单片机设计范例.doc

单片机快速开发专项技能考核规范1. 定义运用单片机基础技术、成熟功能模块及工具、各类开发板等，快速开发软硬结合的单片机应用电路的能力。2. 适用对象电子工程师、程序员及运用或准备运用本项能力求职、就业的人员。3. 鉴定要求3.1 申报条件达到法定劳动年龄，具有相应技能的劳动者均可申报。3.2 鉴定方式专项技能考核采取理论与实际操作一体化考核的方式，鉴定合格标准采用百分制，满60分为合格。3.3 鉴定时间鉴定时间为180分钟。3.4 鉴定场地设备要求 具有计算机、单片机开发板、配套电子仪器及工具的实际操作设备的鉴定室。3.5 鉴定考评人员考评员应具备一定的软件开发、电子工程等专业知识及实际操作经验，每个考评组中不少于3名考评员。4. 培训要求4.1 培训基本课时 80C51单片机原理、汇编语言程序设计、C51程序设计课程不少于150学时，实训课程不少于120学时。4.2 培训教师要求 培训教师应具备相关专业本科或以上学历，具有一定的教学经验和单片机系统开发能力，并取得培训资格。5. 能力标准与鉴定内容能力名称：单片机快速开发 职业领域： 工作任务能力标准相关知识考核比重（一）设计单片机系统1.能根据需求设计电路图、程序流程图2.能识读单片机相关的电路图纸及源程序代码3.能运用Keil C51集成开发环境，编写、编译、调试源程序4.能运用电路图软件绘制、修改电路图，设计印板图5.能使用ISP、仿真机及其他电子开发用仪器仪表、工具，对单片机系统进行仿真设计6.能根据设计图纸选择并搭建开发调试环境1.模拟、数字电路基础知识2.利用单片机进行设计开发的基本方法3.汇编和C语言编程基础4.仿真机工作原理25（二）分析单片机的性能及内部结构 1.能分析掌握80C51单片机CPU的性能2. 能掌握80C51单片机片内资源的应用1.80C51系列单片机性能10（三）分析、设计、调试经典模块电路1.能根据要求选择外围器件2.能设计单片机系统键盘、LED显示、LCD显示、存储器扩展、端口扩展、A/D、D/A、串行口通信以及其他功能扩展等外围电路1. 80C51单片机的I/O接口2.外围器件性能3.外围接口电路设计技术15%（四）设计、汇编和调试经典模块软件1.能设计程序流程2.能进行经典模块算法的编程 1.单片机程序设计方法20%（五）设计、调试软件1.能利用给定开发板设计简单电子产品1.汇编、C语言程序设计技术2.开发板性能及应用技术30%6. 单片机快速开发专项技能知识要求6.1 基础知识1. 计算机的基础知识，PC机的使用。2. 计算机网络基础知识，互联网的使用，数据通信的基本原理。3. 模拟、数字电路基础知识，简单数字电路设计。4. 电子器件基础知识，中规模数字集成电路、运算放大器、光电隔离器件的应用。5. 数值信息及文字信息在计算机内的表示。6. 信号发生器、示波器、逻辑分析仪等常用仪器仪表的使用和保养知识。6.2 单片机的基本结构与工作原理1. 常用单片机的的特点、基本配置及选型。2. 80C51单片机的内部资源和主要逻辑功能部件的功能。3. 80C51单片机的引脚，I/O端口的应用，第二功能的应用。4. 80C51单片机片内存储器结构，片内RAM、片外RAM存储器应用，特殊功能寄存器应用。5. 80C51的三总线结构，单片机最小应用系统。6. 80C51单片机的复位及复位电路，时钟周期、机器周期、指令周期及时序，低功耗工作方式及掉电保护措施。6.3 单片机的指令系统与程序设计1. 80C51的指令格式，指令类型。2. 80C51的寻址方式。3. 80C51的指令系统。4. 汇编语言程序设计，伪指令。 5. C51程序设计。6. 程序流程图编制，顺序、分支、循环程序设计，子程序设计。6.4 单片机片内资源应用1. 80C51单片机的中断系统，中断源，中断标志，中断响应过程。2. 80C51中断管理与编程。3. 中断的现场保护与恢复。4. 80C51的查询工作方式与中断工作方式，查询程序与中断程序的编写。5. 80C51定时/计数器工作方式，定时/计数器应用程序编写。6. 串行通信的特点，波特率及其设置，80C51串行口工作方式，串行口通信编程。7. 80C51系列单片机片内资源的应用。6.5 单片机的系统扩展与接口技术1. 单片机片外存储器的扩展。2. RS-485、RS-422、RS-232总线工作原理与应用。3. I2C、SPI总线协议与应用。4. 串行通信协议的制定及程序实现。5. 键盘电路及键盘程序编写。6. LED显示器结构特点，静态显示与动态扫描显示的特点，LED显示器接口电路，显示驱动程序编写。