51单片机教学实验系统设计.docx
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51单片机教学实验系统设计
毕业论文(设计)题目:
51单片机教学实验系统设计
指
导
教
师
评
语
指导教师成绩
所选毕业论文题目难度适中,主要涉及高校单片机实践教学,具有较高的研究价值,设计内容及方法较为典型,若进一步完善和创新并应用于高等教育工作,可获得较好效果。
该同学在毕业设计期间,能积极地查阅相关资料,利用专业所学和相关软、硬件平台工具开展设计工作,设计目标明确,态度认真,方法得当,但由于工作原因,未能全部完成硬件设计,所设计目标模块的电子仿真运行正常。
目标系统可进行实际教学所需要的实验项目。
毕业论文各章节内容明确,层次较为清晰,硬件系统核心采用STC89C52单片机,软件系统使用嵌入式C语言开发,采用模块化程序设计方法。
硬件系统系统包括51单片机主控制器模块、键盘模块、AD模块、DA模块、DS1302时钟模块、测温模块、MAX232模块、MAX485模块、数码管模块、LCD1602模块、LCD12864模块、下载器模块、流水灯模块、蜂鸣器模块。
论文内容充实,实现了开题报告中的预期设计目标,格式符合“黑龙江东方学院本科生毕业设计(论文)规范”基本要求,同意其按期参加答辩。
指导教师签字:
年月日
黑龙江东方学院本科生毕业论文(设计)评语(三)
姓名
学号
0803612
专业班级
计算机科学与技术09级1班
毕业论文(设计)题目:
51单片机教学实验系统设计
评
阅
教
师
评
语
评阅教师成绩
王秋桐同学所选毕业论文(设计)主要是关于单片机实践教学设备的研究与设计,在论文的组织与设计中采用“自顶向下,逐步细化”的设计方法,利用相关软、硬件开发平台,根据开题报告中所确定的设计目标和研究方法开展了相关设计工作。
系统硬件主要包括51单片机主控制器模块、键盘模块、AD模块、DA模块、DS1302时钟模块、测温模块、MAX232模块、MAX485模块、数码管模块、LCD1602模块、LCD12864模块、下载器模块、流水灯模块、蜂鸣器模块,采用模块化程序设计方法;软件设计主要应用KEIL编程开发环境,根据硬件需求编写相应程序。
从论文设计中,体现出该同学具有一定的软、硬件分析与设计能力,以及嵌入式系统综合开发能力。
毕业论文设计目标明确,结构合理,语言表达准确,内容充实,格式符合“黑龙江东方学院本科生毕业设计(论文)规范”基本要求,同意其按期参加答辩。
评阅教师签字:
年月日
黑龙江东方学院本科生毕业论文(设计)任务书
姓名
学号
0803612
专业班级
计算机科学与技术09级1班
毕业论文(设计)题目:
51单片机教学实验系统设计
毕业论文(设计)的立题依据
在现代大学教学当中,我们只注重了计算机专业的软件开发,从而很少关注计算机的硬件发展,就现在的发展来看微型计算机的发展也是占了很重要的一部分,例如基于ARM开发的linux和Android系统,而这一切的开发基础是微型计算机的应用,为使大学生充分了解和熟悉微型计算机而做了一款基础教学实验板。
主要内容及要求
1、51单片机的研究;
2、适于计算机专业的学生了解学习;
3、51单片机的外部扩展;
4、51单片机相应教学实验软件编写;
进度安排
12月12日
选题
12月13日~12月29日
接受指导老师的指导
12月30日~1月17日
拟定论文大纲
1月18日~2月26日
搜集、查阅、整理相关资料
2月27日~3月27日
初稿形成
3月28日~4月8日
初稿审定
4月9日~4月17日
第一次修改
4月18日~4月22日
第一次审定
4月23日~5月3日
第二次修改
5月4日~5月9日
定稿
5月10日~5月18日
论文评阅小组评审论文(设计)
5月19日
毕业论文(设计)答辩
学生签字:
指导教师签字:
年月日
基于51单片机教学实验系统设计
摘要
51系列单片机教学实验板既是一块用户实验板,又是一种功能强大而实用的单片机开发调试工具。
采用本仿真开发实验板,可使初学者迅速掌握单片机原理及应用,熟习汇编语言甚至单片机C语言。
用本仿真开发实验板,对用户源程序进行实时在线调试,可极大的缩短单片机应用系统的开发时间。
本设计主要应用于现代大学教学实验,对于充实现代大学生的动手实践能力而制作这款以51单片机为基础的教学试验系统,他可以是学生将学习的软件网络知识联系到一起,实现嵌入式的基本操作。
本系统包含了51单片机最小系统,LED流水灯,按键,温度控制,液晶显示等多重功能。
主要是以汇编语言与嵌入式C语言为主。
关键词:
单片机;实验板;接口;汇编语言;C语言
TheDesignedof51SerialSingleChipProcessorTeachingExperimentBoard
Abstract
51serialsinglechipprocessorteachingexperimentboardisauserexperimentboard,andalsoapowerfulandpracticalsinglechipprocessordevelopanddebugtools.
