（通信与信息系统专业论文）单片机综合实验系统的设计与应用.pdf

摘要 摘要 本文针对高职学生学习特点，以示范性高职院校九江职业技术学院所拟定 的单片机实验课程的教学大纲为指导，重点研究了单片机综合实验系统的设计 及其应用。该实验系统基本满足高职院校学生的教学需求，通过该系统可以达 到锻炼学生的动手操作、扩展电路、软硬件结合以及实现仿真等教学目的。主 要研究内容和成果包括： ( 1 ) 概述了学院当前单片机实验教学的现状，并提出若干改进意见。 ( 2 ) 设计了本院教学使用的全开放式单片机综合实验系统，包括单片机最 小系统、复位电路、音频驱动电路、8 位l e d 显示器、液晶显示、静态数码显 示、动态扫描显示、行列式键盘模块、a d c 0 8 0 9 模数转换模块、d a c 0 8 3 2 数 模转换模块、存储器扩展模块、红外接收模块、温度测量模块等组成部分。 ( 3 ) 应用研制的实验系统，编排了所需开设的实验内容。具体的实验可分 为三类：基础性实验、设计性实验和综合设计性实验。 ( 4 ) 引入了p r o t e u s 和w a v e 6 0 0 0 软件实现电路仿真。采用先进行软件仿真， 后构建真实电路的实验方法。提高了实验成功率，减少了实验器材的损耗。 关键词：单片机；实验系统；系统设计；软件仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t u d e n t s l e a r n i n gi nh i g h e rv o c a t i o n a lc o l l e g e s ， w i t ht h em o d e lv o c a t i o n a lc o l l e g e sj i u j i a n gv o c a t i o n a la n dt e c h n i c a lc o l l e g e s s m c u e x p e r i m e n tc o u r s es y l l a b u sf o rg u i d a n c e ，f o c u so nt h em c ui n t e g r a t e de x p e r i m e n t s y s t e m s d e s i g na n da p p l i c a t i o n t h ee x p e r i m e n ts y s t e mb a s i c a l l ym e e tt h en e e d so f t e a c h i n gi nh i g h e rv o c a t i o n a lc o l l e g e s ，t h r o u g ht h i ss y s t e mc a na c h i e v et r a i n i n g s t u d e n t s p r a c t i c a la b i l i t y , e x p a n s i o nc i r c u i t ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o m b i n i n ga n d r e a l i z es i m u l a t i o n ，e r e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t si n c l u d e ： ( 1 ) s u m m a r i z e dt h ec u r r e n tm c ue x p e r i m e n tt e a c h i n go fc o l l e g e ，a n dp u t s f o r w a r ds o m ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n s ( 2 ) d e s i g n e dt h eo p e nt e a c h i n gm c ui n t e g r a t e de x p e r i m e n ts y s t e mf o rt e a c h i n g ， i n c l u d i n gt h es m a l l e s ts y s t e ma n dr e s e tc i r c u i t ，a u d i o d r i v e rc i r c u i t ，e i g h tl e d m o n i t o r , l c dd i s p l a y , s t a t i cd i g i t a ld i s p l a y , d y n a m i cs c a n n i n gd i s p l a y , t h e d e t e r m i n a n tk e y b o a r dm o d u l e ，a d c 0 8 0 9a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r s i o nm o d u l e ， d a c 0 