单片机实习报告.docx
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单片机实习报告.docx
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单片机实习报告
目录
1、多功能电脑时钟的功能规划……………………………………………………………01
2、方案设计…………………………………………………………………………………01
2.1、硬件方案设计………………………………………………………………………01
2.2、软件方案设计………………………………………………………………………02
3、硬件电路设计与分析……………………………………………………………………03
3.1、CPU时钟与复位电路………………………………………………………………03
3.2、数码管显示电路……………………………………………………………………03
3.3、按键接口电路………………………………………………………………………04
3.4、LED指示电路………………………………………………………………………05
3.5、蜂鸣器接口电路……………………………………………………………………06
3.6、RS-232接口电路……………………………………………………………………06
4、软件设计…………………………………………………………………………………06
4.1、控制程序的结构及模块划分………………………………………………………06
4.2、初始化程序…………………………………………………………………………11
4.3、数码管显示程序……………………………………………………………………11
4.4、时钟程序……………………………………………………………………………11
4.5、秒表程序……………………………………………………………………………11
4.6、闹铃程序……………………………………………………………………………12
4.7、倒计时程序…………………………………………………………………………13
4.8、按键扫描及处理程序………………………………………………………………13
5、调试与测试………………………………………………………………………………14
5.1、调试方法及步骤……………………………………………………………………14
5.2、测试方法及测试结果………………………………………………………………14
6、技术小结…………………………………………………………………………………16
7、参考文献…………………………………………………………………………………16
附录1原理图
附录2源程序
前言
自从20世纪70年代初期诞生微型计算机以来,一方面,微机不断提高其运算速度和处理能力,以解决复杂系统的计算和高速数据处理,如Intel公司的微处理器,目前已发展到P4的水平;另一方面,将微机系统尽可能集成在一块半导体芯片上,形成单片机,其目的在于计算机系统微型化,以提高系统的稳定性,作为嵌入式微控制器存在于各种智能仪器仪表、智能控制器等设备中。
单片机技术已成为从事自动化工作的工程技术人员必备的技术。
《单片原理及应用》是一门技术性、应用性很强的学科,实践教学是它的一个极为重要的环节。
不论是硬件扩展、接口应用还是编程方法、程序调试,都离不开实验教学。
如果不在切实认真地抓好学生的实践技能的锻炼上下功夫,单凭课堂理论课学习,势必出现理论与实践脱节的局面。
任随书本上把单片机技术介绍得多么重要、多么实用多么好用,同学们仍然会感到那只是空中楼阁,离自己十分遥远,或者会感到对它失去兴趣,或者会感到它高深莫测无从下手,这些情况都会令课堂教学的效果大打折扣。