7. LCD显示器结构特点，字符型LCD显示器接口电路，显示驱动程序编写。8. 单片机外围扩展器件的选型、扩展电路设计。9. A/D转换概念，A/D转换器性能指标，A/D转换器接口电路及接口程序编写。10. D/A转换概念，D/A转换器性能指标，D/A转换器接口电路及接口程序编写。11. 光电隔离及接口电路，功率器件驱动技术及接口电路。12. 单片机硬件系统设计，单片机软件系统设计，单片机系统设计。13. 单片机系统设计抗干扰技术，看门狗技术，ESD保护技术。7. 单片机快速开发专项技能技能要求7.1 电路图软件PROTEL99SE的使用1. 熟练运用电路图软件绘制、修改电路图。2. 异型元件的设计及元件封装制作。3. PCB板的制作工艺、流程、抗干扰技术。4. PCB元器件布局要求与规则。5. PCB板布线要求与规则。6. 用电路图软件设计PCB板，制作工程图纸。7.2 集成开发环境Keil C51的使用1. 运用Keil C51集成开发环境建立工程。2. 编辑、修改、编译C51和汇编语言程序。3. C51程序和汇编语言程序的相互调用，多文件软件的编写技术。4. 模拟调试C51程序、汇编语言程序。5. 仿真调试C51程序、汇编语言程序。7.3经典模块硬件设计、编程与调试1. 单片机及外围器件选型。2. 应用系统电源设计。3. 单片机应用系统设计文件编制。4. 单片机经典模块硬件电路设计。5. 经典模块程序设计。6. 给定开发板上开发调试环境的搭建。7. 仿真机应用，ISP功能应用。8. 经典模块软件硬件调试。附录：部分经典模块1. LED显示器应用。2. LCD字符显示器（1602）应用。3. 中断与定时/计数器的应用。4. 串行口双向通信应用。5. A/D转换器应用。6. D/A转换器应用。7. 语音电路的应用。8. 实时时钟/日历芯片的应用。9. 复位看门狗器件应用。10. PWM输出。11. 数字温度计。12. 单片机控制步进电机。13. 模拟开关灯控制。14. 交通灯控制。15. 数字秒表。16. 数字钟。17. 数字电子闹钟。18. 体育比赛计时器。19. “叮咚”声电子门铃。20. 多路开关控制及状态指示。21. 电子密码锁控制。22. 数字显示计数器。23. 简易数显频率计。24. 44矩阵式键盘应用。25. 独立式按键应用。26. 一键多功能按键识别。27. 单片机数字电压表。28. 键盘控制的模拟彩灯。29. 88LED点阵显示驱动。30. I2C接口及驱动程序设计。31. SPI接口及驱动程序设计。32. 数显抢答器。33. 篮球比赛计分器。单片机快速开发职业能力鉴定培训材料 1概述单片机快速开发专项技能鉴定由卷面考试和操作考试组成，考试需要独立完成单片机系统的整体设计、器件选型，电路原理图绘制、程序编写和调试等工作，从而完成一个单片机应用系统设计，通过实现一个完整工程案例达到鉴定的目的。（1）考核试题的题型与要求考核试题分为单片机系统设计、程序设计和系统调试三个部分。考试满分为100分，其中单片机系统设计50分、程序设计20分、系统调试30分。模块1：系统设计 分析任务要求，写出系统整体设计思路。 选择单片机型号及所需外围器件型号，设计单片机硬件电路原理图。 分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图。 设计系统软件调试方案、硬件调试方案及软硬件联合调试方案。模块2：程序设计 编写程序。 用Keil或伟福建立工程项目与源程序文件，汇编（编译）通过源程序，模拟仿真调试源程序。模块3：系统调试 在指定的设计平台上搭建调试环境。 下载程序至给定的设计平台并完成调试，实现试题要求的功能。考试时间180分钟，模块1的内容做在答题纸上，模块2的工程项目、程序均以考生号命名且存入以考生号为名的文件夹内，以电子文档形式提交答案，模块3在设计平台上实现功能。（2）考核配分、评分细节（以“频率计”试题为例）模块1 系统设计（频率计）序号主要内容考核要求评分标准配分扣分得分1系统整体设计1正确分析系统任务要求2软件、硬件功能合理分配1任务分析不正确扣3分2软件、硬件功能分配不合理扣3分3系统设计达不到误差要求扣2分，达不到速率要求扣2分102硬件电路设计1正确选择能满足设计要求的单片机型号2单片机最小系统设计正确3键盘输入电路设计合理4控制及指示信号输出电路设计合理1单片机选择不正确扣3分2最小系统设计每处错误扣2分，本项最多扣4分3显示电路设计原理错误扣4分 ，其他错误每处扣2分，本项最多扣8分153程序流程设计1正确分析软件任务要求，合理分配资源2流程图设计正确1程序流程逻辑结构错误（含算法）每处扣4分，本项最多扣12分2片内资源分配不合理扣4分3画流程图方法不正确扣4分204调试方案设计1正确设计调试方案1调试方案不完整扣2分，调试方案不正确扣5分5模块2 程序设计（频率计）序号主要内容考核要求评分标准配分扣分得分1软件开发环境的使用1正确使用开发环境建立工程项目2建立源程序文件3汇编（编译）源程序1不能建立工程项目扣3分2不能建立源程序文件扣3分3不能编译并生成HEX或BIN文件扣4分 102程序编写1根据流程图正确编写程序1程序完整但与流程图不能对应扣4分，程序不完整扣10分10模块3 系统调试（频率计）序号主要内容考核要求评分标准配分扣分得分1调试手段与方法1在开发平台正确搭建仿真调试环境2准确下载程序至开发平台2不能在开发平台正确搭建仿真调试环境扣3分3不能准确下载程序至开发平台扣3分62程序功能的实现1在开发平台上实现程序功能1LED数码管上无显示内容扣19分2显示内容不是测量频率值扣4分，显示明显闪烁扣4分3频率显示不能满足分辨率要求扣4分，频率测量不能满足精度要求扣4分193职业道德1现场操作规范2现场纪律3爱惜设备和器材1不遵守操作规范、轻微违反现场纪律、不爱惜设备和器材每处扣5分，本项最多扣5分52 单片机快速开发鉴定平台介绍2.1单片机开发鉴定平台介绍 单片机开发鉴定平台如图2-1所示。采用MCS51系列单片机AT89S51/52为核心，扩展了常用的经典电路模块。单片机与各模块之间需要用插针线手动连接实现单片机应用模块的扩展。 主要模块包括：电源模块、单片机最小系统、数码管显示模块、开关量输入模块、发光二极管显示模块、独立式键盘模块、行列式键盘模块、I2C总线、A/D转换模块、D/A转换模块、点阵式液晶显示模块、逻辑笔模块、继电器/蜂鸣器输出模块和脉冲信号源模块等。下载线串口直流9V单片机P1口P3口P1口P3口P0口P2口8位共阴极数码管显示8位拨码开关8位LED灯8个独立式按键LED灯4X4行列式键盘A/D转换器D/A转换器I2C总线逻辑笔脉冲信号源蜂鸣器与继电器面包板 图2-1 单片机实验开发平台（1）电源模块 开发鉴定平台采用外部直流9V电源适配器提供电源，通过LM7805稳压芯片为平台各模块提供+5V电源。另外采用7660S提供-5V电源（仅为点阵液晶准备，不常用）。同时平台将+5V、Gnd通过插针座可以外接出来，方便面包板上的电路扩展与调试。电路原理图如图2-2所示。 图2-2 电源模块（2）单片机最小系统单片机最小系统包括复位电路、时钟电路、RS232串口通信模块以及下载线接口等，电路原理图如图2-3所示。复位电路采用上电复位和手动按键复位两种。时钟电路的晶振采用11.0592M和12MHz两种，通过跳线短路环完成二选一，为单片机提供时钟，其中接通跳线P1和P2选择11.0592M的晶振，接通跳线P3和P4选择12M的晶振。单片机的I/O口(P1,P2,P3,P4)分别通过圆形插针座可以外接出来，方便外围电路的扩展。 图2-3单片机最小系统（3）数码管显示模块提供8个共阴极的数码管。设计平台的P0口用于输出7段LED共阴极显示代码，P2口用于输出低电平有效的位选码。09的7段LED共阴极显示代码：3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H, 7FH,6FH。 图2-4 数码管显示模块2.2 伟福（WAVE）开发环境的操作WAVE仿真器支持ASM，C，PLM语言混合编程，具有项目管理功能，有丰富的窗口显示方式，能多方位，动态地显示仿真的各种过程。可采用双工作模式： 软件模拟仿真（不要仿真器也能模拟仿真）和硬件仿真。由于编辑、编译、下载、调试全部集中在一个环境下，为使用者提供了一个全集成环境，统一的界面，包含一个项目管理器，一个功能强大的编辑器，汇编Make、Build和调试工具并提供一个与第三方编译器的接口，为用户提供了方便。WAVE仿真器具有强大的逻辑分析仪综合调试功能，通过交互式软件菜单窗口对系统硬件的逻辑或时序进行同步实时采样，并能实时在线调试分析。本节主要介绍Windows版本的使用。2.2.1 WAVE 6000开发系统界面WAVE仿真器的开发环境界面如图2-5所示,WAVE的窗口可根据选择主要功能如下：（1）项目窗口 可对项目进行管理。（2）信息窗口 显示系统编译输出的信息。如果程序有错，会以图标形式指出, 表示错误, 表示警告, 表示通过在编译信息行会有相关的生成文件,双击鼠标左键,或单击右键在弹出菜单中选择“打开”功能,可以打开相关文件。如果有编译错误,双击左键,可以在源程序中指出错误所在行。