电子系统设计实验报告 西安交通大学 计算机.docx

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电子系统设计实验报告西安交通大学计算机

实验报告

实验课程：

电子系统设计与实践

学生姓名：

高君宇

学号：

2110505112

专业班级：

计算机15班

2013年11月25日

一、实验目的

电子系统设计实验是计算机专业面向计算机综合应用设计的一个重要的实践环节。

主要以嵌入式单片机开发系统为主要实验平台，以此平台为基础，通过对单片机应用系统的开发设计训练，对外围接口电路的组成设计和应用编程技术训练，使学生能够掌握实现一个小型完整计算机应用系统从硬件电路设计到软件程序开发的设计过程，激发学生的创新兴趣，为以后的创新项目设计打好坚实基础。

本实验课程为独立开设的选修实验课程。

本实验课程的主要目的是让学生通过一个新型嵌入式单片机为核心的应用系统设计，掌握微型计算机硬件系统结构基本原理，软件开发编程方法，外围接口电路的组成和应用编程技术，以及电子系统设计的相关技术。

通过课程实践训练，能够让学生独立实现一个完整的计算机应用系统设计。

实验任务分为基本实验和综合应用设计实验两部分。

基本实验部分让学生学习单片机系统的基本硬件组成原理和软件程序设计方法；综合设计实验要求学生根据题目需求自行设计系统硬件组成电路，并设计实现完成相应功能的应用程序调试任务。

二、开发平台

实验开发板采用技术性能优良的AVRATmega128单片机作为核心器件，还特别设计了USB接口模块、Ethernet网络接口模块，还有MCU对外扩插槽，可为电路扩展模块提供必要的准备。

实验开发板可满足高端应用设计的要求，激发学生的创新兴趣，完成具体项目的开发设计。

学生还可以根据自己的兴趣设计制作新的目标模块实现对系统的进一步扩展。

三、实验内容

（一）单片机实验系统开发环境学习

1、实验目的：

（1）、熟悉实验电路的结构原理、元器件名称、作用及相应的接口连接；

（2）、学会使用C编译器编辑、编译、调试简单C源程序；

（3）、学会使用AVRStudio集成开发软件下载调试并得到正确结果；

（4）、熟悉蜂鸣器电路的编程原理。

2、实验电路原理图

由图1.1所示的蜂鸣器电路可知，当BEEP引脚输出为低电平时，三极管导通，蜂鸣器鸣响；而当BEEP引脚输出为高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止鸣响。

图1.1蜂鸣器电路连接图

注：

BEEP与ATmega128的PE3口相连

3、实验内容

编写程序实现蜂鸣器一长（响0.5秒停0.5秒）二短（响0.25秒停0.25秒）鸣响。

4、程序源代码

#include//I/O端口寄存器配置文件，必须包含

#include//延时函数调用文件

intmain（void）//GCC中main文件必须为返回整形值的函数，没有

//参数

{

PORTE=0X80;//PORTE输出高电平，使蜂鸣器不响

DDRE=0X08;//配置端口PE3为输出口

while

（1）

{

PORTE&=~（1<

//的状态，平时程序中推荐这种使用方法

_delay_ms（100）;//延时100毫秒

_delay_ms（100）;

_delay_ms（100）;

_delay_ms（100）;

_delay_ms（100）;

PORTE|=（1<

_delay_ms（100）;

_delay_ms（100）;

_delay_ms（100）;

_delay_ms（100）;

_delay_ms（100）;

PORTE&=~（1<

_delay_ms（250）;

PORTE|=（1<

_delay_ms（250）;

PORTE&=~（1<

_delay_ms（250）;

PORTE|=（1<

_delay_ms（250）;

}

}

（二）LED指示灯循环显示程序设计实验

1、实验目的

（1）.熟悉LED指示灯电路原理图；

（2）.学会单片机C语言I/O端口编程控制方法；

（3）.学会外部显示部件LED灯的软件编程使用方法；

（4）.进一步熟悉单片机实验开发系统的使用。

2、实验设计电路原理

LED指示灯的硬件电路连接如图2-1所示。

图2-1LED指示灯的硬件连接图

注：

LED_CS与ATmega128的PC5相连。

在图2-1所示的LED模块接口电路中，8个LED指示灯阳极通过限流电阻与电源连接，当锁存器的输出端（Q0~Q7）引脚Qn（0≤n≤7）输出低电平时，将点亮编号为DS20X（X=n+1）的LED灯；反之，则将熄灭LED灯。