本次课程设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上,通过完成一个涉及MCS—51单片机多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用,使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来,而且能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识,同时在软件编程、排版调试、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高,为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础。
摘要
随着人类科技文明的发展,人们对于时钟的要求在不断地提高。
时钟已不仅仅被看成一种用来显示时间的工具,在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。
高精度、多功能、小体积、低功耗,是现代时钟发展的趋势。
在这种趋势下,时钟的数字化、多功能化已经成为现代时钟生产研究的主导设计方向。
本次课程设计正是基于这种设计方向,以单片机为控制核心,设计制作一个符合指标要求的多功能数字时钟。
本设计基于单片机技术原理,以单片机芯片MSC-51作为核心控制器,通过硬件电路的制作以及软件程序的编制,设计制作出一个多功能数字时钟系统。
该时钟系统主要由时钟模块、数码管显示模块、秒表模块、倒计时模块、闹钟模块以及键盘控制模块组成。
系统能够准确显示时间,可随时进行时间调整;具有闹钟时间设置、闹钟开/关、止闹功能;秒表起、停和清零功能;倒计时时间设置。
设计以硬件软件化为指导思想,充分发挥单片机功能,大部分功能通过软件编程来实现,电路简单明了,系统稳定性高。
同时,该时钟系统还具有功耗小、成本低的特点,具有很强的实用性。
由于系统所用元器件较少,单片机所被占用的I/O口不多,因此系统具有一定的可扩展性。
本实习报告主要介绍了基于单片机的数字钟的设计,详细讨论了它从软件上实现的过程,重点在时钟调整的方式:
查询和中断的比较,然后,对数字钟的稳定性和精确性作了相关的讨论。
在文章的最后,给出了采用中断方式实现的数字钟的源程序。
关键词:
单片机、多功能电脑时钟
1、多功能电脑时钟的功能规划
多功能电脑时钟的功能要求是使用单片机实现LED数码管显示北京时间的时、分、秒的数字钟,并具有使用按键修改时钟参数的功能;秒表,并具有起、停和清零功能;倒计时,并具有使用按键修改时钟参数的功能;还可以通过按键设置闹钟的功能。
多功能电脑时钟的基本功能:
(1)实现显示当前时间(4位数码管显示,2位显示小时,2位显示分钟,第2位小数点0.5秒亮,0.5秒灭)。
(2)按设定时间用蜂鸣器报时,报时时间为10秒。
(3)修改当前时钟。
(4)具有秒表功能,显示秒和百分秒。
多功能电脑时钟的扩展功能:
(1)单片机与PC机的通讯(可选)。
(2)可设定初值的倒计时功能(可选)。
2、方案设计
多功能电脑时钟设计要从以下两方面考虑。
(1)动态显示。
所谓动态显示,是1位1位地轮流点亮各显示器,对每1位显示器来说,每隔1断时间点亮1次。
显示器的亮度跟导通的电流有关,也和点亮的时间与间隔的比例有关。
动态显示器因其硬件成本较低而得到广泛的应用。
(2)静态显示。
所谓静态显示,是当显示器显示某一个字符时,相应的发光二极管恒定的导通或截止。
静态显示的优点是:
显示稳定,在发光二极管导通的情况下显示器的亮度大,系统在运行过程中,仅仅在需要更新显示内容时CPU才执行1次显示更新子程序,这样大大节省了的时间,提高的工作效率;缺点是位数较多时I/O口往往不够用。
这里我们选用动态显示。
2.1、硬件方案设计
硬件电路的设计应从两个方面予以考虑。
一是根据应用系统总体设计的参数范围、测控速度与精度等技术指标要求选择单片机。
不同系列单片机或同一系列不同型号单片机的芯片内部提供的资源状况各不相同,如ROM、RAM容量、定时/计数器、I/O接口、中断系统等硬件配置,应选择性价比最适合的单片机型。
二是在已选定单片机型号的基础上,根据应用系统的功能要求扩展单片机外部设备的配置,如键盘、打印机、A/D、D/A报警电路、驱动电路及通用/专用I/O接口等。
硬件电路的设计原则如下:
(1)在性价比满足应用系统要求的基础上,选择更可靠、更熟悉的单片机,缩短研制
周期。
