51單片機試驗開發(fā)板設(shè)計

1、東北石油大學(xué)課程設(shè)計課 程單片機課程設(shè)計題 目 51單片機實驗開發(fā)板設(shè)計院 系 電氣信息工程學(xué)院測控系專業(yè)班級 測控09學(xué)生姓名 2012年7月8日學(xué)生學(xué)號指導(dǎo)教師東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程單片機課程設(shè)計題目51單片機實驗開發(fā)板設(shè)計專業(yè)測控技術(shù)與儀器姓名 學(xué)號一、任務(wù)設(shè)計一款基于仿真軟件實現(xiàn)的51單片機實驗開發(fā)板。二、設(shè)計要求1該實驗開發(fā)板力求單片機IO 口分配合理，實驗板硬件資源豐富。2外圍電路設(shè)計合理，程序例程正確。3基本電路包括：單片機最小系統(tǒng)、8位流水燈電路、LED顯示電路、蜂鳴 器電路、鍵盤電路、1602及12864液晶顯示電路。4提交設(shè)計報告、電路圖及程序源碼。三、參考資料1潘

2、永雄.新編單片機原理與應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社,2003.2 丁元杰.單片微機原理與應(yīng)用M.機械工業(yè)出版社,2006.3朱定華.單片微機原理及接口技術(shù)實驗M.北方交通大學(xué)出版社,2002.4付家才.單片機控制工程實踐技術(shù)M.化學(xué)工業(yè)出版社,2004.5楊麗鳳，王艷秋，張軍.單片機原理與接口技術(shù)M.清華大學(xué)、北方交通大學(xué) 出版社,2004.完成期限上指導(dǎo)教師專業(yè)負責(zé)人曹廣華2012年6月29日 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 第1章緒論 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Do

3、cument 單片機現(xiàn)狀與發(fā)展 2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 單片機的性能特點 2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 本設(shè)計任務(wù) 3 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第2章總體方案論證與設(shè)計 4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 電源 4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 顯示功能方案 4 HYPERLINK l bookmark26 o

4、 Current Document 電位指示選擇 4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 總體硬件組成框圖 4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 單片機最小系統(tǒng) 6 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 鍵盤模塊設(shè)計 7 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document LED顯示模塊設(shè)計 7 HYPERLIN

5、K l bookmark40 o Current Document 流水燈顯示模塊設(shè)計 8 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 發(fā)聲模塊設(shè)計 9 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 串口通信模塊設(shè)計 9 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 10 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document LED模塊的程序設(shè)計 10 HYPERLINK l bookmark52 o Current Docum

6、ent 鍵盤模塊的軟件設(shè)計 11 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 第5章系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析 12 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 使用的儀器儀表 12 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 系統(tǒng)調(diào)試 12 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 測試結(jié)果 13結(jié) 論 14 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 參考文獻 15 HYPERLINK l bo

7、okmark64 o Current Document 附錄1程序 16第1章緒論由于單片機技術(shù)在各個領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，許多集成電路生產(chǎn)廠 家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中，MCS 51系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)及高可靠性和高性能價格比，迅速占領(lǐng)了市場， 成為國內(nèi)單片機應(yīng)用領(lǐng)域中的主流。目前，可用于MCS 51系列單片機開發(fā)的產(chǎn) 品越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方 便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應(yīng)用系統(tǒng)。單片機現(xiàn)狀與發(fā)展單片機屬于第四代微型計算機的一個重要分支。單片機是把中央處理器 CPU隨機存取存儲器R

8、AM只讀存儲器ROM*時器/計數(shù)器以及I/O接口電路等 主要計算部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。單片機的應(yīng)用導(dǎo)致了控 制領(lǐng)域的一場革命，是微控制技術(shù)逐步取代傳統(tǒng)的硬件控制。 近十幾年來，單片 機在生產(chǎn)過程控制、自動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算、商業(yè)管理和辦公室 自動化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、 可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定向、汽車火花控制、交通 自動管理和微波爐等專用控制上。 近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅速，它己滲透 到諸多學(xué)科的領(lǐng)域，以及人們生活的各個方面。MCS-51系列中的一片89C51芯片，內(nèi)部構(gòu)造了完整的計算機硬

