《单片机原理与应用》-课件 项目4-8 数码管显示设计- 单片机综合应用

项目四数码管显示设计2任务1

数码管静态显示设计

任务2

数码管动态显示设计数码管静态显示设计任务131.了解数码管的结构。2.掌握数码管显示的工作原理。3.掌握数码管静态显示的相关知识。4.能设计数码管静态显示电路。5.能编写数码管静态显示程序。6.能与他人分析讨论，发现并解决程序编写和调试问题。4在物联网设备中常用数码管显示温度、时间等信息。本任务要求设计一个数码管显示器，实现间隔1s循环显示数字0～9的功能。本任务可在单片机P0口外接一个数码管实现数码管静态显示功能。为完成此任务，需学习数码管的结构和静态显示编程等知识。56一、数码管的认识1. 数码管的结构数码管是一种发光的半导体元器件，其基本单元是LED。当对数码管相应的引脚输入合适的电流时，对应的LED会导通点亮，从而显示出字形。数码管具有显示清晰、亮度高、接口方便、价格便宜等优点。7数码管实物图如图所示。数码管实物图8数码管由8个LED组成，其显示的字形由7个条形LED（称为段）形成的“8”字形和小数点组成。数码管的段和小数点通常使用字母a、b、c、d、e、f、g、dp标识。通过控制不同段的导通组合，可以显示出不同的字形。数码管的结构如图所示。数码管的结构2. 数码管显示的工作原理按照LED连接方式的不同，数码管可分为共阴极数码管和共阳极数码管两种。共阴极数码管是指将LED的阴极连接在一起组成公共阴极的数码管。当共阴极数码管公共端com接GND，并且某一段的LED阳极接高电平时，相应段的LED即可点亮；反之，将共阴极数码管某一段的LED阳极接低电平时，相应段的LED即可熄灭。共阳极数码管是指将LED的阳极连接在一起组成公共阳极的数码管。当共阳极数码管公共端com接+5V电压，并且某一段的LED阴极接低电平时，相应段的LED即可点亮；反之，将共阳极数码管某一段的LED阴极接高电平时，相应段的LED即可熄灭。910如图所示分别为共阴极数码管和共阳极数码管的内部接法。数码管的内部接法a）共阴极数码管的内部接法b）共阳极数码管的内部接法113. 数码管的字形段码若要使数码管显示出需要的字形，需给相应的引脚提供显示该段的编码（简称段码）电平。数码管字形显示段和段码位的对应关系见下表，其中D7～D0是指数码管显示段接到单片机I/O接口的对应引脚。数码管字形显示段和段码位的对应关系使用共阳极数码管显示时，数据“0”表示对应段的LED点亮，数据“1”表示对应段的LED熄灭；反之，使用共阴极数码管显示时，数据“0”表示对应段的LED熄灭，数据“1”表示对应段的LED点亮。12二、数码管的静态显示1. 数码管的静态显示概述数码管的静态显示是指数码管显示字形时，相应的LED点亮，单片机I/O接口输出字形段码，数码管显示相应的字形并一直保持不变，直到I/O接口输出新的字形段码。在静态显示方式下，每个数码管的段控制线是独立的，分别接到单片机的8个I/O接口引脚上，公共端com接+5V电压或GND。数码管的静态显示方式具有电路结构简单、显示稳定、程序容易编写等优点，缺点是占用单片机的I/O接口资源较多。132. 数码管静态显示的驱动电路（1）单片机I/O接口直接驱动电路单片机I/O接口直接驱动电路如下图所示，单片机I/O接口通过限流电阻与共阳极数码管的引脚相连接。限流电阻的大小选择与LED的限流电阻选择相同，阻值一般为220Ω。1415单片机I/O接口直接驱动电路（2）锁存器驱动电路由于单片机I/O接口的驱动电流受到限制，采用直接驱动电路控制数码管显示时，会造成单片机功耗提高，负载过重，影响数码管显示亮度。为了弥补单片机I/O接口直接驱动电路的缺陷，可以采用锁存器驱动电路间接增大数码管驱动电流，保证数码管显示亮度，降低单片机功耗。16如图所示的锁存器驱动电路是单片机I/O接口通过74LS373锁存器进行数据锁存，实现数码管的静态显示。17锁存器驱动电路3. 单片机I/O接口直接驱动数码管静态显示的程序示例如果单片机直接驱动共阳极数码管，采用静态显示方式显示数字“1”，则其程序如下。18数码管动态显示设计任务2191.掌握数码管动态显示的原理。2.能识读数码管动态显示的驱动电路。3.能设计数码管锁存器驱动电路。4.能编写简单的数码管动态显示程序。5.能与他人分析讨论，发现并解决程序编写和调试问题。20设备仪表、计时器等通常会显示多位数字，往往需要多位数码管作为显示设备。本任务要求设计1个4位数码管显示器，并在其上分别显示“1”“2”“3”“4”。21本任务可通过单片机I/O接口外接4个数码管实现。为了节约成本、简化电路，可选用4位一体数码管（内部集成4个数码管）作为数码管显示器，采用动态显示方式，利用人眼视觉暂留效应达到稳定不闪烁的显示效果，如图所示。为完成此任务，需学习数码管动态显示的原理、取整运算符和取余运算符等相关知识。22数码管显示器23一、数码管动态显示的原理数码管的动态显示指将所有数码管引脚a、b、c、d、e、f、g、dp分别连接起来作为段选端，每个数码管的公共端com作为位选端。数码管动态显示时，段选端上的字形段码决定数码管上显示的字形，而位选端决定点亮哪一位数码管，单片机轮流控制位选端以选通某一位数码管，并且单片机轮流控制段选端输出字形段码以实现在该位数码管上显示对应的字形。由于人眼视觉暂留效应，人们看到的数码管动态显示为所有数码管都在同时显示不同的字形。数码管动态显示时，每位数码管稳定显示需要的时间约为2ms。数码管动态显示连接电路具有功耗低、占用单片机I/O接口少等特点。24二、数码管动态显示的驱动电路数码管的动态显示具有节省I/O接口的优点，但与静态显示相比，其显示亮度较低，因此单片机的动态显示需要配备合适的驱动电路。当数码管公共端的电流较小时，可以使用单片机I/O接口直接驱动电路；当数码管公共端的电流较大时，需要外接驱动电路来提高数码管显示亮度，常采用锁存器驱动电路。25如图所示为2位数码管锁存器驱动电路框图，单片机输出的段码数据和位码数据通过74LS373锁存器驱动数码管。262位数码管锁存器驱动电路框图三、数码管动态显示的程序示例共阳极数码管选用锁存器驱动电路，采用动态显示方式显示“12”。编程时，在动态显示过程中需添加消隐程序，以避免显示重影。在上图中，若单片机P3口连接位码锁存器驱动电路，P2口连接段码锁存器驱动电路，参考程序如下。272829四、数制的权位数码管显示3位十进制数时，需要先分解出个位、十位、百位上的数字，再将其传送到数码管显示，这通常要运用C51语言中的取整运算和取余运算来完成。301. 运算符（1）取整运算符“/”取整运算符“/”又称除法运算符，表示把一个数进行除法运算后取整数。（2）取余运算符“%”取余运算符“%”表示把一个数进行除法运算后取余数。312. 权位的分解下面以1个4位十进制数5678为例介绍如何分解十进制权位。（1）千位权位数字的分解要将十进制数5678的千位权位数字5分解出来，在C51语言中只要运用除法运算将5678除以1000，所得结果就是5，余数678被舍弃，用C51语言表示如下。32（2）百位权位数字的分解在分解千位权位数字时，产生的余数678含有百位权位数字6，可以用与分解千位权位数字类似的处理方法，前提是得到余数678。处理的方法为先用除千取余运算得到余数678，再用除百取整运算得到数字6，用C51语言表示如下。第一步取余运算：5678%1000;

