 附录四。 数码管电路S 。通过ISP向 原理，简述如 实验课程的建 - 15 - 键盘扫键盘扫描描 键盘的扫描 右、从上至 码管上显示 SA-SG接P0 向单片机烧 如何实现 8 建议以及从 描描与显示与显示实实 描原理，了解 至下依次对应 示出按键对应 00-P07，C0 烧录编写的程 个数码管的 从中的收获与 实实验验 解数码管的 应为十六进 应的数字； 0接P20；矩 程序代码， 的动态显示 与感想。 的译码方式。 进制的0F； 矩阵键盘 按实验要求 示，即分别显 。 求进 显示 - 16 - 附录一：主板布局图附录一：主板布局图 - 17 - 附录二：附录二：ISP 安装与使用安装与使用 1. 安装安装 运行 WWISPSetup.exe，安装 ISP 下载软件。 2. 连接连接 将 USB 下载器连接 PC 及目标板（USB 接口端连接到 PC 的 USB 接口，ISP 端连接到 MCU 模块 ISP 插槽）。在连接 USB 下载器之前，注意：MCU 模块或 者说主板应先接通电源。就是说主板先上电。 3. 驱动安装驱动安装 连接 USB 到 PC 后，将提示“发现新硬件 USBasp”，如右图所示： 系统会自动弹出找到新的硬件向导，如下图所示： 选择“从列表或指定位置安装（高级）（S）”选项，并点击“下一步”。 选择“在这些位置上搜索最佳驱动程序”和“在搜索中包括这个位置”，并浏览 到 WWISP 的 安 装 目 录 下 ， 默 认 的 目 录 是 C:Program FilesWindway TechnologiesWWISP，具体的设置如下图所示： - 18 - 点击“下一步”，安装驱动。 安装完成。 4. 查看硬件查看硬件 在硬件管理器里面将看到安装好的硬件。 5. 安装完成安装完成. - 19 - WWISP 安装完成后，桌面出现快捷方式，点击进入后系统 会自动识别器件型号，也可以手动选择对应的单片机类型。 6. 使用方法使用方法 点击“打开文件（Flash）”按钮找到 HEX 文件，然后点击“写 Flash”按钮，程 序将烧录到 MCU 当中。对于其它的功能，也可以进行操作。如：先选取“擦除 芯片”、 “编程 Flash”， 然后点击“自动编程”， 刚系统会自动依次进行“擦除芯片”、 “编程 Flash”的操作。 - 20 - 附录三：常见故障分析附录三：常见故障分析 1. 电源指示灯无指示电源指示灯无指示 1) 是否面板有短路的连线，导致开关电源短路保护。 尝试清除连线，重新上电。 2) 请检查实验箱电源连线是否松动。 2. 使用使用 ISP 下载器烧录芯片时，找不到目标器件下载器烧录芯片时，找不到目标器件 1) 首先检查目标板是否供电； 2) 拔下 USB 连线，重新插上，在设备管理器中能否找到 USBasp，有显示， 正常； 3) 如果仍不能连接，请拔出 USB 线，先给实验箱上电，再插入 USB 线； 4) 通过以上步骤后还不能正常工作，请联系老师或助教。 - 21 - 附录四：硬件实验附录四：硬件实验 5 键盘扫描与显示实验的参考程序代码键盘扫描与显示实验的参考程序代码 = $NOMOD51 $INCLUDE (80C52.MCU) ;= ; DEFINITIONS ;= ;= ; VARIABLES ;= ;= ; RESET and INTERRUPT VECTORS ;= ; Reset Vector org 0000h jmp Start ;= ; CODE SEGMENT ;= org 0100h Start: ; Write your code here MOV DPTR,#TABLE ;将表头放入将表头放入 DPTR LCALL KEY ;调用键盘扫描程序调用键盘扫描程序 MOVC A,A+DPTR ;查表后将键值送入查表后将键值送入 ACC MOV P0,A ;将将 Acc 值送入值送入 P0 口口 LJMP Start ;返回反复循环显示返回反复循环显示 KEY: LCALL KS ;调用检测按键子程序调用检测按键子程序 JNZ K1 ;有键按下继续有键按下继续 LCALL DELAY2 ;无键按调用延时去抖无键按调用延时去抖 AJMP KEY ;返回继续检测按键返回继续检测按键 K1: LCALL DELAY2 ;有键按下延时去抖动有键按下延时去抖动 LCALL KS ;再调用检测按键程序再调用检测按键程序 JNZ K2 ;确认有按下进行下一步确认有按下进行下一步 AJMP KEY ;无键按下返回继续检测无键按下返回继续检测 K2: MOV R2,#0EFH ;将扫描值送入将扫描值送入 R2 暂存暂存 MOV R4,#00H ;将第一列值送入将第一列值送入 R4 暂存暂存 K3: MOV P1,R2 ;将将 R2 的值送入的值送入 P1 口口 L6: JB P1.0,