极简51单片机：体系结构、程序设计与案例开发（汇编语言版）实验讲义 - 向军 实验4-8 波形产生实验-并行AD转换实验

单片机原理实验讲义电气工程专业实验中心单片机原理（含实验）实验讲义向军编电气工程学院2023年9月

目录TOC\o"1-2"\h\u5093实验环境及基本操作 43663一、开发软件基本操作 4275981.1KeilC51软件的一般操作步骤 4165201.2Proteus软件基本操作 516489二、DICE-5210K多功能单片机实验箱简介 6137042.1实验箱简介 6274102.2仿真器连接及配置 729232三、普中A2型51单片机实验开发板简介 829269实验1单片机I/O口应用实验 1119292一、实验目的 119748二、实验内容 1119960三、实验原理 1112757四、实验步骤 1210389实验2键盘输入和数码管显示设计实验 1332384一、实验目的 1310922二、实验内容 1318202三、实验原理 1320206四、实验步骤 158251实验3LCD显示设计实验 1612649一、实验目的 1628754二、实验内容 165936三、实验原理 161782四、实验步骤 207407实验4波形产生实验 2113271一、实验目的 212716二、实验内容 21516三、实验原理 2132280四、实验步骤 218870实验5波形测量实验 2327529一、实验目的 2310856二、实验内容 2310660三、实验原理 237956四、实验步骤 2412622实验6串行通信接口实验 2532563一、实验目的 2513112二、实验内容 2531676三、实验原理 2531586四、实验步骤 267181实验7并行D/A转换实验 286567一、实验目的 281724二、实验内容 2816322三、实验原理 2815889四、实验步骤 302160实验8并行A/D转换实验 3121793一、实验目的 3114483二、实验内容 312782三、实验原理 3121128四、实验步骤 34

实验4波形产生实验一、实验目的1.掌握单片机内部定时/计数器的基本功能和使用方法；2.掌握利用定时/计数器产生波形的基本方法；3.熟悉定时/计数器的硬件连接和控制程序编制方法。二、实验内容以下3项任选一项。1.仿真实验模仿实践案例5-1、5-6或5-8（参见理论课讲义），自拟题目，在KeilC51和Proteus软件中调试。2.实验箱实验利用单片机内部的定时/计数器产生周期方波脉冲，由P1.7引脚输出，要求每按动一次实验箱中的按钮，输出脉冲的频率在两种频率之间切换一次。3.开发板实验利用单片机内部的定时/计数器产生给定频率或周期的周期方波脉冲，由P1.7引脚输出，要求每按动一次开发板上的独立按键，输出脉冲的占空比在两种频率之间切换一次。三、实验原理利用单片机产生周期波形的基本思想是：利用内部集成的定时/计数器实现周期性定时，每次定时时间到时将指定的并口输出端输出电平取反，则可通过该端子输出周期脉冲。利用这种方法输出的脉冲幅度不能调节，只能分别为高低电平。但是，通过设置不同的定时/计数器计数初值和软件循环次数，可以对输出脉冲的频率、周期和占空比等参数进行灵活调节。这里主要介绍实现输出脉冲占空比调节的基本原理和方法。假设用单片机中的定时/计数器T0工作于定时方式2，实现0.1ms的定时。如果重复定时a和b次，则定时时间分别为t1=0.1ams和t2=0.1bms。假设使T0轮流定时a和b次，每次定时到使输出端交替输出高低电平，则输出周期为T=t1+t2=0.1(a+b)ms的脉冲，其中高电平持续的时间在脉冲一个周期内的占比（即脉冲的占空比）s=t1/T=a/(a+b)。上述各参数之间的关系示意图如图2-1所示。由此可见，通过设置不同的定时次数a和b，即可调节脉冲的占空比，而a+b决定了脉冲的周期或频率。例如，假设a=50，b=150，则输出脉冲周期为0.1(a+b)=20.0ms，而占空比为s=a/(a+b)=50/(50+150)=25%。