顺序系统的设计

1、目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 1、课题研究的目的和意义2 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 2、课题设计方案的论证2 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 3、系统的硬件设计23.1顺序控制系统实物图33.2、控制过程：3 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 3.3、顺序控制系统的组成4 HYPERLINK l bookmark57 o Current Docume

2、nt 3.4单片机最小系统的设计4 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 3.5、振荡器和时钟电路43.6、时序单位6 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 3.7、复位与复位电路7 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 4、系统的软件设计10 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 5、软硬件连调11 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 5.1、常见的硬件故障11

3、HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 5.2、硬件调试力法12 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 5.3、软件调试方法： 12 HYPERLINK l bookmark107 o Current Document 6、顺序系统设计的小结13 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 7、参考文献14附录14附录1：基于单片机顺序系统设计原理图14附录2：基于单片机顺序系统设计PCB图14附录3： proteus仿真图14附录4：基于单片机顺序系统设计C语

4、言程序清单14附录5：基于单片机顺序系统设计元器件目录表14顺序系统的设计1、课题研究的目的和意义单片机原理及应用是一门技术性、应用性很强的学科，实验课教学是它的一 个极为重要的环节。不论是硬件扩展、接口应用还是编程方法、程序调试，都离不开 实验课教学。如果不在切实认真地抓好学生的实践技能的锻炼上下功夫，单凭课堂理 论课学习，势必出现理论与实践脱节，学习与应用脱节的局面。任随书本上把单片微 机技术介绍得多么重要、多么实用、多么好用，同学们仍然会感到那只是空中楼阁， 离自己十分遥远，或者会因此而对它失去兴趣，或者会感到它高深莫测无从下手，这 些情况都会令课堂教学的效果大打折扣。单片机原理及应用课

5、程设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上，通过 完成一个涉及MCS-51单片机多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计 与编程应用，使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能 够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识，同时在软件 编程、排错调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提 高。使学生增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解。使学生掌握单 片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O 口、串行 口通信等。使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以 后设计和实

6、现单片机应用系统打下良好基础。2、课题设计方案的论证硬件：单片机可以实现时序控制、时间控制等，用单片机可以构成形式多样的控制系 统、因此选择单片机作为控制芯片。软件：单片机晶振为12MHZ，一个单指令周期为12个机器周期，以此写出延时 17秒的c语言程序。3、系统的硬件设计掌握单片机定时器/计数器的特点；学会利用单片机进行顺序控制系统的设计与应用。3.1顺序控制系统实物图3.2、控制过程:1、状态1： P1输出0 x05，持续1s；2、状态2： P1输出0 x03，持续1s；3、状态3： P1输出0 x0f，持续1s；4、状态4： P1输出0 x0e，持续1s；5、状态5： P1输出0 x00

7、，持续1s；6、状态6： P1输出0 x04，持续1s；周而复始。顺序控制系统控制时序图再回到状态1，辎TPl?P3J(TKEi)皿1电工电子P3JXIHTDPJ3阳3面司Pl.WWNlliPlJDAIHai(kHDE1J !3.3、顺序控制系统的组成1、电工电子实验箱2、CPU89C51：主要起控制作用。3、5V继电器4个。4、24M晶振及2个20pF或30pF的起振电容。5、20MF的电解电容，2个1K的电阻以及一个按钮开关。6、电阻（1K）、导线若干。3.4单片机最小系统的设计应用89C51（52）单片机设计并制作一个单片机最小系统，达到如下基本要求：1、具有上电复位和手动复位功能。2、

8、使用单片机片内程序存储器。3、具有基本的人机交互接口。按键输入、LED显示功能。4、具有一定的可扩展性，单片机I/O 口可方便地与其他电路板连接。单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的 系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路、按键 输入、显示输出等。单片机的工作原理：取一条指令、译码、进行微操作，再取一条指令、译码、进行微操作，这样自动地、 一步一步地由微操作按次序完成相应指令规定的功能。单片机的时钟信号用来为单片 机芯片内部的各种微操作提供时间基准，机器启动后，指令的执行顺序概念 时序：各指令的微操作在时间上有严格的

9、次序，这种微操作的时间次序称作时序 时钟电路：用于产生单片机工作所需要时钟信号的电路成为时钟电路。3.5、振荡器和时钟电路时钟信号有两种方式：内部振荡器方式；外部引入方式内部振荡器方式MCS-51单片机内部有一个高增益的反相放大器，其输入端为引脚XTAL1（19），输 出端为引脚XTAL2（18），用于外接石英晶体振荡器或陶瓷谐振器和微调电容，构成 稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。如图2.11或2.12（a） 所示。XTALw至内部蜘钾电路图2. 11 MCS-51单片机的振荡电路muS051n.U28051XTAL1洋空1XTA1280C51牌L1诚Sri图2.12 M