Withthisexperimentboard,thebeginnerscaneasilytograsptheprincipleandapplicationoftheMCU,befamiliarwithassemblelanguages,eventheC51languages.ThecharacterofonsystemdebugcanshortenthetimetostudyDevelopexperimentboardwithemulationthis,carryontousersourceprogramreal-timetodebugonline,canshortenconstructionperiodoftheapplicationsystemofthesinglechipprocessorgreatly.
Thisdesignmainlyusedinmodernuniversityteachingexperiment,toenrichthemoderncollegestudents'practicalabilityandmakingthisbasedona51singlechipmicrocomputerteachingtestsystem,hecanbethestudentswilllearnthesoftwarenetworkknowledgetogether,realizestheembeddedbasicoperation.Thesystemcontains51MCUminimumsystem,LEDrunninglights,buttons,temperaturecontrol,liquidcrystaldisplaymultiplefunctionssuchas.MainlyintheassemblylanguageandClanguageembedded.
Keywords:
singlechipprocessor;experimentboard;interface;assemblelanguages;Clanguages
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51单片机教学实验系统设计
第1章绪 论
单片机具有成本低、体积小、可靠性高、具有高附加值、通过更改软件就可以改变控制对象等优点,单片机越来越成为电子工程师设计产品时的首选器件之一。
因此拥有一块单片机开发板对单片机学习具有着极其重要的意义。
但是单片机学习效果的优劣直接取决于单片机的选择,C51系列单片机内部具有128字节RAM、5个中断源、32条I/O口线、2个16位定时器、4KB的程序存储器、一个全双工异步串行口。
本开发板选择具有ISP在线编程功能的S51单片机,该单片机不需要烧写器,可在开发板上ISP在线编程,具有广泛的应用前景[1]。
S51单片机除兼容C51单片机外,还具有工作频率0至33MHz的高工作频率;可以满足绝大多数的实际应用开发需求,在开发板上使用十分方便。
本课题设计的S51单片机开发板,具有一般开发板通用结构,并基于硬件进行相关软件设计。
利用程序开发语言开发程序并实现ISP在线下载到单片机,无需配置单独的下载器。
单片机使用ISP在线下载程序,加快了程序设计者调试的进度,使设计者所设计的程序尽快得到验证。
通过对开发板上的模块进行实验,可以提高针对不同硬件进行编程的能力,同时通过实验现象对所用的硬件也有了更深一步的认识,因此该开发板具有一定的实用价值和现实意义。
第2章51单片机系统设计方案
2.1总体设计方案
本开发板共分为十四个模块,分别是:
51单片机主控制器模块、键盘模块、AD模块、DA模块、DS1302时钟模块、测温模块、MAX232模块、MAX485模块、数码管模块、LCD1602模块、LCD12864模块、下载器模块、流水灯模块、蜂鸣器模块。
其中以S51单片机作为核心控制器;键盘模块用来向单片机输入特定编码的信息;AD模块用来实现模数转换;DA模块用来实现DA转换;DS1302时钟模块用来实现实时时钟;测温模块用来测量环境温度;RS232模块和RS485模块通过电平转换实现通信;数码管模块用来显示简单的数字、字母;LCD1602模块用来显示字母、数字、符号;LCD12864模块用来显示图像、符号、汉字;下载器模块用来实现S51单片机的ISP在线编程;流水灯模块用来显示单片机I/O口电平的变化;蜂鸣器模块用来发出声音。
2.2设计原则
开发板系统的扩展和配置应遵循以下设计原则:
(1)尽可能选择典型电路,并符合单片机常规用法。
为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础;
(2)系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适当余地,以便进行二次开发;
(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。
硬件结构与软件方案会产生相互影响,考虑的原则是:
软件能实现的功能尽可能由软件实现,以简化硬件结构。
但必须注意,由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间;
(4)系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。
如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时,系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品;
(5)可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等;
(6)单片机外围电路较多时,必须考虑其驱动能力。
驱动能力不足时,系统工作不可靠,可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载;
(7)尽量朝“单片”方向设计硬件系统。
系统器件越多,器件之间相互干扰也越强,功耗也增大,也不可避免地降低了系统的稳定性。
2.3本章小结