如果设置a=50，b=50，则输出脉冲周期为0.1(a+b)=10.0ms，而占空比为s=a/(a+b)=50/(50+50)=50%。aabt1t2Ta+b图2-1输出脉冲的周期和占空比示意图四、实验步骤1.实验预习复习单片机定时/计数器的相关知识。2.实验步骤以下3项任选一项。（1）仿真实验在KeilC51和Proteus软件中调试实践案例5-1、5-6或5-8（参见理论课讲义）；模仿上述案例，自拟题目，在KeilC51和Proteus软件中调试。（2）实验箱实验在实验箱关电的前提下，检查仿真器是否连接好；示波器连接到P1.7，按钮输出单脉冲插孔连接到P3.2；将程序下载到实验箱或开发板，启动运行，用示波器观察输出波形；按动按钮，观察示波器上脉冲波形的变化。（3）开发板实验示波器连接到P1.7引脚；用附带USB转串口配线连接开发板和电脑U盘插口，打开开发板电源；在KeilC51中编辑编译程序，并生成HEX文件；打开PZ-ISP，在窗口中注意选择串口号和波特率，单击“打开文件”按钮选择生成的HEX文件，之后单击“程序下载”按钮下载程序到开发板；程序下载后启动运行，按动按键，观察示波器上脉冲波形的变化。

实验5波形测量实验一、实验目的1.了解单片机内部定时/计数器的典型应用；2.掌握利用定时/计数器实现脉冲宽度和频率测量的基本原理和方法。二、实验内容以下3项任选一项。1.仿真实验模仿实践案例5-2或5-5（参见理论课讲义），自拟题目，在KeilC51和Proteus软件中调试。2.实验箱实验将实验箱中时钟与单脉冲模块产生的250kHz、125kHz、62.5kHz和31.25kHz的方波脉冲作为待测脉冲，测量其周期，并将测量结果保存到内部RAM单元。3.开发板实验利用开发板上的独立按键K3或K4产生任意宽度的脉冲，用单片机内部的定时/计数器T0或T1测量其宽度，并将测量结果用二进制形式控制8位LED的亮灭。三、实验原理1.脉冲宽度与周期测量的基本原理实现脉冲周期测量的基本原理是：利用待测脉冲控制定时/计数器，对标准的内部计数脉冲进行计数，其示意图如图3-1所示。图3-1脉冲周期测量的基本原理在待测脉冲信号的一个周期T内，假设标准脉冲信号的周期为T0，定时/计数器对标准脉冲信号的计数值为N，则待测信号的周期为T=NT0根据上述原理，利用51单片机内部的定时/计数器实现脉冲周期的测量时，定时/计数器工作在定时方式，从而将单片机内部频率较高的标准时钟脉冲作为计数脉冲。设置定时器/计数器的TR和GATE都为1，则可将待测脉冲从INTx引脚接入，作为计数器的门控信号。在待测脉冲的高电平期间，定时/计数器对标准脉冲进行计数。在计数停止时，根据计数值即可求得脉冲的宽度。如果待测脉冲是方波，其占空比为50%，则根据测量得到的脉冲宽度，只需要将其计数值再乘以2，即可得到脉冲的周期为2NT0。2.实验箱相关硬件模块在实验箱的时钟与单脉冲模块中，提供了4MHz、2MHz、1MHz、500kHz、250kHz、125kHz、62.5kHz和31.25kHz的方波时钟源，如图3-2所示。由于单片机的主频脉冲为12MHz，因此对频率不超过500kHz的脉冲信号，可以根据上述原理实现周期测量。3.开发板上单脉冲信号的产生在开发板上提供了4个独立按键K1~K4，其内部电路参见图1-3。对任何一个按键，每按动一图3-2实验箱中上的单脉冲与时钟模块次，将由P3.0~P3.3输出负脉冲；按键释放后，输出正脉冲。若连续不断按动按键，则将连续输出高低电平交替的脉冲。但需要注意的是，根据按键按下和释放的时间，输出的脉冲不一定是方波。图3-2实验箱中上的单脉冲与时钟模块根据上述测量原理，如果直接将K3或K4对应的P3.2或P3.3输出信号作为门控信号，测量结果代表的将是相邻两次按键之间的时间间隔。思考：这里为什么不用K1或K2？需要注意的是，人工按动按键的速度相对于单片机的工作速度是非常慢的。如果直接采用上述方法进行测量，得到的结果将远超过8位二进制能够表示的范围。为此，可以考虑将单片机内部的一个定时/计数器用作分频器，将单片机的时钟脉冲分频后作为测量过程中的计数脉冲。