10、CS-51振荡电路及外部时钟源的连接电容C1，C2对频率有微调作用，电容一般取值530pF，典型值为30pF；晶振CYS选择范围为1.212MHz，典型值为6 MHz和12MHz。(注：一般情况下，选用6 MHz的石 英晶体，而在串行通信情况下选用12MHz。)外部引入方式外部引入方式常用于多片单片机组成的系统中，以便各单元之间的时钟信号同步 运行。对于HMOS型单片机(如8051)，可用来输入外部脉冲信号，如图2.12 (b)所 示，XTAL1 (19)接地，XTAL2 (18)接外部时钟，由于XTAL2 (18)的逻辑电平 与TTL电平不兼容，所以应接一个上拉电阻。对于CHMOS单片机（如

11、80C51）,外部时钟要由XTAL1引入，而XTAL2引脚 应悬空。如图2.11（c）所示。3.6、时序单位基本概念：MCS- 51时序的定时单位共有4个，从小到大依次是：时钟周期（拍 节）、状态周期、机器周期和指令周期。时钟周期（拍节，振荡周期）：是指振荡器产生一个振荡脉冲信号所用的时间， 是振荡频率的倒数，称为节拍，为最小的时序单位。状态周期：指振荡器脉冲信号经过时钟电路二分频之后产生的单片机时钟信号 的周期（用S表示）称为状态周期。故1个状态周期S包含2个节拍，前一时钟周期 称为P1拍，后一个时钟周期称为P2拍。如图2.13所示：图2.13 80C51单片机时钟信号机器周期：是指CPU完

12、成某一个规定操作所需的时间。MCS-51单片机的一个机器周期包含6个状态，并依次表示为：S1S6,每个状 态分为2个拍。故一个机器周期包含12个节拍（时钟周期），依次表示为：S1P1、 S1P2、S2P1、S6P1、S6P2。若采用12MHz的晶振时，则一个机器周期为 川s； 若采用晶振6MHz时，则一个机器周期为2p s。指令周期是CPU执行一条指令所需要的时间为指令周期。MCS-51单片机包含1个或2个或4个机器周期。若采用6MHz晶振，则振荡周期为1/6p s，机器周期为2p s、4. s或叩s。MCS-51系列单片机的复位与掉电处理3.7、复位与复位电路1.复位：是单片机的初始化操作，

13、以便使CPU和系统中其他部件都处于一个确定 的状态，并从这个状态开始工作。当单片机系统在运行出错或操作错误使系统处于死锁存时，也可按复位键重新启 动。单片机复位后，PC内容初始化为0000H，那么单片机就从0000H单元开始执行 程序。片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容。复位后各寄存器的初态如下表2-7所示，其意义为：P0P3=FFH，相当于各口锁存器已写入1，此时可用于输出/输入；SP=07H，堆栈指针指向片内RAM的07H单元（第一个入栈内容将写入08H 中）；IP、IE和PCON的有效值为0，各中断源处于低优先级且均被关断，串行通 信的波特率不加倍； PSW=00

14、H，当前工作寄存器为0组。表2-7寄存器的复位状态内部寄春器1催IT井器初曲状卷FC加以HTg（：CHACCWTWO。帅HBRH：TH。OOHP$wRHTl.9OOH若HTH加HDPTft(XJW)IITH：S：HFFHSLOVOCHir:xWUF牌IE0：*： B复位电路HMOS型8051复位结构如图2.10所示。复位引脚RST/VPD（它是掉电方式下内 部RAM的供电端VPD）通过一个施密特触发器与复位电路相连。施密特触发器用来 抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2由复位电路采样一次。RST引脚时复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24 个时钟周期（2个机器周期）

15、以上。Ret/ Vpo复位屯路旋密特触发器图2-10 8051复位电路内部结构CHMOS型的单片机复位结构如图211所示，此处复位引脚只是单纯的称为RST，而 不是RST / VPD，因为CHMOS单片机的备用电源也由VCC引脚提供。2.11 CHMOS型单片机的复位结构无论对HMOS还是CHMOS型，当振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST / VPD或RST引脚至少保持两个机器周期的高电平而实现的。在RST端出现高电平 后的第2个周期，执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至RST端变低。RST端的外部复位电路有两种操作方式：上电复位和按键手动复位（人工复位）（1）上电复位如图2.12所

16、示，上电复位电路是利用电容器充电实现的。上电瞬间，RST 端的电位与VCC相同，随着电容的逐步充电，充电电流减小。RST电位逐渐下降。 上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上两个机器周期。在这段时间内，RST 端口的电平应维持高于斯密特触发器的下阈值。一般VCC的上升时间不超过1ms， 振荡器建立时间不超过10ms。复位电路的典型值：电容 C 取 10p F，R 取 8.2K。故时间常数 T = RC = 10 x 10-6 x8.2x10-3 = 82ms足以满足要求。2.12上电复位电路外部复位电路如图2.13所示，按下按钮时，电源对外接电容器充电，使RST为高 电平，复位按钮松开后，