//取余运算后值为678第二步余数除百取整运算：678/100;

//取整运算后值为633（3）十位权位数字的分解在除百运算时产生的余数78含有十位权位数字7，可以用与分解百位数字类似的处理方法分解十位权位数字，前提是得到余数78。处理的方法为先用除百取余运算得到余数78，再用除十取整运算得到数字7，用C51语言表示如下。第一步取余运算：5678%100;

//取余运算后值为78第二步余数除十取整运算：78/10;

//取整运算后值为734（4）个位权位数字的分解个位权位数字的分解简单，只要将十进制数直接除十取余即可，用C51语言表示如下。35项目五中断控制应用3637任务1

直流电动机控制直流电动机控制任务1381.掌握中断的概念和功能。2.掌握中断控制相关寄存器的相关知识。3.了解中断响应过程。4.能编写外部中断服务程序。5.能通过中断相关知识设计直流电动机控制电路。6.能编写直流电动机控制程序。7.能与他人分析讨论，发现并解决程序编写和调试问题。39物联网终端设备通常需要单片机具备实时响应外部指令的能力。本任务要求设计一个直流电动机控制系统，实现直流电动机正反转及停止控制。要求选用合适的单片机、直流电动机和按键，用单片机开发软件绘制直流电动机控制电路图，编写源程序，并用软件进行仿真。4041本任务可通过单片机的P3.0、P3.1引脚分别外接正转和反转控制按键实现电动机正反转控制。电动机停止控制需要用到单片机内部中断功能，可通过单片机的P3.2引脚外接停止按键实现电动机停止控制功能。为完成此任务，需要学习MCS-51系列单片机的中断控制和中断服务程序编写等知识。42一、中断系统1. 中断的概念当单片机CPU在处理某事件时，外界发来紧急事件请求，要求单片机CPU暂停当前事件，转去处理紧急事件，处理完成后再回到原来事件被中断的地方继续执行，该过程被称为中断。43单片机CPU中断事件的过程如图所示。单片机CPU中断事件的过程442. 中断的功能（1）多任务分时处理功能在多任务时使用定时器中断可以进行任务调度，分时处理多个任务事件，缩短单片机CPU的等待时间，提高工作效率。（2）事件实时处理功能在实时监控生产中，经常需要及时处理外部设备请求事件。利用单片机中断系统及时响应外部设备请求事件进而对事件进行处理，可实现事件的实时处理。（3）故障处理功能单片机在处理正常事件时会出现故障突发事件，利用单片机中断系统可以根据请求暂时中断正在处理的事件，响应故障突发事件，实现故障事件的及时处理。45463. 中断源MCS-51系列单片机有3类中断，分别为外部中断、定时器/计数器中断和串口中断。能够向单片机CPU发出中断请求的信号来源称为中断源，中断源对应引脚如图所示。MCS-51系列单片机通常包含5个中断源，分别为外部中断0、外部中断1、定时器/计数器T0中断、定时器/计数器T1中断和串口中断。47中断源对应引脚（1）外部中断0：由P3.2引脚引入，由低电平或下降沿触发。（2）外部中断1：由P3.3引脚引入，由低电平或下降沿触发。（3）定时器/计数器T0中断：由计数器T0计数溢出触发。（4）定时器/计数器T1中断：由计数器T1计数溢出触发。（5）串口中断：串口完成一帧字符发送/接收后触发。48中断源的中断号及中断入口地址见下表。49中断源的中断号及中断入口地址二、中断控制相关寄存器中断的开启与关闭以及中断源的启用选择等都是由单片机内部的一些特殊功能寄存器决定的，常用的特殊功能寄存器如下。1. 中断允许（IE）寄存器中断允许（IE）寄存器用于控制单片机CPU总中断和各个对应中断的许可。IE寄存器可进行位寻址，其字节地址为A8H。IE寄存器的位符号见下表。50IE寄存器的位符号（1）EAEA是单片机CPU中断总控制位。当EA=0时，禁止所有中断，CPU不再响应任何中断请求；当EA=1时，开放所有中断，但CPU是否响应相应的中断，还需要由相应中断源的中断允许位决定。EA的作用是使中断允许形成两级控制，即首先是EA中断总控制，其次是各中断源的中断允许位控制。51（2）ESES是串口中断允许位。当ES=0时，禁止串口中断；当ES=1时，允许串口中断。（3）ET1ET1是定时器/计数器T1的溢出中断允许位。当ET1=0时，禁止T1中断；当ET1=1时，允许T1中断。（4）EX1EX1是外部中断1的允许位。当EX1=0时，禁止外部中断1；当EX1=1时，允许外部中断1。52（5）ET0ET0是定时器/计数器T0的溢出中断允许位。当ET0=0时，禁止T0中断；当ET0=1时，允许T0中断。（6）EX0EX0是外部中断0的允许位。当EX0=0时，禁止外部中断0；当EX0=1时，允许外部中断0。532. 定时器/计数器控制（TCON）寄存器定时器/计数器控制（TCON）寄存器可用于控制定时器/计数器T0、T1的溢出中断请求以及外部中断0、外部中断1的请求。TCON寄存器可进行位寻址，其字节地址为88H。TCON寄存器的位符号见下表。54TCON寄存器的位符号（1）IE1IE1是外部中断1请求标志位。当外部中断1向CPU请求中断时，IE1由硬件置1；当CPU响应该中断时，IE1由硬件自动清0。（2）IT1IT1是外部中断1的中断触发方式选择位。当IT1=0时，外部中断1的中断触发方式为低电平触发，即P3.3引脚上的电平为低电平时触发外部中断1产生中断请求；当IT1=1时，外部中断1的中断触发方式为下降沿触发，即P3.3引脚上的电平为下降沿时触发外部中断1产生中断请求。55（3）IE0IE0是外部中断0请求标志位。当外部中断0向CPU请求中断时，IE0由硬件置1；当CPU响应该中断时，IE0由硬件自动清0。（4）IT0IT0是外部中断0的中断触发方式选择位。当IT0=0时，外部中断0的中断触发方式为低电平触发，即P3.2引脚上的电平为低电平时触发外部中断0产生中断请求；当IT0=1时，外部中断0的中断触发方式为下降沿触发，即P3.2引脚上的电平为下降沿时触发外部中断0产生中断请求。563. 中断优先级（IP）寄存器中断优先级（IP）寄存器用于确定每个中断源的优先级别。IP寄存器的字节地址为B8H，可进行位寻址。IP寄存器的位符号见下表。57IP寄存器的位符号（1）IP寄存器的位符号介绍1）PSPS是串口中断优先级设定位。当PS=1时，设置串口中断为高优先级。2）PT1PT1是定时器/计数器T1中断优先级设定位。当PT1=1时，设置定时器/计数器T1中断为高优先级。3）PX1PX1是外部中断1的中断优先级设定位。当PX1=1时，设置外部中断1的中断为高优先级。584）PT0PT0是定时器/计数器T0中断优先级设定位。当PT0=1时，设置定时器/计数器T0中断为高优先级。5）PX0PX0是外部中断0的中断优先级设定位。当PX0=1时，设置外部中断0的中断为高优先级。59（2）中断优先级MCS-51系列单片机具有2个中断优先级：高优先级和低优先级。当单片机复位后，IP寄存器默认值为0，所有中断都处于低优先级。如果有多个中断源同时向单片机CPU提出中断请求，CPU中断响应按下表所列的中断优先级顺序从高优先级到低优先级执行。如果将相应中断的优先级设定位设置为1，即可将该中断设置为高优先级。6061中断源的中断号及中断入口地址三、中断响应过程中断响应过程主要有以下几个步骤。1. 中断请求当中断源需要中断服务时，对应的中断标志位由硬件自动置1。622. 中断响应当单片机查询到有效中断标志位置1时，若中断总控制位EA=1，并且对应的中断允许位打开，单片机就会响应该中断请求。单片机在响应中断请求前，将当前程序计数器（PC）的内容入栈，以备返回，同时将中断入口地址装载到PC中。3. 中断返回单片机完成中断处理后，自动从堆栈取回原来存入断点的地址并送入PC中。此时，单片机返回到原来被中断的程序处继续向下执行程序。63四、中断服务程序1. 中断服务程序初始化步骤（1）设置IP寄存器，分配中断源的优先级。（2）设置中断触发方式。如果是外部中断，设置IT1、IT0，以确定是低电平触发还是下降沿触发。（3）设置IE寄存器，打开相应的中断允许位。642. 中断服务程序编写要点编写中断服务程序时要注意以下几个方面。（1）中断现场保护和恢复。（2）中断打开和关闭。（3）中断处理。（4）中断返回。65项目六定时器/计数器应用6667任务1