四、实验步骤1.实验预习（1）复习单片机定时/计数器的相关知识；（2）复习脉冲宽度和周期、频率测量的基本原理和方法。2.实验步骤以下3项任选一项。（1）仿真实验在KeilC51和Proteus软件中调试实践案例5-2和5-5；模仿上述案例，自拟题目，在KeilC51和Proteus软件中调试。（2）实验箱实验用双头线将时钟与单脉冲模块上的125kHz、62.5kHz和31.25kHz插孔分别与P3.2（INT0）插孔连接，引入不同频率的待测方波。启动运行，观察并分析实验结果。注意结果观察可以利用Keil窗口右下角的Mermory1窗口观察。如果该窗口没打开，可以单击View/MermoryWindows/Mermory1菜单命令。此外，全速运行时需要单击停止按钮停止运行后再观察，也可以通过设断点运行观察运行结果。（3）开发板实验用附带USB转串口配线连接开发板和电脑U盘插口，打开开发板电源；在KeilC51中编辑编译程序，并生成HEX文件；打开PZ-ISP，在窗口中注意选择串口号和波特率，单击“打开文件”按钮选择生成的HEX文件，之后单击“程序下载”按钮下载程序到开发板；程序下载后启动运行，按动按键，观察LED显示的测量结果。

实验6串行通信接口实验一、实验目的1.了解串行通信协议及波特率的产生方法；2.熟悉串行通信的典型接口及数据收发过程；3.了解单片机串口的基本结构及典型应用；4.了解串口调试助手的使用方法。二、实验内容以下3项任选一项。1.仿真实验模仿实践案例5-3、5-4或5-7，自拟题目在KeilC51和Proteus软件中调试。2.实验箱实验利用两台实验箱实现双机点-点通信，用一台实验箱中的8个开关控制另一台实验箱中8个LED的亮灭。3.开发板实验开发板与PC机之间的串行通信，利用串口调试助手向开发板发送数据，开发板收到后原样发回PC机，并显示在串口调试助手中。三、实验原理1.实验箱中的串口模块在实验箱中，串口对应的P3.0和P3.1引脚可以直接引出，实现两台实验箱之间的双机点-点通信。实验时只需要将两台实验箱中系统接口区的RxD（P3.0）和TxD（P3.1）相互交叉连接，两台实验箱的地线直接共地连接。实验箱A中8个开关的状态由P1读入后，再通过串口发送到实验箱B。在实验箱B中，从串口读取接收到的数据，再通过P2口输出控制8个LED的亮灭，从而即可实现两台实验箱中开关和LED的交叉控制。两台实验箱串口的工作方式、传输波特率和控制程序完全相同。连接好RxD和TxD引脚后，在两台实验箱中同时启动程序运行。在一台实验箱中搬动开关，即可在另一台实验箱中观察到LED灯的亮灭与开关的状态完全对应。当设置串口工作在方式2和3，并且SM2=0时，还可以利用TB8和RB8实现串行通信的奇偶校验。2.开发板中的USB转串口模块开发板上板载一个USB转串口模块。其硬件电路如图6-1所示。该模块的主要作用是将单片机的串口引脚信号转换为USB接口引脚信号。图中，P5为跳线帽。当1-2、3-4接通时，单片机的两个串口引脚RxD和TxD分别与RxD-U和TxD-U引脚连接，而这两个信号作为CH340芯片的输入信号，在内部将其转换USB接口所需的两个信号引脚D+和D-，再送到USB1插座。使用USB转串口芯片，免去了一根串口线，使用普通USB数据线（支持安卓手机数据线）就可以进行串口通信。如果使用黄色跳线帽将P5端子的1、2短接，3、4短接，那么CH340串口与单片机串口是连接一起的，此时即可实现程序的下载或串口通信。需要注意的是，开发板上使用的是11.0592MHz晶振，在计算波特率和定时/计数器的计数初值时必须用该参数进行计算，否则会导致比较大的波特率误差，在通信过程中出现乱码等错误信息。3.串口调试助手串口调试助手的基本功能是在Window系统模拟电脑的串口，实现PC机与单片机系统之间的串行数据传输。串口调试助手有很多版本，开发板提供的版本界面如图6-2所示。图6-2串口调试助手SSCOM启动串口调试助手后，特别注意设置正确的波特率（与程序中定时/计数器的计数初值必须相对应），并注意到“端口号”中显示的串口号是否与Windows设备管理器中的一致（一般情况下会自动识别）。