17、电容通过内部下拉电阻放电，逐渐使RST端恢复低电平。2.13外部复位电路程序计数器指针PC典型的复位电路既具有上电复位又具有外部的复位电路如图2.14所示，上电瞬间，C与Rx构成充电电路，RST引脚出现正脉冲，只要RST保持足够 的高电平，就能使单片机复位。参数选择：一般取 C = 22|J F，R=200。,Rx=1K。，此时，当按下按钮时，RST端电位：(1000/1200)X5=4.2V，使单片机复位。2.14上电外部复位电路(4)抗干扰复位电路1N414H+ W小）实用的上电及外部蔑位电路200 kil3,实刖的上电鱼位电路CKJpF：10/*F 士 nb加wn字 4L84RKET74

18、LS04RESRr2.15两种实用复位电路上面几种复位电路，干扰信号易串入复位端。一般情况不会造成单片机的错误复 位，但有可能引起内部某些寄存错误复位。在应用系统中，为了保证复位电路可靠地 工作，常将RC电路在接施密特电路后再接入单片机复位端及外围电路复位端。图2.15 给出了两种实用电路。4、系统的软件设计89C2051顺序控制系统程序流程图中断控制程序流程图主程序流程图根据实验原理与实验电路，编写C语言程序，程序见附录5、软硬件连调双击图标进入Keil uVision21编程环境，输入程序，返回桌面双击图标，进入 PROTEUS仿真环境，点击左上角选项P后调出所需元件画好硬件电路图，存盘后

19、再 点击调试菜单项，激活使用远程调试设备，然后切换到Kile uVision21编程环境中， 选中 probject select device for target targetl AT89C52 确定，后 又 probjet option device for target target1 debug proteus6.9 确定。得到调试结果。单片机应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的.许多硬件故障只有通过软、硬件 联调才能发现，但一般是先排除系统中比较明显的硬件故障后才和软件一起联调。5.1、常见的硬件故障逻辑错误样机硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺错误而造成的,包括错

20、线、开路、短路、相位错误、时序错误等，其中最常见的是短路故障。元器件错误元器件错误的原因有器件损坏或性能不符合要求，电解电容、二极管的极性接反或集 成块装反等。（3）可靠性差应用系统可靠性差的原因很多，如金属化孔、接插件接触不良、内部和外部的十 扰、电压纹波系数过大、器件负载过重等均会造成系统的可靠性差。另外，走线和布 置的不合理也会造成系统可靠性差。（4）电源故障电源故障包括：电压值不符合设计要求、电源功率不足、负载能力差、纹波太重等。5.2、硬件调试力法（1）脱机调试脱机调试是在加电前，先用万用表等工具，按图纸仔细核对样机线路是否正确,并对元 器件的安装、型号、规格等进行仔细检查,特别注意

21、印制板加工和焊接时有无走线之 间相互短路等。（2）联机调试联机前先切断电源，把仿真插头插到样机的单片机插座上,检查一下开发机与样机之 间的电源、接地是否良好。一切正常后，即可打开电源。通电后执行开发机读/写指 令,对用者样机的存储器I / O 口进行读/写操作,进行逻辑检查。若有故障，可用示波 器观察有关点的波形，寻找和分析故障原因,并进一步排除故障。在用者系统的样机（主机部分）调试好后,便可按入用者系统的其它外围部件，如键盘、 显示器等,再进一步进行调试。5.3、软件调试方法：软件调试与所选用的软件结构有关，如果采用模块程序设计技术,则逐个模块调好后再 进行系统程序总调。如果采用实时多任务操

22、作系统,一般是逐个任务进行调试。对于模块结构程序.要一个个子程序分别调试。调试时一定要符合入口条件和出口 条件，调试可用单步运行和断点运行方式,通过检查用者系统的CPU现场情况、RAM 的内容和I / O 口的状态，检测程序执行结果是否符合设计要求,有无循环错误、有无机 器码错误以及转移地址的错误，同时，还可以发现用者系统中存在的硬件设计错误和 软件算法错误。各程序模块通过后，则可以把相关功能块连在一起进行总调。这个阶段若有故障，可以 考虑各子程序运行时是否破坏了现场，缓冲单元、工作寄存器是否发生冲突，标志位的 建立和清除是否有误，堆栈区是否有溢出，输入设备的状态是否正常等等，若用者系统 是在

23、开发机的监控程序下运行时，还要考虑用者缓冲单元是否和监控程序的工作单 元发生冲突。单步和断点调试后,还应进行连续调试,用以确定定时精度、CPU的实时响应等问题。对于实时多任务操作系统的调试方法和模块结构的调试方法类似，只是需逐个任务进 行调试，在调试某一个任务时，同时也调试相关的子程序、中断服务程序。逐个任务调 试好后，再使各个任务同时运行。当全部调试和修改完成后，将用者程序固化到EPROM中,插入用者样机后，用者系统即 能独立工作，至此，单片机应用系统研制完成。6、顺序系统设计的小结通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识，在设 计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次

24、又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找 出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通 过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断 领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的 知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指 导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能 遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有 这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退， 那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又 是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同 时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我 掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以 及如何提高电路的性能