提示音发生器设计

任务2

倒数计时器设计提示音发生器设计任务1681.掌握MCS-51系列单片机定时器/计数器的结构。2.了解定时器/计数器控制（TCON）寄存器的设置方法。3.了解定时器/计数器工作方式（TMOD）寄存器的设置方法。4.掌握定时器/计数器的工作方式。5.能完成定时器/计数器初始值的计算和设定。6.能理解定时器/计数器中断控制方式。7.能设计提示音发生器电路。8.能编写提示音发生器程序并进行仿真测试。9.能与他人分析讨论，发现并解决程序编写和调试问题。69方波信号是一种常见的电信号，常应用于通信和控制电路中。方波信号只有高电平和低电平两个值，如图所示为1kHz方波信号。701kHz方波信号机床报警器、提示音发生器、闪烁报警灯和电动机控制设备等都需要用方波信号作为控制信号。本任务要求设计一个提示音发生器，用于提示加工任务执行完成，选用合适的单片机和扬声器，实现产生1kHz提示音的功能。本任务可将单片机P2.0引脚外接扬声器模块电路，通过单片机定时器/计数器模块产生1kHz方波信号从P2.0引脚输出，将该1kHz方波信号送入扬声器实现提示音功能。为完成此任务，需要学习单片机定时器/计数器的结构以及定时器/计数器相关的特殊功能寄存器等知识。7172一、定时器/计数器的结构MCS-51系列单片机内部包含2个16位定时器/计数器T0和T1，分别由2个独立的8位特殊功能寄存器组成，即T0由高8位TH0、低8位TL0寄存器组成，T1由高8位TH1、低8位TL1寄存器组成。定时器/计数器可提供定时和计数功能。73如图所示，定时器/计数器主要由TCON、TMOD、TH1、TL1、TH0、TL0等特殊功能寄存器组成。TCON寄存器中的TR0、TR1位负责定时器/计数器T0、T1的启动计数和停止计数；TMOD寄存器用于定时或计数功能选择以及工作方式选择；TH1、TL1寄存器和TH0、TL0寄存器分别存放T1和T0的初始值。定时器/计数器的寄存器结构图74二、定时器/计数器相关寄存器单片机定时器/计数器相关寄存器见下表。通常单片机定时器/计数器的功能主要由TCON和TMOD寄存器设定，通过设定这两个寄存器即可实现不同的功能。75定时器/计数器相关寄存器761. 定时器/计数器控制（TCON）寄存器定时器/计数器控制（TCON）寄存器为一个8位的可位寻址寄存器，该寄存器低4位用于外部中断控制（项目五中已介绍），高4位用于定时器/计数器T0、T1中断控制。TCON寄存器的位符号如图所示。TCON寄存器的位符号77（1）TF1TF1是定时器/计数器T1溢出标志位。T1被允许计数后，TH1和TL1从初始值开始加1计数，直到最高位产生计数溢出时TF1标志位置1，向CPU请求中断，直到CPU响应中断时，才由硬件清0，也可以由软件清0。（2）TR1TR1是定时器/计数器T1运行控制位。当TR1=1时，定时器/计数器T1被允许开始加1计数；当TR1=0时，定时器/计数器T1停止计数。（3）TF0TF0是定时器/计数器T0溢出标志位。T0被允许计数后，TH0和TL0从初始值开始加1计数，直到最高位产生计数溢出时TF0标志位置1，向CPU请求中断，直到CPU响应中断时，才由硬件清0，也可以由软件清0。（4）TR0TR0是定时器/计数器T0运行控制位。当TR0=1时，定时器/计数器T0被允许开始加1计数；当TR0=0时，定时器/计数器T0停止计数。782. 定时器/计数器工作方式（TMOD）寄存器定时器/计数器工作方式（TMOD）寄存器为一个8位寄存器，用于控制定时器/计数器T0、T1的工作方式，高4位控制定时器/计数器T1，低4位控制定时器/计数器T0。TMOD寄存器的位符号如图所示。TMOD寄存器不能位寻址，只能进行字节设置，复位时寄存器初始值为00H。79TMOD寄存器的位符号（1）GATE（TMOD.7）GATE（TMOD.7）是定时器/计数器T1的门控选通位。当GATE=0时，只要设置TR1=1，即可启动定时器/计数器T1开始计数；当GATE=1、TR1=1且=1（即

引脚输入为高电平）时，定时器/计数器T1开始计数。（2）C/（TMOD.6）C/（TMOD.6）是定时器/计数器T1的功能选择位。当C/=0时，设置T1为定时器功能；当C/=1时，设置T1为计数器功能。80（3）GATE（TMOD.3）GATE（TMOD.3）是定时器/计数器T0的门控选通位。当GATE=0时，只要设置TR0=1，即可启动定时器/计数器T0开始计数；当GATE=1、TR0=1且=1（即

