單片機(jī)課程設(shè)計(jì)說明書

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1、 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)說明書 1.1單片機(jī)的歷史背景和意義 近年來隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，由于它具有功能強(qiáng)，體積小，功耗低，價(jià)格便宜，工作可靠，使用方便等特點(diǎn)，因此特別適合于與控制有關(guān)的系統(tǒng)，越來越廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制，智能化儀器，儀表，數(shù)據(jù)采集，軍工產(chǎn)品以及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用，在根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。 本次做的數(shù)字鐘是以單片機(jī)（AT89C51）為核心，結(jié)合相關(guān)的元器件（共陰極LED數(shù)碼顯示器、BCD-鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器CC4511等），再配以

2、相應(yīng)的軟件，達(dá)到制作簡易數(shù)字鐘的目的，其硬件部分難點(diǎn)在于元器件的選擇、布局及焊接。 1。2單片機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 單片機(jī)也被稱為微控制器(Microcontroller)，由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一

3、個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。單片機(jī)是70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)集成于同一硅片的器件。單片機(jī)用于控制有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的最小化和單片化，簡化一些專用接口電路，如編程計(jì)數(shù)器、鎖相環(huán)（PLL）、模擬開關(guān)、A/D和D/A變換器、電壓比較器等組成的專用控制處理功能的單板式微系統(tǒng)。 單片機(jī)是所有微處理機(jī)中性價(jià)比最高的一種，隨著種類的不斷全面，功能不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也迅速擴(kuò)大。單片機(jī)在智能儀表、實(shí)時(shí)控制、機(jī)電一體化、辦公機(jī)械、家用電器等方面都有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前，8位單片機(jī)主要用于工業(yè)控

4、制，如溫度、壓力、流量、計(jì)量和機(jī)械加工的測量和控制場合；高效能的16位單片機(jī)（如MCS-96、MK-68200）可用在更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)?？梢哉f，微機(jī)測控技術(shù)的應(yīng)用已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，微機(jī)測控技術(shù)的應(yīng)用是產(chǎn)品提高檔次和推陳出新的有效途徑。 縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢，大致有： 1．低功耗CMOS化 MCS-51系列的80C51推出時(shí)的功耗達(dá)120mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右，隨著對單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS

5、則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，更適合于在要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。 2．微型單片化 常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。 3．主流與多品種共存 現(xiàn)在

6、雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以MCS-51為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺灣的WinBond系列單片機(jī)。以8031為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山，在一定的時(shí)期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)，相輔相成、共同發(fā)展的道路。 22 \ 22222課題方案設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求 1、顯示效果使用16個(gè)LED； 2、設(shè)置三個(gè)按鍵，K1-模式鍵，通過按鍵調(diào)整顯示結(jié)果，要求有8種模式；K2-加速鍵，提高走馬燈顯示效果的速度；K3-減速鍵，

7、放慢走馬燈的顯示效果速度； 3、8種模式通過一個(gè)共陽型數(shù)碼管顯示出來，比如，走馬燈的顯示效果為模式一時(shí)，數(shù)碼管顯示數(shù)字“1”。 2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊論證 333.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 總體設(shè)計(jì) 3.1.1 明確任務(wù) 根據(jù)課題的要求確定系統(tǒng)的工作原理。如電腦時(shí)鐘的工作原理為：每百分之一秒對計(jì)數(shù)一次，滿100次秒加一，秒滿60次分加一……；并在數(shù)碼管上顯示時(shí)、分秒當(dāng)前值。 如果需要還要提出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。如電腦時(shí)鐘要求顯示的最小單位為秒，還是百分之一秒；溫度測量系統(tǒng)要求測量多少路？測量精度是多少；收銀機(jī)計(jì)算金額的范

8、圍多大，最小單位是否計(jì)分；交通燈控制系統(tǒng)測量車流量的最大頻率是多少等。 3.1.2 硬件和軟件功能的劃分 系統(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)是緊密地聯(lián)系在一起的，且硬件和軟件具有一定的互換性。多用硬件完成一些功能，可以提高工作速度，但降低了系統(tǒng)的柔性。若用軟件替代某些硬件功能，可增加系統(tǒng)的柔性，但降低系統(tǒng)的工作速度。因此，總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮，合理劃分硬件和軟件的功能。 3.2 單片機(jī)運(yùn)行的最小系統(tǒng) 3.1 STC89C52 性能 STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（FPEROM-Flash Programable and Erasab

9、le Read Only Memory ）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C51功能性能:與MCS-51成品指令系統(tǒng)完全兼容；4KB可編程閃速存儲器；壽命：1000次寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0-24MHz；三級程序存儲器鎖定；256*8B內(nèi)部RAM；32個(gè)可編程I/O口線；2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行UART通道；片內(nèi)震蕩器和掉電模式[6] 3.2 AT89C52各引腳功能 AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8KB的Fla

