流水灯控制系统设计.doc

微 机 原 理 课 程 设 计 1 目目录录 第第 1 章章 方案的论述以及与最终方案的确定方案的论述以及与最终方案的确定 1 1 1 第一种方案的论述 1 1 2 第二种方案的论证 1 1 3 第三种方案的论述 1 1 4 最终方案的确定 1 第第 2 章章 硬件设计硬件设计 2 2 1 总体方案设计分析 2 2 2 系统逻辑框图 2 2 3 主要元器件简介 2 2 3 1 8086CPU 2 2 3 2 地址锁存器 74LS373 的内部电路与工作原理 4 2 3 3 可编程外围接口芯片 8255A 的简介 5 第第 3 章章 软件设计软件设计 9 3 1 程序流程设计 9 3 1 1 主程序流程 9 3 1 2 程序流程图 10 3 1 3 系统硬件连接图 11 3 1 4 源程序设计 附录 11 3 2 设计最终理想结果及原理 11 3 2 1 左向移动流水灯 11 3 2 2 右向移动流水灯 11 设计心得设计心得 12 参考文献参考文献 13 附录附录 14 微 机 原 理 课 程 设 计 1 第第 1 章章 方案的论述以及与最终方案的确定方案的论述以及与最终方案的确定 1 1 第一种方案的论述第一种方案的论述 第一种方案 使用 AT89C51 单片机实现流水灯闪烁设计 AT89C51 单片机 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 具有丰富的内部资 源 4kB 闪存 128BRAM 32 根 I O 口线 2 个 16 位定时 计数器 5 个向量两 级中断结构 2 个全双工的串行口 具有 4 25 5 50V 的电压工作范围和 0 24MHz 工作频率 使用 AT89C51 单片机时无须外扩存储器 因此 方案一中 设计的流水灯实际上是一个带有八个发光二极管的单片机最小应用系统 即由 发光二极管 晶振 复位 电源等电路和必要软件组成的单个单片机 1 2 第二种方案的论证第二种方案的论证 第二种方案 我们使用了 AT89C51 单片机与 8255A 芯片一起实现了流水灯 闪烁的设计 74LS373 是常用的地址锁存器芯片 它是一个是带三态缓冲输出 的 8D 触发器 在单片机系统中为了扩展外部存储器 通常需要一块 74ls373 芯 片 我们了解到 74ls373 是常用的地址锁存器芯片 它是一个是带三态缓冲输 出的 8D 触发器 在单片机系统中为了扩展外部存储器 通常需要一块 74ls373 芯片 1 3 第三种方案的论述第三种方案的论述 第三种方案 使用 8086 CPU 芯片并行 8255A 芯片一起实现了流水灯闪烁的 设计 同时还使用了地址锁存器 74LS373 芯片 从前两种方案中 我们分别熟 悉与掌握了地址锁存器 74LS373 芯片和 8086CPU 在方案中 当 8086CPU 的引 脚 ALE 处于下降沿时将 8086CPU 输出的地址信息进行锁存 以定义 8255A 的工 作方式 在方案中 我们将详细地介绍 8255A 的内部电路 功能特点 工作原 理以及在电路中的功能扩展与应用 这也是我们这次课程设计中一个需要重点 掌握的芯片 1 4 最终方案的确定最终方案的确定 通过课程设计的要求和以上的论证 我们决定采用第三种方案 即以 微 机 原 理 课 程 设 计 2 8086CPU 为核心 并行接口芯片 8255A 和 3 个逻辑电平开关设计多路流水灯控 制程序 微 机 原 理 课 程 设 计 3 第第 2 章章 硬件设计硬件设计 2 1 总体方案设计分析总体方案设计分析 在本实验中要求用 8255A 的 B 口做为输出 接 8 个发光二极管 从而实现 8 位流水灯的显示效果 基本的接线可以如下图所示 在 C 口的低三位接 3 个 逻辑电平开关 实现 3 个扩展功能的控制 在 PB0 PB7 口分别对应的接八个发 光二极管 8 个发光二极管竖向安放 自上到下对应两种模拟流水形式的自左 到右 2 2 系统逻辑框图系统逻辑框图 8086CPU 处理 LED 显 示 K0 K2 74LS373 锁存器 输出 PB0 PB7 8255A 输入 PC0 PC2 74LS138 译码器 图 2 1 系统逻辑框图 2 3 主要元器件简介主要元器件简介 2 3 1 8086CPU Intel 8086 是一个由 Intel 于 1978 年所设计的 16 位微处理器芯片 是 x86 架构的鼻祖 不久 Intel 8088 就推出了 