基于51单片机的9999秒倒计时器方案书文档格式.docx
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指导老师:
张永超
日期:
2011年1月20日
教务处制
摘要
近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动着传统控制检测日新月异的更新。
由于单片机具有体积小、易于产品化、面向控制、集成度高、功能强、可靠性高、价格低等特点,其在工业控制、机电一体化、智能仪表、通信等诸多领域中得到了广泛的应用。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用。
但是仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结合,以作完善。
本论文针对倒计时系统的设计的需求,介绍了MCS-51单片机的部分基本原理,如51单片机的接口功能、中断、定时器等等。
倒计时系统需要用到锁存器、矩阵键盘、LED数码显示器等主要模块,通过不同的模块之间相互作用,完成倒计时的初步硬件结构。
对于倒计时器中的LED数码显示器来说,我为了简化线路、降低成本,采用以软件为主的接口方法,即采用KeiluVision3软件程序进行译码。
本次设计采用C语言编程,通过倒计时子程序模块、矩阵键盘扫描模块、中断等子程序的正确调用,完成了可以随时设置初值的基于51单片机控制的9999秒倒计时系统。
【关键词】倒计时器单片机矩阵键盘KeiluVision3LED数码显示器
前言
51系列单片机属于总线型单片机,具有硬件架构完整、功能强大、技术成熟、通用性强、可外部扩展、配套芯片齐全、集成开发环境好、实用子程序丰富以及价格低廉等一系列优点,无论是实际工程应用,还是学习单片机原理及其应用技术,51系列单片机都是理想的选择。
在社会生活和生产的各个领域中,凡是有自动控制要求的地方都会和单片机扯上关系。
无论是从简单到复杂,还是从空中、地面到地下,凡是能想到的地方几乎都有使用单片机的需求,并且达到许多与人方便的操作。
尽管现在单片机在社会上的应用已经很普遍了,但仍有许多可以用单片机控制而尚未实现的项目。
因此,单片机的应用依然大有想象和拓展空间。
本次设计采用的是总线型结构的单片机,总线型结构的单片机可以减少不同之间信息传送线的条数,从而使信息传送规格整齐,提高了整机的可靠性。
采用总线结构以后,存储器、输入输出等外部设备都通过专门的接口电路独立的挂在总线上,因而使得单片机可扩充能力强,使用方便灵活。
另外,还可根据不同的需要增加存储器的容量或增添外部设备,也可以根据不同的需要组成各种专用的单片机,例如专用教学机等。
单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化,有助于提高劳动效率,减轻劳动强度,提高产品质量,改善劳动环境,减少能源和材料消耗,保证安全等[4]。
但是,单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上,更重要的意义还在于:
单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须有模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能使用单片机通过软件(编程)方法实现了。
这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制系统“软化”技术,称之为微控制技术。
微控制技术是一种全新的概念,是对传统控制技术的一次革命。
随着单片机应用的推广普及,微控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。
本论文第一章介绍了本次倒计时系统的设计目的、设计方案和开发意义;
第二章对MCS-51单片机的部分基本原理和接口技术进行了阐述,其中大部分都是本次设计需要用到,比如中断原理、定时器等;
最后一章介绍了本次倒计时系统设计的硬件电路设计和软件程序设计,以及KeiluVision3软件系统调试的步骤和方法,以完成系统设计。
第一章倒计时系统简介
1.1设计要求
1以MCS-51系统单片机为核心器件,组成一个9999秒以内任意秒数的倒计时系统,即初值为9999秒以内任意秒数,以一秒的速度进行倒计时。
2系统有8个LED数码管显示器,选择低四位分别显示千位、百位、十位、个位,而高四位设置为一直是暗的,没有任何显示。
3此倒计时设计能够通过矩阵键盘对倒计时器设定任何不大于9999秒的初值,同时设置有开始键、复位键,以达到可以重新设置初值的目的。
1.2方案说明
本设计的倒计时功能主要通过中央处理模块SST89E516RD、锁存器、矩阵键盘、LED数码显示器四个模块的硬件共同实现,具体如下图1.1。
图1.1倒计时器的硬件模块
本系统首先通过中中央处理模块(SST89E516RD)对整个系统的状态进行判断(如定时器、中断等),它的输入输出口是双向接口,所以要通过锁存器来赋给不同的硬件接口不同的值。
然后通过键盘扫描原理对键盘进行扫描,返回扫描值,判断是否有键按下,如果有键按下,判断是哪个键被按下。
如果是KC键被按下,则进入初值设置阶段,等待初值设置;
如果键盘扫描判断到KF键按下,则表示开始倒计时。
所有的设置初值、等待状况和倒计时状态都要通过LED数码显示器显示出来,体现本倒计时系统的功能。
由于数码管的段选、位选和4*4的矩阵键盘的输入输出都是接到P0.0~P0.3口,所以需要锁存器来锁存不同时刻不同模块需要的P0.0~P0.3的值。
本系统由于数码显示器的8个二极管和位的选择的状态均由SST89E516RD的P0.0~P0.7来决定,所以需要锁存器(DM74LS573N)在需要的时候为其锁定相应的值,从而使显示器正确显示倒计时,如果没有锁存器则会出现很多错误并且不能实现功能。
同理,锁存器SN74LS244N的功能也是一样的,判断矩阵键盘的输出值从而判断按下的键,实现键盘扫描原理的功能。
1.3系统功能
由于本来对C语言有一定的了解,再加上C语言的简单等优点,本设计采用的是C语言编程,而未采用汇编语言。