菜单栏工具栏项目窗口CPU窗口信息窗口程序代码窗口（3）CPU窗口 CPU窗口，可给出机器码及反汇编程序，可以让你更清楚地了解程序执行过程。图2-5 WAVE仿真器开发环境界面（4）数据窗口 51系列有以下四种数据窗口：DATA 内部数据窗口。在内部数据窗口中可以看到CPU内部的数据值，红色的为上一步执行过程中，改变过的值，窗口状态栏中为选中数据的地址，可以在选中的数据上直接修改数据的十六进制值，也可以用弹出菜单的修改功能，修改选中的数据值。数据窗口通过项目窗口下方的DATA选项激活。CODE 程序数据窗口；程序数据窗口显示的是编译后程序码，状态栏显示的是选中数据的地址，可以对在选中数据上直接修改程序数据的十六进制值，也可以对程序数据进行“块填充”，“块移动”操作,也可以读入一段二进制代码插入程序数据中,也可以将程序数据中的某段代码写文件中。XDATA 外部数据窗口。通过数据窗口可观察程序运行过程中数据单元中的内容。PDATA 外部数据窗口（页方式）。WAVE的窗口较多，可根据不同的需要进行选择。2.2.2 伟福仿真系统编译器的安装伟福仿真系统已内嵌汇编编译器(伟福汇编器),同时留有第三方的编译器的接口,方便用户使用高级语言调试程序。在伟福仿真系统提供有伟福编译器CMP51。如果使用高级语言（汇编语言或C语言）编译器由用户自备。安装51系列CPU的编译器（1）进入C:盘根目录,建立C:COMP51文件夹（2）将第三方的51编译器复制到C:COMP51文件夹下。（3）在 主菜单 | 仿真器 | 仿真器设置 | 语言 对话框的编译器路径 指定为C:COMP51 (参见图1-1仿真器设置)说明： 如果用户将第三方编译器安装在硬盘的其它位置,请在编译器路径指明其位置。图2-6 仿真器的设置 设置编译器的语言：在图2-6中选择“语言”页面，在如图1.4中，如果使用C51编程，则应选择Keil C项，使用第三方的编译器（Keil C编译器）。 图2-6 编译器语言的设置2.2.3 伟福系统的使用1.文本编辑器的使用在伟福编辑器中，可以编辑C语言、汇编语言、PLM语言程序，方法如下：（1）调整主窗口中各窗口的边缘线，可以将编辑窗口调整至最大；如图2-7所示。（2）在编辑框中可像一般的文本编辑软件一样编辑程序。并能通过复制、剪贴、粘贴等功能对程序进行修改。图2-7 程序编辑窗口注意：源程序除可以在WAVE6000的编译环境下编辑、录入，还可以在WORD、记事本或写字板环境下录入、编辑和修改，并拷贝到伟福编辑器中进行编译，但在编译前须将文件存为“*.C”的格式(C语言)。2程序的编译在程序运行之前，应先对程序进行编译，方法为：（1） 进入【项目】菜单，选择【编译】项，对程序进行编译。（2） 按F9键，对程序进行编译。（3） 在工具条中选择【编译（F9）】按钮，对程序进行编译。3程序的运行（1） 在【执行】菜单中选择【全速执行】，可执行整个程序。（2） 按Ctrl+F9，也可全速执行程序。（3） 选择工具栏中的全速执行（Ctrl+F9）按钮，也可执行程序。（4） 也可按说明书中选择断点执行方式和单步执行方式。注意：上机过程中应体会单步、跟踪、设置断点、程序运行至光标处（按F4）、全速运行等软件调试方法的功能和特点。2.3 单片机在线编程单片机开发设计平台采用并口下载方式实现在线编程，编程软件使用界面如下： 图2-8下载程序的软件界面（1）通信参数设置及器件选择。下载端口：LPT1；方式：Normal；器件：AT89S52。（2）下载文件（HEX,BIN）文件的选择。 在界面的“FLASH存贮器”栏目中，点击最右边的“Flash”按钮。出现界面如图2-9。 图2-9 打开FLASH存贮器数据文件的界面选中文件类型为Hex或BIN的文件，点击“打开”，将下载的数据文件打开。然后，在图 中点击“编程”按钮即可以自动完成程序的下载。单片机快速开发职业能力培训案例1 定时报警器设计一个单片机控制的简易定时报警器。要求根据设定的初始值（1-59秒）进行倒计时，当计时到0时数码管闪烁“00”（以1Hz闪烁），按键功能如下：（1）设定键：在倒计时模式时，按下此键后停止倒计时，进入设置状态；如果已经处于设置状态则此键无效。（2）增一键：在设置状态时，每按一次递增键，初始值的数字增1。（3）递一键：在设置状态时，每按一次递减键，初始值的数字减1。（4）确认键：在设置状态时，按下此键后，单片机按照新的初始值进行倒计时及显示倒计时的数字。如果已经处于计时状态则此键无效。2 交通灯设计一个基于单片机的交通灯信号控制器。