一次基本的LED操作应按照如图2-2所示的LED灯基本操作流程进行。

图2-2LED灯基本操作流程

第一步端口初始化，在这个步骤中，驱动程序将与锁存器数据输入端（D0~D7）相连的MCU的8条引脚所对应的端口PB初始化为输出模式；并且将与锁存器的锁存使能端（LE）相连的MCU引脚PC5（LED_CS）初始化为输出模式。

然后通过PORTB口输出显示状态码，低电平的LED位灯亮，高电平的LED位灯灭。

PC5（LED_CS）高电平有效使能端。

3、实验内容

设计程序能够实现变换五种不同的显示方式，并能循环显示。

4、程序源代码

#include

#include

#include"led.h"

voidLED_Init（）

{

PORTB=PB_MASK;

DDRB=PB_MASK;

PORTC|=_BV（LED_CS）;

DDRC|=_BV（LED_CS）;

}

intmain（）

{

inti;

uint8_tled_sel;

LED_Init（）;

while

（1）{

i=0;

led_sel=0x01;

while（i<3）{

PORTB=~led_sel;

_delay_ms（300）;

if（led_sel==0x80）{

led_sel=0x01;

++i;

}

else

led_sel*=2;

}

i=0;

led_sel=0x80;

while（i<3）{

PORTB=~led_sel;

_delay_ms（300）;

if（led_sel==0x01）{

led_sel=0x80;

++i;

}

else

led_sel/=2;

}

for（i=0;i<3;++i）{

PORTB|=PB_MASK;

_delay_ms（500）;

PORTB&=~PB_MASK;

_delay_ms（500）;

}

led_sel=0x01;

i=0;

while（i<3）{

PORTB=~led_sel;

_delay_ms（300）;

if（led_sel==0x40）{

led_sel=0x01;

i++;

}

else

led_sel*=4;

}

led_sel=0x02;

i=0;

while（i<3）{

PORTB=~led_sel;

_delay_ms（300）;

if（led_sel==0x80）{

led_sel=0x02;

i++;

}

else

led_sel*=4;

}

}

return0;

}

Led.h

#ifndefLED_H

#defineLED_H

#defineLED_CSPC5

#definePB_MASK0xFF

voidLED_Init（）;

#endif

（三）数码管动态显示程序设计

1、实验目的

（1）.熟悉单片机数码管电路结构原理；

（2）.学会单片机C语言I/O端口编程控制方法；

（3）.学会外部显示部件LED灯的软件编程使用方法；

（4）.学会单片机开发系统的软件调试方法。

2、实验设计电路原理

数码管硬件电路连接如图3-1所示。

图3-1数码管硬件电路连接图

注：

DIG_CS1、DIG_CS2分别与ATmega128的PG3、PG4相连。

数码管的编程基本操作包括两个步骤：

一是位码操作；二是段码操作。

所谓“位码操作”，是指选定将要进行显示的某一位数码管；所谓“段码操作”，是指输出欲显示的字符的段码。

本模块中，有两个四位数码管拼接而成了八位数码管，所以位码共有8种选择。

对于共阳极数码管的基本段码表详见附录1中的共阳极数码管基本段码表，自定义扩充的段码表详见附录1中的共阳极数码管自定义扩充段码表。

一次基本的数码管操作应按照如图2所示的数码管编程基本操作流程进行。

图3-2数码管编程基本操作流程

第一步：

端口初始化。

在这个步骤中，驱动程序将与锁存器数据输入端（D0~D7）相连的MCU的8条引脚所对应的端口PB初始化为输出模式；并且将与位码锁存器的锁存使能端（LE）相连的MCU引脚（DIG_CS1）和与段码锁存器的锁存使能端（LE）相连的MCU引脚（DIG_CS2）初始化为输出模式。

第二步：

关闭段码锁存器，使能位码锁存器。

此时MCU通过对段码锁存器的锁存使能端（LE）输出低电平，即可关闭段码锁存器；MCU通过对位码锁存器的锁存使能端（LE）输出高电平，即可使能位码锁存器。

第三步：

送数码管位码。

MCU通过端口PB输出数码管位码，指定将要进行显示的某位数码管。

当MCU引脚PBn（0≤n≤7）输出为高电平时，从右至左编号为第n+1位的数码管将被用于显示；当MCU引脚PBn（0≤n≤7）输出为低电平时，则从右至左编号为第n+1位的数码管未被选中。

