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单片机实验系统开发与设计
单片机实验系统开发与设计
单片机实验系统开发与设计哈尔滨理工大学学士学位论文单片机实验系统开发与设计摘要目前单片机应用已渗透到各个领域,单片机技术的发展也因此日新月异。
作为实践性很强的应用型学科,单片机研发及教学离不开实验。
传统的单片机实验系统,需要频繁拔插烧写单片机芯片来编程,依赖于仿真机调试,实验成本高且效率低,已不适应现代科技开发需求。
如何充分合理利用单片机的性能,方便用户高效学习与开发产品成为当前的研究热点。
本实验系统采用具有ISP下载功能的AT89S52单片机作为核心,利用了当前最流行的一些新器件构成最小系统。
所谓ISP,即在线系统编程,一种无需将存储芯片从嵌入式设备上取出就能对其进行编程的过程。
即使器件焊接在电路板上,仍可对其进行编程。
在系统可编程是Flash存储器的固有特性。
用户在PC机上完成软件(直接兼容当前最流行的Keil软件和Wave仿真软件)的编辑、编译、连接,通过ISP下载线将目标程序下载到开发板中,无需再购买任何仿真器或编程器等开发工具,只要有一台计算机,就可以实践学习单片机的知识。
整个实验板系统体现了结构简洁明了,功能新颖实用的优点。
与市面上流行的实验板相比,又有性价比高、简单易用的优点。
整个实验系统包含了模拟量输入、开关量输入、人机交互、ISP下载、开关量输出、模拟量输出、串行通信和I2C总线等模块,可以完成单片机的大部分功能。
关键词单片机;在线系统编程;实验系统DevelopmentandDesignoftheSingle-ChipMicrocomputerExperimentalSystemAbstractAtpresentthemonolithicintegratedcircuit(MicrocontrollerUnit,MCU)applicationshavepenetratedintoallfields,Thereforethemonolithicintegratedcircuittechnologydevelopmentalsochangeswitheach,newday.Practicalapplication-asastrongacademic,monolithicintegratedcircuitresearchandteachingcannotleavetheexperiment.Thetraditionalmonolithicintegratedcircuitexperimentsystem,needsfrequentlytopulloutinsertsthefevertowritethemonolithicintegratedcircuitchiptoprogram,reliesontothesimulationmachinedebugging,Theexperimentalcosthighalsotheefficiencyislow,alreadyunsuitablemodernscienceandtechnologydevelopmentdemand.Howtomakerationaluseofmonolithicintegratedcircuitperformance,user-friendlyandefficientproductdevelopmenthasbecomethecurrentstudyhotspot.ThisexperimentplankadoptionhasSingle-ChipMicrocomputerconductandactionscoreinAT89S52thatISPdownloadfunction.ISPisin-systemprogramming’sabbreviation,whichisonekindofprocessdonotneedthememorychiptotakeoutfromtheembeddedequipment,itcancarryontoitprograms.Itsmeritisevenifthecomponentweldingonthecircuit,itcanstillcarryontheprogrammingtoit.In-systemprogrammingistheFlashmemorysintrinsicproperty.Usersaccomplishsoftware(compatiblewithcurrentmostpopularKeilsoftwareandWavesimulationsoftware)programming,compilingandlinkingonthePCandthroughtheISPportdownloadtargetprogramtotheexperimentalplate,youdonotneedtopurchaseanyprogrammerandsimulator.Ifyouhaveacomputer,youcanstudySCM’sknowledgewithpractice.Wholeexperimentalsystemnowconstructionroughlyunderstands,novelandpracticaladvantageinfunction.Ascendwiththemarkettheexperimentplankthatspreadcompare,thefunctionpriceratioishigh,inbriefandeasilytheadvantagethatuse.WholeexperimentalsystemplankincludedtheAnaloginput,Switchinput,Personandmachineinteractive,ISPdownloads,Powersupplymold,Switchout-put,Analogoutput,SerialcommunicationandI2C-Bus.Abigandpartsoffunctionsfor,cancompletingSingle-ChipMicrocomputer.KeywordsSingle-ChipMicrocomputer;ISP;experimentalsystem不要删除行尾的分节符,此行不会被打印-III-目录摘要……IAbstractII第1章绪论11.1课题背景11.2单片机概述11.2.1单片机的发展史11.2.2单片机在我国的发展状况21.2.3单片机在国外的研究动态及发展趋势21.2.4单片机的特点31.2.5单片机的应用41.3AT89S52单片机介绍41.3.1单片机选型41.3.2AT89S52单片机的主要性能51.3.3AT89S52单片机的功能特征描述51.3.4AT89S52单片