已知东、西、南、北四个方向各有红黄绿色三个灯，在东西方向有两个数码管，在南北方向也有两个数码管。要求交通灯按照表1进行显示和定时切换，并要求在数码管上分别倒计时显示东西、南北方向各状态的剩余时间。表1 交通灯的状态切换表南北方向东西方向序号状态序号状态1绿灯亮25秒，红、黄灯灭1红灯亮30秒，绿、黄灯灭2黄灯亮5秒，红、绿灯灭3红灯亮30秒，绿、黄灯灭2绿灯亮25秒，红、黄灯灭3黄灯亮25秒，红、绿灯灭回到状态1回到状态13 密码锁单片机控制的密码锁设计。AT89S52单片机P1引脚外接独立式按键S1-S8，分别代表数字键0-5、确定键、取消键。单片机从P3.0-P3.3输出4个信号，分别为1个电磁开锁驱动信号和密码错误指示、报警输出、已开锁指示信号，分别用发光二极管L1-L4指示。P3.4接一有源蜂鸣器，用于实现提示音。基本要求：（1）初始密码为123450，输完后按确定键开锁，取消键清除所有输入，每次按键有短“滴”声按键提示音。（2）密码输入正确后，输出一个电磁锁开锁信号与已开锁信号，并发出两声短“滴”声提示。4秒后开锁信号与已开锁指示清零。（3）密码输入错误时，发出一声长“滴”声错误指示提示音，并密码错误指示灯亮，三次密码错误时，发出长鸣声报警，并密码错误指示灯亮，报警指示灯亮，此后15秒内无法再次输入密码，15秒过后，清除所有报警和指示。（4）5秒内无任何操作后，清除所有输入内容，等待下次输入。4 出租车计价器 设计并制作一台出租车计价器。调试时采用10Hz方波信号模拟，每个方波代表10m。基本要求： （1）不同情况具有不同的收费标准 白天 1元/公里 晚上 2元/ 公里 途中等待（30s）1元/30s （2）数据输出（6位LED数码管显示） 单价输出2位 路途输出2位 总金额输出2位 （3）按键（3个） 启动计价开关 数据复位（清零） 白天/晚上转换5频率可调的方波信号发生器 用单片机产生频率可调的方波信号。输出方波的频率范围为1Hz-200Hz，频率误差比小于0.5%。要求用“增加”、“减小”2个按钮改变方波给定频率，按钮每按下一次，给定频率改变的步进步长为1Hz,当按钮持续按下的时间超过2秒后，给定频率以10次/秒的速度连续增加（减少），输出方波的频率要求在数码管上显示。用输出方波控制一个发光二极管的显示，用示波器观察方波波形。开机默认输出频率为5Hz。6简易数字直流电压表 设计一个简易数字直流电压表。（量程0V-2V、测量速度为大于等于2次/秒、测量误差在0.05V以内，有超限报警、数码管显示。）7 简易频率计设计一个单片机控制的简易频率计。已知被测TTL矩形信号的频率范围为20Hz200kHz，要求频率计在整个频率范围内测量相对误差不超过1%，测量速率不小于2次/秒，显示分辨率为0.1Hz，结果在数码管上显示。3 单片机开发工程案例分析与解析3.1 定时报警器设计一个单片机控制的简易定时报警器。要求根据设定的初始值（1-59秒）进行倒计时，当计时到0时数码管闪烁“00”（以1Hz闪烁），按键功能如下：（1）设定键：在倒计时模式时，按下此键后停止倒计时，进入设置状态；如果已经处于设置状态则此键无效。（2）增一键：在设置状态时，每按一次递增键，初始值的数字增1。（3）递一键：在设置状态时，每按一次递减键，初始值的数字减1。（4）确认键：在设置状态时，按下此键后，单片机按照新的初始值进行倒计时及显示倒计时的数字。如果已经处于计时状态则此键无效。3.1.2 模块1:系统设计（1）任务分析与整体设计思路根据题目的要求，需要实现如下几个方面的功能。计时功能：要实现计时功能则需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，达到定时1秒中的功能。然后，当计时每到1秒钟后，倒计时的计数器减1。当倒计时计数器到0时，触发另一个标志变量，进入闪烁状态。显示功能：显示倒计时的数字要采用动态扫描的方式将数字拆成“十位”和“个位”动态扫描显示。如果处于闪烁状态，则可以不需要动态扫描显示，只需要控制共阴极数码管的位控线，实现数码管的灭和亮。键盘扫描和运行模式的切换：主程序在初始化一些变量和寄存器之后，需要不断循环地读取键盘的状态和动态扫描数码管显示相应的数字。根据键盘的按键值实现设置状态、计时状态的切换。 整体设计的系统框图 （2）单片机型号及所需外围器件型号，单片机硬件电路原理图选用MCS-51系列AT89S51单片机作为微控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成8位显示模块，由于AT89S51单片机驱动能力有限，采用两片74HC244实现总线的驱动，一个74HC244完成位控线的控制和驱动，另一个74HC244完成数码管的7段码输出，在输出口上各串联一个100欧姆的电阻对7段数码管限流。