毕业设计论文--基于at89s51单片机实验开发系统设计

河南机电高等专科学校毕业设计论文基于AT89S51单片机实验开发系统设计系部电气工程系专业电机与电器班级学生姓名学号指导教师2011年5月2日摘要由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前，可用于MCS51系列单片机开发的产品越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。本课题设计了一款单片机实验开发系统，该系统可以实现专业基础课、专业课单片机原理与应用，单片机接口技术等、课程设计和毕业设计的实验。实验板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实现简单的测试实验。本论文包括硬件系统的详细设计及汇编语言在基本控制中的应用。关键词AT89S51，单片机，实验系统，硬件ABSTRACTASINALLAREASOFSCMTECHNOLOGYISBEINGMOREWIDELYUSED,MANYICMANUFACTURERSHAVEINTRODUCEDVARIOUSTYPESOFMCU,THEMCUOFTHEMANYFAMILYMEMBERS,MCS51SERIESMCUWITHITSSUPERIORPERFORMANCE,MATURETECHNOLOGYANDHIGHRELIABILITYANDHIGHCOSTPERFORMANCE,ANDQUICKLYOCCUPIEDTHEMARKET,BECOMETHEMAINSTREAMINTHEFIELDOFSCMAPPLICATIONCURRENTLY,MCS51SERIESCANBEUSEDTODEVELOPPRODUCTSMOREANDMORESINGLECHIP,INSTEADOFSUPPORTINGVARIOUSTYPESOFDEVELOPMENTSYSTEMS,SOFTWAREISALSOMATURING,THEREFORE,BEVERYEASYTOUSEEXISTINGRESOURCES,DEVELOPEDFORDIFFERENTPURPOSESVARIOUSAPPLICATIONTHEPROJECTDESIGNEDASINGLECHIPEXPERIMENTDEVELOPMENTSYSTEMTHATCANACHIEVEPROFESSIONALBASICCOURSESANDSPECIALIZEDCOURSESPRINCIPLESANDAPPLICATIONS,SCMINTERFACETECHNOLOGY,ETC,CURRICULUMDESIGNANDGRADUATEDESIGNOFEXPERIMENTSMICROCONTROLLERTESTBOARDWITHREFERENCETOTHECONTENTOFTEXTBOOKSINEXPERIMENTALDESIGN,TOACHIEVEASIMPLETESTEXPERIMENTTHISTHESISINCLUDESTHEDETAILEDDESIGNOFHARDWAREANDASSEMBLYLANGUAGEINTHEBASICCONTROLAPPLICATIONKEYWORDSAT89S51,SCM,EXPERIMENTALSYSTEMS,HARDWARE目录摘要I绪论1第1章实验板总体设计方案211实验板系统功能212实验板的性能要求213AT89S51在实验板中的应用3第2章实验板的硬件设计421硬件总体设计422实验板总体设计原理图423各功能模块设计4第3章实验板的软件设计1531流水灯显示测试实验1532用矩阵键盘控制LED数码显示器1633音乐发声实验1734液晶显示实验18第4章实验板调试2041调试的目的2042调试的过程20第5章展望21致谢22参考文献23附录24绪论单片机是把中央处理器CPUCENTRALPROCESSINGUNIT,随机存取存储器RAMRANDOMACCESSMEMORY，只读存储器ROMREADONLYMEMORY，定时器/计数器以及I/O接口电路等主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机的应用导致了控制领域的一场革命，微控制技术逐步取代传统的硬件控制。近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科学计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它己渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。MCS51系列中的一片AT89S51芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入/输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机，MCS51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令，CPU时钟高达12MHZ，具有能够完成单字节乘法或除法的运算器件。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选择工业级芯片，保证系统可靠性。