9、件系統(tǒng)。從 CPU存儲器到輸入輸出端口，一應(yīng)俱全。只要寫入程序，就可完成中央控制或 數(shù)據(jù)采集、處理及通信傳輸?shù)男畔⑻幚頇C，MCS-51單片機指令系統(tǒng)中為適應(yīng)控 制的需要設(shè)有極強的位處理功能，具有加、減、乘、除指令;CPU時鐘高達12MHz 完成單字節(jié)乘法或除法運算器件分軍用和民用兩級，民用產(chǎn)品主要用于辦公室及機房環(huán)境，工作溫度在 0-701C,軍用產(chǎn)品要求在惡劣環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，工 作溫度在-65125c :工業(yè)級產(chǎn)品的性能介于以上兩者之間，在 -40+85C溫度 環(huán)境可正常工作。工業(yè)產(chǎn)品可靠性比民用產(chǎn)品強，而價格較軍用品低。在單片機 應(yīng)用中，可以根據(jù)實際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級芯片，保證系統(tǒng)可

10、靠性。單片機的性能特點單片機芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，除了具備通用微機CPU的數(shù)值計算功 能外，還必須具有靈活、強大的控制功能，以便實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸入量、控制系 統(tǒng)的輸出量，實現(xiàn)自動控制的目的。由于單片機主要面向工業(yè)控制，工作環(huán)境比 較惡劣，加高溫、強電磁干擾，甚至合有腐蝕性氣體；在太空小工作的單片機控 制系統(tǒng)，還必須具有抗輻射能力。因而，決定了單片機CPUt通用微機CPLM有 小同的技術(shù)特征和發(fā)展方向。80C51系列新一代8位單片機的主要特點：普遍采用CMOS：藝，除了具有節(jié)電運行模式和掉電數(shù)據(jù)保護功能外，整 機功耗比采用HMOS：藝的80C51系列低。片內(nèi)存儲器容量大，規(guī)格多，程序存儲器

11、類型也趨于多樣化。該系列不同 品種的片內(nèi)程序存儲器容量從 4KB擴展到8KB 16KB,甚至32KB,數(shù)據(jù)存儲器容 量從128B擴展到512R片內(nèi)程序存儲器類型不僅限于掩模 ROMP口 EPROM普遍 采用OTP EPROMS次性編程的EPR（）M 簡稱TOP ROM最高時鐘頻率從12MHz提高至ij 16MHZ 24MHZ 33MHZ ,甚至40MHZ ,指 令執(zhí)行時間大大縮短，增強了這些產(chǎn)品的實時處理能力。工作電壓低、范圍寬（1 . 8尸6. oV）,可用電池供電，便于野外作業(yè)使用。 擴展了接口電路功能，如增加了高速I/O接口，擴展了 I/O 口引線數(shù)目。 部分型號增加了定時/計數(shù)器的個數(shù)

12、，還擴展了定時/計數(shù)器的功能。部分型號增加廠定時復(fù)位功能，提高了抗干擾能力。強化并且完善了串行通信功能。封裝形式多樣化，同一型號的 CPU具有多種封裝形式，如 PDIP封裝、 CDIP封裝、PLCC方形壁插塑封）、CLCCJJ形壁插陶瓷封裝）、PQFP（!料方形四 邊引線扁平封裝），部分產(chǎn)品還采用了 BGA（求形網(wǎng)格陣列）封裝。本設(shè)計任務(wù)本課題設(shè)計了一款單片機實驗開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè) 課（單片機原理與應(yīng)用，單片機接口技術(shù)等）、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計的實驗。實驗 板是參考單片機教材中的實驗內(nèi)容設(shè)計的， 能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的測試實驗。本論文包 括硬件系統(tǒng)的詳細設(shè)計及匯編語言在基本控制中的

13、應(yīng)用。第2章總體方案論證與設(shè)計單片機實驗開發(fā)板是一個實際應(yīng)用的系統(tǒng)，能夠為相關(guān)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)單片 機實驗提供支持。此實驗板是參考單片機教材中的實驗內(nèi)容設(shè)計的，能夠?qū)崿F(xiàn)簡 單的綜合驗證實驗。本論文包括硬件系統(tǒng)的詳細設(shè)計及匯編語言在基本控制中的 應(yīng)用。此實驗板設(shè)計的功能如下：電源方案一：變壓器變壓整流但這不僅體積大而且也很重，也不方便攜帶。方案二：采用平常生活中比較經(jīng)常遇到的電源，如 usb電源、電池等。比較以上兩種方案，系統(tǒng)設(shè)計中采用方案二。顯示功能方案方案一：采用74ls138和741s248分別驅(qū)動4個七段碼共陰極led來顯示, 這樣占用的i/o端口少，但顯示的字符有限。方案二：采用分立元件