由于键盘数量不多，选择独立式按键与P1口连接作为四个按键输入。没有键按下时P1.0-P1.3为高电平，当有键按下时，P1.0-P1.3相应管脚为低电平。电路原理图如图3-1所示。 图3-1 定时报警器电路原理图（3）程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程 单片机资源分配采用单片机的P1口作为按键的输入，使用独立式按键与P1.0-P1.3连接，构成四个功能按键。在计时功能中，需要三个变量分别暂存定时器溢出的次数（T1_cnt）、倒计时的初始值（init_val）以及当前倒计时的秒数（cnt_val）。按键扫描功能中，需要两个变量，一个变量（key_val_new）用来存储当前扫描的键值（若无按键按下则为255），另一个变量（key_val_old）用来存储上一次扫描的键值。只有这两个变量值不一样时，才能说明是一次新的按键按下或弹起了，同时将新的键值赋给key_val_old变量。在显示功能中，需要定义一组数组（code类型），值为0-9数字对应的数码管7段码。还需要定义一个变量(show_val)暂存要显示的数据，用于动态扫描显示中。在整个程序中，定义了一个状态变量（state_val）用来存储当前单片机工作在哪种状态。程序设计思路鉴于题目要求，存在三种工作模式：初始值设置模式、倒计时模式、计时到0时的闪烁模式。变量state_val为0时，处于倒计时模式。变量state_val为1时，处于初始值设置模式。变量state_val为2时，处于闪烁模式。这些状态的切换取决于按下哪一个键以及是否计时到0。状态的切换图如图3-2 图3-2 状态的切换单片机复位之后，默认处于倒计时模式，启动定时器，定时器每隔250us溢出一次，根据定时器溢出次数来计时，到1秒时将时间的计数器减1。当“设置键”按下时，变量state_val由0变为1，切换到设置模式。可以使用“递增键”“递减键”对计时初始值进行修改。按下“确认键”时，回到计时模式开始以新的初始值进行倒计时。当倒计时到0时，变量state_val由1变为2，处于闪烁状态，在这种状态下，根据按键的情况分别又切换到计时和设置状态。程序流程主程序首先需要初始化定时器的参数和一些变量，然后进入一个循环结构，在循环中始终只做两件事，一是键盘的扫描，二是数码管的动态扫描。在扫描键盘后，根据前一次按键的结果是否与本次键值相同。如果不同，表示有键按下或弹起，同时用本次按键值更新上一次的按键值。这样设计旨在避免一个按键长时间按下时被重复判为有新键按下，使得当前按下的键只有松开后，下一次按下时才算为一次新的按键。根据按键的值分别改变变量（state_val）的值或者在设置状态时的倒计时初始值。完整的主程序图如图3-3所示。 图3-3 主程序的流程图 在定时器的参数中，选择定时器T1的8位自动装载模式，每250us产生一次溢出中断，中断服务程序如图3-4所示。 图3-4中断服务程序流程图（4）软硬件调试方案 软件调试方案：伟福软件中，在“文件新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文件新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。 在 “项目编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，产生以 “*.hex”和“*.bin” 后缀的目标文件。硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的P1.0-P1.3分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行MCU下载程序，选择相应的flash 数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。3.2 交通灯设计一个基于单片机的交通灯信号控制器。已知东、西、南、北四个方向各有红黄绿色三个灯，在东西方向有两个数码管，在南北方向也有两个数码管。要求交通灯按照表1进行显示和定时切换，并要求在数码管上分别倒计时显示东西、南北方向各状态的剩余时间。