8 3 2d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r s i o nm o d u l e ，m e m o r ye x p a n s i o nm o d u l e ，i n f r a r e d r e c e i v i n gm o d u l e ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tm o d u l e ，e t c ( 3 ) u s i n gt h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t h ea r r a n g e m e n tf o rt h eo p e n i n ge x p e r i m e n t c o n t e n t s s p e c i f i ce x p e r i m e n t sc a n b ed i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：b a s i ce x p e r i m e n t ， t h ed e s i g no fe x p e r i m e n t sa n dc o m p r e h e n s i v ed e s i g n i n ge x p e r i m e n t s ( 4 ) i n t r o d u c e dp r o t e u sa n dw a v e 6 0 0 0s o f t w a r er e a l i z a t i o nc i r c u i ts i m u l a t i o n t h ee x p e r i m e n tm e t h o du s i n gs o f t w a r es i m u l a t i o nf i r s t ，t h e nc o n s t r u c t i n gr e a lc i r c u i t t h em e t h o di m p r o v e dt h es u c c e s sr a t e ，r e d u c e dt h el o s so fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t k e yw o r d s ：m c u ；e x p e r i m e n tr e f o r m ；s y s t e md e s i g n ；s o f t w a r es i m u l a t i o n i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 l 、1 、 学位论文作者签名( 手写) ：缃吐捧签字日期：l 0 0 1 年1 调崎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 椒黪 导师签名：万2 囤兮 签字日期：h 咀年l 谓骘日 签字日期： 如1 年阻月l 多日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 高职教育培养的是生产一线的高级技术应用型人才，与学科型的普通高等 教育相比，高职教育的人才培养需要的是现场的实际演练。因此，高职人才必 须具备从事相关岗位工作的基本操作技能及专业技能。这就要求高职教育应该 更加重视实验教学环节，重视实践能力及创新能力的培养。 单片机原理与应用课程是应用电子技术、自动控制专业的一门专业基础 课。通过本课程的学习，应使学生熟悉单片机的原理与结构，通过实验实训的训 练和一些简易单片机项目制作，掌握单片机指令系统、单片机原理、接口技术、 单片机应用系统开发、设计的基本技能。了解单片机技术在家用电器以及自动 控制工程中的应用。 一、九江职业技术学院制定该课程教学大纲要求如下： 通过对该课程的学习，可使学生对电子技术向着模块化、智能化方向的发 展趋势有一初步认识，可以培养和锻炼学生运用单片机技术对硬件、软件进行 开发设计的能力，提高分析问题解决问题的能力和技术创新的能力，为将来从 事自动控制及应用电子产品的设计、检测奠定坚实的基础。 具体要求： 1 熟练掌握单片机的主要构造。 2 掌握m c s 5 1 单片机指令系统及简单程序设计方法，并熟悉单片机编程 方法与技巧。 3 能使用典型的单片机开发工具。 4 了解并掌握单片机在控制系统中的应用。 5 学会处理数据、分析实验结果、写出实验报告。 6 培养学生实验操作规范化，养成保护实验设备的良好习惯。 7 培养独立设计、组装和调试典型的单片机应用系统的能力。 二、课程教学内容要求： 1 计算机基础 了解单片机的现状、性质和发展，掌握单片机的结构及指令执行方式。 第l 章绪论 主要内容：微型计算机到单片微机的发展，单片机应用概况及发展趋势， 单片机的简单结构及指令执行过程。未学微机原理的班级增加计算机基本术语、 常用数制、数值的表示方法和常用编码。 