本章主要注意单片机原理应用,对于单片机外围电路的设计要有正确的规划,考虑到影响系统工作的各种外在因素,还应注意系统整体运行时的流畅性与可调节性。
注意:
除第一章绪论外,其他每一章都应该有一个本章小结
第3章51单片机硬件设计部分
3.1硬件结构框图
总体硬件结构主要包括:
51单片机主控制器模块、键盘模块、AD模块、DA模块、DS1302时钟模块、测温模块、MAX232模块、MAX485模块、数码管模块、LCD1602模块、LCD12864模块、下载器模块、流水灯模块、蜂鸣器模块[2]。
硬件结构框图如图3-1所示:
图3-1总体硬件结构框图
硬件结构框图参考附录图D-1。
3.2硬件电路设计
51单片机最小系统包括:
MCU、复位电路、晶振电路。
原理图如图3-2所示:
图3-251单片机主控制模块原理图
采用按键复位方式,选取晶振为12MHZ,系统机器周期为1us[3]。
3.2.1键盘模块
在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,如图3-3所示:
图3-3键盘模块原理图
JP7用来连接P2口与矩阵键盘模块,在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。
这样,一个端口(如P2口)就可以构成4*4=16个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键(9键),在需要的按键数较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的[4]。
3.2.2DA模块
1.TLC5615简介
TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品,是具有串行接口的数模转换器,其输出为电压型,最大输出电压是基准电压值的两倍。
带有上电复位功能,即把DAC寄存器复位至全零。
TLC5615性能价格比高,目前在国内市场很方便购买。
主要性能指标有:
10位CMOS电压输出;5V单电源供电;与CPU三线串行接口;最大输出电压可达基准电压的二倍;输出电压具有和基准电压相同极性;建立时间12.5μs;内部上电复位;低功耗,最大仅1.75mW。
[4]
TLC5615有小型和塑料DIP封装,DIP封装的TLC5615芯片引脚排列如图3-4所示:
图3-4TLC5615引脚排列图
引脚功能说明如下:
DIN—串行数据输入端;
SCLK—串行时钟输入端;
CS—芯片选用通端,低电平有效;
DOUT—用于级联时的串行数据输出端;
AGND—模拟地;
REFIN—基准电压输入端;
OUT—DAC模拟电压输出端;
VDD—正电源端。
2.硬件实现
DA模块的原理图如图3-5所示:
图3-5DA模块原理图
单片机与TLC5615通过P2.0、P2.1、P2.2相连,分别为片选信号线、时钟信号线、数据输入信号线。
TLC5615转换后的模拟信号通过OUT端输出。
3.2.3DS1302时钟模块
1.DS1302简介
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿功能,工作电压宽达2.5~5.5V。
采用三线接口与MCU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31*8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
主要性能指标有:
31字节带后备电池的RAM用于数据存储;串行I/O口,管脚数量少;宽范围工作电压:
2.0~5.5V;工作电压2.0V时,电流小于300nA;读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式—单字节传送和突发模式传送;8脚DIP封装或其他可选封装方式;简单的3线接口;与TTL兼容(Vcc=5V);可选工业级温度范围:
-40℃~+85℃;与DS1202兼容[4]。
DS1302的引脚如图3-6所示:
图3-6DS1302引脚图
Vcc1为后备电源,Vcc2为主电源。
在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc2高于Vcc1+0.2V时,Vcc2给DS1302供电。
当Vcc2低于Vcc1时,DS1302由Vcc1供电。
X1、X2为振荡源,外接32.768kHz晶振。
I/O为串行数据输入/输出端(双向),SCLK为时钟输入端。
RST是复位片选线,通过把RST输入驱动置为高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能:
RST接通控制逻辑,允许地址/命令序列送入移位寄存器;RST提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时,所有的数据传送被初始化,允许DS1302进行操作。
如果在传送过程中置RST为低电平,则会终止此次数据传送,并且I/O引脚变为高阻态。
上电运行时,在Vcc高于2.5V之前,RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时,才能将RST置为高电平。
2.硬件实现
DS1302时钟模块的原理图如图3-7所示:
图3-7DS1302时钟原理图
单片机与DS1302通过P3.5、P3.6、P3.7相连,分别为时钟信号线、输入输出线、复位信号线。
DS1302的晶振引脚连接32768HZ的晶振。
3.2.4测温模块
1.DS18B20简介
DS18B20是DALLAS半导体公司生产的,是一种单总线温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,有两种封装形式分别为3脚PR-35封装和16脚SSOP封装。
本文采用的是3脚PR-35封装,其具有以下特点:
采用了单总线技术,传感器直接以二进制输出被测温度,可通过串行口线,也可与单机通过I/O口连接;测量温度范围为:
-55℃~+125℃,测量精度高达+0.5℃;内含寄生电源,在两线方式下可通过数据线提供寄生电源,而不需要再单独供电;转换时间在分辨率为12位(即0.0625℃)时最大为750ms;用户可分别对每个器件设定温度上下限;DS18B20在使用时不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内;电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作;每个DSl8B20器件对应一个唯一的64位长的序号,该序号值存放ROM中,可通过序号匹配实现多点测温。
引脚排列如图3-8所示[5]:
图3-8DS18B20引脚图
VDD:
接电源引脚,电源供电3.0~5.5V;
DQ:
数据的输入和输出引脚;
GND:
接地;
2.硬件实现
DS18b20温度传感器模块的原理图如图3-9所示:
图3-9DS18b20温度传感器模块原理图
单片机与DS18B20通过P3.7相连,作为数据/控制信号线。
3.2.5串行通信模块
1.RS232串行通信模块
RS232是由电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation,EIA)所制定的异步传输标准接口。
对于一般双工通信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线[6]。
RS232与TTL电路之间需要进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件,也可用集成电路芯片。
MAX232芯片可完成TTL←→RS232双向电平转换。
MAX232芯片是RS232标准接口芯片,使用+5v单电源供电。
是PC机与单片机串口进行通讯的电平转换芯片。
内部结构基本可分三个部分:
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。
8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头;DP9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚DNG、16脚VCC(+5V)。
MAX232模块的原理图如图3-10所示:
图3-10MAX232模块的原理图
MAX232模块参考过附录图D-4。
单片机与MAX232通过P3.0、P3.1相连,分别为发送线、接收线,另外单片机要与MAX232共地。
2.RS485串行通信模块
RS232由于传输速率慢,传输距离短,传输信号易受外界的干扰等缺点。
新的串行通讯接口标准RS-449被制定出来,与之相对应的是RS-485的电气标准。
RS-485是美国电气工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。
它采用差分信号进行传输;最大传输距离可以达到1.2km;最大可连接32个驱动器和收发器;接收器最小灵敏度可达±200mV;最大传输速率可达2.5Mb/s。
由此可见,RS-485协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。
MAX485的引脚和结构如下图3-11所示:
图3-11MAX485的引脚和结构
该芯片采用单一电源+5V工作,额定电流为300μA,采用半双工通讯方式。
它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。
MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。
RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端,与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可;/RE和DE端分别为接收和发送的使能端,当/RE为逻辑0时,器件处于接收状态;当DE为逻辑1时,器件处于发送状态,因为MAX485工作在半双工状态,所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可;A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时,代表发送的数据为1;当A的电平低于B端时,代表发送的数据为0。
在与单片机连接时接线非常简单。
只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。
同时将A和B端之间加匹配电阻,一般可选100Ω的电阻。
MAX485模块的原理图如图3-12所示:
图3-12MAX485模块原理图
单片机与MAX485通过P3.0、P3.1、P3.2相连,分别为接收输出线、发送输入线、发送/接收使能信号线。
3.2.6显示模块
1.数码管模块
(1)数码管驱动采用8位数据缓冲器74HC573,其功能表如下表3-1所示[7]:
表3-174HC573功能表
OPERATING
MODES
INPUT
INTERNAL
LATCHES
OUTPUTS
OE
LE
DN
Q0toQ7
enableandreadregister
L
H
L
L
L
L
H
H
H
H
Latchandreadregister
L
L
I
L
L
L
L
h
H
H
Latchregisteranddisableoutputs
H
L
I
L
Z
H
L
h
H
Z
注意:
H=高电平
h=要保持高电平到低电平转变时一个建立周期以上的高电平
L=低电平
I=要保持高电平到低电平转变时一个建立周期以上的低电平
Z=高组态
选用74HC573增强驱动能力,提高数码管显示亮度。
A-DP对应八段数码管的各段,当A-DP中有低电平输出时,被低电平片选中的数码管的相应段点亮。
(2)硬件实现:
数码管模块的原理图如图3-13所示:
图3-13数码管模块原理图
单片机与74HC573通过P0.0、P0.1、P
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- 51 单片机 教学 实验 系统 设计