在程序运行过程中，通过右下角的文本框可以输入需要发送到开发板中单片机的数据。在窗口上部的空白文本框中会显示开发板上单片机通过串口发送回PC机的数据。四、实验步骤1.实验预习（1）复习单片机串口的相关知识；（2）复习串口方式1中波特率的计算方法及定时/计数器T1的作用；（3）了解串口调试助手的作用和使用方法；2.实验步骤以下3项任选一项。（1）仿真实验在KeilC51和Proteus软件中调试实践案例5-3、5-4或5-7；模仿上述案例，自拟题目，在KeilC51和Proteus软件中调试。（2）实验箱实验实验箱关电，用双头线将两台实验箱中的P3.0和P3.1插座交叉连接，地线直接连接。在两台实验箱中，分别用八芯线连接JP1与开关量输入模块区的8芯插座、JP2和发光管输出模块的8芯插座。启动运行，在一台实验箱中搬动开关，观察另一台实验箱中LED的亮灭与开关的对应情况。（3）开发板实验用附带USB转串口配线连接开发板和电脑U盘插口，打开开发板电源；在KeilC51中编辑编译程序，并生成HEX文件；打开PZ-ISP，在窗口中注意选择串口号和波特率，单击“打开文件”按钮选择生成的HEX文件，之后单击“程序下载”按钮下载程序到开发板；程序下载后启动运行，打开串口调试助手，在文本框中输入任意字符或数字，发送后观察串口调试助手中的显示。注意：在打开串口调试助手时，如果需要重新下载程序到开发板，必须先在串口调试助手中关闭串口。因为下载程序和运行程序实现开发板与PC机缠绵的串行通信，都是用的同一个端口。

实验7并行D/A转换实验一、实验目的1.掌握D/A转换器和单片机的连接方法。2.掌握控制程序的编制和调试方法。3.掌握利用D/A转换器产生任意波形的基本方法。4.了解PWM信号产生的基本原理及其应用。二、实验内容以下3项任选一项。1.仿真实验模仿实践案例8-1、8-2、8-5和8-6，自拟题目，在KeilC51和Proteus软件中调试。2.实验箱实验利用实验箱中提供的DAC0832输出任意期望的波形。3.开发板实验利用开发板上提供的PWM模块，模拟实现D/A转换的功能。三、实验原理1.实验箱中的DAC0832模块图7-1实验箱中的DAC模块布局实验箱中DAC0832数模转换模块的布局如图7-1所示，相应的原理接线如图7-2所示。图7-1实验箱中的DAC模块布局在原理接线图中，DAC0832的CS和XFER直接短接后接CS5插孔，WR1和WR2直接短接后接WR插孔，因此0832工作在单缓冲方式。假设将WR插孔接到单片机的WR（P3.6）引脚，CS5接实验箱并口区的“8000H”插座，则表示用P2.7经反相后作为片选信号CS，因此DAC0832作为外部RAM的一个单元，其地址为8000H。图7-2实验箱中DAC0832的原理线路图除上述连接以外，还需要用8芯线将DAC0832模块区的D0~D7与系统接口区的数据总线P0口相连接。当用MOVX指令向DAC0832输出一个数字量时，CS和WR有效，立即将数字量打入0832内部，并启动转换，转换结果由AOUT端子输出。利用上述原理线图可以产生各种周期波形，并用示波器观察。2.开发板上的DAC要让51单片机输出模拟信号，可以选用DAC，在实际应用中还广泛使用PWM技术来模拟DAC输出。在开发板上集成了一个DAC（PWM）模块电路，通过单片机IO口生成PWM波来模拟DAC输出。（1）PWM信号控制LED亮度的基本原理PWM信号是频率或周期恒定不变，而占空比可随意调节的信号，广泛用于直流电机调速、LED亮度调节等。图7-3是两种不同占空比下的PWM信号。其中，蓝色的矩形脉冲是周期固定、占空比分别为50%和25%的信号。将PWM信号经过低通滤波提取其中的直流成分，如图中黄色的水平线所示。（a）占空比50%（b）占空比25%图7-3不同占空比输出的PWM信号显然，输出直流信号的幅度等于PWM脉冲在一个周期内的平均幅度，从而决定于脉冲的占空比。占空比越大，输出直流成分的幅度越大。如果用该直流成分控制LED，则LED的亮度也就越高。