10、sh閃速存儲器，256B內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)震蕩器及時(shí)鐘電路，同時(shí)，AT89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但震蕩器停止工作并禁止其他所有工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C52采用PDIP封裝形式，引腳配置如圖5所示[7]。 圖6 AT89C51的引腳圖 AT89C52芯片的各引腳功能為： P0口：這組引腳共有8條，P0.0為最低位。這8個(gè)引腳有兩種不同的功

11、能，分別適用于不同的情況，第一種情況是89C52不帶外存儲器，P0口可以為通用I/O口使用，P0.0-P0.7用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，這時(shí)輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是89C52帶片外存儲器，P0.0-P0.7在CPU訪問片外存儲器時(shí)先傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。P0口為開漏輸出，在作為通用I/O使用時(shí)，需要在外部用電阻上拉。 P1口：這8個(gè)引腳和P0口的8個(gè)引腳類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位，當(dāng)P1口作為通用I/O口使用時(shí)，P1.0-P1.7的功能和P0口的第一

12、功能相同，也用于傳送用戶的輸入和輸出數(shù)據(jù)。 P2口：這組引腳的第一功能與上述兩組引腳的第一功能相同即它可以作為通用I/O口使用，它的第一功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不是像P0口那樣傳送存儲器的讀/寫數(shù)據(jù)。 P3口：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同，第二功能為控制功能，每個(gè)引腳并不完全相同，如下表2所示： 表2 P3口各位的第二功能 P3口各位 第二功能 P3.0 RXT（串行口輸入） P3.1 TXD（串行口輸出） P3.2 /INT0（外部中斷0輸入） P3.3 /INT1(

13、外部中斷1輸入) P3.4 T0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入） P3.5 T1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入） P3.6 /WR（片外數(shù)據(jù)存儲器寫允許） P3.7 /RD（片外數(shù)據(jù)存儲器讀允許） Vcc為+5V電源線，Vss接地。 ALE：地址鎖存允許線，配合P0口的第二功能使用，在訪問外部存儲器時(shí)，89C52的CPU在P0.0-P0.7引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀/寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時(shí)，89C52自動(dòng)在ALE線上輸出頻率為1/6震蕩器頻率的脈沖序列。該脈沖序列可以作為外部時(shí)鐘源或定時(shí)脈沖使用。 /EA:片外存儲器訪問選擇線，可以控制89C52使用

14、片內(nèi)ROM或使用片外ROM, 若/EA=1，則允許使用片內(nèi)ROM, 若/EA=0，則只使用片外ROM。 /PSEN：片外ROM的選通線，在訪問片外ROM時(shí)，89C52自動(dòng)在/PSEN線上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，作為片外ROM芯片的讀選通信號。 RST：復(fù)位線，可以使89C52處于復(fù)位(即初始化)工作狀態(tài)。通常89C52復(fù)位有自動(dòng)上電復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。 XTAL1和XTAL2：片內(nèi)震蕩電路輸入線，這兩個(gè)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接89C52片內(nèi)OSC(震蕩器)的定時(shí)反饋回路。 3.3 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路 3.3.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使CP

15、U和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST,采用施密特觸發(fā)輸入。當(dāng)振蕩器起振后，只要該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平即可確保時(shí)器件復(fù)位[1]。復(fù)位完成后，如果RST端繼續(xù)保持高電平，MCS-51就一直處于復(fù)位狀態(tài)，只要RST恢復(fù)低電平后，單片機(jī)才能進(jìn)入其他工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種，圖6是51系列單片機(jī)統(tǒng)常用的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位組合電路，只要Vcc上升時(shí)間不超過1ms，它們都能很好的工作[1]。 圖1 復(fù)位電路 3.3.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)中CPU每執(zhí)行一條

16、指令，都必須在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下嚴(yán)格按時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行，而這個(gè)時(shí)鐘脈沖是單片機(jī)控制中的時(shí)序電路發(fā)出的。CPU執(zhí)行一條指令的各個(gè)微操作所對應(yīng)時(shí)間順序稱為單片機(jī)的時(shí)序。MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成震蕩器，XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大器輸出端，但形成時(shí)鐘電路還需附加其他電路[1]。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器，外部電路簡，只需要一個(gè)晶振和 2個(gè)電容即可，如圖7所示。 圖8 時(shí)鐘電路 電路中的器件選擇可以通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定，也可以參考一些典型電路的參數(shù)，電路中，電容器C1和C2對震蕩頻率有微

17、調(diào)作用，通常的取值范圍是3010pF，在這個(gè)系統(tǒng)中選擇了33pF；石英晶振選擇范圍最高可選24MHz，它決定了單片機(jī)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號震蕩頻率，在本系統(tǒng)中選擇的是12MHz，因而時(shí)鐘信號的震蕩頻率為12MHz。 4.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 5軟硬件聯(lián)調(diào)及調(diào)試結(jié)果 5.1軟硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決措施 5.2 實(shí)物圖 正反面 5.3 調(diào)試結(jié)果 結(jié)束語： 什么事情都是萬事開頭難，本來單片機(jī)這個(gè)課程就學(xué)得不好，現(xiàn)在的課程設(shè)計(jì)就要重新看書，