引脚输入为高电平）时，定时器/计数器T0开始计数。（4）C/（TMOD.2）C/（TMOD.2）是定时器/计数器T0的功能选择位。当C/=0时，设置T0为定时器功能；当C/=1时，设置T0为计数器功能。81（5）M1、M0M1、M0是工作方式选择位。M1和M0有4种组合方式，可以定义4种工作方式，见下表。82M1和M0的组合方式三、定时器/计数器的工作方式可以通过C/位将定时器/计数器T0、T1设置为定时器模式和计数器模式。定时器/计数器T0、T1有4种工作方式，分别为工作方式0、工作方式1、工作方式2、工作方式3。定时器/计数器T0和T1的工作原理完全相同，定时器/计数器T0、T1的控制框图如下图所示。8384定时器/计数器T0、T1的控制框图1. 工作方式0工作方式0为13位定时器/计数器，在此方式下的定时器/计数器T0由TH0的8位和TL0的低5位组成，TL0的高3位没有使用。TL0的低5位溢出后向TH0进位，TH0计数溢出后置位TF0标志位，向CPU提出中断请求，直到CPU响应转入中断时，硬件自动将TF0清0。TF0也可由软件查询和清0。工作方式0最大计数值为213（8192）。STC89C51单片机系统时钟有两种模式：一种是12T模式，每12个时钟周期为1个机器周期，定时器/计数器计数加1；另一种是6T模式，每6个时钟周期为1个机器周期，定时器/计数器计数加1。852. 工作方式1工作方式1为16位定时器/计数器，在此工作方式下的定时器/计数器T0由TH0的8位和TL0的8位组成。工作方式1与工作方式0只是最大计数值不同，其他功能相同。工作方式1的定时时间为T=(216-T0初始值)×机器周期。863. 工作方式2工作方式2为8位可自动重装初始值的定时器/计数器，在此工作方式下，TL0负责计数，TH0不参与计数，只是负责存放初始值。当TL0计数溢出时，硬件将溢出标志位TF0置1，同时自动将TH0的数值赋给TL0，即TL0=TH0，重装时TH0数值不变。TL0从该数值开始计数，直到下次计数溢出又进行重新装载。定时器在该工作方式下的定时时间为T=(28-TH0初始值)×机器周期，虽然定时时间相比工作方式0和工作方式1短了，但由于其可自动重装初始值功能，减少了程序中TL0赋初始值所占用的时间，所以定时时间更加精确。874. 工作方式3工作方式3与前面3种工作方式有很大不同，T1在此工作方式下无效，T0可拆分成2个独立的8位定时器/计数器使用，其中TL0不能自动重装初始值，TL0的初始值仍需在程序中加载。TL0可以作为定时器或计数器使用，通过设置T0的C/位进行选择。TL0的功能和控制方式同工作方式0和1，最大计数值为28（256）。88在工作方式3中，TH0只能作为定时器使用，而不能用于计数，因此不用通过C/位进行设置。TH0的启动只受T1的运行控制位TR1控制，当TH0计数溢出时，硬件将TF1标志位置1，并向CPU提出中断请求，直到CPU响应中断时，硬件自动将TF1清0，定时时间为T=(28-TH0初始值)×机器周期。TH0的中断服务地址占用T1的中断入口地址。89当T0以工作方式3运行时，由于TH0占用了T1运行控制位TR1和溢出标志位TF1，因此T1的使用受到了限制。在此情况下，T1仍然可以以工作方式0、1、2运行，并且既可作为定时器使用，又可作为计数器使用，只是计数器计满溢出时不能使用溢出标志位TF1，不能向CPU申请中断，只能将溢出信号直接送到串口，此时T1可以作为波特率发生器，只需通过程序写入工作方式0、1、2，T1即可自动运行。如果需要T1停止工作，则在程序中将T1的工作方式设置为工作方式3即可，因为T1是不能以工作方式3运行的，强行将其设置为工作方式3，T1自然停止工作。90四、定时器/计数器的初始值计算T0、T1具有预赋初始值功能，特殊功能寄存器TH0、TH1、TL0、TL1用于存放初始值，单片机复位时初始值为0。定时器/计数器的计数原理如图所示，定时器/计数器T0、T1启动后从T初始值开始加1计数，当计数到最大值M时溢出，产生中断请求，并将相应的溢出标志位TF0、TF1置1，完成一次完整的计数过程。91定时器/计数器的计数原理初始值的设定根据定时时间或计数需要计算，定时器/计数器初始值设定的计算方法如下。定时器/计数器初始值NS=2n-实际计数值式中，n

