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单片机教材
项目一发光二极管指示交通灯电路的设计与制作
一、项目描述
在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮,表示该条道路禁止通行;黄灯亮,表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行;绿灯亮,表示该条道路允许通行。
智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题。
本学习项目采用常见的发光二极管来模拟城乡街道的交通信号指示灯,通过51单片机的IO端口来控制红色、黄色、绿色三种发光二极管的发光状态,实现一个简单的交通灯控制电路,从而达到自动控制十字路口的红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。
图1.1交通信号灯
二、项目分析
1.工作任务及要求
任务:
设计单片机最小系统电路并制作硬件电路和软件编程,实现发光二极管构成的3个指示灯(红、黄、绿)按照要求进行显示。
要求:
(1)设计一个十字路口的交通灯控制电路,由红、黄、绿发光二极管构成的单片机最小系统电路,要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行;
(2)每次绿灯变红灯时,要求黄灯先亮3S,才能变换运行车辆;(3)合理选择电路元器件,通过查手册确定所选用的电路元器件的主要性能特点及管脚排列;(4)画出安装布线图;(5)进行电路安装(6)进行电路调试与测试,并分析测试现象。
2.学习产出
单片机最小系统电路板,装配的发光二极管模拟城乡街道的交通信号灯控制电路,技术文档(工作任务及要求,电路设计步骤,电路原理图及原理分析,选用的芯片电路特点及管脚排列图,电路安装布线图,电路装配的工艺流程说明,调整测试记录,测试结果分析等)。
三、项目分解
根据上面对项目的分析,我们依据循序渐进的原则,按照对单片机从没有接触过到能够搭建一个最小系统电路,然后再到能用Proteus仿真软件进行仿真,再到对LED电路进行Keil软件的调试,最后实现红黄绿发光二极管交通灯电路的设计与制作。
因此,我们按照先简单后复杂的顺序对本学习项目进行分解,包括以下四个学习任务:
(1)单片机最小系统主板的设计与制作
(2)Proteus仿真软件的使用与调试
(3)简单LED电路KeilC51软件的调试
(4)红黄绿发光二极管交通灯电路的设计与制作
四、项目能力要求:
(1)了解单片机的构成和特点。
(2)了解单片机的封装与引脚排列的特点。
(3)掌握51单片机的基本电路(最小系统电路)的构成。
(4)了解单片机的内部结构和工作方式。
(5)掌握Proteus仿真软件的使用与调试方法。
(6)掌握KeilC51软件的使用与调试方法。
(7)能进行电路的安装、调试和测试,并进行正确的分析。
(8)具有安全生产意识和预防措施。
(9)能与他人合作、交流完成电路的设计、电路的组装与测试等任务,具有协作、创新的精神和解决问题的能力。
学习任务1单片机最小系统主板的设计与制作
1.1任务要求
根据51单片机的基本电路(最小系统电路)构成,设计与制作出51单片机的最小系统电路主板,并运用单片机的相关理论知识对单片机实际电路进行调试与检测。
根据设计实际要求,具体的任务要求如下:
(1)选出适合本项目的单片机芯片以及其它元器件
(2)根据设计要求,设计时钟电路、复位电路、电源电路及接口电路
(3)能焊接、制作单片机最小系统的电路板
(4)能用万用表检测元器件,会调试单片机最小系统电路
(5)能独立以及协作解决设计与制作中遇到的问题
1.2任务目标
知识目标:
了解单片机的封装与引脚排列的特点,掌握51单片机的基本电路(最小系统电路)的构成,了解单片机的内部结构和工作方式,初步掌握单片机的课程学习方法。
技能目标:
单片机最小系统设计和制作的技能,实际电路调试与检测的技能。
素质目标:
团结协作、沟通交流、学习、创新的能力。
1.3任务相关知识
1.3.1.轻松认识单片机-
1、微型计算机与单片机
微型计算机系统一般包括中央处理单元(CPU)、存储器(Memory)及输入/输出单元(I/O)三大部分。
CPU控制整个系统的运行;存储器存放运行的程序和数据;输入/输出单元是微型计算机系统与外部沟通的管道。
图1.2常用微机的主板图1.3单片机微控制器的结构
单片微型计算机(即单片机)就是把中央处理单元、存储器、输入/输出单元等全部放置在一个芯片里,再加上几个电阻器、电容器、晶体等,就成为一个完整的微型计算机系统。