例如，若输出PB=0x81将选中编号（从右至左编号）为第8位和第1位的数码管，其余6位数码管则未被选中。

注意：

在送数码管位码期间，应确保段码锁存器处于关闭状态，而位码锁存器处于使能状态。

第四步：

关闭位码锁存器，使能段码锁存器。

此时MCU通过对位码锁存器的锁存使能端（LE）输出低电平，即可关闭位码锁存器；MCU通过对段码锁存器的锁存使能端（LE）输出高电平，即可使能段码锁存器。

第五：

送数码管段码。

MCU通过端口PB输出数码管共阳极段码，用于在指定的某位数码管上显示特定的字符。

例如，根据附录1中给出的共阳极数码管基本段码表，此时若输出PB=0xc0，则被选中的某位数码管将显示数字字符“0”。

注意：

在送数码管段码期间，应确保位码锁存器处于关闭状态，而段锁存器处于使能状态。

第六步：

关闭段码锁存器。

此时MCU通过对段码锁存器的锁存使能端（LE）输出低电平，即可关闭段码锁存器。

当位码锁存器和段码锁存器同时处于关闭状态时，数码管的显示状态将不再受MCU端口PB输出的影响。

表附录3-1共阳极数码管基本段码表

字符

h

g

f

e

d

c

b

a

共阳极段码

0

0

0

1

1

1

1

1

1

0xc0

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0cf9

2

0

1

0

1

1

0

1

1

0xa4

3

0

1

0

0

1

1

1

1

0xb0

4

0

1

1

0

0

1

1

0

0x99

5

0

1

1

0

1

1

0

1

0x92

6

0

1

1

1

1

1

0

1

0x82

7

0

0

0

0

0

1

1

1

0xf8

8

0

1

1

1

1

1

1

1

0x80

9

0

1

1

0

1

1

1

1

0x90

A

0

1

1

1

0

1

1

1

0x88

b

0

1

1

1

1

1

0

0

0x83

C

0

0

1

1

1

0

0

1

0xc6

d

0

1

0

1

1

1

1

0

0xa1

E

0

1

1

1

1

0

0

1

0x86

F

0

1

1

1

0

0

0

1

0x8e

表附录1-2共阳极数码管自定义扩充段码表

字符

h

g

f

e

d

c

b

a

共阳极段码

－

0

1

0

0

0

0

0

0

0xbf

．

1

0

0

0

0

0

0

0

0x7f

全亮

1

1

1

1

1

1

1

1

0x00

全灭

0

0

0

0

0

0

0

0

0xff

3、实验内容

设计实现8位数码管能够自动进位计数显示的功能程序，并在实验系统平台完成编译、调试、下载验证，运行结果正确。

4、程序源代码

//**文件名：

digitron.c

//**功能：

8位数码管依次循环显示

//**说明：

数码管共阳极连接

#include

#include

//#include"digitron.h"

#ifndefDIGITRON_H

#defineDIGITRON_H

#defineDIG_CS1PG3

#defineDIG_CS2PG4

#definePB_MASK0xFF

voidDIG_Init（）;

#endif

uint8_tcode[16]={0xC0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,

0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};

voidDIG_Init（）

{

PORTB=~PB_MASK;

DDRB=PB_MASK;

PORTG&=0x00;

DDRG|=_BV（DIG_CS1）|_BV（DIG_CS2）;

}

intmain（）

{

inti=0;

intj=0;

intcom=1;

//intb=1;

DIG_Init（）;

inta[8]={0};

while

（1）{

for（j=0;j<50;j++）{

for（i=0;i<8;++i）{

PORTG|=_BV（DIG_CS2）;

PORTG&=~_BV（DIG_CS1）;

PORTB=code[a[7-i]];

PORTG|=_BV（DIG_CS1）;

PORTG&=~_BV（DIG_CS2）;

PORTB=com;

com*=2;

PORTG&=~_BV（DIG_CS1）;

PORTG&=~_BV（DIG_CS2）;

_delay_ms

（1）;

if（com>128）

com=1;

}

}

a[0]++;

for（i=0;i<8;i++）

{

if（a[i]>15）

{

a[i]-=16;

a[i+1]++;

//b++;

}

}

}

return0;