为由工作方式决定的定时器/计数器位数。在工作方式0下，n=13，213=8192；在工作方式1下，n=16，216=65536；在工作方式2和3下，n=8，28=256。下面以定时器/计数器T0为例获取初始值，单片机系统晶振频率为12MHz，定时时间为5ms，采用工作方式1。定时器/计数器初始值的获取方式有两种：一种是通过公式计算获取，另一种是通过小程序输入数值获取。921. 通过公式计算获取定时器/计数器初始值由于单片机系统晶振频率采用12MHz，则机器周期为1μs，首先计算实际计数值。然后计算定时器/计数器初始值。932. 通过小程序输入数值获取定时器/计数器初始值通过小程序输入数值获取定时器/计数器初始值通常比较简单，首先打开“51初值设定”小程序，其界面如图所示。94“51初值设定”小程序界面然后在“定时器方式”中选择“方式1”，在“晶振频率”中输入“12”，在“定时时长”中输入“5”，最后单击“确定”按钮即可获取定时器/计数器初始值“EC78H”，如图所示。该十六进制数表示当51单片机系统晶振频率为12MHz时，定时器/计数器以工作方式1定时5ms（5000μs）所要设定的初始值。95获取定时器/计数器初始值五、定时器/计数器相关寄存器的初始化定时器/计数器相关寄存器的初始化步骤如图所示。96定时器/计数器相关寄存器的初始化步骤倒数计时器设计任务2971.了解定时器/计数器查询控制方式。2.掌握通过定时器/计数器查询控制方式实现定时的方法。3.能设计倒数计时器电路。4.能用中断和查询控制方式编写倒数计时器程序。5.能与他人分析讨论，发现并解决程序编写和调试问题。98倒计时在平时的生活中十分常见，如交通信号灯显示剩余时间或等待时间、微波炉加热食物时显示剩余加热时间、火箭发射升空倒计时显示等，如图所示为人行横道处的倒计时交通信号灯。99倒计时显示应用示例本任务要求设计一个10s倒数计时器，利用单片机定时器实现每隔1s在数码管上动态显示数字10～0的倒计时显示功能。本任务可将单片机I/O接口外接2位一体数码管，实现2位数字动态显示功能，通过单片机定时器实现10～0s倒计时显示功能。为完成此任务，需要学习定时器/计数器查询控制方式等知识。100101一、定时器/计数器查询控制方式的概念定时器/计数器查询控制是一种条件传送。在执行服务程序前，应先查询定时器/计数器溢出标志位TF0或TF1的状态信息，并加以测试判断，满足条件时才执行服务程序，并需由软件使溢出标志位清0，等待下一次溢出。在查询过程中，CPU的利用率不高，适用于实时性能要求不高的情况。二、定时器/计数器查询控制方式流程图定时器/计数器查询控制方式流程图如图所示。102定时器/计数器查询控制方式流程图查询控制定时主要是循环查询溢出标志位TF0或TF1是否置1，如果定时时间到，则TF0或TF1由硬件自动置1。如果要查询判断TF0是否置1，则可以使用语句“if(TF0==1)”

实现。判断定时器T0溢出标志位TF0是否置1，如果TF0为0，则继续执行“if(TF0==1)”语句，等待TF0置1；如果TF0为1，则向下执行程序语句。103项目七串口通信应用104105任务1

