单片机的控制系统课程设计.doc

单片机的控制系统课程设计第1章 绪论1.1 设计目的结合实际情况，编程设计、布线、程序调试、检查与运行，完成一个与接近实际工程项目的课题，以培养学生的实际操作能力，适应生产一线工作的需要。做到能检查出错误，熟练解决问题；对设备进行全面维修。通过实训对PLC的组成、工作原理、现场调试以及基于网络化工作模式的基本配置与应用等有一个一系列的认识和提高。利用51单片机、1个独立按键及1位7段数码管等器件，设计一个单片机输入显示系统，要求每按一下独立按键数码管显示数据加1（数码管初始值设为0，计到9后再加1，则数码管显示0）。次设计采用12MHz的晶体振荡器为单片机提供振荡周期，外加独立按键，复位电路和显示电路组成。1.2 设计背景单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。随着技术的发展，利用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式可分静态显示和动态（扫描）显示；按译码方式可分硬件译码和软件译码。静态显示数据稳定，占用很少的CPU时间。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。LED数码管的外围电路一般需要一个限流电阻和加大驱动电流的晶体管。LED数码管是由发光二级管显示字段组成的显示器，有“8”字段和“米”字段之分，这种显示器有共阳极和共阴极两种。实际上不用驱动电路即可达到正常亮度，为了可靠性设计可采用晶体管构成驱动电路。在单片机的产品设计中，人机界面是非常重要的部分，而且随着系统的日益复杂，以及人们对产品的人机交互能力的要求不断提升，常握单片机系统中的人机界面基础设计能力成为了学习单片机的基础课程，而按键的操作和LED数码管的动态显示是人机界面设计的基础内容，掌握这些基础设计能力，加深对人机界面的认识，同时提高人机界面系统设计能力。1.3 主要内容本次课程设计任务为利用51单片机、BCD译码芯片和一位LED构成一个数码管扫描显示系统一个数码管同时循环显示09。并根据设计任务的要求编写程序在PROTEUS 7.5中绘制电路原理图。然后在PROTEUS 7.5下进行仿真实现相应功能。1.4 单片机的发展单片机的出现是电子数字计算机广泛应用到人们日常工作、生活领域中去的一个重大的转折点。它已经深入应用到非微型计算机所无法应用的领域，对社会产生了极大的影响。单片机微型计算机是微型计算机发展中的一个重要的分支，它以其独特的结构和性能，越来越普及地应用到国民经济的各个领域。随着大规模、超大规模集成电路技术的发展和计算机微型化的需要，将微型计算机的基本功能部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、定时器/计数器、中断系统等多种资源集成在一个半导体芯片上，使得一块集成电路芯片就能构成一个完整的微型计算机。这种集成电路芯片被称为单片微型计算机。由于它的结构及功能均是按照工业控制要求设计的，所以其确切的名称应是单片微型控制器。在单片机的结构设计上，它的硬、软件系统及I/O接口控制能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的功能。从其组成、逻辑功能上来看，单片机都具备了微型系统的基本部件。但需要指出的是，单片机毕竟还只是一个芯片，只有在配置了应用系统所需的接口芯片、输入/输出设备后，才能构成使用的单片机应用系统。第2章 系统结构及主要元器件2.1 系统的结构系统结构如图2-1所示。图2-1 系统结构图2.2 74HC138译码器74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A3），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC138特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。74HC138引脚图如图2-2所示。 图2-2 74HC138引脚图2.3 51单片机简介51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。2.4 振荡器的特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.5 LED数码管 在单片机应用系统中，显示器是一个不可缺少的人机交互设备之一，是单片机应用系统中最基本的输出装置。通常需要用显示器显示运行状态以及中间结果等信息，便于人们观察和监视单片机系统的运行状况。而单片机系统中最为常见的显示器是发光二极管数码显示器（简称LED显示器）。LED显示器具有低成本、配置简单、安装方便和寿命长等特点。但显示内容比较有限，一般不能用于显示图形。LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。LED是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。每一笔划都是对应一个字母表示 DP是小数点. LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。