18、也等于學(xué)習(xí)并鞏固了課本上的知識。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)的過程中，我一共分了如下步驟：原理圖的設(shè)計(jì)和程序的編寫；最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與焊接；主電路的焊接；對電路進(jìn)行聯(lián)調(diào)；給電路上電進(jìn)行調(diào)試。我覺得焊接是最難的，首先要確定電路正確的情況下進(jìn)行排布。我在焊接的時(shí)候沒仔細(xì)看圖，把一個(gè)排阻給漏掉了，所以就多引出了幾根線。電路調(diào)試成功時(shí)特別有成就感。 通過這次課程設(shè)計(jì)，我覺得學(xué)到的知識比學(xué)了一個(gè)學(xué)期的理論課有用的多，使我覺得理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)際相結(jié)合起來，從理論中得到結(jié)論，從實(shí)踐中得到過程，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力 最后也要感謝張老師的耐

19、心指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助。 參考文獻(xiàn)： 【1】肖洪兵. 跟我學(xué)用單片機(jī). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002.8 【2】《單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn) 100 例—基于 8051+Proteus仿真》 【3】趙曉安. MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用. 天津：天津大學(xué)出版社，2001.3 【4】李廣第． 單片機(jī)基礎(chǔ)． 第1版．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999 【5】徐惠民、安德寧． 單片微型計(jì)算機(jī)原理接口與應(yīng)用． 第1版． 北京：北京郵電大學(xué)出版社，1996 附錄： 附錄一 可以調(diào)控的走馬燈原理圖 附錄2 可以調(diào)控的

20、走馬燈PCB圖 Ptoteuse 仿真圖 C語言程序清單： #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar ModeNo; uint Speed; uchar tCount=0; uchar Idx; uchar mb_Count=0; bit Dirtect=1; uchar code DSY_CODE[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,

21、0x80,0x90}; uint code sTable[]={0,1,3,5,7,9,15,30,50,100,200,230,280,300,350}; void Delay(uint x) { uchar i; while (x--) for(i=0;i<120;i++); } uchar GetKey() { uchar K; if(P2==0xFF) return 0; Delay(10); switch(P2) { case 0xFE: K=1; break; case 0xFD: K=2; brea

22、k; case 0xFB: K=3; break; default: K=0; } while (P2!=0xFF); return K; } void Led_Demo(uint Led16) { P1=(uchar)(Led16 & 0x00FF); P0=(uchar)(Led16 >>8); } void T0_TNT() interrupt 1 { if (++tCount < Speed) return; tCount=0; switch (ModeNo) { case 0: Le

23、d_Demo(0x0001 << mb_Count);break; case 1: Led_Demo(0x8000 >> mb_Count);break; case 2: if(Dirtect) Led_Demo(0x000F << mb_Count); else Led_Demo(0xF000 >> mb_Count); if(mb_Count==15) Dirtect =!Dirtect; break; case 3: if(Dirtect) L

24、ed_Demo(~(0x000F << mb_Count)); else Led_Demo(~(0xF000 >> mb_Count)); if(mb_Count==15) Dirtect =!Dirtect; break; case 4: if(Dirtect) Led_Demo(0x003F << mb_Count); else Led_Demo(0xFC00 >> mb_Count); if(mb_Count==15) D

25、irtect =!Dirtect; break; case 5: if(Dirtect) Led_Demo(0x0001 << mb_Count); else Led_Demo(0x8000 >> mb_Count); if(mb_Count==15) Dirtect =!Dirtect; break; case 6: if(Dirtect) Led_Demo(~(0x0001 << mb_Count)); el

26、se Led_Demo(~(0x8000 >> mb_Count)); if(mb_Count==15) Dirtect =!Dirtect; break; case 7: if(Dirtect) Led_Demo(0xFFFE << mb_Count); else Led_Demo(0x7FFF >> mb_Count); if(mb_Count==15) Dirtect =!Dirtect; break; }

27、 mb_Count=(mb_Count+1)%16; } void KeyProcess(uchar Key) { switch(Key) { case 1: Dirtect=1;mb_Count=0; ModeNo=(ModeNo+1)%8; P3=DSY_CODE[ModeNo]; break; case 2: if (Idx>1) Speed=sTable[--Idx];break; case 3: if (Idx<15) Spee

28、d=sTable[++Idx]; } } void main() { uchar Key; P0=P1=P2=P3=0xFF; ModeNo=0;Idx=4; Speed=sTable[Idx]; P3=DSY_CODE[ModeNo]; IE=0x82; TMOD=0x00; TR0=1; while(1) { Key=GetKey(); if(Key!=0) KeyProcess(Key); } } 附錄5：可控走馬燈元件清單表 AT89C52單片機(jī) 1個(gè)； LED 16個(gè)； 共陽型數(shù)碼管1個(gè)； 排阻1個(gè)； 電阻17個(gè)； 導(dǎo)線若干； 按鈕3個(gè)； 晶振1個(gè)； 極性電容1個(gè)； 電容2個(gè)。