通俗的说,单片机就是一块集成芯片,但这块集成芯片具有强大的特殊功能,我们可以通过编写一些软件代码(编程)写进它的存储器来控制其输入输出端口,进而控制与单片机各个引脚相连的外围电路的电气状态。
由于单片机的主要功能是控制,因此不太在乎存储器的大小和位数,而强调其输入输出功能。
2、认识51单片机的标号信息
MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称,这一系列单片机包括了好些品种,如8051,8751,8052,8752等,其中8051是最早最典型的产品,该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的,所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。
而8031是前些年在我国流行的单片机,所以一些场合会看到8031的名称。
INTEL公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其它公司,所以有很多公司在做以8051为内核的单片机,当然功能或多或少有些改变,以满足不同的需求。
其中89S51就是这几年在我国非常流行的单片机,它是由美国Atmel公司开发生产的。
以后我们将用89S51来完成一系列的实验。
世界上很多芯片厂商都生产51单片机,如表1.1所示。
公司
产品
Atmel
AT89C51,AT89C52,AT89C53,AT89C55,AT89LV52,AT89S51,AT89S52,AT89LS53
Philips
P80C54,P80C58,P87C54,P87C58,P87C524,P87C528等
Winbond
W78C54,W78C58,W78E54,W78E58等
Intel
i87C54,i87C58,i87L54,i87L58,i87C5IFB,i87C5IFC等
Siemens
C501-IR,C501-IE,C513A-H,C503-IR,C504-2R等
STC
STC89C5IRC,STC89C52RC,STC89C53RC,STC89LE5IRC,STC89LE52RC,STC12C5412AD等
关于芯片上的标号我们举两个例子说明,其他厂商大同小异。
以下以STC单片机为例,芯片上的全部标号为STC89C51RC40C-PDIP0707CU8138.OOD。
其标识分别解释如下:
STC-前缀,表示芯片为STC公司生产的产品。
其他前缀还有AT,i,Winbond,SST等。
8-表示该芯片为8051内核芯片。
9-表示内部含FlashE2PROM存储器。
还有如80C51中0表示内部含MaskROM(掩模ROM)存储器;如87C51中7表示内部含EPROM存储器(紫外线可擦除ROM)。
C-表示该器件为CMOS产品。
还有如89LV52和89LE58中的LV和LE都表示该芯片为低电压产品(通常为3.3V电压供电);而89S52中的S表示该芯片含有可串行下载功能的Flash存储器,即具有ISP可在线编程功能。
5-固定不变。
1-表示该芯片内部程序存储空间的大小,1为4KB,2为8KB,3为12KB,即该数乘上4KB就是该芯片内部的程序存储空间大小。
程序空间大小决定了一个芯片所能装入执行代码的多少。
RC-STC单片机内部RAM(随机读写存储器)为512B。
40-表示芯片外部晶振最高可接入40MHz。
对AT单片机数值一般为24,表示其外部晶振最高为24MHz。
C-产品级别,表示芯片使用温度范围。
C表示商业级,温度范围为O℃~+70℃。
PDIP-产品封装型号。
PDIP表示双列直插式。
0707-表示本批芯片生产日期为07年第7周。
CU8138.OOD-此标号表示芯片制造工艺或处理工艺。
扩展知识:
芯片上标号对应的温度范围:
C:
表示商业用产品,温度范围为O℃-+70℃。
I:
表示工业用产品,温度范围为-40℃-+85℃。
A:
表示汽车用产品,温度范围为-40℃-+125℃。
M:
表示军用产品,温度范围为-55℃-+150℃。
3、认识51单片机的封装类型与引脚
89C51的器件封装方式有QFP封装、PLCC封装、PDIP40封装3种,而89S51的器件封装方式除了这3种外,还有PDIP42器件封装。
下面对封装方式进行说明:
89C51/89S51的最常见封装为40个引脚双并排的PDIP40.这种封装与MCS-51完全兼容。
PDIP40与PDIP42除引脚数量不同外,尺寸差异也很大。
PDIP40刚好可插在面包板或40pin的底座上,如图1.4所示。
图1.4PDIP40封装
左上方有个记号的脚为第1脚,然后逆时针排序,分别为第2,3,……,40脚。
相邻两个脚间距为2.540mm,器件长度为52.578mm.而两排引脚的间距为15.875mm,器件厚度为4,826mm(不含引脚),特别适合学校和培训机构使用。