在单片机系统中，可以用定时/计数器实现定时，以决定输出PWM脉冲的周期或频率。同时通过程序控制一个周出内高低电平切换的时间，从而调节PWM信号的占空比和输出直流电压的幅度。如果占空比用一个数字量进行控制和调节，并使得输出直流信号的幅度随之变化，从而就实现了类似D/A转换的功能。（2）开发板中的PWM模块开发板中的PWM模块电路原理图如图7-4所示。图7-4开发板上的PWM模块图中，利用单片机内部的定时/计数器和程序产生的PWM信号由单片机的P2.1引脚送出，经过R31和C32构成的低通滤波器进行滤波，从而提取其中的直流成分，再经过由运算放大器LM358构成的跟随器后由DAC1端子输出，控制LED灯DA1的亮度。（3）控制程序本质上说，PWM信号实际上是频率恒定，占空比可调的脉冲波。因此相应的控制程序可以参考实验4。本实验要求：通过修改程序中决定占空比的数字量参数，观察DA1亮度的变化。程序中需要注意：PWM信号的频率在1KHz左右，如果频率较低，DA1将闪烁，不便于观察亮度变化；占空比尽量在比较大的范围内变化，以便清晰地观察到亮度变化；当占空比超过70%以后，LED亮度变化将不太明显。四、实验步骤1.实验预习（1）复习DAC0832的基本概念及其与51单片机的接口方法；（2）查阅资料，了解PWM信号的相关概念及其应用。2.实验步骤以下3项任选一项。（1）仿真实验在KeilC51和Proteus软件中调试实践案例8-1、8-2、8-5和8-6；模仿上述案例，自拟题目，在KeilC51和Proteus软件中调试。（2）实验箱实验用双头线将DAC0832数模转换区的CS5端口接至系统接口区的8000H端口，WR端口接至系统接口区的P3.6或/IOWR插孔；用8芯线将DAC0832数模转换区的JX2接至数据总线JX0；DAC0832数模转换区的AOUT输出接示波器；运行程序，观察示波器上的电压波形，分析计算输出信号的周期和频率。（3）开发板实验用附带USB转串口配线连接开发板和电脑U盘插口，打开开发板电源；在KeilC51中编辑编译程序，并生成HEX文件；打开PZ-ISP，在窗口中注意选择串口号和波特率，单击“打开文件”按钮选择生成的HEX文件，之后单击“程序下载”按钮下载程序到开发板；程序下载后启动运行，修改程序中的占空比参数，观察DA1亮度的变化。

实验8并行A/D转换实验一、实验目的1.掌握A/D转换器和单片机的连接方法。2.掌握ADC控制程序的编制和调试方法。二、实验内容以下3项任选一项。1.仿真实验模仿实践案例8-3和8-4，自拟题目，在KeilC51和Proteus软件中调试。2.实验箱实验图8-1实验箱ADC模块的布局利用实验系统上的ADC0809实现A/D转换，由实验系统中的电位器提供模拟量输入。编制程序，将输入模拟电压转换为数字量，转换结果用8个LED以二进制形式显示。图8-1实验箱ADC模块的布局3.开发板实验利用开发板上提供的12位ADC芯片XPT2046采集电位器电压值，并将其用一位整数和一位小数的十进制形式在数码管上显示。三、实验原理1.实验箱中的ADC0809模块在实验箱中，ADC模块的布局如图8-1所示，利用ADC0809实现并行A/D转换的原理线路图如图8-2所示。IN7IN0IN7IN0图8-2实验箱ADC0809的原理线路图在图8-2中，模拟电压由IN0~IN7插孔送入，ADD-A、ADD-B、ADD-C端相应地接电源或地。例如，假设模拟电压由IN3端输入，则3个地址输入端分别接+5V电源、+5V电源和地。ADC0809所需的转换时钟由CLK插孔送入。在实验箱中，可以用单脉冲与时钟模块输出的500kHz作为转换时钟。EOC插孔输出的EOC信号可以接到P3.2端，以便采用查询或中断方式读取转换结果。注意如果采用中断方式，根据ADC0809的工作时序，必须将EOC信号反相后再接到INT0引脚。在图8-2中，WR和RD插孔分别与P3.6和P3.7相连接。CS4插孔可以接某一个外部RAM地址译码输出端，例如“8000H”，则ADC0809的地址为8000H。