拥有一个外部的 8 位数据总线 允许便宜的芯片用途 它是以 8080 和 8085 的设计为基础 拥有类似的寄存器 组 但是数据总线扩充为 16 位 总线界面单元 Bus Interface Unit 透过 6 字 节预存 prefecth 的队列 queue 喂指令给执行单元 Execution Unit 所以 微 机 原 理 课 程 设 计 4 取指令和执行是同步的 8086 CPU 有 20 条地址线 可直接寻址 1MB 的存储空 间 每一个存储单元可以存放一个字节 8 位 二进制信息 图 2 2 8086 CPU 外部引脚 图 2 3 8086 CPU 内部结构框图 Intel 8086 拥有四个 16 位的通用寄存器 也能够当作八个 8 位寄存器来 微 机 原 理 课 程 设 计 5 存取 以及四个 16 位索引寄存器 包含了堆栈指标 资料寄存器通常由指令 隐含地使用 针对暂存值需要复杂的寄存器配置 它提供 64K 8 位元的输出输 入 或 32K 16 位元 以及固定的向量中断 大部分的指令只能够存取一个内 存位址 所以其中一个操作数必须是一个寄存器 运算结果会储存在操作数中 的一个寄存器 Intel 8086 有四个内存区段 segment 寄存器 可以从索引寄存器来设 定 区段寄存器可以让 CPU 利用特殊的方式存取 1 MB 内存 8086 把段地址左 移 4 位然后把它加上偏移地址 大部分的人都认为这是一个很不好的设计 因 为这样的结果是会让各分段有重叠 尽管这样对组合语言而言大部分被接受 也甚至有用 可以完全地控制分段 使在编程中使用指针 如 C 编程语 言 变得困难 它导致指针的高效率表示变得困难 且有可能产生两个指向同 一个地方的指针拥有不同的地址 更坏的是 这种方式产生要让内存扩充到大 于 1MB 难 而 8086 的寻址方式改变让内存扩充较有效率 2 3 2 地址锁存器地址锁存器 74LS373 的内部电路与工作原理的内部电路与工作原理 图 2 4 引脚功能图 注 管脚引出端功能符号 D0 D7 数据输入端 OE 三态允许控制端 低电平有效 Q0 Q7 输出端 LE 锁存允许端 微 机 原 理 课 程 设 计 6 74373 三态缓冲输出的8D锁存器 3S 锁存允许输入有回环特性 其输出 端 Q0 Q7 可直接与总线相连 74LS373的LE端直接与8086CPU的ALE信号连接 1脚是三态允许控制端 OE 是低电平有效 当1脚是高电平时 不管输入 3 D0 4 D1 7 D2 8 D3 13 D4 14 D5 17 D6 18 D7 如何 也不 管11脚 LE 锁存允许端 如何 输出2 Q0 5 Q1 6 Q2 9 Q3 12 Q4 15 Q5 16 Q6 19 Q7 全部呈现高阻状态 或者叫浮空状态 当1脚是低电平 时 只要11脚 LE 锁存允许端 上出现一个下降沿 输出2 Q0 5 Q1 6 Q2 9 Q3 12 Q4 15 Q5 16 Q6 19 Q7 立即呈现输入脚3 D0 4 D1 7 D2 8 D3 13 D4 14 D5 17 D6 18 D7 的状态 11脚是锁存允许端 LE 当LE由高变低时 输出端8 位信息被锁存 直到 LE 端再次有效 当三态允许控制端OE为低电平时 三态门导通 允许Q0 Q7 输出 OE为高电平时 输出悬空 当74LS373用作地址锁存器时 应使OE为低电 平 此时锁存使能端C为高电平时 输出Q0 Q7 状态与输入端D1 D7状态相同 当LE发生负的跳变时 输入端D0 D7 数据锁入Q0 Q7 图 2 5 8086CPU 与 74LS373 74LS138 的连接及外部接线图 2 3 3 可编程外围接口芯片可编程外围接口芯片 8255A 的简介的简介 8255A 是 Intel 公司生产的一种通用的可编程并行 I O 接口芯片 它是为 In ter 系列微处理器设计的配套电路 也可用于其它微处理器系统中 通过对它进 微 机 原 理 课 程 设 计 7 行编程 芯片可工作于不同的工作方式 8255A 有 3 个 8 位并行 I O 口 具有 3 个通道 3 种工作方式 其各口功能可由软件选择 使用灵活 通用性强 825 5 作为主机与外设的连接芯片 必须提供与主机相连的 3 个总线接口 即数据 线 地址线 控制线接口 同时必须具有与外设连接的接口 A B C 口 由于 8255 可编程 所以必须具有逻辑控制部分 因而 8255 内部结构分为 3 个部分 与 CPU 连接部分 