双机通信设计双机通信设计任务11061.了解双机通信的功能和原理。2.掌握串行通信的方式。3.掌握串行通信的数据传输方式。4.能编写串口初始化程序。5.能编写串口发送和接收字符数据程序。6.能设计简单的双机串口通信电路。7.能编写简单的双机串口通信程序。8.能与他人分析讨论，发现并解决程序编写和调试问题。107在工业自动化过程中实时控制和数据处理被广泛应用，本任务要求采用两个单片机进行双机通信，一个单片机作为主机，模拟发送控制数据，另一个单片机作为从机，接收主机发送的控制数据，并根据接收到的数据控制LED闪烁和熄灭。108109本任务可将单片机1的P3.0/RXD引脚连接单片机2的P3.1/TXD引脚，单片机1的P3.1/TXD引脚连接单片机2的P3.0/RXD引脚，MCS-51系列单片机双机通信示意图如图所示，利用单片机串行通信模块实现控制功能。为完成此任务，需要学习串行通信方式等相关知识。MCS-51系列单片机双机通信示意图110一、串行通信的方式1. 异步通信异步通信是指通信的发送和接收设备使用各自的时钟控制数据发送和接收的过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致，异步通信示意图如下图所示。111异步通信示意图1122. 同步通信同步通信时要建立发送设备时钟对接收设备时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传输的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送设备与接收设备的同步可以通过外同步和自同步两种方法实现，如图所示。两种同步方法a）外同步b）自同步二、串行通信的数据传输方式串行通信的数据传输方式有单工通信、半双工通信和全双工通信3种，如图所示。单工通信指数据仅能单向传输，发送端与接收端角色固定，如广播系统，电台持续发送信号，用户设备只能接收，无法反向传输数据。半双工通信指数据能够双向传输，但同一时间只能单向传输，需通过“切换”完成数据传输方向交替。113串行通信的3种数据传输方式a）单工通信b）半双工通信c）全双工通信114三、字符帧和波特率1. 字符帧在串行异步通信中，数据通常以字符（或字节）为单位组成字符帧传输。字符帧又称数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位4部分组成，其中起始位、数据位和停止位是必需的，而奇偶校验位可以根据实际要求决定是否采用。串行异步通信的数据格式示意图如图所示。115串行异步通信的数据格式示意图上图中各部分的介绍如下。（1）起始位起始位位于字符帧开头，占1位，始终为逻辑0，用于向接收端表示发送端开始发送一帧字符信息。（2）数据位数据位紧跟在起始位之后，一般为8位，最低有效位（LSB）在前，最高有效位（MSB）在后。（3）奇偶校验位奇偶校验位位于数据位之后，占1位，用于表示串行通信中采用奇偶校验，根据实际需要设定。116（4）停止位停止位位于字符帧末尾，始终为逻辑1，可取1位、1.5位或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已发送完毕，也可为发送下一帧字符做准备。（5）空闲位两个相邻字符帧之间可以无空闲位，也可以有若干空闲位，根据实际需要设定。2. 波特率波特率是指每秒传输信号的数量，单位为bps。波特率是串行通信非常重要的指标，用于表示数据的传输速率。波特率越高，数据传输速率越快。117四、MCS-51系列单片机串口结构MCS-51系列单片机串口结构图如图所示，单片机内部是一个全双工的串行通信接口，它具有通用异步接收发送设备（UART）的全部功能，能同时进行数据的发送和接收，也可作为同步移位寄存器使用。SBUF是串行数据缓冲器，发送数据的SBUF称为串行数据发送缓冲器，接收数据的SBUF称为串行数据接收缓冲器。118119MCS-51系列单片机串口结构图五、MCS-51系列单片机串口相关的特殊功能寄存器1. 串口控制（SCON）寄存器与串口紧密相关的一个特殊功能寄存器是串口控制（SCON）寄存器，它用于设定串口的工作方式、发送/接收数据以及设置状态标志等。SCON寄存器的位符号见下表。120SCON寄存器的位符号（1）SM0、SM1SM0、SM1是工作方式选择位，串口有4种工作方式，由SM0、SM1设定，见下表。121串口工作方式（2）SM2SM2是多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。当串口工作在方式2或方式3中时，若SM2=1，只有当接收到第9位数据（RB8）为1时，才把接收到的前8位数据送入SBUF，且置位RI发出中断请求，否则会将接收到的数据放弃；若SM2=0，不管第9位数据是0还是1，都会将数据送入SBUF，并发出中断请求。122（3）RENREN是允许串口接收位。当REN=1时，允许串口接收数据；当REN=0时，禁止串口接收数据。该位可以由软件来设定。（4）TB8TB8是方式2、3中发送数据的第9位，可作为奇偶校验位。（5）RB8RB8是方式2、3中接收数据的第9位。123（6）TITI是发送中断标志位。在方式0中，当发送完第8位数据后，TI由硬件自动置1；在其他方式中，在发送停止位之前，TI由硬件自动置1。当TI=1时，请求中断，CPU响应中断后，发送下一帧数据。在任何方式中，TI都必须由软件先清0。（7）RIRI是接收中断标志位。在方式0中，当接收完第8位数据后，RI由硬件自动置1；在其他方式中，在接收到停止位时RI置1，要求CPU取走数据。在任何方式中，RI必须由软件清0。在系统复位时，SCON寄存器中的所有位都被清0。1242. 电源控制（PCON）寄存器电源控制（PCON）寄存器用于管理单片机的电源部分，包括上电复位检测模式、掉电模式、空闲模式等，PCON寄存器中只有SMOD与串口工作有关。单片机复位时，PCON寄存器各位全部被清0。PCON寄存器的位符号见下表。SMOD与串行通信波特率有关。当SMOD=0，并且单片机串口设置为方式1、2、3时，波特率正常。当SMOD=1，并且单片机串口设置为方式1、2、3时，波特率加倍。125PCON寄存器的位符号六、波特率与定时器初始值在串行通信中，收发双方对收发数据的速率要有约定。通过编程可对单片机串口设定4种工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率决定。由于移入的移位时钟的来源不同，所以每种工作方式的波特率计算公式也不相同，以下是4种工作方式波特率的计算公式。126方式0的波特率=fOSC/12方式1的波特率=(2SMOD/32)×T1溢出率方式2的波特率=(2SMOD/64)×fOSC方式3的波特率=(2SMOD/32)×T1溢出率式中，fOSC为系统晶振频率，通常为12MHz或11.0592MHz；SMOD为PCON寄存器的最高位数据；T1溢出率为定时器T1溢出的频率。127见下表列出了单片机串口工作于方式1、定时器T1工作于方式2时的常用波特率与其对应的T1初始值。128常用波特率与其对应的T1初始值在实际使用中，一般用51波特率计算器自动计算T1初始值，如图所示，在将晶振频率设定为11.0592MHz后，设置目标波特率，输入“9600”，单击“计算”按钮，此时可以看到定时器预置数为“FD”，此预置数即为波特率9600bps所对应的定时器T1初始值。12951波特率计算器七、UART的使用步骤1. 设置串口工作方式设置SCON寄存器的SM0=0、SM1=1，使其工作方式为1，当REN=1时，单片机串口能接收数据。2. 设置波特率（方式0除外）可根据波特率计算公式设置波特率。1303. 确定波特率是否需要加倍（方式0除外）通常在使用定时器T2作为波特率发生器时，不需要对波特率进行加倍设置。如果使用定时器T1作为波特率发生器，需要将波特率设置为加倍，此时需要将PCON寄存器设置为0x80。4. 设置串口中断串口发送数据一般采用查询控制方式，串口接收数据一般采用中断方式。当ES=1时，开启串口中断，随后，当EA=1时，开启总中断。5. 写入/读取数据向SBUF写入数据启动串口发送，读SBUF可以取出接收到的数据。131项目八单片机综合应用132133任务1