通过倒计时系统的要求,逐步写出C语言程序。
通过KeiluVision3软件对程序进行编译,在确认程序无误的时候,将实验板插到电脑上(通过USB连接),进行硬件仿真。
刚上电时,LED数码显示器显示系统默认初值9999,并立即进行倒计时。
如果需要重新设置小于系统初值的其他任何初始值,这个时候可以按下KC键,数码管四位清0并等待初值的设置,通过K0~K9(分别表示1,2…9,0)设置初值。
当初值设置完成后,再按下KF键开始进行倒计时。
如果需要再一次设置初值的时候再次按下KC键,数码管的低四位又全部清0,重新等待设置初值。
第二章MCS-51单片机基本原理
2.1MCS-51单片机的组成原理
单片微型计算机简称单片机,它因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名,就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器以及I\O接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。
虽然单片机只是一个芯片,但从组成和功能上看,它已具有了计算机系统的属性[11]
不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容,只是存储器和I/O接口的配置有所不同。
其中8051主要包括算术/逻辑部件ALU、累加器A、只读存储器ROM、随机存储器RAM、程序计数器PC、定时器/计数器、I/O接口电路等,还有堆栈寄存器SP等部件。
这些部件集成在一块芯片上,通过内部总线连接,构成完整的微型计算机。
2.1.180C51芯片介绍
MCS-51的原生产厂商是Intel公司,最早推出80C51芯片的也是Intel公司,并且作为MCS-51的一部分,按原MCS-51芯片的规则命名,例如80C31、80C51、87C51和89C51,这样我们就能很容易地认识80C51的系列芯片。
80C51芯片内部集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O口等各功能部件,并由内部总线把这些部件连接在一起。
80C51单片机内部包含以下一些功能部件:
①一个8位CPU;
②一个片内振荡器和时钟电路;
③4KBROM(80C51有4KB掩膜ROM,87C51有4KBEPROM,80C31片内有无ROM);
4128B内RAM;
5可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路;
6两个16位定时/计数器;
721个特许功能寄存器;
84个8位并行I/O口,共32条可编程I/O端线;
9一个可编程全双工串行口;
105个中断源,可设置成2个优先级。
振荡器及
时序OSC
8051CPU
程序存储器4KBROM
数据存储器256B
2个16位定时器/计数器
64K总线扩展控制器
可编程I/O
可编程全双工串行口
图2.180C51单片机功能结构框图
2.2MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51单片机采用40引脚的双列直插封装(DIP)方式。
图2.2左边为其引脚图,右边为为其逻辑符号图。
在40条引脚中,有2条专用于主电源的引脚,2条外接晶体的引脚,4条控制引脚,3条I/O引脚[2]。
图2.2左边为MCS-51引脚图,右边为MCS-51单片机逻辑符号图
2.3中断
2.3.1中断的概念
CPU在处理某一事件A时,发生了另一事件B请求CPU迅速去处理(中断发生),CPU暂时中断当前的工作,转去处理事件B(中断响应和中断服务),待CPU将事件B处理完毕后,再回到原来事件A被中断的地方继续处理事件A(中断返回),这一过程称为中断,如下图2.7。
图2.7中断流程
引起CPU中断的根源,称为中断源。
中断源向CPU提出的中断请求。
CPU暂时中断原来的事务A,转去处理事件B,对事件B处理完毕后,再回到原来被中断的地方(即断点),称为中断返回。
实现上述中断功能的部件称为中断系统(中断机构)。
见下图2.8。
图2.8中断系统
2.3.28051中断系统结构
80C51的中断系统有5个中断源(8052有6个),2个优先级,可实现二级中断嵌套。
4个用于中断控制的寄存器IE、IP、TCON和SCON——用于控制中断的类型、中断的开/关和各种中断源的优先级别。
5个中断源有两个中断优先级,每个中断源可以编程为高优先级或低优先级中断,可以实现二级中断服务程序的嵌套。
8051单片机中断系统的结构如图2.9所示。
图2.9中断系统结构
2.3.3中断控制
(1)、中断允许控制寄存器IE
特殊功能寄存器IE为中断允许寄存器,控制CPU对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽(禁止),以及每个中断源是否允许中断。
其格式为:
EX0(IE.0):
外部中断0允许位;
ET0(IE.1):
定时/计数器T0中断允许位;
EX1(IE.2):
ET1(IE.3):
定时/计数器T1中断允许位;
ES(IE.4):
串行口中断允许位;
EA(IE.7):
CPU中断允许(总允许)位。
(2)、中断源优先级设定寄存器IP
80C51单片机有两个中断优先级,即可实现二级中断服务嵌套。
每个中断源的中断优先级都是由中断优先级寄存器IP中的相应位的状态来规定的。
PX0(IP.0):
外部中断0优先级设定位;
PT0(IP.1):
定时/计数器T0优先级设定位;
PX1(IP.2):
PT1(IP.3):
定时/计数器T1优先级设定位;
PS(IP.4):
串行口优先级设定位;
PT2(IP.5):
定时/计数器T2优先级设定位。
同一优先级中的中断申请不止一个时,则有中断优先权排队问题。
同一优先级的中断优先权排队,由中断系统硬件确定的自然优先级形成,其排列如表2.1所示:
表2.1同优先级中断源等级序号
序号
中断源
中断标志
优先级顺序
外部
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