13767832MCS51单片机试验台调试与开发.docx
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13767832MCS51单片机试验台调试与开发
江苏科技大学
本科毕业设计(论文)
学院机械工程学院
专业机械电子工程
学生姓名
班级学号
指导教师
二零一零年六月
江苏科技大学本科毕业论文
MCS-51系列单片机试验台调试与开发
DebuggingAndDevelopmentOfMCS-51SingleChipMicrocomputerTest-Bed
江苏科技大学
毕业论文(设计)任务书
学院:
机械工程学院 专业:
机械电子工程
学号:
0640206101 姓名:
黄莹
指导教师:
李磊 职称:
讲师
2010年3月10日
毕业设计(论文)题目:
MCS-51单片机试验台调试与开发
一、毕业设计(论文)内容及要求(包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等)
1、搜集与整理资料,熟悉伟福单片机实验平台的软硬件环境,学习单片机原理及其接口技术。
2、相关实验项目的程序,原理图设计。
3、基于实验平台完成软件和硬件两个方面的实验。
4、整合模块,进行系统开发设计。
5、整理资料,完成毕业论文。
二、完成后应交的作业(包括各种说明书、图纸等)
1、毕业设计论文一份(不少于1.5万字)。
2、英文资料翻译一份(不少于5000英文单词)。
3、实验程序及软硬件原理图。
4、机械装配图一张(用AUTOCAD绘)。
三、完成日期及进度
自2009年3月15日起至2010年6月14日止
进度安排:
1、3.16~3.30开题报告,外文翻译;
2、3.31~4.10熟悉伟福单片机实验平台的软硬件环境;
3、4.11~4.20模块调试;
4、4.21~5.31应用系统设计;
5、6.1~6.10论文撰写;
6、6.14~6.15毕业答辩。
四、同组设计者(若无则留空):
闵杰
五、主要参考资料(包括书刊名称、出版年月等):
1)李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:
北京航空航天大学出版社.1993
2)何立民.单片机应用系统设计[M].北京:
北京航天航空大学出版社.1995
3)李朝青等.PC机及单片机数据通信技术[M].北京:
北京航空航天大学出版社.2000
4)陈龙三.8051单片机C语言控制与应用[M].北京:
清华大学出版社.2003
系(教研室)主任:
(签章)年月日
学院主管领导:
(签章)年月日
注:
1、如页面不够可加附页
2、以上一~四项由指导教师填写
摘要
本文开篇简要介绍了伟福仿真实验系统的构成、使用方法及其与单片机的控制应用。
同时对单片机控制系统进行了概述,重点介绍了控制系统的特点、原理及构成。
接着通过对MCS-51单片机在伟福仿真实验系统上的调试,介绍了单片机应用系统中常用功能模块的特点和原理,主要以继电器控制、音频控制、I/O扩展口、A/D转换、电子时钟、液晶显示等多个模块为例。
在此基础上根据最小单片机应用系统原理,将各个模块进行整合从而设计了单片机公交车到站语音播报与液晶显示控制系统,实现了功能模块的具体化应用。
本文从硬件和软件两个方面具体阐述了该单片机应用系统的特点、功能、构成及设计过程中关于元器件的选型和电路接线原理,并对应用系统中的各个模块分别描述。
从经济和功能的角度,考虑以往产品的不足来确定方案,并采取相应的改进措施。
关键词:
伟福仿真系统;51单片机;公交车;语音播报;液晶显示
Abstract
ThisarticlebeginswithanoverviewoftheformofWavesimulationsystem,theusemethodsanditsapplicationwithmicroprocessorcontrol.Atthesametime,onsinglechipmicrocomputeroverviewthathighlightsthefeaturesofthecontrolsystem,theprinciples,andConstitution.ThenthroughdebuggingMCS-51singlechipmicrocomputeronWavesimulationsystem,itdescribesthemicrocontrollercommonlyusedinfunctionalmodulesfeaturesandprinciples,forexample,primarilyintherelaycontrol,audiocontrol,I/Oexpansionport,A/Dconversion,electronicclock,LCDdisplays,multiplemodulesandsoon.Onthebasisofwhich,anapplicationundertheminimumsingle-chipsystem,willconsolidatethevariousmodulestodesignamicrocontrollerbusarrivalvoiceandliquidcrystaldisplaycontrolsystem,implementationofthefunctionmodulesintheapplication.Fromhardwareandsoftwareaspects,thisarticledefinestheabovesinglechipmicrocomputerapplicationsystemfeatures,functions,compositionanddesignprocesswithregardtothecomponentsoftheselectionandcircuitdiagrams,andontheapplicationofthesystemofindividualmodulesrespectivelydescribe.Fromaneconomicandfunctionalperspective,considertheshortcomingsofpreviousproductstodeterminethescenarios,andtaketheappropriatemeasuresforimprovement.Thisentireapplicationsystemhadaninitialunderstanding.