与外设连接部分 控制部分 图 2 6 8255A 的外部引脚 图 2 7 8255A 的内部结构 微 机 原 理 课 程 设 计 8 注 管脚引出端功能符号 RESET 复位输入线 当该输入端处于高电平时 所有内部寄存器 包括 控制寄存器 均被清除 所有I O口均被置成输入方式 CS 芯片选择信号线 当这个输入引脚为低电平时 即 CS 0时 表示芯片 被选中 允许8255与CPU进行通讯 CS 1时 8255无法与CPU做数据传输 RD 读信号线 当这个输入引脚为低电平时 即 RD 0且 CS 0时 允许8255 通过数据总线向CPU发送数据或状态信息 即CPU从8255读取信息或数据 WR 写入信号 当这个输入引脚为低电平时 即 WR 0且 CS 0时 允许CPU 将数据或控制字写入8255 D0 D7 三态双向数据总线 8255与CPU数据传送的通道 当CPU 执行输 入输出指令时 通过它实现8位数据的读 写操作 控制字和状态信息也通过数 据总线传送 PA0 PA7 端口A输入输出线 一个8位的数据输出锁存器 缓冲器 一个 8位的数据输入锁存器 PB0 PB7 端口B输入输出线 一个8位的I O锁存器 一个8位的输入输 出缓冲器 PC0 PC7 端口C输入输出线 一个8位的数据输出锁存器 缓冲器 一个 8位的数据输入缓冲器 端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口 每 个4位的端口包含一个4位的锁存器 分别与端口A和端口B配合使用 可作为控 制信号输出或状态信号输入端口 A0 A1 地址选择线 用来选择8255的PA口 PB口 PC口和控制寄存器 当A0 0 A1 0时 PA口被选择 当A0 0 A1 1时 PB口被选择 当A0 1 A1 0时 PC口被选择 当A0 1 A1 1时 控制寄存器被选择 8255A的工作方式 方式 0 基本输入输出方式 适用于无条件传送和查询方式的接口电路 方式 1 选通输入输出方式 适用于查询和中断方式的接口电路 方式 2 双向选通传送方式 适用于与双向传送数据的外设和查询和中断方式 的接口电路 微 机 原 理 课 程 设 计 9 图 2 8 工作方式控制字 图 2 9 C 口按位置位 复位控制字 8255A初始化编程 8255A 的 A B C 三个端口的工作方式是在初始化编程时 通过向 8255A 的控制端口写入控制字来设定的 8255A 由编程写入的控制字有两个 方式控 制字和置位 复位控制字 方式控制字用于设置端口 A B C 的工作方式和数据 传送方向 置位 复位控制字用于设置 C 口的 PC7 PC0 中某一条口线 PCi i 0 7 的电平 两个控制字公用一个端口地址 由控制字的最高位作 为区分这两个控制字的标志位 图 2 10 8255A 与 LED 及开关的连接及外部接线图 微 机 原 理 课 程 设 计 10 第第 3 章章 软件设计软件设计 3 1 程序流程设计程序流程设计 3 1 1 主程序流程主程序流程 设置 8255A 的工作方式 10000001H 读 C 口低三位 左向流水灯 输出 0FFH 右向流水灯 灯 无有效按键时输出 Y Y N Y K2 是否被按下 N N K1 是否被按下 开始 结束 图 3 1 主程序流程图 微 机 原 理 课 程 设 计 11 3 1 2 程序流程图程序流程图 左向移动流水灯 CF 置 1 0FEH AL B 口输出 AL 带进位循环左移一位 延时 开始 图 3 2 左向移动流水灯子程序图 右向移动流水灯 CF 置 1 07FH AL B 口输出 AL 带进位循环右移一位 延时 开始 图 3 3 左向移动流水灯子程序图 微 机 原 理 课 程 设 计 12 3 1 3 系统硬件连接图系统硬件连接图 图 3 4 系统硬件连接图 3 1 4 源程序设计源程序设计 附录附录 3 2 设计最终理想结果及原理设计最终理想结果及原理 3 2 1 左向移动流水灯左向移动流水灯 1 现象 左向移动流水灯的实验现象是首先最右边的灯亮 然后是最右边的灯灭 此时右起第二个灯亮 依次轮流亮 直到第八个灯亮 然后循环上述过程 2 原理 左向移动流水灯是根据发光二极管的显示原理 首先点亮最右的二极管 然后进位置一 通过带进位的循环左移指令编写程序以实现模拟流水灯的左向 移动 3 2 2 右向移动流水灯右向移动流水灯 1 现象 右向移动流水灯的实验现象是首先最左边的灯亮 然后是最左边的灯灭 此时左起第二个灯亮 