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTESISPINSYSTEMPROGRAMMING的可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点40个引脚，4KBYTESFLASH片内程序存储器,128BYTES的随机存取数据存储器RAM，32个外部双向输入/输出I/O口，5个中断优先级2层中断嵌套，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗WDT电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0HZ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM、定时计数器、串行口、外部中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外部中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。第1章实验板总体设计方案11实验板系统功能单片机实验开发板是一个实际应用的系统，能够为相关专业的学生开设单片机实验提供支持。此实验板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实现简单的综合验证实验。本论文包括硬件系统的详细设计及汇编语言在基本控制中的应用。此实验板设计的功能如下111硬件部分1电源开关电路2时钟电路3复位电路444的16位矩阵键盘5液晶显示器6LED七段数码显示电路7流水灯显示电路8音乐发声电路9单片机与上位机串行通信电路10I/O口扩展电路112软件部分1流水灯显示测试实验2用矩阵键盘控制LED数码显示器3音乐发声实验4液晶显示实验12实验板的性能要求基于实验板的功能定义和各种芯片的性能参数，总结系统基本性能要求如下1各芯片所需的5V平稳电压2AT89S51单片机时钟信号为12MHZ3AT89S51单片机手动复位电路4显示器件516位行列扫描键盘6与上位机串行通信7I/O口扩展功能13AT89S51在实验板中的应用AT89S51在整个实验板系统中处于核心地位。硬件电路板设计中，几乎其它所有的元器件的选取都要依据AT89S51的性能参数来决定。在软件设计中，AT89S51接收并处理键盘输入的信号，将其发送给显示器件，实现数码显示功能，或可以实现流水灯显示、液晶显示以及蜂鸣器的发声等功能。另一方面，也可以与PC机发送或接收信息，实现串行通信功能。第2章实验板的硬件设计21硬件总体设计本论文设计的单片机实验开发板是以AT89S51作为主控制芯片，串口通信芯片MAX232、DB9插座、液晶显示器、按键开关、等元器件组成，通过软硬件结合实现键盘扫描、液晶显示、数码显示、与上位机串行通信、I/O口扩展等功能。一方面，它能作为学生简单实验的工具，另一方面，它也是综合型单片机系统设计的基础，可扩展许多其它功能。22实验板总体设计原理图实验板总体设计原理图如附录图1所示。外围电路是AT89S51工作的基础保障电源电路提供稳定的5V工作电压；时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号；复位电路使单片机恢复初始状态。键盘电路用于向系统输入运行参数和控制系统的运行状态。通过键盘扫描等程序设计把键盘输入的数据在液晶显示器上显示或把数据发送到PC机实现串行通信。LCD电路用来显示键盘输入的数据和上位机发送到AT89S51的数据，其功能也是靠硬件电路的设计和软件程序的结合来实现的串行通信电路主要是为了单片机与上位机之间数据传送而设计的。23各功能模块设计231单片机外围电路一、时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。在AT89S51单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件晶体振荡器和电容，即可构成一个稳定的自激振荡器。在AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。AT89S51的时钟电路如图21所示图21AT89S51的时钟电路用晶振和电容构成谐振电路。电容U12、U13容量在1540PF之间，大小与晶振频率和工作电压有关。但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，为了提高精度，本实验板采用30PF的电容作为微调电容。在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。二、复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境也需按复位键以重新启动。AT89S51芯片内部有复位电路，RST引脚是复位信号的输入端高电平有效，复位方式有自动复位和手动复位两种。本实验板采用手动复位方式复位。AT89S51的复位电路如图22所示图22AT89S51的复位电路当电源刚开始送电瞬间，电容相当于短路，RST端输入高电平，AT89551复位。短路瞬间之后，电容充电，RST端低电平。AT89S51需要复位时，按下手动复位键，电容通过电阻放电，当电容放电结束后，RST为高电平，AT89551进入复位状态，松手后，电容充电，RST端高电位下降，CPU脱离复位状态。23244矩阵键盘电路键盘是人与AT89S51联系的重要手段，用于向CPU输入运行参数和控制系统的运行状态。