Keywords:
simulationsystem;51singlechipmicrocomputer;bus;voicebroadcast;audiocontrol
目录
第一章绪论1
1.1单片机控制系统概述1
1.1.1单片机及其控制系统的特点1
1.2伟福Lab6000单片机仿真实验系统2
1.3MCS-51系列单片机公交车应用系统的设计4
第二章伟福仿真实验系统调试6
2.1引言6
2.2软、硬件调试与纠错6
2.2.1用户程序设计步骤6
2.2.2硬件调试方法6
2.2.3程序的调试与修正7
2.3软件实验调试9
2.3.1内存块移动9
2.3.2数据排序10
2.4硬件实验调试11
2.4.1继电器控制实验11
2.4.2音频控制实验12
2.4.38255输入、输出实验13
2.4.4A/D转换实验15
2.4.5电子时钟17
2.4.6液晶显示控制实验21
2.4.716×16点阵实验21
2.5小结23
第三章单片机公交车应用系统设计24
3.1目前公交车报站系统的研究现状24
3.2系统设计要求24
3.3系统功能模块设计24
3.4系统软硬件综合设计30
3.5小结32
结论33
参考文献35
附录35
附录1软、硬件调试程序源代码37
附录2单片机公交车到站语音播报与液晶显示控制系统程序源代码54
附录3单片机公交车到站语音播报与液晶显示控制系统原理图56
第一章绪论
1.1单片机控制系统概述
随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用,以及设备向小型化、智能化发展,作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势,显示出了很强的生命力。
从航天航空、地址石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的分析系统与智能控制以及机电一体化设备和产品到邮电通信、日用设备和器械,单片机都发挥了巨大作用。
1.1.1单片机及其控制系统的特点
单片机(singlechipmicrocomputer)是将微机的CPU、存储器、I/O接口和总线制作在一块芯片上的超大规模集成电路[1]。
MCS-51系列单片机是我国较早引进Intel公司的单片机产品,由于其性能优良,已被国内广泛用户认可和采用,占有了主要的市场份额。
同时单片机产品的性能在不断提高,技术在不断更新换代。
由于MCS-51系列单片机具有体积小、功能全,价廉、面向控制、应用软件丰富、技术在不断更新、开发应用方便等优点,可以适应各个应用领域的不同需要,尤其适合于实时控制,可构成工业控制器、智能仪表、智能接口、智能武器装置以及通用测控单元等,因而具有极强的竞争力和生命力,应用前景广阔。
同时,MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量、I/O口功能、系统扩展能力,还是指令系统和CPU的处理功能都非常强[2]。
所以,今后它仍将是单片机应用的主流机种。
MCS-51单片机最早的典型代表为8051、8751、8031,其指令系统完全兼容,仅在内部结构和应用特性方面稍有差异,主要功能特点如下:
(1)8位CPU;
(2)片内128BRAM(MCS-52子系列有256字节RAM);
(3)片内4KBROM/EPROM(8051/8751);
(4)特殊功能寄存器;
(5)2个优先级的5个中断源结构;
(6)4个8位并行I/O口(P0、P1、P2、P3);
(7)2个16位定时器/计数器;
(8)全双工串行口;
(9)布尔处理器;
(10)64KB外部数据存储器地址空间;
(11)64KB外部程序存储器地址空间;
(12)片内振荡器及时钟电路。
一般来说,单片机内部已经集成了一台计算机的基本功能部件,无须扩展即可构成基本应用系统。
但芯片内部的ROM、RAM的容量、I/O口数目、定时/计数器及中断等资源还是有限的。
因此大多数单片机都具有系统扩展能力,以便系统实际应用需要时,允许扩展各种外围电路。
因此,对于较为复杂的系统,单片机的应用和I/O接口扩展也很方便。
这样的系统归纳起来有以下特点[2]:
(1)由于系统规模较小,其本身不具有自我开发能力,需借助专用的开发工具进行系统的调试与开发,使得实际应用系统简单实用、成本低,效益好。
(2)系统配置以满足对象的控制要求为出发点,使得系统具有较高的性能价格比。
(3)应用系统通常将程序驻留在ROM中,无须软硬磁盘作软件载体,使系统不宜受到干扰,可靠性高,使用方便。
(4)应用系统所用存储器芯片选用:
8051片内程序存储器为掩膜ROM,可以更具特殊要求和用途在制造芯片时将专用程序固化进去,成为专用单片机。
8031单片机内部没有ROM,使用时需要外接EPROM芯片,其他与8051完全一样。
而8751是片内ROM采用EPROM形式的8051,能方便的改写程序。
(5)由于系统小巧玲珑,控制功能强、体积小。
便于安装于被控设备之内,大大推动了机电一体化产品的开发。
如数控机床、机器人、洗衣机、电冰箱、电饭锅等都是典型的机电一体化设备和产品。
1.2伟福Lab6000单片机仿真实验系统
本课题利用伟福Lab6000单片机仿真实验系统对MCS51系列单片机在试验台上进行调试与开发。
伟福Lab6000单片机仿真实验系统可以方便灵活地构成各种实验方案,在有无系统机和实验仪的情况下,都能进行相应的实验,从而具有极为广泛的应用范围。
其目的是培养学生的独立动手能力、思考能力,是比较适合于学生毕业设计课题。
具体的设计过程分为两部分:
硬件部分和软件部分。
板上提供了基本的实验电路和多个插孔,供学生自己扩展其他实验,培养实际动手能力,加强对实验电路的理解。
实验程序采用多种语言适应不同层次的学生的需要。
高级语言编写应用程序是一种时代的需要,通过应用高级语言的编写和实验,可使学生掌握高级语言的变成方法,为今后进入社会实践打下坚实的基础,而汇编语言又能让学生了解及其深层原理。
伟福Lab6000单片机仿真实验系统由板上仿真器、实验仪、伟福仿真软件、开关电源构成。
图1-1为伟福板上仿真系统实物图。
实验系统提供强大的逻辑分析、波形输出和程序跟踪功能,可以让学生直观地观察到单片机内部及外部电路工作的波形。
本实验板提供多个基本实验电路和模块,目的就是让学生通过调试这些模块,培养学生的计算机应用能力,并在此基础上,开发这个实验平台,进行单片机应用系统的设计[3]。
仿真器系统构成,本仿真系统具有三种使用方法:
图1-1伟福仿真实验系统(A/D转换调试状态下)
(1)无机系统,仅用实验仪的板上仿真器进行仿真实验。
(2)有机系统,用系统机上的集成调试软件驱动板上仿真器进行仿真实验。
(3)无实验仪、无仿真器,仅在系统机上用软件模拟方式进行仿真。
本实验仪可以方便灵活地构成各种实验方案,在有无系统机和实验仪的情况下,都能进行相应的编程实验,从而具有极为广泛的应用范围。
板上提供了基本的实验电路,减少繁琐的连接线过程,板上也提供了DIP40/28/24/20/16/14插孔和CPU的地址数据总线引出插孔,供学生自己扩展其他实验,培养实际动手能力,加强对实验电路的理解。
实验程序采用多种语言适应不同层次的学生的需要。
1.3MCS-51系列单片机公交车应用系统的设计
随着高科技的迅速发展,城市生活水平得到大大的提高,城市的公交事业也得到了迅速的发展,对公交车报站系统的功能要求进一步提高。
但目前许多公交车报站系统仍仅停留在语音播报上,这给听力不好的乘客带来不便;而有的公交车报站系统虽然有屏幕显示功能,但其显示器基本上是采用LED大屏幕点阵列结构的[3]。
LED大屏幕要实现稳定显示需遵循动态扫描规律,存在着扫描驱动电路较为复杂、信号传输线多、抗干扰性能差等缺点。
由于液晶显示器具有低压微功耗、平板型结构、显示信息量大、易于彩色化、没有电磁辐射、寿命长等显著优点,为此我们开发了基于单片机控制的公交车到站语音播报与液晶显示控制系统。
单片机应用系统是以单片机为核心,配以相应的外围电路和软件,能以实现某种功能的应用系统,它由硬件和软件部分组成。
其基本原理是根据最小单片机应用系统的原理扩展外围设备而来的。
最小单片机应用系统由一个单片机,一个时钟电路,一个复位电路和一个输出电路组成。
系统虽然简单但可以让单片机工作起来,实现发光二极管点亮或者熄灭的功能。