2 单片机系统组成原理 通过理论和结构介绍，初步的程序举例，较详细了解单片机结构、引脚和 功能，掌握单片机的特点和应用功能。 主要内容：m c s 5 1 单片机组成原理和内部结构框图，引脚电路，复位电路 及功能，存储器配置与空间的分布，定时器计数器的原理和使用，中断系统概 念与响应中断的条件及响应过程，单片机中断的应用。 3 单片机指令系统 介绍单片机的指令结构和作用，相应简单指令和程序举例，通过练习，使 学生掌握单片机的特点和软件的基本指令系统。 主要内容：m c s 5 1 单片机指令系统分类，指令格式，指令系统中的数据传 送、算术运算、逻辑运算、控制转移类和位操作等五大类指令。 4 汇编语言程序设计 从单片机伪指令及汇编语言格式入手，详细介绍单片机的各种基本程序， 并进行程序举例，通过练习，使学生掌握单片机的软件编程方法。 主要内容：单片机的各种程序结构设计，包括分支程序、循环程序、查表 程序、散转程序、子程序等。 5 单片机应用系统扩展设计 通过单片机基本知识的积累，介绍单片机存储器和i o 扩展的基本应用，并 对几种可编程芯片进行举例，使学生掌握单片机i o 扩展系统的原理和应用。 主要内容：单片机应用系统的程序存储器的扩展、数据存储器的扩展、i o 接口扩展、串行口扩展等。 6 键盘、显示接口技术 了解输入输出设备的基本概念，通过单片机的键盘、显示接口技术的学习， 掌握单片机人机界面的应用。 主要内容：键盘、显示接口技术的概念，独立式按键接口、矩阵式键盘接 口设计，l e d 显示器及接口设计，l c d 液晶显示器及其接口设计。 7 a d 和d a 转换接口技术 针对单片机的应用，理解a d 和d a 转换接口技术的原理和使用方法。 2 第1 章绪论 主要内容：模拟量输入通道的基本技术，a d 转换接口技术和d a 转换接 口技术概念、应用与举例。 8 串行通信接口技术 掌握串行通信基本方法，并通过实例使学生理解单片机的通信技术要点和 应用技巧。 主要内容：串行通信基础知识，i b m p c 系列机与单片机的通信技术，异步 通信适配器，多机通信技术，双机通信技术。 三、实验的基本技能要求： 1 单片机开发工具的使用 ( 1 ) 根据实验目的要求正确地选择实验所用的模块电路； ( 2 ) 正确使用单片机开发工具及读取实验数据； ( 3 ) 正确使用仿真软件对电路进行软硬件仿真； ( 3 ) 实验结束后按照实验规范整理实验设备。 2 实验操作 ( 1 ) 按照电路原理图正确连接电路： ( 2 ) 按照先接电路、再接电源、先断电源，再改接线的操作顺序进行实验； ( 3 ) 对实验中出现的简单故障能分析并排除。 3 数据处理、结果分析 ( 1 ) 实验步骤合理； ( 2 ) 实验数据完备； ( 3 ) 正确处理数据、结论正确； ( 4 ) 能进行简单分析； ( 5 ) 正确书写实验报告。 1 2 课题意义及研究的主要内容 1 2 1 课题研究意义 单片机课程作为电子、计算机应用、数控、自动化等专业的一门重要的专 业必修课，具有很强的实践性。教学的实践性环节强，才能较好培养学生解决 实际工程问题的能力。因而，单片机实验在单片机教学中占有非常重要的地位， 它可以加强学生对理论知识的理解和掌握、培养学生的工程设计能力和实际动 3 第1 章绪论 手能力。但是，单片机实验内容广泛且各专业教学内容和重点的不同，需要开 设的实验、实训项目差别较大，这就给单片机实验仪器设备的配置提出了较高 的要求。 本研究根据高职电类学科对单片机课程的实际教学要求，设计了一套单片 机综合实验系统并辅以p r o t u e s n 虚拟实验方法，不仅满足验证性实验需要，还能 针对学生设计、调试、开发能力进行培养，具有非常重要的现实意义，同时也 蕴藏着较大的经济商机。 由于引入计算机辅助教学和多媒体技术，将仿真软件放在实验室，学生可 在虚拟实验环境中，达到预习实验的目的或通过计算机完成一些受实验条件限 制而无法实现的实验项目。有利于学生开展创造性思维和知识创新能力的培养。 其次，p r o t u e s 软件的引入，大大地节约了学生做实验的时间以及实验设备 维修的费用。用p r o t e u s 设计的仿真实验电路图进行仿真实验验证，若实验结果 正确则开始着手使用真实元器件在单片机实验系统上进行线路的连接，在保证 电路本身正确的基础上，可以大大减少实验器材的损耗。 另外，在选做实验时，能使学生更好地掌握各种实验仪器、实验设备的使 用技能，培养学生的元器件的选择能力和电路调试能力等工程实践能力，进一 步培养学生的创新能力。 1 2 2 我校单片机实验教学现状 1 实验设备落后，不能满足实验教学要求。 我校早年曾购置了3 0 套启东计算机厂d v c c 5 9 8 j h 实验系统及扩展键盘、 i e d 点阵显示、l c d 液晶显示、语音控制、i c 卡接口、微型打印机等配套模块。 同时配置了3 0 台微机。在实验室创建初期，整个实验系统还可以较好地完成单 片机实验教学的大部分软硬件实验。然而由于长期使用，再加上我校近年来大 规模的扩招，实验室超负荷的运转，造成多半实验设备的损坏。仪器的损坏导 致实验成功率较低，大大降低了学生的学习兴趣。在单片机实验教学过程中学 生明显表现出缺乏主动性，更谈不上创造性。 