表1 交通灯的状态切换表南北方向东西方向序号状态序号状态1绿灯亮25秒，红、黄灯灭1红灯亮30秒，绿、黄灯灭2黄灯亮5秒，红、绿灯灭3红灯亮30秒，绿、黄灯灭2绿灯亮25秒，红、黄灯灭3黄灯亮25秒，红、绿灯灭回到状态1回到状态13.2.1模块1:系统设计（1）任务分析与整体设计思路试题要求实现的功能主要包括计时功能、动态扫描以及状态的切换等几部分。计时功能：要实现计时功能则需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，达到定时1秒中的功能。当计时每到1秒钟后，东西、南北信号灯各状态的暂存剩余时间的变量减1。当暂存剩余时间的变量减到0时，切换到下一个状态，同时将下一个状态的初始的倒计时值装载到计时变量中。开始下一个状态，如此循环重复执行。动态扫描：需要使用4个数码管分别显示东西、南北的倒计时数字，将暂存各状态剩余时间的数字从变量中提取出“十位”和“个位”，用动态扫描的方式在数码管中显示。整个程序依据定时器的溢出数来计时，每计时1S则相应状态的剩余时间减1，一直减到0时触发下一个状态的开始。 整体设计的系统框图选用MCS51系列AT89S51单片机作为微控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成8位显示模块，由于AT89S51单片机驱动能力有限，采用两片74HC244实现总线的驱动，一个74HC244完成共阴极数码管位控线的控制和驱动，另一个74HC244完成数码管的7段码输出，在7段码输出口上各串联一个100欧姆的电阻对7段数码管限流。用P3口的P3.0-P3.5完成发光二极管的控制，实现交通灯信号的显示，每个发光二极管串联500欧姆电阻起限流作用。硬件电路原理图如图3-5所示。（2）单片机型号及所需外围器件型号，单片机硬件电路原理图 图3-5 交通灯硬件电路原理图（3）程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程单片机资源分配单片机P3口的P3.0-P3.1引脚用作输出，控制发光二极管的显示。在计时模块中，需要定义两个数组变量（init_sn3，init_ew3)来存储东西、南北两个方向在不同状态中倒计时的初始值，题目中每个方向的交通灯共有3种显示状态，因此数组元素个数为3。还需要定义两个变量( cnt_ sn, cnt_ ew)暂存东西、南北两个方向的倒计时剩余时间。 在状态的切换中，为了明确当前处于哪种状态，东西、南北方向各设置一个状态变量(state_val_sn, state_val_ew),当倒计时的剩余时间到零时，状态变量增1，表示启动下一个状态，当该变量增到3时变为0，回到序号为1的状态。 程序设计思路在设计中，由于没有键盘功能，因此只涉及定时计数和动态扫描功能。主程序将变量初始化之后，设置单片机定时器和中断特殊功能寄存器的初始值，将定时器T1的工作方式设置为8位自动装载模式，定时器每隔250us产生一次溢出。在初始化变量与寄存器后，主程序进入一个循环结构，在循环中只做动态扫描的工作，根据东西、南北两向的剩余时时间进行动态扫描显示。计时以及状态的切换通过定时器的中断服务程序来实现，在中断服务程序中，每计时到一秒时，则各方向当前状态的剩余时间减1，一直减到0时触发下一个状态的开始，改变交通灯的指示。 程序流程 图3-7 交通灯主程序流程图 图3-8 中断服务程序流程图（4）软硬件调试方案 软件调试方案：伟福软件中，在“文件新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文件新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。 在 “项目编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，产生以 “*.hex”和“*.bin” 后缀的目标文件。硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的P3.0-P3.5分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash 数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。3.3.3 密码锁单片机控制的密码锁设计。AT89S52单片机P1引脚外接独立式按键S1-S8，分别代表数字键0-5、确定键、取消键。单片机从P3.0-P3.3输出4个信号，分别为1个电磁开锁驱动信号和密码错误指示、报警输出、已开锁指示信号，分别用发光二极管L1-L4指示。P3.4接一有源蜂鸣器，用于实现提示音。