单片机应用系统的硬件是系统的基础,软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用,从而完成应用系统所要完成的任务。
单片机应用系统的设计主要包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试等几个阶段[4]。
本文以单片机公交车到站语音播报与液晶显示控制系统为例。
在单片机公交车到站语音播报与液晶显示控制系统中具体论述了键盘控制模块、液晶显示控制模块、语音播报控制模块、站号手动调整模块等在一个应用系统中的应用。
上述模块既各自独立,又互为关联,例如按下播放键,语音播报开始,同时液晶显示屏同步显示相应信息,数码管显示相应站号。
因此,须进行各软件模块的综合调试及系统软硬件联调。
通过对实例论述,加强对单片机功能模块的认识和应用,实现单片机应用系统的开发。
(1)设计方案的确定
方案一:
单片机公交车到站语音播报与液晶显示控制系统主要使用了键盘控制模块、LED显示控制模块、语音播报控制模块、站号手动调整模块等。
由于使用的主控芯片AT89C51单片机引脚功能多而强大,对于实现语音显示及键盘控制功能处处有余,股我们采取直接挂接模块的方式,减少电路的复杂程度,同时节约了材料。
缺点就是不方便功能的扩展和维修,系统比较死板,功能简单。
方案二:
单片机公交车到站语音播报与液晶显示控制系统因其主要功能不变,故采取的模块主要还是键盘控制模块、LCD液晶显示控制模块、语音播报控制模块、站号手动调整模块等。
同时考虑到系统以后便于扩展和改进,我们使用I/O总线扩展口增加接口数目,方便外设的衔接,这里具体使用8255接口扩展,为减少电路的复杂程度,改善显示功能,我们选用LCD液晶显示,即使用用于字符显示控制与驱动的IC芯片——GDM12232E模块[5]。
(2)设计方案选择
方案一和方案二都能实现相应的功能,但方案一的功能不够生动具体,不够人性化。
虽然在选材上相对方案二经济的不少,在新一代公交车上的使用还是相对简陋了一点,同时其表达的能力没有方案二来的清晰、肯定和丰富。
方案二采用的元器件相对功能完善,在不使线路变复杂的情况下同样使得功能进一步得到改善,同时使用操作方便,显示界面清晰,画面生动,富有人性化设计,符合现代大容量,长、短途公交车的使用环境。
经过上面的分析和比较,综合经济、效益等方面的因素,我们选择后者作为实验设计方案。
第二章伟福仿真实验系统调试
2.1引言
伟福仿真实验系统可根据教学实践的需要实现MCS51/MCS196单片机原理与接口、8088/8086微机原理与接口的一系列实验,并在硬件上预留了自主开发实验的空间。
对基本实验仅需连少量连接线即可完成,方便易行。
同时也提供了需较多连线的扩展性实验以及强大的软、硬件调试手段。
2.2软、硬件调试与纠错
2.2.1用户程序设计步骤
用户程序软件调试可以分以下几个步骤:
(1)建立用户程序
(2)在单片机开发系统上,对用户源程序进行编译,如果编译有错误就要进行修改,再进行编译,直至错误全部纠正为止。
(3)动态在线调试。
用户程序终止分为内部服务程序以及外部的接口程序。
内部服务程序是指与用户样机无联系的用户程序,例如计算机程序。
虽然经编译后已经没有语法错误,但可能有逻辑错误,必须借助于动态调试手段,如单步运行、设置断点等,发现逻辑错误,然后进行修改。
对于外部接口程序,一定要先把硬件故障排除以后,再对用户程序进行动态在线调试,如果有错误,则进行那个修改。
在调试这一类程序时硬件调试与软件调试是不能完全分开的,许多硬件错误是通过对软件的调试从而发现和纠正的。
(4)将调试完毕的用户程序通过专用编程器固化在EPROM中。
2.2.2硬件调试方法
(1)静态调试。
对用户样机进行调试,首先要进行静态调试,静态调试的目的是排除明显的硬件故障。
第一步断电测量,在样机加电之前先用万用表等工具,根据硬件电路图,仔细检查样机线路是否连接正确,并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。
应特别注意对电源系统的检查,以防止电源的短路和极性错误,并重点检查系统总线是否存在相互之间的短路或与其他信号线的短路[4]。
