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3.2单片机8051开发板设计7
3.2.1设计原理、方案论证7
3.2.2Protues电路原理图设计11
3.2.3软件仿真方法和结果分析13
3.2.4设计和仿真过程中出现的问题及解决方法14
4.设计总结和心得体会14
1课程设计目的
目的:
课程设计以电子线路CAD软件设计原理为基础,重点在硬件设计领域中实用的电子线路设计软件的应用。
使学生掌握电子线路设计中使用CAD的方法。
为后继课程和设计打下基础。
任务:
通过电路设计,掌握硬件设计中原理图设计、功能仿真、器件布局、在线仿真、PCB设计等硬件设计的重要环节。
2课程设计题目描述和要求
题1、振荡电路设计仿真
要求:
1、相关电路知识,用NE555组成多谐振荡器
2、用proteus进行软件仿真
3、写实验报告
题2、单片机8051开发板设计
要求:
1、cpu最小系统
2、八段数码管流水灯
3、键盘显示
4、蜂鸣器
5、A/D,D/A转换
6、串口通信
本次课程设计要求做两个,通过题1主要是学会对proteus的使用。
而课程设计的重点是题2,主要通过题2学会单片机的内部结构,端口情况,以及对单片机的编程。
3.课程设计报告内容
3.1振荡电路设计仿真
3.1.1设计原理、方案论证
振荡电路是通过555定时器组成多谐振荡器来实现,其内部结构图为:
图1555定时器内部结构
555定时器的工作原理为:
从图中可以看出555又比较器c1,c2,sr锁存器和集电极开路的放电三极管td三部分构成。
Vi1是比较器c1的输入端,Vi2是比较器的输入端。
C1和c2的参考电压Vr1和Vr2又Vcc经三个5k的电阻分压给出。
在控制电压输入端Vco悬空时,Vr1
=2Vcc/3,Vr1=Vcc/3。
如果Vco外接固定电压,则Vr1=Vco,Vr2=Vco/2。
表1:
555的功能表
输入
输出
Rd
Vi1
Vi2
Vo
Td的状态
X
低
导通
1
不变
高
截止
又555构成多谐振荡器,电路图为:
图2555连成多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器,它没有稳定的输出状态,只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后,经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
图9-30所示是由555定时器构成的多谐振荡器。
R1、R2和C是外接元件。
刚接通电源时,uc=0,u0=1。
当uc升至后,比较器C1输出低电平(=0),基本RS触发器置0,定时器输出u0由1变为0。
同时,三极管T导通,电容通过R2放电,uc下降。
在<
uc<
期间,u0保持低电平状态。
在uc下降至以后,比较器C2输出低电平(=0),使触发器置1,输出u0由0变为1。
同时三极管T截止,于是电容C再次被充电。
如此不断重复上述过程,多谐振荡器的输出端就可得到一串矩形波。
同时,端口5可以接一滑动变阻器,改变555的参考电压,可以实现改变占空比。
由计算得T1=R1Cln2;
T2=R2Cln2;
T=T1+T2=(R1+R2)Cln2;
其中T1为高电平持续时间,T2为低电平持续时间,T为方波波的周期。
当然也可以通过改变R1,R2的比值来改变占空比,同时也可以改变R1,R2,C的值来改变方波的输出频率。
3.1.2Protues电路原理图设计
按照555构成多谐振荡器的原理做电路图。
该电路图所用的元件比较少,而且也比较常用,所以这个还是比较容易做到的。
但是,刚开始不知道滑动变阻器是什么,通过查资料后找到了滑动变阻器。
另外就是要注意两线相交的结点问题,如果两条线是导通的一定要有结点。
最后就是接上示波器来观察结果。
连接好的电路图如下:
图3555仿真电路
3.1.3软件仿真方法和结果分析
打开仿真开关,可以得到图4:
图4
图5调整占空比后
方波为端口3输出波形,三角波为端口6输出波形。
图5是通过改变R1,R2的比值来改变占空比。
可以通过改变面板上的幅值和周期来改变波形显示。
3.1.4设计和仿真过程中出现的问题及解决方法
刚开始是按着指导书上的电路图来连接,但是却发现,波形总是会产生异常波动,甚至有时候还会出现毛刺现象,通过改变各种电阻电容参数都不能消除。
最后把电池组改成power电源后,这种情况就消失了。
所以猜测,出现这种情况的原因是电池组电压不稳定造成的。
下图为异常波形图:
图6异常波形
可以发现,波形发生的严重的抖动,如果这种抖动不加以限制的话,就会产生各种误差,甚至烧坏元器件,所以必须消除。
3.2单片机8051开发板设计
3.2.1设计原理、方案论证
此题目包含6个模块:
cpu模块,LED流水灯模块,键盘数显模块,蜂鸣器模块,A/D、D/A转换模块,串口通信模块。
其中cpu模块是整个设计的核心,就像人的大脑,控制着其他电路的工作情况,其他模块是cpu的外围设备,受cpu的控制,就像人的躯体。
下面分别对各个模块进行分析:
3.2.1.1cpu模块
Cpu模块需要设计的包含三个部分:
晶体震荡电路,复位电路,各端口总线,如下图所示。
图7CPU模块