依次轮流亮 直到第八个灯亮 然后循环上述过程 2 原理 右向移动流水灯是根据发光二极管的显示原理 首先点亮最左的二极管 然后进位置一 通过带进位的循环右移指令编写程序以实现模拟流水灯的右向 移动 微 机 原 理 课 程 设 计 13 设设计计心心得得 在此 我们郑重感谢系里给我们提供的这次珍贵的锻炼机会以及吴学娟老 师的热情指导与帮助 在我们遇到困难而无法解决的时候 吴学娟老师给我们 提供了很多有用的方案建议 并为我们提供了对我们极为有用的资料 当我们 有些问题不懂疑惑时 吴学娟老师也耐心给了我们做了清楚的解释 在此我们 表示真挚的感谢 这次微机原理课程设计我学到了很多在书本上所没有学到过的知识 以前 在上课的时候对于编程工具的使用还处于一知半解的状态上 但是经过一段时 间的实践 对于怎么去排错 查错 怎么去看每一步的运行结果 怎么去了解 每个寄存器的内容以及当寄存器不够用时如何用存储单元代替寄存器 怎么去 使用循环嵌套 怎么去正确使用 8255 芯片等方面都有了很大程度的提高 通过 课程设计 我们学到了很多东西 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的 只有理论知 识是远远不够的 只有把所学的理论知识与实践相结合起来 从理论中得出结 论 才能真正为社会服务 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 在设计的过程中遇到问题 可以说得是困难重重 这毕竟第一次做的 难免会 遇到过各种各样的问题 同时在设计的过程中发现了自己的不足之处 对以前 所学过的知识理解得不够深刻 掌握得不够牢固 但总的来说还是圆满的 感谢所有帮过我们的老师和同学们 他们都很热情帮助我们 为我们提供 了他们力所能及的帮助 在此我们对他们表示真挚的感谢 微 机 原 理 课 程 设 计 14 参考文献参考文献 1 周荷琴 吴秀清 编著 微机原理与接口技术 合肥 中国科学技术大学出 版社 2008 6 2 潘新民 王燕芳 编著 微型计算机控制技术 北京 高等教育出版社 2004 3 周明德 编著 微型计算机系统原理及应用 北京 人民邮电出版社 2007 微 机 原 理 课 程 设 计 15 附录 附录 端口地址 PORT A EQU 0F0H PORT B EQU 0F2H PORT C EQU 0F4H PORT CTL EQU 0F6H 代码段 CODESEGMENT ASSUME CS CODE START MOV DX PORT CTL 指向控制口 MOV AL 10000001B 控制字 OUT DX AL 写入控制字 MO MOV DX PORT C 检测开关信号 IN AL DX TEST AL 01H 检测按键 1 是否被按下 JZ K1 TEST AL 02H 检测按键 2 是否被按下 JZ K2 JMP THEEND 无有效按键时输出 K1 CALL L1 JMP MO K2 CALL L2 JMP MO L1 模拟流水灯左移 MOV DX PORT B 设置 B 口输出 微 机 原 理 课 程 设 计 16 MOV AL 07FH L10 OUT DX AL B 口输出 ROL AL 1 AL 带进位左移一位 CALL DELAY 调用延时子程序 MOV DX PORT C IN AL DX TEST AL 01H JZ L10 RET L2 MOV DX PORT B 模拟流水灯右移 MOV AL 0FEH L20 OUT DX AL B 口输出 ROR AL 1 AL 带进位右 移一位 CALL DELAY 调用延时子程序 MOV DX PORT C IN AL DX TEST AL 02H JZ L20 RET THEEND MOV AL 0FFH MOV DX PORT B OUT DX AL JMP MO DELAY MOV BX 200 用双层循环嵌套实现延时功能 DEL1 MOV CX 1000 DEL2 LOOP DEL2 DEC BX JNZ DEL1 微 机 原 理 课 程 设 计 17 RET CODE ENDS END START 微 机 原 理 课 程 设 计 7 RESET 复位输入线 当该输入端处于高电平时 所有内部寄存器 包括 控制寄存器 均被清除 所有I O口均被置成输入方式 CS 芯片选择信号线 当这个输入引脚为低电平时 即 CS 0时 表示芯片 被选中 允许8255与CPU进行通讯 CS 1时