另外，由于购置的实验系统是将各种单元电路拼凑在一块大印刷电路板上， 构成一个有机的整体。对实验设备的维修很难进行。 2 实验教学内容不合理，不能训练学生的创新能力。 在以往的实验教学过程中，通常以验证性的实验为主，主要内容为汇编指 4 第1 章绪论 令的使用及程序的简单编程，对单片机外部扩展电路涉及甚少。而在单片机的 应用过程中，硬件开发及针对外围接口电路的编程最为广泛。这样的实验教学 内容，既不利于发挥学生的学习主动性，也不利于培养学生的工程意识及解决 实际问题的能力。 1 2 3 研究的主要内容 一) 实验教学的改革与探索 1 实验室硬件设备改建 由于先前购置的实验箱将各种单元电路拼凑在一块大印刷电路板上，构成 一个有机的整体。绝大部分线路都在内部连接好了，从外部根本看不见是如何 连线的。这样，学生做实验时要求连的线是很少的，学生看不到元件，对元件 认识不够，同时学生动手能力也很难得到训练与提高，做完实验之后对硬件电 路的原理还是不太清楚，对单片机的实际开发过程也不了解。实验室维护人员 对实验设备的维修也很难进行。 所以，我校成立一个单片机课程建设小组，参考市场上较成熟的几款单片 机实验设备，自行设计出一款适合本校教学特点的单片机实验系统。在设计的 过程中我们考虑到系统的可扩展性，不但要适应当前的实验要求，而且可以经 过部分扩展能满足新技术、新实验的要求。为增强学生的实际操作能力，既设 计了固定电路，又设计了自行搭接电路，灵活方便，实用性强。 2 引入e d a 软件p r o t e u s p r o t e u s 仿真平台可以完成单片机系统仿真的全过程，使学生真正从原理上 理解单片机的工作过程及单片机系统设计方法，对提升实验教学效果有很大帮 助。 p r o t e u s t m 有两大部分组成：i s i 江原理图设计、仿真系统。它用于原理图 的设计及交互仿真。a l 迮江印制电路板( p c b ) 设计系统。它主要用于印制 电路板的设计，产生最终的p c b 文件。在进行单片机系统仿真功能验证阶段， 我们只用到i s i s 部分。i s i s 有3 0 多个元件库8 0 0 0 多种元件，绝大部分都具有 仿真模型，完全能满足5 1 系列单片机系统设计的需要。在软件中设计好原理图， 在人工查错的基础上，还可以采用i s i s 软件中的e l e c t r i a lr u l ec h e c k 功能检查 并修正原理图。在确认系统原理图无误后，则开始着手使用真实元器件在单片 机实验系统上进行线路的连接，在保证电路本身正确的基础上，可以大大减少 5 第1 章绪论 实验器材的损耗。 3 精选实验内容 为有利于教学计划的实施，提高实验教学质量，根据单片机原理原理与应 用课程实验教学的特性，实验内容的设置上遵循由浅入深、循序渐进、逐步渗 入的原则分成三阶段： 基础性实验，主要有硬件的认知、指令系统实验、汇编语言程序设计实 验。 设计性实验，是实验教学的重点。它包括硬件接线与软件编程两部分。 学生在进行实验时，首先要根据实验任务完成硬件设计、搭建主体电路，然后 编写程序，最后调试。 综合设计性实验，综合设计性实验旨在帮助学生全面掌握所学内容，提 高综合运用所学知识解决实际问题的能力。安排的内容主要是简单电子产品的 设计。在进行综合设计实验时，指导书只给出任务、要求和原理性说明，学生 必须根据实验的目的和要求，独立完成软硬件设计和调试。学生要自己分析解 决实验中出现的问题，在解决问题的过程中进一步加深对单片机系统软硬件设 计的理解。观察实验现象，分析实验结果，写出实验报告。 基础性实验、设计性实验是综合设计性实验的基础。必要的基础实验是不 可缺少的，学生可以通过基础实验掌握单片机的基本原理。综合设计性实验可 以培养学生的动手能力和综合应用知识的能力，充分发挥学生的主观能动性， 激发学生的学习兴趣。 我们在教学环节的前期安排一些基础性实验，其目的在于帮助学生熟悉单 片机软硬件环境。而综合设计性实验是为了培养学生综合运用所学知识的能力， 使学生受到更为实际、更加全面的科学研究训练。综合设计性实验和课程设计 虽然有一定难度和深度，但对学生很有吸引力，能使学生从被动应付实验变成 主动实验，不仅可提高学生基本操作技能，也可充分发挥学生的学习自主性和 创造性。 二) 研究的主要内容 系统方案设计，各模块电路的设计、仿真及硬件实现 1 单片机最小系统的设计及实现； 2 显示模块、音频驱动模块、红外接收模块、复位电路等组成部分的设计； 3 实验内容的设计。 6 第2 章系统总体方案设计 第2 章系统总体方案设计 2 1 系统的组成 整体单片机实验平台主要由单片机综合实验系统、w a v eg 6 w 硬件仿真器、 p o d 8 9 c 5 2 p o d 8 9 5 l 仿真头和p c 机( 装有w a v e 6 0 0 0 、a 5 1 编译器、p r o t e u s ) 等组成。 其中，单片机综合实验系统应根据所需要完成的实验内容，来具体设计实 验系统。