单片机论文.doc

武汉职业技术学院毕业设计第一章 绪 论1.1 单片机的发展史单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。一、单片机发展历程1. SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。2. MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。3. 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决，因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。二、以8位单片机为起点1. 第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS48为代表。MCS48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。2. 第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。（1）完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。（2）CPU外围功能单元的集中管理模式。（3）体现工控特性的位地址空间及位操作方式。（4）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。3. 第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。4. 第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。三、单片机的发展趋势 1. CMOS化 近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051成为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合使目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已超过TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。2. 低功耗化 单片机的功耗已从mA级，降至1uA以下，使用电压在36V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。3. 低电压化 几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在36V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达12V。目前0.8V供电的单片机已经问世。4. 低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。5. 大容量化 以往单片机内的ROM为1KB4KB，RAM为64128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。6. 高性能化 主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。7. 小容量、低价格化 与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。8. 外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。9. 串行扩展技术 在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP（One Time Programble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS 51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。1.2 单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：一、在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、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。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。二、在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。三、在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。四、在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。五、单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。六、在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。七、单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研，教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途和非常广泛的发展前景。第二章 万年历2.1 整体方案以STC89C54RD+作为主要CPU，进行与时间芯片X1227、数字温度传感器DS18B20之间的通讯，整合相关数据后，通过键盘和显示专用控制芯片BC7281B，在字符液晶屏1602、数码管和点阵屏显示，并通过键盘修改相关数据，来实现这个数字式的万年历。2.2 芯片简单介绍2.2.1 万年历时间芯片X1227X1227是一个带有时钟、日历、CPU监控电路和两路查询报警的实时时钟,同时有一个4K位的EEPROM存储器，可保存数据，它具有安全保密性。其正常工作电流小于1A。双端口设计可保证时钟的工作，即使在读写操作期间也不失准确性。时钟、日历通过一批寄存器提供控制和读取的功能，使用32.768kHz的晶体，可精密地用秒、分钟、小时、日期、星期、月、年来显示时间，它可以自动调整闰年至2096年。X1227有一个看门狗定时器，有3个超时时间可供选择，也可以关闭。引脚排列如下图所示：图2-1 X1227引脚和接线X1、X2-分别为用作片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，接32.768kHz石英晶体。RESET-复位信号输出端，可用于单片机复位。SDA-双向串行数据端，用于向器件输入或输出数据。SCL-串行时钟线。 VBACK-接备用电源。VCC、VSS电源和地。2.2.2 键盘和显示专用控制芯片BC7281BBC728l系列是8位16位数码管显示及键盘接口专用控制芯片，BC728lB是BC728lA芯片的升级换代产品。通过外接移位寄存器(典型芯片如74HCl64，741HC595等)，BC728l以动态方式最多可以控制16位数码管或128只独立的发光二极管。另外，可以连接最多64键(88)的键盘矩阵，内部具有去抖动功能，使用非常方便。