不过,由于针脚式封装体积较大,电路板制作成本较高,目前已经很少使用。
除了PDIP42封装.89S51与89C51完全兼容,本书将以PDIP40封装的89S51为探讨对象。
要学习8951,建议大家记住这40个引脚,说明如下。
(1)电源引脚
几乎所有IC都需要连接电源,而8951的电源引脚与大部分数字IC的电源引脚类似,右上角接Vcc、左下角接GND,所以8951的40脚为Vcc引脚,连接5V±10%电源;20脚为GND引脚,必须接地
(2)复位引脚
几乎所有微控制器都需要复位(Reset)的操作,对于8951而言,只要复位引脚接高电平超过两个机器周期(约2us),即可产生复位的操作。
而8951的复位引脚在Portl与Port3之间,即第9脚。
(3)频率引脚
微控制器都需要时钟脉冲,而在接地引脚的上方两个引脚.即第19和18脚,就是时钟脉冲引脚,分别是XTAL1、XTAL2。
(4)存储器引脚
8951内部有存储器,外部也可接存储器。
使用内部存储器还是外部存储器,则需要视第31脚(Port0下面那个脚)而定。
第31脚就是EA引脚,即访问外部存储器启用EA引脚。
当EA=1时,系统使用内部存储器;当EA=O时,系统使用外部存储器。
(5)外部存储器控制引脚
现在只剩下EA引脚下面的两个引脚(第29,30脚)了,这两个引脚与EA引脚有点类似,都是针对存储器的控制的。
相对于前面的38个引脚,第29,30脚比较难以说明。
不过只要不动用外部存储器,就可当它们不存在。
4、认识8951单片机的基本电路(最小系统电路)
所谓“最小系统电路”,是指8951电路工作不可或缺的基本连接钱路。
所以,这对我们完成本学习任务是十分必要的,当然.在此我们也有熟记基本电路的方法。
基本电路包括4部分,详见如下说明。
(1)先接电源
8951电路正常工作需要电源,首先将第40脚接Vcc.也就是+5V电源,第20脚接地GND。
(2)再接时钟脉冲
8951内部已具备振荡电路,只要在GND引脚上方的两个引脚(即第18、19脚)连接简单的石英振荡晶体即可,至于8951的时钟脉冲频率,目前的MCS-51芯片的工作频率已大幅提高,例如Atmel公司的89C51的工作频率为0-24MHz.而华邦电子(Winbond)更提供了40MHz的版本。
当采用11.0592MHz时钟脉冲的振荡电路按图1.5连接即可。
图1.5时钟振荡电路
(3)复位电路
8951的复位引脚(Reset)是第9脚.当此引脚连接高电平超过2个机器周期(1个机器周期包含12个时钟脉冲),即可产生复位的操作。
以12MHz的时钟脉冲为例,每个时钟脉冲为1/12us,2个机器周期为2us。
因此,我们在第9脚上连接一个可让该引脚上产生一个2us以上的高电平脉冲即可产生复位的操作。
如图1.6所示。
图1.6复位电路
接上电源的瞬间,电容上没有电荷,相当于短路,所以第9脚直接连接到Vcc,即8951执行复位操作。
随着时间的增加,电容上的电压逐渐增加,而第9脚上的电压逐渐下降,当第9脚上的电压降至低电平时,8951即恢复正常状态。
(4)存储器设置
基本电路的最后一个部分是存储器的设置,如果把第31脚(EA)接地,则采用外部存储器;如果把第31脚(EA)接Vcc,则采用内部存储器。
在本书里大多采用内部存储器,所以把第31脚与第40脚及VCC相连接。
最小系统的整个基本电路如图1.7所示。
图1.7单片机最小系统电路
图1.7中所采用的元器件如表1.2所示。
表1.28951最小系统电路的元件表
序号
名称
规格
数量
1
89C51
24MHz
1
2
石英振荡晶体
12MHz
1
3
陶瓷电容器
30pF
2
4
电容器
0.1uF/25V
1
5
电阻器
100K
1
6
按钮开关
a接点
1
1.3.2.了解单片机的内部单元
1、51单片机内部结构
8951单片机发展至今,虽然有许多厂商各自开发不同的兼容芯片,但其基本结构并没有多大的变动,标准的8951结构如图1.8所示。
图1.851单片机内部结构
其中:
8951为8位微控制器;
程序存储器ROM:
内部有4KB、外部最多可扩展至64KB;
数据存储嚣RAM:
内部有128B、外部最多可扩展至64KB;
4组可位寻址的8位输入/输出端口,即P0,P1,P2及P3;
1个全双工串行口,即UART;
两个16位定时器,计数器;
5个中断源,即INT0、INT1、T0、T1、TXD和RXD。
2、MCS-51的存储器
除了无ROM型的8031和8032外,MCS-51的存储器包括程序存储器(ROM)与数据存储器(RAM)两部分,这两部分一般是独立的。