智能廊灯设计

任务2

智能卷帘设计任务3

智能温湿度计设计智能廊灯设计任务11341.了解光敏电阻和热释电传感器的相关知识。2.了解HC-SR501热释电传感器模块的相关知识。3.能设计智能廊灯电路。4.能编写和调试智能廊灯程序。5.能完成智能廊灯硬件组装和功能测试。6.能分析总结智能廊灯设计流程，并阐述分享给其他同学。135当人们行走在光线较暗的走廊、楼梯上时，走廊、楼梯上的灯会自动亮起来，过一段时间又会自动熄灭，这种灯就是智能廊灯，它节能环保，给人们的生活带来了诸多便利。本任务要求完成基于STC89C51单片机的智能廊灯设计，在白天，不管有没有人经过廊灯，廊灯都不亮；在夜晚，当有人经过廊灯时，廊灯点亮，延时一段时间后廊灯熄灭。136137本任务可通过单片机I/O接口外接光敏电阻模块电路、HC-SR501热释电传感器模块电路以及继电器模块电路等实现智能廊灯的控制功能。为完成此任务，需要学习光敏电阻以及热释电传感器等相关知识。138一、光敏电阻1. 光敏电阻的概念光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的电阻，其实物如图所示。光敏电阻139基于内光电效应，随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值迅速减小，这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下做漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻的阻值迅速减小。在无光照环境中，光敏电阻的阻值会增大，几乎呈高阻状态。2. 光敏电阻的典型应用电路因为光敏电阻对环境光线比较敏感，所以一般用其检测周围环境的光照强度，从而触发单片机或继电器模块等。光敏电阻的典型应用电路如图所示，在该电路中，电源VCC

在可调电阻VR1端产生阈值电压，将该取样电压与光敏电阻LDR端的电压送入比较器LM393进行比较，当光敏电阻LDR端的电压不超过可调电阻VR1端设定的阈值时，数字信号输出端DO输出低电平。140141光敏电阻的典型应用电路142当光敏电阻LDR端的电压超过可调电阻VR1端设定的阈值时，DO端输出高电平。该电路中输出端DO可以与单片机直接相连，通过单片机检测DO端的高低电平判断环境的光照强度变化，模拟量输出端AO可以与模数转换模块相连，AO端输出的模拟信号经过模数转换模块转换成数字信号后，可以得到环境光照强度更精准的数值。二、热释电传感器热释电传感器是基于热释电效应工作的热电型红外传感器。热释电传感器如图所示，其结构简单坚固，性能稳定，被广泛应用于红外检测报警、红外遥控、光谱分析等领域，是目前使用较广泛的红外传感器。143热释电传感器1. 滤光片热释电传感器的滤光片为带通滤光片，它封装在传感器壳体的顶端，使特定波长的红外辐射选择性地通过，同时阻挡其他波长的辐射，从而提高传感器对目标源的探测精度。1442. 热释电探测元热释电探测元是热释电传感器的核心元器件，它是通过先在热释电晶体的两面镀上金属电极，再施加电压进行极化制成的，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当它受到非恒定强度的红外线照射时，产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生变化，从而产生热释电电流。3. 前置放大器前置放大器由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成，通过阻抗变换，将热释电探测元微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。145三、HC-SR501热释电传感器模块1. 实物和产品参数HC-SR501热释电传感器模块如图所示，该模块是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，使用超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是电池供电的自动控制产品。146HC-SR501热释电传感器模块2. HC-SR501热释电传感器模块的使用HC-SR501热释电传感器模块功能图如图所示，该模块VCC