BC728l各位可独立按不同的译码方式译码或不译码显示，译码方式显示时小数点不受影响；16个显示位均可以独立地控制闪烁属性，可以在正常、半亮和关闭之间切换。另外，还有专用于光柱显示的光柱译码方式和段寻址控制方式，控制非常灵活。BC728l采用高速二线接口与CPU进行通讯，只占用很少的IO口资源和主机时间。 引脚图如下图：图2-2 bc7281b引脚含意DAT：串行通讯数据端，双向，漏极开路输出，需外接上拉电阻。KEY：键盘有效输出端，按键有效变为低电平，并保持到键值内容被读出。CLK：与CPU串行通讯时钟端，下降沿有效。RST：复位端，低电平有效。内部有上电复位电路，可将该脚与Vcc直接相连。GND：接地端。DIG0DIG7：位驱动输出端，第8一15位与第O一7位共用，也是键盘矩阵的行。VCC：电源输入端（5V）。OSC0：RC振荡器输出端，一般应悬空。RC：外接RC振荡器端，连接RC电路形成振荡，给内部扫描等电路提供时钟。SCLK：外接段驱动用移位寄存器时钟端。SDAT：外接段驱动用移位寄存器数据端，输出段驱动数据，低位在前。2.2.3 数字温度传感器DS18B20DS18B20数字温度计提供912位温度读数,指示器件的温度信息经过单线接口送入DS1B820或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS1820仅需连接一条线和地，读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，甚至不需要外部电源。因为每一个DS18B20有唯一的系列号，因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度传感器，可方便用于环境控制、建筑物设备或机械内的温度检测以及过程监视和控制中的温度检测。DS18B20 的性能价格比也非常出色， DS1822与DS18B20 软件兼容，是DS18B20 的简化版本，省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高、成本控制严格的应用。DS18B20测量范围从-55 至+125，在-10至+85范围内的精度为0.5。当分辨率为12位时，转换时间为750毫秒。用户可定义的非易失性的温度告警设置，告警搜索命令可识别和寻址温度超标的传感器。DS18B20一般为三极管型封装，其引脚如图2-3(a)所示：1GND：地。2QD：单线运用的数据输入/输出（引脚漏极开路）。3VDD：可选5V引脚。图2-3图2-3(b)的方框图表示DS1820的4个主要的数字部件：1、64位激光ROM；2、温度传感器；3、非易失性温度告警触发器TH和TL；4、存储器和控制逻辑。DS1820通过使用在板(on-board)温度测量专利技术来测量温度温度。它内部有一个极低温度系数振荡器和一个高温度系数振荡器，通过在一定时间内2个振荡器输出脉冲的差值来测量当前的温度。其温度转换结果保存在2字节的存储器中。DS1820完成温度变换之后，温度值与储存在TH和TL内的触发值相比较，因为这些寄存器仅仅是8位，所以小数位位在比较时被忽略，如果温度测量的结果高于TH或低于TL，那么器件内告警标志将置位，每次温度测量更新此标志。只要告警标志置位，DS1820将对告警搜索命令作出响应，这允许并联连接许多DS1820同时进行温度测量，如果某处温度超过极限，那么可以识别出正在告警的器件并立即将其读出，而不必读出非告警的器件。2.3 系统电原理图电原理图如图2-4所示，其中芯片X1227的时钟线和数据线分别接到单片机芯片的P1.3和P1.7口，芯片DS18B20的数据信号线接到单片机芯片的P4.0口，芯片BC7281B的DAT、KEY、CLK三个口分别接到了单片机的P1.7、P4.3、P4.1三个口上。1602的字符液晶屏是由两个74HC245来驱动的，数码管和点阵屏是由BC7281B、两个74HC164共同驱动的。另外BC7281B还控制着矩阵键盘的“行”。图2-4 万年历电原理图2.4 实现万年历的C语言程序2.4.1 宏定义和驱动函数#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulong unsigned long#include sfr P0=0x80; sfr P1=0x90; sfr P4=0xE8;sbit fmq=P15; sbit bc7281_clk=P41; sbit bc7281_dat=P17; sbit bc7281_key=P43; #define fmq_on(); fmq=0; #define fmq_off(); fmq=1; #define d_time 1 uchar code led_dz_8x7=0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00, 0X18,0X3C,0X3C,0X18,0X18,0X00,0X18, 0X6C,0X6C,0X6C,0X28,0X00,0X00,0X00, 0X6C,0X6C,0XFE,0X6C,0XFE,0X6C,0X6C, 0X30,0XFC,0Xd8,0XF8,0X34,0XFC,0X30, ;void delay_us(uchar time) while(time-); void delay(uint ms) uchar tt; while(ms-) for(tt=0; tt226; tt+) void send_bc7281(uchar dat) uchar jj=0; bc7281_dat=1; dobc7281_clk=0; delay_us(d_time); bc7281_clk=1; delay_us(d_time); +jj; while(bc7281_dat!=0&jj!=0); bc7281_clk=0; delay_us(d_time); bc7281_clk=1; delay_us(d_time); while(bc7281_dat=0&jj!=0) +jj; jj=8; doif(dat&0x80)=0) bc7281_dat=0; else bc7281_dat=1; dat=1; bc7281_clk=0; delay_us(d_time); bc7281_clk=1; delay_us(d_time); -jj; while(jj!=0); bc7281_dat=1; uchar receive_bc7281(void) uchar jj=0; uchar dat; bc7281_dat=1; bc7281_clk=0; delay_us(d_time); bc7281_clk=1; delay_us(d_time); do +jj; while(bc7281_dat!=0&jj!