标准的8x51系列具有4KB程序存储器、128B数据存储器,而标准的8x52系列具有8KB程序存储器、256B数据存储器,刚好是8x51系列的两倍,不管是8x51、8031、8032或8x52,其外部扩展的程序存储器或数据存储器最多为64KB。
(1)程序存储器(ROM)
顾名思义,程序存储器(ROM)是存放程序的,CPU将自动从程序存储器读取所要执行的指令码,8x51可选择使用内部程序存储器或外部程序存储器,具体说明如下:
若使用8031或8032,由于内部没有程序存储器,一定要使用外部程序存储器,所以其EA引脚必须接地。
当EA引脚接高电平时,CPU将使用内部程序存储器,若程序超过4KB(8x51)或8KB(8x52),则CPU会自动从外部程序存储器读取超过部分的程序代码。
当EA引脚接地时,CPU将从外部程序存储器读取所要执行的指令码,而CPU内部的程序存储器不用。
对于初学者而言.4KB的程序存储器已是绰绰有余。
当CPU复位后,程序将从程序存储器0000H位置开始执行。
如没有遇到跳转指令,则按程序存储器顺序执行。
(2)数据存储器(RAM)
8x51的数据存储器除内部数据存储器外,还可扩展外部数据存储器,这两部分的数据存储器可以并存。
内部数据存储器从0000H到007FH之间的128B为可直接寻址或间接寻址的存储器,而“直接寻址”与“间接寻址”在编写C语言程序时可以用数据类型来区分。
1.3.3.如何开始学习51单片机
怎样才能学好单片机?
我们现在用的比较多的是8951单片机,它的资料比较全,用的人也较多,市场也很大,51单片机内部结构简单,非常适合初学者学习,初学者应当将51单片机作为入门级芯片。
1、重视动手实践
单片机这门课是非常重视动手实践的,不能总是看书,但是也不能完全不看书,我们需要从书中大概了解一下单片机的各个功能寄存器。
简单地说,当我们使用单片机时,实际上就是用我们自己编写的软件去控制单片机的各个功能寄存器。
再简单些,就是控制单片机哪些引脚的电平什么时候输出高,什么时候输出低,由这些高、低变化的电平来控制外围电路,实现我们需要的各种功能。
单片机属于硬件,只有把硬件摆在你面前,亲自操作它,才会有深刻的体会,也才能掌握它。
我们要把更多的时间放到实践中去,这才是最关键的,在实践过程有不懂之处再查书,这样记忆才深刻。
2、关于选择编程语言
关于用汇编语言还是用C语言编程的问题。
单片机编程用C语言或汇编语言都可以,但是建议用C语言比较好,如果原来有C语言的基础那学起来会更好,如果没有,也可以边学单片机边学C语言。
汇编语言写程序代码效率高,但相对难度较大,而且很烦琐,尤其是遇到算法方面的问题时,麻烦得不得了,现在单片机的主频在不断提高,我们完全不需要那么高效率的代码,因为有高频率的时钟,单片机的ROM空间也在不断提高,足够装下你用C语言编写的任何代码,C语言的资料又多又好找,将来可移植性非常好,所以建议大家用C语言编程。
1.4任务实施
1.4.1信息收集
在充分分析任务要求后,查阅电子电路相关的书籍;查阅网络上的相关资料,完成单片机最小系统电路的设计与制作。
1.4.2团队组织与管理
(1)确定任务指导教师
(2)成立任务小组,确定各组员的任务
(3)制订任务进度表
1.4.3项目设计与制作
一.项目目的
熟悉单片机各个引脚的排列顺序和功能
掌握单片机最小系统电路的设计方法
二.设计要求
本任务要求设计一个系统主板。
它有以下几部分组成:
51单片机、时钟振荡电路、复位电路、电源电路组成。
具体要求如下:
(1)能选出适合本项目的CPU芯片
(2)能根据要求设计单片机的时钟振荡电路、复位电路、电源电路及接口电路
(3)能制作焊接电路板
(4)会用万用表检测元器件
(5)能解决在设计和制作中遇到的问题
三.设计步骤
1、单片机芯片的选择
2、各部分电路的设计
2.1、时钟振荡电路的设计
2.2、复位电路的设计
2.3、电源电路的设计
2.4、输入输出端口的设计
3、设计电路原理图
4、画出焊接图
四.制作最小系统主板
1、填表
根据设计的最小系统图,将所用的元器件填写在下面的元器件表中,并测试元器件。
表1-3元器件表
序号
标号
元器件名称
数量
单位
2、工具
万用表、直流稳压电源、电烙铁、焊锡丝。
3、制作工艺要求
(1)输出模块电路的布局要合理
(2)控制板IO接线端口的位置要方便与主板接口电路相连
(3)焊点要均匀
(4)所有电源线和地线的分布要合理,粗细要合适
4、制作主板
(1)选择、测试元器件
(2)安装元器件并焊接
步骤如下:
①安装CPU插座表焊接;②按焊接图插入时钟振荡电路的元器件并焊接;③按焊接图插入复位电路的元器件并焊接;④按焊接图插入电源电路的元器件并焊接;⑤按焊接图插入输入输出端口的接线并焊接;⑥按焊接图将各部分电路连接并焊接。
5、测试电路板
1.4.4技术报告及评测
将测试点、测试结果及原因分析填写在测试记录表中,见表1-3.