(2)尽可能选择较成熟的典型应用电路,以提高系统的可靠性。
(3)单片机内部的资源与外部扩展资源应在满足应用系统设计要求的基础上留有余地,为进一步升级和扩展其功能提供方便。
(4)应充分结合软件方案统筹考虑硬件结构,通常硬件功能较完善,但成本较高其相应的软件简单,而硬件功能略低,其相应的软件复杂。
实际中应尽量以软件替代硬件来降低成本。
(5)整个系统的相关器件应尽可能做到性能匹配,如电平、速度的匹配等。
(6)充分考虑整个系统的抗干扰设计,如选择具有抗干扰设计的单片机并充分筛选芯片与器件,在电路中采取隔离和屏蔽措施等。
图2.1
2.2、软件方案设计
待硬件电路接线完成后,通常可先编写简单的测试程序对硬件电路进行测试,排除硬件电路设计中存在的错误。
然后根据设计任务的要求确定系统程序的整体结构,尽可能采用模块化程序设计的方法,将任务划分为相对独立的功能模块,明确各模块的功能、时间顺序和相互关系,如系统管理、数据与信息采集、报警处理、误差处理、标度变换、数据处理、输出控制等;列出详细的资源划分表,确定各模块的出口和入口状态;建立必要的数学模型,正确描述出系统中输入和输出间的数学关系;画出各程序模块的详细流程图;根据流程图逐一编写程序;最后将各个模块连接成完整的程序。
软件设计的基本原则如下:
(1)程序整体结构清晰、简洁、流程合理,主程序尽可能简单明了。
(2)各种功能的实现应采用模块化、子程序化,以便于编制、阅读、连接、移植、修改和调试。
(3)对各子程序的入口、出口条件,占用的资源要明确,以便于分析、调试和共享。
程序存储区、数据存储区、寄存器区、位寻址区、堆栈区应规划合理,做到既节约资源又不会发生相互间的冲突。
(4)运行状态标志化管理,对各功能程序的运行结果、操作状态应设置状态标志,以便查询和实现运行控制。
(5)运用软件或软硬件相结合等方法抑制干扰,提高系统的抗干扰能力。
(6)必要时可结合硬件采取加密措施。
3、硬件电路设计与分析
3.1、CPU时钟与复位电路
CPU时钟与复位电路如图3.1所示。
图3.1
当在放大器两个引脚上外接一个晶体(或陶瓷振荡器)和电容组成的并联谐振电路作为反馈元件时,便构成一个自激振荡器,即单片机时钟电路。
单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或处于某种死循环状态等情况下,都需要复位。
复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
3.2、数码管显示电路
多功能电脑时钟数码管显示电路如图3.2所示。
图3.2
在单片机系统中,通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号。
由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点,因此使用非常广泛。
LED数码显示器常用的有两种,即八段LED显示器和六位一体的显示LED。
在本设计中采用的是六位一体的显示LED。
六位一体的显示LED结构与八段LED显示器是一样的。
将所有数码管的a、b、c、d、e、f、g、h、dp引线并联在一起,由一个8位I/O口控制,而公共端由另一个I/O口控制。
应用时,轮流送入每个LED的字形码与位选码,利用人的视觉暂留现象来显示各位的字符。
本次设计采用的是共阳极数码管显示,4个共阳极数码管在不同模式下显示时、分、秒,P1口输送位选码,P2口为LED显示当前处于的模式状态,在该部分电路设计中,单片机与显示电路之间的数据传输采用串行通信方式。
单片机工作在串行口工作方式0,即按位寄存器方式,用定义的显示刷新函数进行。
3.3、按键接口电路
多功能电脑时钟的按键接口电路图如图3.3所示。
图3.3
在本次设计的多功能电脑时钟中,只用了简单的两个按键,即模式切换键、UP键、DOWN键。
独立式按键键盘所需要的硬件电路结构和软件结构都比较简单,应用它不仅可以向单片机输入开关量的控制信号,也可以输入数据。
键盘中的3个按键现在分别扮演3
个不同的角色。