=0); bc7281_clk=0; delay_us(d_time); bc7281_clk=1; delay_us(d_time); jj=8; dodat7) return; write_bc7281(0x0F-wz,tx); void led_putchar(uchar wz,uchar asc) if(wz7) return; switch(asc) case : asc=0xff; break; case -: asc=0xbf; break; case .: asc=0x7f; break; case 0: case o: asc=0xc0; break; case 1: asc=0xf9; break; case 2: asc=0xa4; break; case 3: asc=0xb0; break; case 4: asc=0x99; break; case 5: case S: asc=0x92; break; case 6: asc=0x82; break; case 7: asc=0xf8; break; case 8: asc=0x80; break; case 9: case g: asc=0x90; break; case E: case e: asc=0x86; break; case F: case f: asc=0x8e; break; case o: asc=0xa3; break; case r: asc=0xaf; break; case H: asc=0x89; break; case L: asc=0xc7; break; case J: asc=0xf1; break; case _: asc=0xf7; break; default: asc=0xf7; write_bc7281(0x0F-wz,asc); void led_dot(uchar wz,uchar dot) if(wz7) return; wz=0x7f-wz*8; if(dot!=0) write_bc7281(0x18,wz); else write_bc7281(0x18,wz|0x80); void led_blink(uchar wz,uchar blink) uchar dz; uchar code ss_wz16= 0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01, 0x08,0x02,0x20,0x04,0x01,0x40,0x10,0x80; if(wz16) return; if(wz10) fmq=fmq; kk|=0x80; else +sj; delay(20); while(bc7281_key=0) fmq_off(); return(kk);void init_jp_led_dz(void) uchar code xl8= 0x3C,0x42,0xA5,0x81,0xA5,0x99,0x42,0x3C,; uchar kk,cc; P1&=0xef; write_bc7281(0x12,0x8c); write_bc7281(0x11,0x40); write_bc7281(0x10,0xff); write_bc7281(0x19,0xff); for(kk=0; kk8; +kk) led_putchar(kk,8); led_dot(kk,1);delay(100);led_putchar(kk, ); led_dot(kk,0); for(kk=0; kk8; +kk) dz_tx(kk,0xff); delay(100); dz_tx(kk,0x00); led_string(0,HELLO-EJ); for(kk=0;kk8;+kk) dz_tx(kk,xlkk+cc*8); delay(4008); void clr_led_dz(void) uchar kk; for(kk=0;kk=1; delay_us(28); ds1820_clk_hb=1; -jj; while(jj!=0); uchar read_1820(void) uchar jj=8; uchar tt; bit b_f; do ds1820_clk_hb=0; ds1820_clk_hb=0; -jj; ds1820_clk_hb=1; tt=1; b_f=ds1820_clk_hb; if(b_f!=0) tt|=0x80; delay_us(28); while(jj!=0); return(tt); uint read_tem(void) uchar ss; uchar kk; reset_1820(); write_1820(0xcc); write_1820(0xbe); ss=read_1820(); kk=read_1820(); reset_1820(); write_1820(0xcc); write_1820(0x44); return(kk*256+ss); sbit lcd_rs=P17; sbit lcd_rw=P14; sbit lcd_ep=P12; #define lcd_data P0 uchar lcd_r_bf(void) uchar jj; uchar tt=0; lcd_data=0xff; do lcd_rs=0; lcd_rw=1; lcd_ep=1; +tt;jj=lcd_data; lcd_ep=0; while(jj&0x80)!=0&tt!=0); lcd_rw=0; return(jj);void lcd_w_c(uchar cmd) lcd_r_bf(); lcd_rs=0; lcd_rw=0; lcd_data=cmd; lcd_ep=1; lcd_ep=0;void lcd_w_d(uchar dat) lcd_r_bf(); lcd_rs=1; lcd_rw=0; lcd_data=dat; lcd_ep=1; lcd_ep=0;void lcd_clr(void) lcd_w_c(0x01); void lcd_mode(bit d,bit c,bit b) uchar mm=0x8; if(d!=0) mm+=4; if(c!=0) mm+=2; if(b!=0) mm+=1; lcd_w_c(mm); void zf_lcd_addr(uchar xx,uchar yy) lcd_w_c(yy*0x40+xx+0x80); void zf_lcd_putchar(uchar xx,uchar yy,uchar zf) zf_lcd_addr(xx,yy); lcd_w_d(zf); void zf_lcd_string(uchar xx,uchar yy,uchar *p_xy) zf_lcd_addr(xx,yy); while(*p_xy!=0) lcd_w_d(*p_xy); +p_xy; void init_lcd(void) lcd_w_c(0x38); lcd_w_c(0x0c); lcd_w_c(0x06); lcd_clr(); zf_lcd_string(0,0,Welcome to ljks); zf_lcd_string(0,1,Better life now!); delay(3006); sbit x1227_scl=P13; sbit x1227_sda=P17; void x1227_out(uchar dat) uchar jj=8; dox1227_scl=0; if(dat&0x80)!=0) x1227_sda=1; else x1227_sda=0; dat8)&0x7); x1227_out(addr); x1227_out(dat); x1227_scl=0; x1227_sda=0; x1227_scl=1; x1227_sda=1; x1227_scl=0; if(addr8)&0x7); x1227_out(addr); x1227_scl=0; x1227_sda=1; x1227_scl=1; x1227_sda=0; if(addr&0x8000)!=0) x1227_out(0xdf); else x1227_out(0xaf); jj=8; dox1227_scl