表1-3测试记录表
测试点
测试结果
原因分析
学习任务2Proteus仿真软件的使用与调试
2.1任务要求
根据51单片机的基本电路(最小系统电路)构成,在Proteus仿真软件中设计出51单片机的最小系统电路主板,并装入单片机可执行的HEX文件,进行软件、硬件的联合仿真调试。
根据设计实际要求,具体的任务要求如下:
(1)设置ProteusISIS工作环境
(2)根据设计要求,新建设计文件
(3)选择与放置电子器件,并进行编辑
(4)按照电路原理进行布线
(5)装入单片机可执行的HEX文件,进行软件、硬件的联合仿真调试
2.2任务目标
知识目标:
了解ProteusISIS硬件仿真集成开发环境,熟悉ProteusISIS主菜单与主工具栏,掌握ProteusISIS集成环境中单片机应用系统硬件开发步骤。
技能目标:
ProteusISIS绘制电原理图的技能,软件、硬件电路联合仿真调试的技能。
素质目标:
团结协作、沟通交流、学习、创新的能力。
2.3任务相关知识
2.3.1认识Proteus
Proteus是英国LabcenterElectronics公司开发的EDA软件。
它运行于Windows操作系统上,能够实现原理图设计、电路仿真到PCB设计的一站式作业,真正实现了电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件的三合一。
Proteus的特点是:
①完善的电路仿真和单片机协同仿真。
具有模拟、数字电路混合仿真,单片机及其外围电路的仿真;拥有多样的激励源和丰富的虚拟仪器。
②支持主流单片机类型。
目前支持的单片机类型有:
68000系列、8051系列、ARM系列、AVR系列、PIC10系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、PIC24系列、DSPIC33系列、MPS430系列、HC11系列、Z80系列以及各种外围芯片。
③提供代码的编译与调试功能。
自带8051、AVR、PIC的汇编器,支持单片机汇编语言的编辑、编译,同时支持第三方编译软件(如KeiluVision3)进行高级语言的编译和调试。
④智能、实用的原理图与PCB设计。
在ISIS环境中完成原理图的设计后可以一键进入ARES环境进行PCB设计。
本教程主要了介绍ProteusISIS的工作环境和一些基本操作。
2.3.2进入ProteusISIS
双击桌面上的ISIS7Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”→“所有程序”→“Proteus7Professional”→“ISIS7Professional”,进入ProteusISIS工作环境,如图1.9所示:
图1.9
2.3.3工作界面
ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面,包括:
屏幕上方的标题栏、菜单栏、标准工具栏,屏幕左侧的绘图工具栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口,屏幕下方的状态栏,屏幕中间的图形编辑窗口,如图1.10所示:
图1.10
对于初次接触Proteus软件的人来说,如果一开始就单独介绍Proteus的各项功能的详细使用,让大家看得晕头转向,这未免太枯燥无味了。
本教程将通过项目实践的方式带领大家认识和了解Proteus,并掌握Proteus的使用。
2.3.4电路设计
首先我们设计一个简单的单片机电路,如图1.11所示:
图1.11
电路的核心是单片机AT89C52,晶振X1和电容C1、C2构成单片机时钟电路,单片机的P1口接8个发光二极管,二极管的阳极通过限流电阻接到电源的正极。
学习任务3简单LED电路KeilC51软件的调试
3.1任务要求
交通灯由发光二极管LED组成,根据51单片机的基本电路(最小系统电路)构成,在KeilC51软件中简单LED交通灯程序,并装入单片机可执行的HEX文件,进行软
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