基本要求：（1）初始密码为123450，输完后按确定键开锁，取消键清除所有输入，每次按键有短“滴”声按键提示音。（2）密码输入正确后，输出一个电磁锁开锁信号与已开锁信号，并发出两声短“滴”声提示。4秒后开锁信号与已开锁指示清零。（3）密码输入错误时，发出一声长“滴”声错误指示提示音，并密码错误指示灯亮，三次密码错误时，发出长鸣声报警，并密码错误指示灯亮，报警指示灯亮，此后15秒内无法再次输入密码，15秒过后，清除所有报警和指示。（4）5秒内无任何操作后，清除所有输入内容，等待下次输入。3.3.1模块1 系统设计（1）分析任务要求。写出系统整体设计思路根据题目的要求，需要考虑如下几个任务：按键的输入，密码的判断，密码输入正确或错误的计时、输出信号的控制等。 键盘的输入：由于需要输入6个数字作为密码，先要判断按键时数字键还是功能键，若判断为数字键按下，则需要将每次键盘的输入内容依次暂存在一个数组中。在每次按键输入时，需要启动定时器实现待机计时（5秒）。若5秒内没有输入内容则清除已输入的内容。密码的判断和计时：在按下确认键之后，要将输入的内容与初始密码核对，如果密码正确，输出相应的指示，同时还要启动定时器实现4s的计时。如果密码错误，错误计数变量增1，同时输出密码指示信号，若错误次数超过3s，则输出报警等信号，同时启动定时器实现15秒的计时。 输出信号的控制主要根据按键输入与密码的核对情况来决定。 整体程序设计思想：程序分为主程序和中断服务程序两个主要部分，主程序完成变量和单片机特殊功能寄存器的初始化后，进入一个循环结构。在循环中，首先判断有无按键按下，若有按键则判断是否数字键还是功能键，根据按键的情况执行相应的功能。然后根据密码是否正确的判断情况，执行相应的操作。循环中最后将需要显示的内容通过动态扫描在数码管上显示。 中断服务程序只要实现三个状态的计时，待机时需要计时5秒，密码正确需要计时5s，密码3次输入错误需要计时15秒。当前处于何种计时，由主程序根据密码判断结果来决定。（2）选择单片机型号和所需外围器件型号，设计单片机硬件电路原理图 采用MCS51系列单片机At89S51作为主控制器，外围电路器件包括数码管驱动、蜂鸣器的输出驱动、独立式键盘以及发光二极管的输出等。数码管驱动采用2个四联共阴极数码管显示，由于单片机驱动能力有限，采用74HC244作为数码管的驱动。在74HC244的7段码输出线上串联100欧姆电阻起限流作用。蜂鸣器的驱动采用PNP三极管8550来驱动，低电平有效。独立式按键使用上提拉电路连接，在没有键按下时，输出高电平。发光二极管串联500欧姆电阻再接到电源上，当输入为低电平时，发光二极管导通发光。硬件电路原理图如图3-9所示。 图3-9 密码锁电路原理图（3）分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图 软件任务要求主要包括按键扫描、密码判断、动态扫描输入的内容、计时、指示信号输出以及蜂鸣器提示音的输出等。主程序主要完成变量与寄存器的初始化、按键的扫描与判断、密码的判断以及数码管动态扫描显示等。主程序流程图如图3-10所示。 图3-10 密码锁的主程序流程图中断服务程序主要完成三种定时的计时工作，包括按键之后启动的待机计时，当待机超过5s则清除已输入的内容。密码输入正确之后的计时，4s之后清除开锁驱动信号与已开锁指示信号。 密码输入错误3次的计时，计时15s,在则15s内无法再次输入密码，15秒过后清除所有报警与指示。 中断服务程序流程图如图3-11所示。 图3-11 密码锁中断服务程序流程图 单片机资源的分配与变量的定义： 密码的输入与判断需要定义4个变量。原始密码存储在数组init_val6中。键盘输入的密码存储在数据show_val6中，变量 key_index的值表示当前按键是六位密码中的哪一位，每输入一个密码数字该变量增一。密码输入错误的次数暂存在变量error_num中。 计时功能需要5个变量。模式变量cnt_state存储计时属于什么状态，0表示待机计时，1表示密码正确的计时，2表示密码错误3次的计时。三个变量（cnt_val_15s,cnt_val_5s, cnt_val_4s）分别实现待机、密码正确和密码错误3次后的计时工作。定时器T1每250ms产生一次中断，变量T1_cnt记录定时器溢出中断的次数，当记录到4000时表示计时1秒。（4）设计系统软件调试方案、硬件调试方案及软硬件联合调试方案 软件调试方案：伟福软件中，在“文件新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文