按键MODE用来进行功能模式间的切换,以确定进入到不同的模式,用UP键来完成功能选择对数据进行加1操作,因此它被称为数值加键(+);而按键DOWN键来完成功能选择对数据进行减操作,因此它被称为数值减键(-)。
键盘是人机交换的主要设备,按键的读取容易引起误动作。
又可以采用软件去抖的方式处理,软件的触点在闭合和断开的时候会产生抖动,这是触点的逻辑电平是不稳定的,在这里采用软件延时的方法来消抖,延时的时间为5ms*50=250ms。
3.4、LED指示电路
多功能电脑时钟的LED指示电路如图3.4所示。
图3.4
多功能电脑时钟的LED指示电路主要是用来显示所选择的是哪一个模式,而且在使用者使用时也可方便的判断现在所处的模式。
3.5、蜂鸣器接口电路
多功能电脑时钟的蜂鸣器接口电路如图3.5所示。
图3.5
蜂鸣器接口电路采用一个三极管与HUDZ-BS来实现,发射极接Vcc高电平,集电极接蜂鸣器,三极管导通则蜂鸣器工作。
3.6、RS-232接口电路
多功能电脑时钟的RS-232接口电路如图3.6所示。
图3.6
4、软件设计
4.1、控制程序的结构及模块划分
多功能电脑时钟主程序流程框图如图4.1.1所示。
多功能电脑时钟的时钟修改功能子程序流程框图如图4.1.2所示。
多功能电脑时钟的加1键修改子程序流程框图如图4.1.3所示。
多功能电脑时钟的时钟修正中断服务子程序流程框图如图4.1.4所示。
图4.1.1
图4.1.2
图4.1.3
图4.1.4
4.2、初始化程序
在编写多功能程序时应对一些变量进行初始化。
如位选码标志位,5MS技术标志位MS5==0等。
另外还应对定时器进行初始化。
4.3、数码管显示程序
4.4、时钟程序
ms5++;
if(ms5==200)
{
second++;
ms5=0;
}
if(second==60)
{
minute++;
second=0;
}
if(minute==60)
{hour++;
minute=0;
}
if(hour==24)
hour=0;
4.5、秒表程序
if(mode==5)
{
switch(miaob_set)
{
case0:
{
miaob_ms5=0;
miaob_sec100=0;
miaob_sec=0;
}
break;
case1:
{
miaob_ms5++;
if(miaob_ms5==2)
{
miaob_sec100++;
miaob_ms5=0;
if(miaob_sec100==100)
{
miaob_sec++;
miaob_sec100=0;
if(miaob_sec==60)
miaob_sec=0;
}
}
break;
}
case2:
break;
case3:
{
miaob_sec100=0;
miaob_sec=0;
break;
}
default:
break;
}
}
4.6、闹铃程序
4.7、倒计时程序
4.8、按键扫描及处理程序
键盘是人与微机打交道的主要设备,按键的读取容易引起误动作。
可采用软件去抖动的方法处理,软件的触点在闭合和断开的时候会产生抖动,这时触点的逻辑电平是不稳定的,如不采取妥善处理的话,将引起按键命令错误或重复执行,在这里采用软件延时的方法来避开抖动,延时时间20ms.按下某键时,对应的功能键解释程序得到执行,如操作者没有释放按键,则对应的功能会反复执行,好象连续执行,在这里我们采用软件延时250ms,当按键没释放则执行下一条对应程序。
利用连击功能,能实现快速调时操作。
5、调试与测试
5.1、调试方法及步骤
1、输入源程序
输入源程序时,应以西文方式输入字母和符号,且中文注释前要加分号。
2、对源程序进行汇编和纠错
对源程序进行汇编和纠错的方法是根据汇编提供的错误信息逐条纠正错误,直至汇编信息提示“错误(0)”、“汇编结束”。
3、确定调试方案
在调试程序前一定要认真分析源程序,明确各功能程序运行的预期结果。
然后结合源程序应达到的结果,确定出如何通过某些关键参数和实验现象检验程序运行结果正确与否。
例如:
检验程序运行过程中路径的变化、累加器A内容的变化、其他特殊寄存器内容的变化等;针对具体的分析和观察对象选择较合适的调试方法,如单步运行、跟踪运行、连续运行、快速运行至光标处、设置断点等。