晶振片产生频率稳定的波形输入到单片机的xtal1,和xtal2口,加入两个电容是为了减小杂散电容的影响,使输出频率更稳定。
,复位电路中通过按键产生一个高电平使单片机复位,电解电容是使按键产生有效复位。
对单片机各端口标号,是为了连线的方便。
3.2.1.2LED流水灯模块LED为共阳极,电阻为保护电路。
图8LED流水灯
3.2.1.3键盘数显模块
本模块包括三个部分:
8255,四个七段数码管,8路键盘。
可编程并行接口8255:
它包含4个并行口,与外设接口部分:
PA口,PB口,PC口,与CPU连接的引脚信号:
D口,还有一些控制线,片选信号CS,低电平有效,读信号RD,低电平有效,写信号WR低电平有效,复位信号RESET,高电平有效,地址信号A1A0,下面是控制信号的操作表:
表28255控制端口
CS
RD
WR
A1
A0
操作
写端口A
写端口B
写端口C
写控制寄存器
读端口A
读端口B
读端口C
无操作
8255A共有三种工作方式:
方式0基本输入输出方式,即无须联络就可以直接进行8255A与外设之间的数据输入或输出操作。
A口、B口、C口的高4位和低4位均可设置为方式0。
方式1选通输入输出方式,此时8255A的A口和B口与外设之间进行输入或输出操作时,需要C口的部分I/O线提供联络信号。
只有A口和B口可工作于方式1。
方式2选通双向输入输出方式,即同一端口的I/O线既可以输入也可以输出,端口A有方式0、方式1和方式2三种工作方式;
端口B只能工作于方式0和方式1;
端口C只能工作在方式0;
而端口C仅工作于方式0。
控制字如下:
图98255控制字
图10键盘数显
3.2.1.4蜂鸣器模块
此模块只有一个蜂鸣器和一个开关组成。
如下图:
图11蜂鸣器
3.2.1.5A/D、D/A转换模块
图12A/DD/A转换模块
此模块包含一个ADC0808和DAC0808和他的外围电路组成。
3.2.1.6串口通信模块此模块包含一个串口,一个虚拟显示屏和一个按键。
由按键对单片机产生中断,向串口发送数据。
电路图如下:
图13串口电路
3.2.1.7I2C模块此模块包含三个EEPROM和一个I2CDEBUGGER。
图14
3.2.1.8LCD电子时钟模块此模块包含电阻保护电路和一个LCD1602显示屏。
图15
3.2.2Protues电路原理图设计
把所有模块放到一起后如下:
图16整个电路
3.2.3软件仿真方法和结果分析
3.2.3.1LED流水灯结果
此模块是8个LED灯的亮灭来实现流水灯。
通过对程序中延时时间的改变可以改变流水灯的效果。
下图是仿真结果:
图19LED流水灯
3.2.3.3串行接口结果
首先在发送端写Hallo!
发送可以看到在虚拟显示屏上显示Hallo!
当按键时,会由单片机产生一串字符happyeveryday!
并在虚拟显示屏和串口中显示。
结果如下:
图21虚拟屏显示图22串口显示
3.2.3.4蜂鸣器
这个模块是实现音乐的播放的功能,将文件载入后可以根据程序播放不同的音乐,我选择的是大家都熟悉的生日歌。
3.2.3.5LCD电子时钟模块
在这个模块中利用单片机学过的知识实现了电子时钟的功能,并且还实现了字符串的显示。
程序见附录。
图23
3.2.3.6I2C模块
这个模块是运用单片机的知识,实现了I2C总线的数据传送。
图24
3.2.4设计和仿真过程中出现的问题及解决方法
做第一个题目时没有遇到什么问题,对Protues有了进一步地认识,熟悉了操作。
在做题2的过程中,出现了一些问题。
在做流水灯时,刚开始流水灯极不稳定,有时候一个循环只显示3个或4个,第7个第8个灯不亮,通过请教其他同学知道了Protues中有一个设置动画的选项,在机房的电脑上还不能设置,就在其他同学带的笔记本上进行了一下设置,设置后发现可以正常运行了。
在做LCD电子时钟模块,刚开始不能正确初始化,后来又出现延时太长的问题,通过修改程序最后出来了最后的结果。
由于学单片机时我们没有学I2C这一部分内容,所以刚开始不明白这个模块是做什么的,通过回去后阅读单片机课本,并请教了一些同学,最终搞懂了这部分内容,并画出了电路图,最后仿真成功。
4.设计总结和心得体会
这次课程设计是在我们去年使用过Protues以及这个学期学习了单片机的基础进行的,所以对这个软件我们已经有了一定程度的掌握,而且单片机的知识有利于我们弄清楚设计各个模块时实现功能的原理。
但是在设计过程中也出现了很多问题,画电路图时需要细致,因为一些元件如果选取不正确就会出错导致不会显示预期的仿真结果。
最重要的还是对单片机知识的掌握,当真正使用这些知识来进行设计的时候,我才发现自己学到的的东西是多么的浅显,端口地址的正确选择,控制字的正确设置,延时时间的确定,这些很小的知识点总是会影响大局,有时候会因为某一个小的点的出错导致不会出结果,还弄得百思不得其解,最后仔细检查过程序后会恍然大悟。
这些看似是自己的不细心,实质上是对知识的掌握不牢靠。
另外,通过这次课程设计我还学到了很多知识,如I2C的相关知识点。
总之,通过这次课程设计我学到了很多东西,也为我以后的学习奠定了基础,因为我是学电子信息工程的,这些东西都是必须掌握的,所以在以后的学习和工作中,我会继续学习相关知识的。
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