第二步加电后检查各插件上引脚的电位,仔细测量各个点电平是否正常、尤其应注意8051插座的各点电位。
第三步是在断电情况下,除CPU外,插上所有的元器件,并把仿真器的仿真插头插入样机上的CPU插座,准备联机仿真调试。
(2)联机仿真在线动态调试。
在镜头调试中仅对目标样机硬件进行了初步调试,只是排除了一些明显的静态故障,而样机中的硬件故障(如各部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误)主要是靠联机仿真排除的。
分别打开样机和仿真器电源后,便可开始联机仿真调试,排除硬件故障。
至此可将用户程序固化在程序存储器中,然后将程序存储器插入目标样机系统中,目标样机系统可独立运行。
目标样机系统独立运行一段时间无故障后,可认为整个设计开发过程结束。
2.2.3程序的调试与修正
对源程序编译形成目标程序,只是排除了语法错误和一般性的逻辑错误,只有将目标程序应用到目标样机中,经过仿真调试满足功能要求才能最后写到程序存储器中。
仿真调试是对程序功能是否能实现所做的最后检验。
对于模块结构程序,要逐个模块分别调试。
调试模块时,一定要符合现场环境,即符合入口条件和出口条件。
调试的手段可采用单步运行方式和断电运行方式,通过检查用户系统CPU内部资源状态、RAM的内容和I/O口的状态,检查程序执行结果是否符合设计要求。
通过检查,可以发现程序中的死循环错误、转移地址错误、用户系统中的硬件故障、软件算法及硬件设计的错误。
在调试过程中不断调整用户系统的软件和硬件,逐步通过各个程序模块。
各程序模块通过后,可以把有关的功能模块联合起来一起进行整体程序综合调试。
若在这阶段发生故障,可以考虑各子程序在运行时是否破坏现场、缓冲单元是否发生冲突、标志位的建立和清除在设计上是否有失误、堆栈区域是否有溢出、输入设备状态的设备是否正常,等等。
单步和断点调试和,还应进行程序连续运行调试。
这是因为单步运行只能检验程序的正确与否,而不能确定定时精度和CPU的实时响应等问题。
待全部调试完成后,应反复运行多次。
此时除了观察稳定性外,还要观察用户系统的操作是否符合原始设计要求以及安排的用户操作是否合理等,必要时还要做适当修正。
实时多任务控制系统的调试方法与上述方法有很多相似之处,只是实时多任务系统控制系统的应用程序是由若干个任务程序组成,一般是逐个任务进行调试。
在调试某一个任务时,同时也调试相关子程序、中断服务程序和一些操作系统的调试。
逐个任务调试好以后,再使各个任务同时运行。
如果控制系统中没有错误,一般情况下系统就能正常运行[5]。
伟福仿真系统的软件程序操作界面如图2-1所示:
图2-1伟福仿真系统开发环境(程序调试状态下)
伟福仿真系统提供两种仿真调试手段:
一是软件模拟仿真,即不需要仿真器而只通过软件包对程序进行软件模拟仿真调试;二是硬件模拟仿真,即通过仿真器直接对目标样机进行硬件、程序进行仿真调试。
对程序进行仿真调试时,这两种方法的使用是一样的。
2.3软件实验调试
2.3.1内存块移动
内存块移动就是将指定源地址和长度的存储块移动到指定目标位置。
块移动是计算机常用操作之一,多用于大量的数量复制和图像操作。
通过对内存块移动程序的调试,我们可以进一步了解内存的移动方法,加深对存储器的读写认识。
从而打下良好的计算机基础。
实现内存块移动的操作程序写法很多。
本程序是给出起始地址,用地址加一方法移动块。
另外,还可以通过给出块结束地址,用地址减一的方法移动快。
程序框图如图2-2所示。
图2-2内存块移动程序图框
下面仅给出一部分程序,具体程序请见附录1。
部分程序初始清单如下:
;移动3000H-->4000H,256字节
MOVR0,#30H;设置块的源地址
MOVR1,#00H
MOVR2,#40H;设置块的目标地址
……
LJMP$
END
2.3.2数据排序
在日常生活和工作中,我们时常要面对一些随机的数据,为例更好的了解数据,我们通常需要对其进行数据排
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
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