主要包括以下部分的设计：单片机最小系统、复位电路、音频驱动电 路、8 位l e d 显示器、液晶显示、静态数码显示、动态扫描显示、行列式键盘 模块、a d c 0 8 0 9 模数转换模块、d a c 0 8 3 2 数模转换模块、存储器扩展模块、红 外接收模块、温度测量模块等组成部分。 关于p c 操作部分，我们研制的这个实验系统用p r o t e u s 、w a v e 6 0 0 0 、a 5 1 编译器、伟福g 6 w 仿真头来构建虚拟实验室以实现软件仿真和硬件仿真实验操 作。 2 2 实验系统的设计和原理 2 2 1 总体结构的设计 一、系统总体框图 在总体结构设计过程中，我们采用单片机最小系统主板结合各模块电路构 匦塑驷 匡堡圜 匡翌垂圜i 兰竺塑墨= ! ：至竺i 犀曼曼虽童基童曼量置量量量薹童曼量曼量重 圈 匿 图圜 图2 2 1 系统总体框图 7 第2 章系统总体方案设计 成，系统总体框图如图2 2 1 所示。 二、各模块电路的实现 1 主板电路图 该实验系统主板电路如图2 2 2 所示。电路中采用d i p 封装的a t 8 9 s 5 2 单 图2 2 2 主板电路图 8 第2 章系统总体方案设计 片机作为微处理器，引脚配置如图2 2 3 所示，为实现在系统可编程功能，选用 1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振。 f e a t ur e s c o m p a t i b l ew i t hm c s - 5 1 b p r o d u c t s 8 kb y t e so fi n - s y s t e mp r o g r a m m a b l e i s p ) f l a s hm e m o r y e n d u r a n c e ：1 0 0 0w r j t 刮e r a s ec y d e s 4 o vt o5 5 vo p e r a t i n gr a n g e f u l l ys t a t i co p e r a t i o n ：0h zt o3 3m h z t h r e e - l e v e ip r o g r a mm e m or yl o c k 2 骗x8 - b i ti n t e m a ir a m 3 2p r o g r a m m a b l ei 0l i n e s t h r e e1 6 一b i tt i m e r c o u n t e 俜 ei g h ti n t e r r u p ts o ur c e s f u l id u p l e xu a r ts e r i a ic h a n n e l l o w - p o w e rl di ea n dp o w e r - d o w nm o d e s i n t e r r u p tr e c o v e r yf r o mp o w e r - d o w nm o d e w a t c h d o gt i m e r d u a ld a t ap oi n t e r p o w e r - o f ff l a g 图2 2 3a t 8 9 s 5 2 的引脚配置 2 八位逻辑电平显示模块的设计 f 1 劭p 1 - o 0 2e x ) p 1 1 p 1 - 2 期3 p 14 t 懈o s l lp 15 i m i s o ) p 1 怎 s c k ) p 1 7 r s t ( r x d ) p 3 0 f r x d ip 3 ( 田西p 3 ，2 ( 附啊p 33 ( t o ) p 3 4 c t ljp 3 5 丽jp 3 6 ( 席西p 37 x w 也2 x w 址1 g h d p d i p v c c p 0 0 彻， p 0 1 ( a d i ) p 0 2 ( a d 2 ) p 0 3c a d 3 j p o 4 ( a d 4 l p 0 5 f a d 5 l p 0 5 ( a d 6 l p 0 7 ( a d 7 j 豳v p p a l b 群i 蹬 黼 p 2 7c a l 5 p 2 6 f a l 4 ) p 2 - 5 ( a 1 3 ) 1 = 2 4 1 2 p 2 3l a l l ) 1 5 2 2 a 1 0 j p 2 ( a 9 p 2 o ( a s l 该模块采用8 个发光二极管作为指示信号作用，既可以用排线来控制，也 可以单个地控制每个发光二极管的亮灭。电路原理图见图2 2 4 ，图中，5 1 单片 机的i o 输出信号经过7 4 l s 3 7 3 锁存器驱动八个发光二极管，当控制信号为低电 平时，发光二极管亮，为高电平时，发光二极管熄灭；控制电平的输入由d o - - d 7 输入。 v e c 7 4 l s 3 7 3v c c； 图2 2 4 八位逻辑电平显示模块的设计 9 鞠”弘弘驼孙嚣玎；宅为m控到 ，2 3 4 5 6 7 e e”钇竹侣惦仃饵傅 第2 章系统总体方案设计 2 2 2 电源 实验主板采用通用u s b 接i z l 供电，只需用双公u s b 连接线将实验板与计算 机u s b 接口相 图2 2 5 供电电路 不o 2 2 3 复位电路的设计 为确保单片机系统中电路稳定可靠的工作，复位电路是必不可少的一部分， 复位是由外部的复位电路来实现的，5 1 单片机的复位引脚r s t 通过一个斯密特 触发器与外部复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机 器周期的$ 5 p 2 ，由复位电路采样一次。 