4、调试程序
(1)调试程序种。
方法分为调试主程序和调试子程序2种。
调试主程序。
主程序运行后,在无任何按键输入时观察有无显示,时钟是否工作,其时、分、秒显示的变化过程是否正确。
若运行结果不正确,首先应根据程序运行的实际现象分析判断哪些因素可引起相关故障,再通过调试方法逐一认证和排除。
例如:
若定时/计数器的初始化出错,则时钟将不能工作;若显示程序出错,则将不能正确显示时钟单元内容;若定时/计数器中断服务子程序出错,则其显示数据的变化规律将不正常。
(2)调试子程序。
在调试主程序时,必然要调用相关的功能子程序。
首先应明确子程序的具体功能,通过对子程序的分析,确定子程序的入口、出口参数及相关标识位的状态,然后在满足入口条件的状态下,设法检查从主程序进入子程序,再由子程序返回主程序的运行过程。
可采用跟踪运行或运行至光标处的方法,检查从主程序进入子程序内部的运行过程,再通过单步运行等方法检查子程序内部的运行情况和返回主程序的过程。
通过以上反复调试,发现并排除软件与硬件存在的各类问题,以满足系统设计的预期目的。
5、脱机运行
将调试已通过的程序写入单片机内部(或外部)程序存储器中,再将写好程序的单片机(或存储器)插入已设计好的单片机用户板上,把仿真系统与用户板脱离开来,最后将所设计的单片机应用系统独立通电运行。
5.2、测试方法及测试结果
以下从5个方面进行分析和总结:
(1)以数字钟为例,引入单片机应用系统设计、分析与调试的一般方法。
一个单片机应用系统的设计与制作,一般要经过对被控对象的需求进行调研、根据系统的功能和技术指标选择控制方案、提出系统的总体构思、硬件设计、印制板制作、元器件安装、软件设计、软硬件仿真调试、固化程序、脱机运行、整机调试等几个阶所示为应用段,如图5.2所示系统开发流程框图。
图5.2
(2)在上述过程中,难点是如何构建出程序设计的整体框架,包括主程序流程框图和子程序流程框图的构建、各功能模块之间的组合关系。
前面提供的各功能模块流程框图和参考程序只是针对完成实训项目基本要求而提出的一种设计方案。
(3)主程序是负责应用系统整体的管理与协调,包括单片机资源的调配、初始参数与标识位的设定、可编程部件的初始化及系统各主要部分(如键盘、显示)初始状态的管理等。
构建主程序时应做到简单明了,对各种操作功能实现模块化管理,即尽可能多地采用子程序结构,方便分析与调试。
(4)采用模块化、子程序化的优点是便于连接和移植,特别是重复使用时尤为方便。
但使用者必须预先明确各子程序的入口参数、出口参数和所占用的资源,合理利用堆栈,避免主程序与子程序之间、子程序与子程序之间所占用的资源发生冲突。
(5)运行状态采用标志化管理可使程序结构更加简化。
在上述程序中,对各按键的操作过程和状态都采用标识位来描述,如时钟参数(时、分、秒)修改哪一位。
6、技术小结
(1)在调试程序前,一定要预先将源程序分析透彻,在此基础上训练学生如何通过实验现象分析和判断产生故障的原因及故障可能存在的大致范围;灵活运用开发系统所提供的各种调试方法,快速有效地排查和缩小故障范围。
通过反复调试,不断地分析和排除故障,提高学生调试软件和硬件的能力及速度。
(2)调试程序时,要结合能反映故障存在与否的参数变化、运行路径变化、显示内容变化等,选择合适的观测点和观测对象,再运用适当的调试方法,快速地检验调试结果,由此分析和判断故障点。
(3)在实际设计中应从性能技术指标和价格等方面合理选择整体方案。
7、参考文献
张义辉《单片机实验指导书》2007年重庆科技学院电子信息工程学院
谢振辉《改进式MCS-51单片机实验》2006年科学出版社
饶庆和《MCS-51单片机实用技术》2003年电子工业出版社
方华等《单片机原理及应用(MCS-51)》2003年重庆大学出版社
丁元杰《单片机微机习题集与实验指导书》1994年机械工业出版社
汪德彪《MCS-51单片机原理及接口技术》2007年电子工业出版社
赫建国《单片机在电子电路设计中的应用》2006年清华大学出版社
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