14、加上拉電阻，不僅可以顯示七段譯碼器的字符， 還可 以顯示h （點）等其他的字符。比較以上兩種方案，系統(tǒng)設(shè)計中采用方案二。電位指示選擇方案一：電壓表精確度比較高顯示直觀，同時設(shè)計也比較復(fù)雜。方案二：邏輯電筆工作原理簡單，體積小，并且該系統(tǒng)中大部分都是數(shù)字信 號狀態(tài)明顯，所以采用邏輯電筆觀察各點的電位更為直觀。 因此該系統(tǒng)采用邏輯 電筆。比較以上兩種方案，系統(tǒng)設(shè)計中采用方案二。總體硬件組成框圖系統(tǒng)設(shè)計以MCS-5系列單片機中8031, 8051, 89C51 乍為CPUS行系統(tǒng)擴展， 將數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、1/O口擴展、用行口通訊、LEEM示、鍵盤與顯示等 多種功能模塊集成于一體。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

15、布局如圖 2-1所示：LED顯示模塊圖2-1總體硬件組成框圖第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計本論文設(shè)計的單片機實驗開發(fā)板是以 AT89S51作為主控制芯片,串口通信芯 片MAX232 DB咖座、液晶顯示器、按鍵開關(guān)等元器件組成，通過軟硬件結(jié)合實 現(xiàn)鍵盤掃描、液晶顯示、數(shù)碼顯示、與上位機串行通信、I/O 口擴展等功能。一方面，它能作為學(xué)生簡單實驗的工具，另一方面，它也是綜合型單片機系統(tǒng)設(shè) 計的基礎(chǔ)，可擴展許多其它功能。單片機最小系統(tǒng)本設(shè)計中采用AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低 電壓，高性能CMOS位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATME麻密度非易失 存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準

16、的 MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將 多功能8位CPUffi閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL勺AT89C51是一種高效 微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。如圖 3-1 所示。,ljb jtiiihkiatij1X1s j is 42 ii , 1 , 111b- -匕氏巾 MW maui mjjfAnz4其日冉口鼻RgPCATAPS FDAEADG陽Tra.TiM)TPZnfiS F2.VMm內(nèi)姆 P3EMF23FA11ALEF2,WA1Z&rSTA13FZJ9AUF2.TA13P1JDPJJVflXftFJNHIFJfupaSrTP1.4Pi5Fj

17、yriruerisvwmi燈用播室 AW,上.恒 ZE D.1 1 m -3T 7 口工.-3S ! - -414F1一q .35 1 5 T， ras- ；- 33 ； *D.S1! S B35 1 - a ,;31m .廣F1， r e，,工JFEL41 oo：保所1 口口-TCXT：-圖3-4實驗板的流水燈顯示電路發(fā)聲模塊設(shè)計發(fā)聲模塊電路原理圖如圖3-4所示，信號由引腳進入三極管進行放大，推動 蜂鳴器SPKe聲。該部分只用3個元件，三極管型號為8550,蜂鳴器為微型壓電式 如圖3-5所示。P1.0PMPQi例忙口、- SOUNDER -,-,r = v 丁.,圖3-5實驗板的發(fā)聲電路串口

18、通信模塊設(shè)計單片機的、引腳與串口通信模塊中的 RS-232的12、1引腳相連，而13、4引腳接到9引腳的連接器的7引腳上，連接器的5腳接電路板的地，連接器的另一端連到PC機上。如圖3-6所示C110uf二 i 卜 ? r ,U6C1+C1-I l IMT1QUTR1QUTR1INT2BMT2OUTR2OUTR2INVS+C2+0C5 MAX： ：32“F I” 一 ,ii 1-1 tint * .TEXT HF10UF-管TEXF；圖3-6實驗板的液晶顯木電路第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計實驗板的軟件設(shè)計是在硬件電路板的基礎(chǔ)上， 通過匯編程序來實現(xiàn)的。下面 是一些測試程序。LED模塊的程序設(shè)計功能說明：