}

（四）定时/计数器中断应用程序设计

1、实验目的

（1）熟悉单片机内部定时/计数器的工作原理；

（2）了解单片机中断机制工作原理；

（3）掌握单片机中断服务程序的设计方法；

（4）了解定时计数器的功能及应用。

2、实验设计电路原理

单片机的中断分为软中断（内部中断）和硬中断（外部中断）两种。

所谓软中断指软件中断，例如定时器定时中断，这类中断是程序员根据需要设置的，是可以预测的中断。

而所谓硬中断是另一类不可预测的中断类型，例如单片机的端口输入中断。

这一类中断程序员事先并不能预测何时发生。

中断的重要意义在于其能够及时响应对应的事件，当某种紧急事件发生时，使用中断功

能，CPU能够立刻暂停当前的程序运行，转而执行中断服务程序，在中断服务程序执行完毕

后再返回原来的程序继续运行，以保证对紧急事件的实时响应。

ATmega128单片机有2个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器——

T/C0、T/C2，以及有2个具有独立预分频器、比较器功能和捕获功能的16位定时器/计数

器——T/C1、T/C3。

程序设计相关寄存器说明：

1.16位T/C1数据寄存器——TCNT1H和TCNT1L，组成16位计数单元。

2.16位T/C1输出比较寄存器——OCR1AH和OCR1AL，存放16位比较数值。

3.16位T/C1控制寄存器——TCCR1A，设置通道比较输出模式；

——TCCR1B，时钟分频设置。

4.定时器/计数器中断屏蔽寄存器——TIMSK，中断使能设置。

3、实验内容

修改示例程序中断服务程序的功能，自己设计实现用8位数码管显示的电子钟功能程序，并在实验系统平台完成编译、调试、下载验证，运行结果正确。

4、程序源代码

/*------------------------------------------------------------

文件名称：

TIMERl_INT.C

功能：

16位定时器/计数器1，中断方式使用，控制蜂鸣器发声

说明：

定时器/计数器1，8MHz下，时钟256分频，定时时间0.5s

--------------------------------------------------------------*/

#include

#include

#include"digitron.h"

#include

/********************************************

函数名称：

SIGNAL（SIG_OUTPUT_COMPARE1A）

功能：

定时器/计数器1比较匹配中断的中断服务程序

说明：

重置计数初值，并对PE3端口取反，开/关声响

入口参数：

无

返回值：

无

*********************************************/

inta[6]={1,2,2,2,1,2};

uint8_tcode[16]={0xC0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,

0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};

//intb[2]={0};

voidDIG_Init（）

{

PORTB=~PB_MASK;

DDRB=PB_MASK;

PORTG&=0x00;

DDRG|=_BV（DIG_CS1）|_BV（DIG_CS2）;

}

SIGNAL（SIG_OUTPUT_COMPARE1A）

{

TCNT1H=0x00;//T/C1计数值清零

TCNT1L=0x00;

//对PE3取反，0.5秒改变一次

/*if（PORTE&_BV（PE3））

PORTE&=~_BV（PE3）;//输出低电平

else

PORTE|=（1<

/*inti=0;

intj=0;

intcom=1;

for（j=0;j<50;j++）{

for（i=0;i<4;++i）{

PORTG|=_BV（DIG_CS2）;

PORTG&=~_BV（DIG_CS1）;

PORTB=code[a[i]];

PORTG|=_BV（DIG_CS1）;

PORTG&=~_BV（DIG_CS2）;

PORTB=com;

com*=2;

PORTG&=~_BV（DIG_CS1）;

PORTG&=~_BV（DIG_CS2）;

_delay_ms

（1）;

if（com>8）

com=1;

}

}*/

a[0]++;

if（a[0]>9）{

a[0]=0;

a[1]++;

}

if（a[1]>5）{

a[1]=0;

a[2]++;

}

if（a[2]>9）{

a[2]=0;

a[3]++;

}

if（a[3]>5）{

a[3]=0;

a[4]++;

}

if（a[4]>9）{

a[4]=0;

a[5]++;

}

if（a[5]==2&&a[4]==4）{

a[4]=0;

a[5]=0;

}

}

//主程序

voidmain（void）

{

//DDRE=_BV（PE3）;//初始化端口PE3为输出模式

//PORTE&=_BV（PE3）;//输出高电平，蜂鸣器禁止发声

TCCR1B=0x00;//中断控制寄存器清零，停止T/Cl计数

OCR1AH=0x7A;//设置8MHz、256分频、定时0.5s的比较值，

OCR1AL=0x12;//与TCNTl的计数值进行比较，若匹配产生中断

TCCR1A=0x00;//T/C1普通端口模式

TCCR1B=0x04;//启动定时器T/C1，256分频

TIMSK|=0x10;//使能C/Tl比较匹配中断

sei（）;

inti=0;

intj=0;

intcom=128;

DIG_Init（）;//允许全局中断

while

（1）{

for（i=0;i<6;++i）{

PORTG|=_BV（DIG_CS2）;

PORTG&=~_BV（DIG_CS1）;

PORTB=code[a[i]];

PORTG|=_BV（DIG_CS1）;

PORTG&=~_BV（DIG_CS2）;

PORTB=com;

if（i==0||i==2||i==4||i==5）

com/