因此，当执行MOVX@DPTR,A指令向8000H单元输出任意一个字节数据时，由CS4和WR送入负脉冲，则ADC0809的START端得到一个正脉冲，ALE端得到一个负脉冲，将ADD-A、ADD-B、ADD-C端的地址打入，选中通道后立即启动转换。当转换结束时，单片机再执行MOVXA,@DPTR指令从ADC0809读取转换结果。此时，由CS4和RD端送入负脉冲，使得ADC0809的ENABLE端得到一个正脉冲，从而将转换结果通过JX6插座输出，再由数据总线D7-0（P0口）读入单片机。之后，可以再通过某个并口输出控制LED以二进制形式显示。2.开发板中的ADC模块XPT2046是一款4线制电阻式触摸屏控制器，内含12位、125KHz的逐步逼近型A/D转换器。内置的ADC电路包含了采样/保持、模数转换、串行数据输出等功能。模拟电压可以采用单端或双端模式，从X+、X-、Y+、Y-、VBAT和AUX引脚送入。（1）ADC模块原理图开发板上XPT2046的电路连接原理图如图8-3所示。其中X-和Y-端子接地，可以从X+、Y+、VBAT和AUX端子分别输入单端形式的4路模拟电压AIN0~AIN3。在开发板中，这4路模拟电压分别来自AD1电位器、NTC1热敏传感器、GR1光敏传感器、DAC模块输出的PWM信号。图8-3开发板上的ADC模块电路（2）2046的控制字图8-4为XPT2046控制字格式，其中最高位必须为1；D6-D4用于选择模拟量输入通道，如表8-1所示。当这3位设为001、010、101、110时，分别选择AIN0~AIN3端子送入的模拟量进行转换；MODE位用预设值转换分辨率，该位设为1和0时，分别为8位和12位转换分辨率；D2位为单端/双端输入设置位，根据原理图该位设为1，以指定为单端输入；最低两位用于设置低功耗模式，这里设为00，在不需要进行A/D转换时芯片自动进入低功耗模式。图8-4XPT2046控制字格式（3）2046的工作时序与MAX1241类似，XPT2046采用SPI总线接口，其典型工作时序如图8-5所示。图中假设XPT2046的转换分辨率配置为12位，则一次完整的转换需要24个串行同步时钟（DCLK）来完成，在此期间CS引脚必须保持为低电平。每次对XPTR2046的操作必须首先向XPT2046写入控制字，由于控制字为一个字节，因此需要8个时钟周期，控制字通过DIN引脚送入。在XPTR2046内部，根据送来的控制字设置输入多路选择器和参考源输入，并进入采样模式，将所选中的模拟两送入，之后进入A/D转换过程。在转换过程中，输入采样/保持器进入保持状态，并在12个时钟周期完成A/D转换。每得到一位转换结果，在DCLK的下降沿按照先高位后低位的顺序立即由DOUT引脚输出。图8-4XPT2046的时序如果设置XPT2046进行8位A/D转换，则转换过程只需要只需要8个时钟周期，以便获得8位转换结果。（4）控制程序编写本实验假设配置XPT2046实现对电位器输入的0~5V模拟电压进行8位A/D转换，并将其转换为电压值显示在最右侧3位数码管上。数码管的显示控制程序可以参考实验2，另外几个主要子程序的参考代码如下：;=========================================================;向2046写一个字节数据（控制字）;=========================================================W2046: PUSH 07H SETB CLK MOV R7,#8 MOV A,#CMD ;取控制字LPW: RLC A MOV DIN,C CLR CLK ;在CLK下降沿输出一位（先高位后低位） SETB CLK CLR CLK DJNZ R7,LPW POP 07H RET;=========================================================;从2046读一个字节数据（控制字），存入ADCBUF;================================================