19、設(shè)計出一個4位顯示的電子時鐘，對于單片機初學(xué)者來說，設(shè)計 一個電子時鐘真的是很有用的，其中要理解的東西有很多，如P0 的數(shù)據(jù)傳送； P2 口的位控制，也就是數(shù)碼管的位選通；數(shù)碼管數(shù)字顯示代碼；延時的處理； 數(shù)碼管動態(tài)顯示；還有的就是中斷子程序的設(shè)計，感覺這個是最難的，因為單片 機的計秒不是人類的大腦思維，如果讓計算機實現(xiàn)1秒后實現(xiàn)中斷的效果，是最 大的難處。還其他的一些知識的應(yīng)用，及算法的實現(xiàn)，如果以后要擴展成一個電 子鬧鐘，可能還要應(yīng)該到中斷優(yōu)先級相關(guān)的知識。程序流程圖見圖4-1。開始設(shè)置T0為16位定時器給TH0和TL0附初識值定時10ms全局中斷和T0中斷顯示時間圖4-1 LED顯示程序

20、流程圖鍵盤模塊的軟件設(shè)計功能說明：使用鍵盤通過掃描方法控制顯示器輸出。根據(jù)鍵盤的工作原理, 因此我們可以設(shè)計出程序流程如圖 4-2所示。第一列清0以下同上是圖4-2鍵盤程序流程圖第5章系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析DT9203使用的儀器儀表數(shù)字萬用表單片機仿真器WAVE6000燒寫器雙蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源DH1718E-5GF2100系統(tǒng)調(diào)試在系統(tǒng)功能設(shè)定，硬件電路板的制作和軟件程序的編寫過程中都對實驗板進 行了嚴格的檢查。對于手工編寫好的程序，必須使用開發(fā)軟件進行編譯連接等過 程，最終生成目標文件，然后再通過編程器下載到單片機當(dāng)中測試。硬件調(diào)試硬件電路板制作完成后，主要利用萬用表對電路板的線路連接狀況、各

21、元器 件的焊接情況進行檢查。軟件調(diào)試利用實驗板對所編寫的程序進行調(diào)試。 硬件電路板是否支持程序執(zhí)行，各子 程序功能的能否具體實現(xiàn)，對出錯的程序進行修改。硬件軟件聯(lián)調(diào)完成以上調(diào)試后便可將調(diào)試成功的程序錄入到 AT89S51芯片中，在實驗中進 行調(diào)用。測試結(jié)果流水燈顯示測試結(jié)果將寫入程序的單片機插入實驗板，接通電源后會看到LEDE不斷地向右移動t 當(dāng)移到最右端后，又回到最左端重新開始向右移動，不斷循環(huán)。用矩陣鍵盤控制LED測試結(jié)果鍵盤上字符排序與該程序中的編碼表 TABLEH弋碼的排序是相同的，例如， 按下第一排左數(shù)第一個鍵，數(shù)碼管顯示器將顯示 0;按下第一排左數(shù)第二個鍵， 數(shù)碼管顯示1。按鍵盤中

22、不同鍵號，顯示器將會顯示出相應(yīng)的十六進制數(shù)。音樂發(fā)聲實驗測試結(jié)果將程序?qū)懭雴纹瑱C后，當(dāng)接通實驗板上蜂鳴器的控制插針后， 聽到變頻報警 聲。51單片機開發(fā)板也稱51單片機實驗板、51單片機學(xué)習(xí)板,是用于學(xué)習(xí)51 型號的單片機的實驗及學(xué)習(xí)器件，它將 51單片機常用的外圍（比如流水燈、數(shù) 碼管、eeprom、時鐘、繼電器等）集成在一小塊電路板上，可以直接插在pc機上面，便于攜帶和學(xué)習(xí)，另外一些中小型項目也可以直接在此板上面進行二 次開發(fā)，開發(fā)完成后即可以在此基礎(chǔ)上重新畫圖做板，極大地縮短了公司的開 發(fā)周期，節(jié)省硬件成本。本開發(fā)板在以 c51單片機為核心控制器的基礎(chǔ)上，對 外圍電路進行了設(shè)計，包括復(fù)位