键盘电路形式分为直接编码输入键盘和矩阵键盘。前者接口电路简单，一般应用于需要少量按键的控制系统。后者因占用I/O引脚数少，常被按键较多的控制系统所采用。本实验板用于学生实验，为了减少键盘电路占用I/O引脚数目，将键盘电路设计为44矩阵键盘形式。其中行线作为输入引脚与P0口的P03P00连接，列线作为引脚与P07P04连接。实验板的键盘电路如图23所示图23实验板的键盘电路当开始扫描时，首先将行设置低电平，在判断有键被按下后，读入列状态。如果列状态出现并非全部为1状态，这时O状态的列与行相交的键就是被按下的键。233LED数码管显示电路LED数码管是单片机控制系统中最常见的显示器件之一，一般用来显示处理结果或输入/输出信号的状态。实验板数码管显示电路如图24所示图24实验板的数码管显示电路本实验板使用了2个四位一体的数码显示管，各位数码管的显示通过74HC245驱动控制，每位数码管的引脚A、B、E、D、E、F、G、DP通过限流排阻、74HC138和扩展座与P2口相连。234流水灯显示电路流水灯显示电路主要由8只发光二极管组成，电路原理图如图25所示图25实验板的流水灯显示电路8只发光二极管的正极通过限流排阻连接电源5V，二极管的负极分别通过74HC245驱动与单片机P2端口连接。235发声模块电路发声模块电路原理图如图26所示图26实验板的发生电路信号由P34引脚进入三极管进行放大，推动蜂鸣器SPK发声。该部分只用3个元件，三极管型号为8550，蜂鸣器为微型压电式。236液晶显示电路显示器件是实验板中普遍使用的输出器件，较常用的是LED数码管和LCD液晶显示器。前者仅能显示数据输出，而后者能显示更多，更复杂的字符，如汉字，甚至是图形等。此实验板采用LCD1602作为输出显示器件。LCD1602液晶是一款很常用，也很易用的字符液晶。可以显示2行，每行16个字符，对比度可调、黄绿色背光。控制ICST7065/ST7066，电源范围45V55V，数据总线4/8线均可。实验板液晶显示电路如图27所示图27实验板的液晶显示电路VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。R/W读写选择信号与P11连接，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。RS是数据显示和指令数据选择信号，与P10连接。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。DB0DB7是数据线，分别与P20P27连接，用于传送CPU发送给显示器的数据、指令等。LCD1602引脚特性如表21所示表21LCD1602引脚特性237串行通信电路AT89S51中的串行接口能方便地与其他计算机或串行传送信息的外围设备实现双机通信。此实验板中仅设计与上位机实现数据传送串行通信电路。RS232C标准规定发送数据线TXD和接受数据线RXD均采用EIA电平，即传送数字“1”时，传输线上的电平在315V之间传送数字“0”时，传输线上的电平在3L5V之间。但单片机串行口采用正逻辑的TTL电平，这样就存在TTL电平与EIA电平之间的转换问题。因此实验板中采用电平转换芯片MAX232与9芯D插座连接方式。与PC机串行通信电路如图28所示图28实验板与上位机的串行通信电路MAX232电平转换芯片实现电平转换，仅需外加4个10UF的电容，即可实现TTL电平和RS232电平的互换。在电路设计时，15LIN、152IN引脚中的一个与AT89S51中的TXDP3L引脚连接，接收CPU发送给PC机的数据；1COUT、2COUT引脚中的一个与9芯D插座中的RXD2引脚连接，发送15LIN或251IN取引脚接收到的数据。1CIN，2CIN引脚中的一个与9芯D插座中的TXD3引脚连接，接收上位机发送给AT89S51的数据；151OUT、251OUT引脚中的一个与AT89S51中的RXDP30引脚连接，发送1CIN或2CIN引脚接收到的数据。238I/0口扩展电路实验板中各功能模块没有涉及I/O口扩展，硬件电路设计中仅增加了两个扩展槽分别与AT89551的P0口、PL口、P2口、P3口相连，将它们引出以便用户在其他实验中扩展。实验板I/O口扩展电路如图29所示图29实验板的I/O口扩展电路239电源电路电源VCC是整个实验板正常工作的动力源泉。实验板的电源电路如图210所示图210实验板的电源电路该电源插座使用的是USB插座，LEDI为发光二级管，当按下开关接通电源时，灯亮表示电源电路供电正常，否则电源电路出错。第3章实验板的软件设计实验板的软件设计是在硬件电路板的基础上，通过汇编程序来实现的。下面是一些测试程序。31流水灯显示测试实验功能说明单片机P2端口接8只LED，每次点亮一只，向右移动点亮，重复循环。一、流程图程序设计流程如图31所示图31亮灯循环右移的程序流程图二、程序运行结果如下将写入程序的单片机插入实验板，接通电源后会看到LED在不断地向右移动，当移到最右端后，又回到最左端重新开始向右移动，不断循环。如图32所示图32亮灯循环右移的测试结果32用矩阵键盘控制LED数码显示器功能说明使用44矩阵式键盘通过扫描方法控制显示器输出0F十六进制数。一、流程图程序流程如图33所示图33键盘扫描的程序流程图二、程序运行结果如图所示键盘上字符排序与该程序中的编码表TABLE中代码的排序是相同的，例如按下第一排左数第一个键，数码管显示器将显示0；按下第一排左数第二个键，数码管显示1。