目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：微分型复位电路、积分型复 位电路、比较器型复位电路、看门狗型复位电路。其中，微分复位电路简单， 在电路板空问有限的情况下可以选用此复位电路。 本实验系统采用的是上电与按钮复位电路，下拉电阻r 选用4 7 kq ，c 取 2 2uf ，具体的原理图如图2 2 6 所示。 上电复位 图2 2 6 复位电路的设计 2 2 4 音频驱动电路的设计 最常见的音频器件是蜂鸣器。蜂鸣器俗称喇叭，是一种一体化结构的电子 讯响器，一般用于一些要求不高的声音报警及按键操作提示音等场合。虽然它 l o 第2 章系统总体方案设计 有自己的固有频率，但是它也可以被加以不同频率的方波，从而编制一些简单 的音乐。 蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜 发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机i o 引脚输出的电流较小，单 片机输出的t 1 1 l 电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电 路。该模块通过一个三极管8 5 5 0 来放大驱动蜂鸣器，具体的电路原理图如图2 2 7 所示。 图2 2 7 音频驱动电路的设计 2 2 5 程序下载部分的设计 程序下载部分包括下载数据线、下载头两部分，其中下载头连接到计算机 并口上，下载线一端连接下载头，另一端连接实验系统。 下载头电路如图2 2 8 所示。 打印机口 工作 8 9 5 5 2 下载线电路匿 图2 2 8 下载头电路 鼐2 章系统总体方案设计 2 3 系统布局与布线的设计 为了使整机能够可靠的 仔，要对元器件及其连线在印制电路板上进行合 理的排版布局。如果排版布局不合理，就有可能出现各种于扰，以至合理的方 案不能实现，或整机技术指标下降。有些排版设计虽然能够达到原理的技术参 数，但元器件的排列疏稍不均、杂乱无章，不仅影响美观，也会给装配和维修 带来不便，返样的设讣也不能算是合理的。 故我们对印制电路板进行整体合理的布同，减小干扰，从而使整机能够稳 定可靠的工作。系统主板布局图如图231 所示。 目2 3i 系统中权布柏圈 第3 章系统内容的设计 第3 章实验内容的设计 3 1w a v e 仿真软件的应用 3 1 1w a v e 仿真软件的介绍 w a v e 6 0 0 0 是伟福公司为其单片机仿真头开发的配套软件，简单易匿、操作 方便，不用仿真器也能模拟运行用户程序。凌软件集成了编辑器、编译器、侧 试器以及源程序编辑、编详、下载、调试。它支持a s m ( 汇编) 、p l m 、c 语言 多模块混合源程序调试，在线直接修改、编译、调试源程序。如果源程序有错， 可直接定位错误所在行。在源程序窗口，w a v e 6 0 0 0 软件可以显示单片机内部c p u 及各个存储器的内容，点击变量就可以观察此变量的值，方便抉捷。同时它的 书签、断点功能可快速定位程序，为编写、查找、比较程序提供帮助。在教学 过程中，对讲授单片机内部硬件结构和指令系统，起到良好教学效果。 对做不同的实验，我们只需要适当调整硬件接线，改变源程序就可以了， w a v e 6 0 0 0 软件的操作是帽同的。 操作步骤如下： l 扣开伟福6 0 0 0 软件，选择“仿真器仿真其设置”，如图31l 所示 墓曼d 口t4 陆一 堂，二毫 h i 苎一i l 厂下o = o i 7 p | l ! j & 6 o l i + 5o l i 囤3 1 i 伟福6 0 0 0 软件打开界面 2 选择“文件，新建文件” 墨霹爨黔粤黑愚只寸烹愚皆- 。巴黜 撇吣“卜雪 h r i 口0 ，日墨孤目 g 献o ”l， 墨蕊酝丽1 i 厂一 一f 广刊 。一川 目 ， 。l 圈3 1 0 新建文件 第3 章系统内容的设计 3 在弹出窗口中选择“仿真器”标签，具体设置如图3l3 所示 图3 13 仿真器的设置 4 在右边空白区域编辑程序。然后选择文件保存”，将文档保存为后缀 为a g m 的汇编语言元文件。 w=_旦 = 旦兰 景 bd 口r q a 堂-电h ；rb 田o - 曰匠圃匿 图3 14 文件的保存 5 选择“项日，编译”或按f 9 编译文件，检查程序语法错误，注意左下角信 息显示区域( 方框中为编详成功时显示信息) ，若有错误会在此显示t 根据提示 第3 章系统内容的设汁 修改浯洼错误。 编译成功后会在源程序同目录下生成两个文件名与源程序义件相同，后 缀分别为b i n 和h e x 的文件，如图315 ( a ) 所示，返就是我们要烧写到单片机 中的二进制或1 六进制程序文件。具体操作如图315 ( b ) 所示。 - 口删 蜜鬯蜜 5 i “0 t 5 ：6 h 。甚= o 盘鲨篮警鳖盐一。；：气= ：、= ：5 莒：艺。衄鼍掣7 7 ，7 。a 一酱高 6 软件模拟仿真：选择“执行全速执行”或“跟踪、单步、执行到光标处”等 不同的执行方式进行仿真，以验证程序的正确性，仿真时注意观察左边的寄存 器窗口和有n 韵的内部数据存储器窗口。 i 穗盯i i i i i i i i i i i i i i i i i i 第3 章系统内容的设计 3 1 2w a v e 仿真软件的应用 在了解实验内容及要求后，我们这样使用该仿真软件： 1 ) 按照使用要求，进入w a v e 6 0 0 0 集成开发环境； 2 ) 设置汇编( 或编详) 环境； 3 1 新建n e w 义件，选择教材内的某个汇编程序，输入源程序； 4 ) 汇编、检查错误，保证程序的“格式和“语法”符合规定盟求： 5 ) 参考说明，应用各种调试手段，排查程序中存在的各种问题，直至程序完 全符合设计要求； 6 诚功后，写出分析撤告。 3 2i s p l a y ( 在系统可编程) 软件的应用 1 ) 打开i s p l a y 软件，在左上角器件选择栏选择a t 8 9 s 5 2 圈3 2 1 i s p l a y 软件界面 2 1 修改引脚配置文件 引脚配置文件必须和硬件连接一致。奉系统所用下载头电路如图2 28 所示 第一次使用时耍修改a t m e lb y t e b l a s t i n i 内容为： ：一一一一一一一a u a e l 下载线的引脚定义 【引脚控制 m o s i - 3 m i s o = 1 0 第3 章系统内容的设训 s c k = 2 r s t - 4 l e = 0 o e - 0 r i = 1 4 r 2 = 1 6 i 锁存控制( l e ) 】 e n a b l e = 1 d i s a b l e - 1 【输出控制( o e ) 】 e n a b l e - 0 d i s a b l e = 1 3 ) 点击左f 角“程序设置”设置程序运行环境，在弹出窗口中设置下载配置 文件为a t m e l y t e b l a s t , i n i ，需要注意并口i o 地址婴根据实际训算机的并r n 地址来设置，币同计算机上可能会有差异重新设置下载线配置文件后要蕈新 启动i s p l a y 才能生效。 图3 2 2 设置程序运行环境 第3 章系统内窖的设计 4 ) 重新启动i s p l a y ，点击“检测器件”如果器件检测成功会听到“嘀峭嘀”的 声响， 并且在软件界面中会出现提示，图3 23 所示： 圈3 23 检测后软件界面 5 ) 打开要下载的h e x 或b i n 文件，如图3 24 所示。按顺序执行“擦除”“写” 命令印可将程序写入单片机了，如果操作成功，同样会有三声“嘀嘀嘀”的响声 豳 “一嘲 _ i # o 棘t 月砌憾月一自廿口 e e p 磕器要慧目嚣：麓嫠琵：。 a u t匿自i h 西* t 自* h 。 圈 国， 艘ih亘- t 铆_ 日佣口q f 铺i i 冒蜥m 目衅= m 固* * 自$ i 和一h “ 国h 剁枞十 兢h d国* t 自$ 和h “ i ! z * gq 1 p 哺n _ 啊* k ，h _ i i * # a 口) i m d 抽z # ) 一m mi - - - - - - - - - - - - - 一 n * 豹z * ( 目$ n ) e 蒜薄鬲 隧兰篓测；i 熏l 鳃洒鬻嚣：“ 曛器 图3 2 4 打开下载文件 经过以上步骤就可以为芯片写入程序了，以同样的方法可吼向芯片中写入 任何所需程序，达到自己设计的要求。如果写入芯片经常出错时，可试着适当 的降低写入速度。 第3 章系统内容的设计 3 3 单片机最小系统及流水灯设计 3 3 1 实验目的要求 1 、了解单片机实验系统的功能，掌握其使用方法。 2 、掌握单片机最小系统的设计方法。 3 、了解5 1 系列单片机并行i o 端口的工作原理，掌握编程控制方法。 3 3 2 实验内容 参考市面上可见到的各种广告灯，利用单片机的p 1 口控制8 个l e d 指示 灯，编程实现多种不同亮灯状态。 3 3 3 软硬件系统的设计 一、硬件电路的实现 控制引脚p 1 0 e 1 7 输出低电平时发光二极管亮，输出高电平时发光二极 管灭。具体限流电阻的取值及工作电流的确定，可参考图3 3 1 ，实际使用中我 们选取的限流电阻为2 2 0 q ，据此，我们的工作电流范围为1 4 5 m a - - 1 5 9 m a ， 因此可以保证发光二极管工作正常。 v c c 限流电阻 f = v c c - - v r r 发光二极管参数 v r 导通压降 i m 珏：最大电流 红色发光二极管v t = 1 5 - 1 8 v ，工作电流为2 - 2 5 m a 图3 3 1 工作电流与限流电阻关系图 1 9 第3 章系统内容的设计 该实验的硬件电路图如图3 3 2 所示： 图3 3 2 流水灯设计原理图 软件的实现及仿真 1 实际程序设计流程图可参考图3 3 3 。 