单片机的I/O 控制G1G6 可以选6 个LED 数码管中的一个或几个点亮，而控制AG以及DP则可以设定数码管显示的图形。LED数码管如图2-3所示。图 2-3 LED数码管图 第3章 硬件设计3.1 总体方案IOA 低8 位接至SEG 接口控制LED 的导通，IOA 高8 位连接到LED键盘模组的1*8KEY 接口管脚上，读取相应按键值，1*8key 中ROW1 与DGND 相连，IOB6 连至DIG7 通过ULN2003A 控制8 个LED 的共阴极电平状态，也可将DIG7 直接连至VDD，直接将LED 共阴极接地。将LED键盘模组的KEYTYPE跳线跳到1*8KEY状态将61板IOA8IOA15 用排线连接到LED 键盘模组的1*8KEY 排针上；IOB07 连接到LED 键盘模组的SEG 排针上；IOB8IOB15连接到LED 键盘模组的DIG排针上。硬件连接原理图如图3-1和3-2所示。图 3-1 硬件连接原理图图 3-2硬件连接原理图3.2 硬件电路总连接图硬件图中U1为单片机AT89C51，单片机AT89C51读入4位开关的输入状态（0F），并将其输出到数码管显示；用PROTEUS设计、仿真基于AT89C51单片机的开关控制LED数码管实验；掌握I/O的控制方法。从PROTEUS库中选取元器；AT89C51.BUS 为总线式的单片机；RES、RX8分别为电阻和8排阻；7SEG-COM-AN-GRN为带公共端的共阳七段绿色数码管；CAP CAP-ELEC为电容、电解电容，CRYSTAL为晶振；SW-SPST为带锁存的单刀单掷开关，开关的合或断可单击向下或向上的指示箭头实现；放置元器件、放置电源和地、连线、元器件属性设置、电气监测 在对象选择器中单击选中AT89C51（蓝色光条表示目前选取的元器件），在编辑区中合适的位置单击，器件AT89C51就会放到编辑区中。依次把各元器件放入编辑区中适当位置；若需要改变元器件的放置位置，对元器件右击选中后再单击按钮 或 ；若要镜像，先右击选中元器件再单击按钮 或 ；若是多个元器件一起转向，先右键拖出方框选中它们，再单击相应的块操作按钮。其中原理图的元件RN1、RN2 是8排电阻的排阻。其中RN1、RN2的电阻的阻值分别设置为200、20。具体硬件电路连接图如图3-2所示。图3-3 电路连接图第四章 软件设计4.1 主程序流程图主程序设计说明：主程序主要分为四部分，包括复位电路部分、独立按键的判别部分、单片机控制主程序部分和译码显示部分，主程序流程图如图4-1所示：图4-1 程序流程图4.2 设计的主程序#include/-定义使用的IO口-/#define GPIO_DIG P0/段选#define GPIO_PLACE P1/位选/-定义全局变量-/unsigned char code DIG_PLACE8 = 0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;/位选控制 查表的方法控制unsigned char code DIG_CODE17 = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、b、C、d、E、F的显示码unsigned char DisplayData8;/用来存放要显示的8位数的值/-声明全局函数-/void DigDisplay(); /动态显示函数/* 函 数 名 : main* 函数功能 : 主函数* 输 入 : 无* 输 出 : 无*/void main(void)unsigned char i;for(i=1; i7; i+)DisplayDatai = DIG_CODEi;while(1)DigDisplay();/* 函 数 名 : DigDisplay* 函数功能 : 使用数码管显示* 输 入 : 无* 输 出 : 无*/void DigDisplay()unsigned char i;unsigned int j;for(i=1; i7; i+)GPIO_PLACE = DIG_PLACEi; /发送位选GPIO_DIG = DisplayDatai; /发送段码j = 10; /扫描间隔时间设定while(j-);GPIO_DIG = 0x00;/消隐 第5章 系统仿真及调试系统调试结果系统实物图如图5-1和5-2所示。 图5-1 系统实物图图5-2 系统实物图结论通过单片机课程设计，不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，我重新温习了单片机的基础知识，复习了C语言和汇编语言，同时也掌握了单片机的相关应用。增加了自己动手的实际能力，也让我们在一步步的探索中培养了解决问题的能力，任何事情只有一步步的探索才能最终发现解决问题的方法。而且还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。本设计通过按相应按键，能够在LED数码管上显示相应数字的值，按第一个键则显示1，按第二个键显示2，按第8 个键显示8。本设计以SPCE061A为核心，能够很好的使软件和硬件相结合，以达到设计要求。这次单片机课程设计让我深刻的体会到在实际生活或是将来