和GND分别接+5V直流电源的正极和负极后，开始正常工作。当有人进入该模块感应范围内时，OUT端输出高电平；当人离开该模块感应范围时，OUT端输出低电平。147HC-SR501热释电传感器模块感应范围3. 连接示意图单片机与HC-SR501热释电传感器模块可通过I/O接口连接，其仿真连接示意图如图所示，该电路中单片机的I/O接口引脚P3.0与HC-SR501热释电传感器模块的OUT端相连接。148单片机与HC-SR501热释电传感器模块仿真连接示意图智能卷帘设计任务21491.了解步进电动机的概念及技术指标。2.理解步进电动机的工作原理。3.能设计智能卷帘电路。4.能编写和调试智能卷帘程序。5.能完成智能卷帘硬件组装和功能测试。6.能分析总结智能卷帘设计流程，并阐述分享给其他同学。150在智慧农场的大棚蔬菜种植基地中，通常需要一种智能卷帘，可根据光照强度自动调节卷帘，当光照强度较弱时，卷帘自动打开以增加光照强度；当光照强度较强时，卷帘自动关闭以降低光照强度。智能卷帘给大棚蔬菜种植提供恒定的光照强度，有利于蔬菜的生长，从而提高蔬菜的产量。151本任务要求完成基于STC89C51单片机的智能卷帘设计，智能卷帘有两种模式可以选择，分别是自动模式和手动模式。若智能卷帘处于自动模式，当光照达到一定强度时，如果卷帘没有关闭，则启动步进电动机让卷帘关闭；当光照未达到一定强度时，如果卷帘没有打开，则启动步进电动机让卷帘打开。若智能卷帘处于手动模式，当按下关闭卷帘按键时，如果卷帘没有完全关闭，则启动步进电动机让卷帘关闭；当按下打开卷帘按键时，如果卷帘没有完全打开，则启动步进电动机让卷帘完全打开。本任务可通过单片机I/O接口外接按键控制电路、光敏电阻模块电路、红外检测电路以及步进电动机模块电路实现智能卷帘的控制功能。为完成此任务，需要学习步进电动机相关知识。152153一、步进电动机的概念步进电动机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元器件。在非超载情况下，电动机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，即给电动机加一个脉冲信号，电动机就转过一个步距角。步进电动机多用于数字式控制设备，如智能卷帘、打印机、绘图机和光盘驱动器等装置。步进电动机按励磁方式不同，可分为永磁式、反应式和混合式3种；按线数不同，可分为三线式、五线式和六线式等。按相数不同，可分为单相式、两相式、三相式、四相式、五相式等，其中四相步进电动机是比较常见的一种步进电动机，如图所示。用单片机控制步进电动机时通常需选用专用的电动机驱动芯片，其中使用ULN2003驱动步进电动机是常用的方法。154四相步进电动机二、步进电动机的技术指标步进电动机的技术指标分为静态指标和动态指标两种，静态指标包括相数、步距角和拍数等，动态指标包括步距角精度、失步、失调角、最大空载启动频率和运行矩频特性等。1551. 相数相数是指步进电动机内部的线圈组数。目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电动机。电动机相数不同，其步距角也不同，一般两相步进电动机的步距角为0.9°/1.8°（表示两相步进电动机半步工作时步距角为0.9°，整步工作时步距角为1.8°），三相步进电动机的步距角为0.75°/1.5°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电动机满足对步距角的要求。1562. 步距角步距角表示控制系统每发出一个步进脉冲信号后电动机所转动的角度。3. 拍数拍数是指完成一个磁场周期性变化所需的脉冲数，或指电动机转过一个步距角所需的脉冲数。157三、步进电动机的工作原理不同线数步进电动机的控制原理基本相同，都要以脉冲信号电流来驱动。假设电动机每转动一圈需要64个脉冲来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电动机转动5.625°，其旋转角度与脉冲的个数成正比。步进电动机的正反转由励磁脉冲产生的顺序来控制。五线式四相步进电动机是比较常见的，它的控制等效电路如图所示。158五线式四相步进电动机控制等效电路它有4根励磁信号引线A+、A-、B+、B-（还有一根引线为公共端com），通过控制这4根引线上励磁脉冲信号产生的时刻，即可控制步进电动机的转动，每出现一个脉冲信号，步进电动机就转动一步。因此，只要依序不断输出脉冲信号，步进电动机就能实现连续转动。159四、步进电动机的励磁方式步进电动机通过磁场之间的相互作用精确控制转子的转动角度和速度。通过给步进电动机的绕组通电，产生磁场以驱动电动机转动的方法称为步进电动机的励磁。步进电动机的励磁方式主要有单相励磁、双相励磁和半步励磁3种。单相励磁是指在每一个瞬间，步进电动机只有一个线圈导通，步进电动机相线每送入一个励磁信号，步进电动机就转动5.625°，这是3种励磁方式中最简单的一种，其特点是精确度高、消耗电力少，但输出转矩最小，振动较大。160双相励磁是指在每一个瞬间，步进电动机有2个线圈同时导通，每送入一个励磁信号，步进电动机就转动5.625°，其特点是输出转矩大、振动小。半步励磁是指单相励磁与双相励磁交替的方式，每送入一个励磁信号，步进电动机就转动2.8125°，其特点是分辨率高、运转平滑，故该励磁方式应用非常广泛，如果以该方式控制五线式四相步进电动机正转，对应的励磁顺序见下表，若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。161半步励磁顺序表162半步励磁顺序表五、步进电动机的控制电路图本任务采用28BYJ-48四相步进电动机，该步进电动机的控制电路示例如图所示。步进电动机与电动机驱动芯片ULN2003A输出端相连接，其中步进电动机A+、B+、B-、A-引脚分别与ULN2003A的1C、2C、3C、4C引脚相连接。电动机驱动芯片ULN2003A的1B、2B、3B、4B引脚分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3引脚相连接。通过单片机P2.0~P2.3引脚输出的控制信号经电动机驱动芯片ULN2003A分别送入步进电动机的A+、B+、B-、A-引脚，最终实现控制步进电动机的目的。163164步进电动机的控制电路示例智能温湿度计设计任务31651.理解DHT11温湿度传感器的概念。2.了解DHT11温湿度传感器的使用方法。3.了解LCD1602液晶显示器的相关知识。4.能设计智能温湿度计电路。5.能编写和调试智能温湿度计程序。6.能完成智能温湿度计硬件组装和功能测试。7.能分析总结智能温湿度计设计流程，并阐述分享给其他同学。166随着科技的飞速发展，工厂车间要求在恒温恒湿的环境下生产产品。智能温湿度计因能实时测量工厂车间环境的温度和湿度，备受广大用户的青睐。本任务要求完成基于STC89C51单片机的智能温湿度计设计，能够通过LCD1602液晶显示器实时显示工厂车间环境的温度和湿度测量数据。本任务可通过单片机I/O接口外接温湿度传感器模块电路以及LCD1602液晶显示模块电路实现智能温湿度计的控制功能。为完成此任务，需要学习DHT11温湿度传感器和LCD1602液晶显示器的相关知识。167168一、DHT11温湿度传感器1. DHT11温湿度传感器的概念DHT11温湿度传感器是一款输出数字信号的温湿度传感器，如图所示，它通过使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。DHT11温湿度传感器该传感器包括一个电阻式感湿元器件和一个负温度系数（NTC）测温元器件，并能与一个高性能8位单片机相连接，具有响应快、抗干扰能力强、性价比极高等优点