图3 3 3 程序设计流程图 第3 章系统内容的设计 2 程序如下： o r g0 0 0 0 h a j n 癣 s t a r t o r g0 0 3 0 h s t a r t ：m o vr 1 # 0 3 h n e x t 0 ：m o vp1 群0 f f h a c a l l d e l a y m o vp 1 群0 0 h a c a l l d e l a y d j n z r l , n e x t 0 l o o p ：m o va # o f f h m o vr 3 并2 l o o p 2 ：m o vr 2 撑8 l o o p 0 ：c l rc r r ca m o vp 1 a a c a l ld e l a d j n zi 也l o o p o m o vl 也# 8 l o o p l ：s e t bc r l ca m o vp 1 a a c a l ld e l a d j n zr 2 l o o p1 d j n zr 3 l 0 0 p 2 m o vr 1 # 0 3 h n e x t l ：m o vp 1 # 0 a a h a c a l ld e l a y m o vp 1 撑5 5 h a c a l ld e l a y 2 l 第3 章系统内容的设计 d j n z r 1 , n e x t l a j 呼s t a r t d e l a y ：m o v r 6 ，# 1 0；延时1 s d e l 2 ：m o v r 5 ，# 2 0 0 d e l l ：m o vr 4 # 2 5 0 d j n z r 4 ，$ d j n zr 5 d e ll d j n zr 6 d e l 2 r e t d e l a ：m o v r 6 ，存2；延时0 2 s d e l a 2 ：m o vr 5 # 2 0 0 d e l a l ：m o vr 4 # 2 5 0 d j n zr 4 $ d j n zr 5 d e ll d j n zr 6 d e l 2 i 砸t e n d 3 4 数码管动态显示程序设计 3 4 1 实验目的要求 1 、熟练掌握l e d 显示器的结构特点( 共阳极和共阴极的区别) 。 2 、了解l e d 静态显示的工作特点，熟练掌握l e d 动态显示方式的工作特 点( 电路的构成与编程应用) 。 3 、掌握利用单片机i o 端口扩展l e d 显示器的方法。 3 4 2 实验内容 设计程序使6 位l e d 数码管动态循环显示，要求有滚动效果。 3 4 3 软硬件系统的设计 一、硬件电路的实现 第3 章系统内容的设计 1 l e d 静态显示方式 l e d 显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极( 或共阳极) 连接在一 起，每位的段码线分别与1 个8 位的锁存器输出相连。之所以称为静态显示， 是因为各个l e d 的显示字符一经确定，相应锁存器锁存的段码输出将维持不变， 直到送入另一个字符的段码为止。正因为如此，静态显示的亮度都较高。 图3 4 1 有几个l e d 就要几个7 4 l s l 6 4 ， 不闪烁，编程十分简单。 l e d 静态显示结构图 但只要数据不变，送一次就保持住了，且 2 l e d 动态显示方式 在多位l e d 显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段码线相应段并 联在一起，由1 个8 位i o 口控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阳极或 共阴极分别由相应的i o 线控制，形成各位的分时选通。 3 动态显示中延时时间的选择 在动态显示方式中，各l e d 显示器轮流工作，为了防止产生闪烁现象，每 个l e d 数码管刷新频率必须大于2 5h z ，即相邻两次点亮的时间间隔要小于4 0 m s 。l e d 显示器的位数越多，每一位的显示时间越短，在驱动电流一定的情况 下，亮度越低( 正因如此，在动态l e d 显示电路中，要适当增大驱动电流，一 般取2 0m a - - 3 5m a ( i e 常情况下的工作电流一般在1 0 - - - 2 0m a 之问) ，以抵消因 显示时间短造成亮度下降) 。为了保证一定的亮度，实验表明：在驱动电流取3 0 m _ a 的情况下，每位显示时间不能小于1m s 。 第3 章系统内容的设计 上拉 电阻 1 4 共阴 显示器 图3 4 2l e d 显不器动态显不结构图 l e d 显示器动态显示工作原理：从p 0 口送段码，p l 口送位选信号。段码虽 同时到达6 个l e d ，但一次仅一个l e d 被选中。利用“视觉暂留”，每送一个字 符并选中相应位线，延时一会儿，再送选下一个循环扫描即可。 4 硬件电路图 电路如图3 4 3 所示，该实验系统所用数码管为定制6 位共阴数码管，共1 4 根线，1 8 脚为公共数据线，分别控制数码管的a , b ，c ，d ，e ，f , g ，h 段，1 亮0 灭；9 1 4 脚分别为6 个数码管的共阴引