23、電路、時鐘電路、顯示電路、聲光報警電路、 記憶存儲電路、下載電路等，主要實現(xiàn)了程序下載和調(diào)試功能，可以用于各類 通用實驗、軟硬件測試和51單片機的學(xué)習(xí)，具有操作簡單、性價比高和可靠性 高特點，因此具有一定的實用價值和現(xiàn)實意義。本系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲器、I/ O 口的擴展，能進行A/ D與D/ A轉(zhuǎn)換、鍵盤 與顯示及用行口通訊等接口實驗.學(xué)生如適當(dāng)增加局部電路，可作為實際控制板 使用.學(xué)生進行原理設(shè)計后可很快在該實驗板上進行軟件開發(fā)與調(diào)試 ，改變了原 始方式，增強了系統(tǒng)的可靠性，大大提高了學(xué)生自己設(shè)計控制系統(tǒng)的成功率.參考文獻1潘永雄.新編單片機原理與應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社,2003.2

24、丁元杰.單片微機原理與應(yīng)用M.機械工業(yè)出版社,2006.3朱定華.單片微機原理及接口技術(shù)實驗M.北方交通大學(xué)出版社，2002.4付家才.單片機控制工程實踐技術(shù)M.化學(xué)工業(yè)出版社,2004.5楊麗鳳，王艷秋，張軍.單片機原理與接口技術(shù)M.清華大學(xué)、北方交通大學(xué)出 版社,2004.6張友德.單片微型機原理、應(yīng)用與實驗M.復(fù)旦大學(xué)出版社,2000.7王雷，鐘愛琴.AT8源列單片機原理與接口技術(shù)M.北京航空航天大學(xué)，2004.8周航慈.單片機程序設(shè)計基礎(chǔ)M.北京航空航天大學(xué),2003.9孫江宏，李良玉.Protel99電路設(shè)計與應(yīng)用M.機械工業(yè)出版社，2004.10張吉春.藍牙技術(shù)及應(yīng)用J.中國人民公

25、安大學(xué)學(xué)報,2003(04).11楊春光，余勝生.藍牙技術(shù)綜述J.當(dāng)代通信，2003(21).12孟建華,郝晉霞.AT89S系列單片機及在線編程技術(shù)西安工程科技學(xué)報，2006.附錄1程序流水燈的程序ORG0000HAJMPSTARTORG0040HSTART:MOVP1，#0FFHCALLDELAYCALLDELAYMOVP1，#01HLOOP:CALLDELAYMOVA，P1RL AMOVP1，ASJMPLOOPDELAY :MOVR1#00HDEL1 :MOVR6#00HDJNZR6,$DJNZR1 ,DEL1RET 串口通信模塊的程序ORG 0000HJMP STARTORG 0030H

26、START:MOV SCON,#50HMOV TMOD , #20HMOV PCON, #80HMOV TH1 , #0FAHMOV TL1 , #0FAHSETB TR1WRIT: MOV A, #0AFHMOV SBUF AMOV R5,#09HLOOP: CALL DELAYDJNZ R5, LOOPAJMP WRITDELAY : MOVR6, #00HDEY2: MOVR7, #00HDJNZ R7 $DJNZ R6, DEY2 RET 音樂模塊的程序 ORG 0000H LJMP START ORG 000BH START:MOV SP,#50HMOVTH0,#0D8HMOV TL

27、0,#0EFHMOV TMOD,#01HMOV IE,#82HMUSIC0:NOPMOV DPTR,#DATMOV 20H,#00HMUSIC1:NOPCLR AMOVC A, A+DPTR CJNE A,#0FFH,MUSIC5 LJMP MUSIC3MUSIC5:NOPMOV R6,AINC DPTRMOV A,#0MOVC A,A+DPTRMOV R7,AMOV R0,#0FFHMUSIC2:NOPCPLMOV A, R6MOV R3,ALCALL DELMOV A,R7 CJNE A, 20H,MUSIC2 MOV 20H,#00H INC DPTR LJMP MUSIC1 MUSIC3:NOP CLR TR0 MOV R2,#0DH MUSIC4:NOP MOV R3,#0FFH LCALL DEL DJNZ R2,MUSIC4INC DPTRLJMP MUSIC1END0:NOPMOV R2,#0FFHMUSIC6:MOV R3,#