按键盘中不同键号，显示器将会显示出相应的十六进制数。如图34所示图34键盘扫描程序的测试结果33音乐发声实验功能说明用软件延时方法实现变频振荡报警，即用P34端口输出1KHZ和2KHZ的变频信号以示报警，每隔1S交替变换1次。一、流程图程序流程图如图35所示图35音乐发声的程序流程图二、程序运行结果将程序写入单片机后，当接通实验板上蜂鸣器的控制插针后，听到变频报警声。34液晶显示实验功能说明LCD显示字符串。开机后，从液晶显示屏第1行第2个位置开始显示字符串“HELLO”。一、流程图主程序设计流程如图36A所示，查表显示子程序流程如图36B所示。AB图36液晶显示的程序流程图二、程序运行结果如下将写入程序的单片机插入实验板插座内，检查连接正常后接通电源，会看到在液晶显示屏第一行第2个位置上显示“HELLO”。如图37所示图37液晶显示程序的测试结果第4章实验板调试41调试的目的在系统功能设定，硬件电路板的制作和软件程序的编写过程中都对实验板进行了严格的检查。对于手工编写好的程序，必须使用开发软件进行编译连接等过程，最终生成目标文件，然后再通过编程器下载到单片机当中测试。42调试的过程一、检查电路板硬件电路板制作完成后，主要利用万用表对电路板的线路连接状况、各元器件的焊接情况进行检查。二、程序的调试利用实验板对所编写的程序进行调试。硬件电路板是否支持程序执行各子程序功能的能否具体实现对出错的程序进行修改完成以上调试后便可将调试成功的程序录入到AT89S51芯片中，在实验中进行调用。第5章展望随着单片机技术应用领域的扩大，基于单片机设计的嵌入式系统带来的工业年产值逐年递增，单片机教学研究与产品开发工作也越来越重要。传统的依赖于仿真机的单片机实验成本高且效率低，已不适应现代科技开发需求。如何方便用户合理利用单片机的性能与高效开发产品成为当前的研究热点。为此，重点对AT89S51单片机、嵌入式系统和C语言进行了研究，并设计出功能较强的新型单片机综合实验系统。由于研究时间与水平有限，该实验系统的研究与设计等方面还有很多需要改进的地方，今后仍有许多工作要做。后续研究工作主要集中于1进一步探讨单片机应用。单片机应用环境太复杂，如何更充分合理应用到工程现场仍旧是一个充满挑战性的问题。2本系统设计了九种外围电路，能完成几十种实验，但对于高性能AT89S51单片机来说还未充分拓展其功能，如何扩展单片机功能仍是一大重要任务。3单片机技术发展日新月异，开发工具和应用软件层出不穷，这些都有待学习研究。总体来讲，通过本次的课题设计，收获很大，我掌握了一些科学的研究方法，获得了宝贵的工程项目经验。尤其是通过处理电路调试过程中遇到的诸多问题，对硬件电路和软件程序的反复修改和调试，深刻体会到了理论和实践相结合的重要性。软件部分的编写和调试也是一项复杂和需要耐心的工作。另外在所有工作告一段落的时候适当地进行总结对十后续的工作也非常重要。总之，通过开发单片机实验教学仿真系统，实现了理论与实际相结合，提高了自己分析问题、解决问题和实际动手的能力，同时也使自己对单片机产品的应用开发以及单片机课程的讲授作了比较深入地探讨和研究。致谢在本论文结束之际，首先要衷心地感谢我的指导老师毛景魁，感谢他在我论文写作过程中对我的悉心指导和无微不至的关怀。尽管他的教学与科研工作繁忙，但是他仍不忘对我的学习关心和指导。他经常和我们联系，通过电话或电子邮件询问有关学习情况，耐心指出论文中存在的缺陷并提出正确的指导意见。另外，也感谢中国电子市场网等网络学习平台，为我提供了丰富的学习资源和重要实践经验资料。参考文献1新编单片机原理与应用潘永雄编著西安电子科技大学出版社2003年2月出版2单片微机原理与应用丁元杰主编机械工业出版社2006年5月出版3单片微机原理及接口技术实验朱定华编著北方交通大学出版社2002年11月出版4单片机微型机原理与应用徐淑华，程建安，姚万生编著哈尔滨工业大学出版社1997年6月出版5单片机控制工程实践技术付家才主编化学工业出版社2004年5月出版6单片机原理与接口技术杨丽凤，王艳秋，张军编著清华大学、北方交通大学出版社2004年2月出版7单片机程序设计实例先锋工作室清华大学出版社2003年1月出版8AT89系列单片机原理与接口技术王雷，钟爱琴等编著北京航空航天大学2004年5月出版9单片机程序设计基础周航慈主编北京航空航天大学2003年7月出版10PROTE199电路设计与应用孙江宏，李良玉等编著机械工业出版社2004年7月出版11PROTEL99SE印刷电路板设计教程肖玲妮，袁增贵编著清华大学出版社2003年8月出版12单片机原理及其接口技术胡汉才编著清华大学出版社2004年2月出版13单片微型机原理应用与实验张友德编著复旦大学出版社2000年6月出版14单片机应用技术张哗编著高等教育出版社2006年6月出版15PROTEL99SE电路原理图与电路板设计教程崔玮编著海洋出版社2005年1月出版16单片机实验教学改进议叶剑超台州学院学报2006年6月出版17AT89S系列单片机及在线编程技术孟建华,郝晋霞西安工程科技学院学报2006年6月出版附录图1原理图图2PCB图流水灯显示测试实验程序汇编代码如下STARTMOVR0,8MOVA,0LLLLLLLBLOOPMOVP2,AACALLDELAYRRADJNZR0,LOOPJMPSTARTDELAYMOVR5,50DLY1MOVR6,100DLY2MOVR7,100DJNZR7,DJNZR6,DLY2DJNZR5,DLY1RETEND用矩阵键盘控制LED数码显示器程序汇编代码如下ORG00HSTARTMOVR4,00