机的引脚结构及功能51.3.5特殊功能寄存器81.3.6存储器结构91.3.7看门狗定时器101.3.8Flash编程—并行运行101.4课题研究意义11第2章系统设计122.1实验系统结构122.2实验系统功能模块介绍132.3本章小结14第3章实验系统单元电路设计153.1单片机最小系统电路的设计153.1.1单片机电路说明153.1.2电源电路说明153.1.3晶振和复位电路说明153.2实验系统人机交互电路的设计173.2.1独立按键电路设计173.2.24×4矩阵键盘电路设计173.2.1数码管显示电路设计173.2.2液晶显示电路设计203.3实验系统模拟量输入电路设计213.3.1AD0804原理图说明223.3.2AD0804芯片资料223.4实验系统开关量输出电路设计243.4.1发光二极管组成的八路流水灯电路设计243.4.2开关信号输出控制蜂鸣器电路设计243.5实验系统串口电路设计253.5.1串口通行基本知识253.5.2串口原理图说明253.6I2C总线电路说明263.6.1I2C总线基础263.6.224C02原理图说明283.6.324C02芯片资料283.7本章小结29第4章编程软件的说明及下载程序以304.1Keil软件的介绍304.2KeilC51开发系统基本知识304.2.1系统概述304.2.2KeilC51单片机软件开发系统的整体结构304.3Keil软件的使用314.4下载程序详细说明324.4.1运用MicrocontrollerISPSoftware实现在线编程324.5本章小结33第5章实验系统实验开发345.1I/O口控制实验345.2流水灯实验345.3蜂鸣器发声实验345.4多位数码管动态显示实验355.5AD0804实验355.61602液晶实验365.7本章小结36结论37致谢38参考文献39附录A40附录B52附录C57千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。
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打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行-V-第1章绪论1.1课题背景单片机技术的发展源于计算机产业的发展。
在现代计算机技术领域中,形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。
在单片机产生前,机电行业的自动化常常依赖于由复杂的电子线路组成的数控系统;或将通用计算机进行机械、电气加固后嵌入到控制对象中去,这样大型、高成本的系统难以被许多产品接受。
单片机就是应嵌入式系统新的要求而出现的。
目前单片机技术已经渗透到人们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,程控玩具、电子宠物,导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械等等,这些都离不开单片机。
对于自动化专业的学生,学好单片机原理,熟练掌握单片机应用知识有着重要的现实意义。
而单片机教学及研发离不开实验,随着单片机技术的发展,传统的依赖于仿真机的单片机实验成本高且效率低,已不适应现代科技开发需求。
本设计目的就是在传统实验板的基础上,开发功能较强的新型实验系统,即具有ISP在线仿真调试功能,使用Keil软件即可直接仿真调试[1]。
1.2单片机概述1.2.1单片机的发展史单片微型计算机简称单片机,又称为微控制器,是微型计算机的一个重要分支。
单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片,是集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。
单片机的发展十分迅速,纵观整个单片机技术发展过程,可以分为以下三个主要阶段:
1.单芯片微机形成阶段1976年,Intel公司推出了MCS-48系列单片机。
该系列单片机早期产品在芯片内集成有:
8位CPU、1K字节程序存储器(ROM)、64字节数据存储器(RAM)、27根I/O线和一个8位定时/计数器。
此阶段的主要特点是:
在单个芯片内完成了CPU、存储器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、时钟等不见的集成,但存储器容量较小(不大于4K),无串行口,指令系统功能不强。
2.性能完善提高阶段1980年,Intel公司推出MCS-51系列单片机。
该单片机在芯片内集成有:
8位CPU、4K字节程序存储器(ROM)、128字节数据存储器(RAM)、4个8位并行口、1个全双工串行口和2个16位定时/计数器。
,并集成有控制功能较强的布尔处理器完成位处理功能。
此阶段的主要特点是:
结构体系完善,性能已大大提高,面向控制的特点进一步突出,现在,MCS-51已成为公认的单片机经典机种。
3.微控制器化阶段1982年,Intel公司推出MCS-96系列单片机。
该单片机在芯片内集成有:
16位CPU、8K字节程序存储器(ROM)、232字节数据存储器(RAM)、5个8位并行口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。
寻址范围最大为64KB。
片上还有8路10位ADC、1路PWM(D/A)输出及高速I/O部件等。
近年来,许多半导体产商以MCS-51系列单片机的8051为内核,将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术及先进的存储器技术和工艺技术集成到单片机中,生产出了多种功能强大、使用灵活的新一代80C51系列单片机。
此阶段单片机的主要特点是:
片内面向测控系统的外围电路增强,使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。
因此,“微控制器”的称谓更能反映单片机的内在本质[2]。
1.2.2单片机在我国的发展状况单片机在中国的发展起源于20世纪80年代。
目前,中国各大学及院校普遍采用MCS一51系列作为单片机教学的教材。
MCS一51系列的实验仪器也得到很大发展,许多单片机实验仪生产厂家研制出具有多功能综合性的MCS一51系列的实验系统,使得在高校MCS一51系列的实验系统配备相当完善。
在工业控制、消费电子产品、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等不同的领域也得到了广泛的应用。
但是随着单片机技术的不断发展,MCS一51系列的应用领域已逐渐被新型单片机所代,例如AT89S52单片机采用精简指令集、哈佛总线结构、流水线取指的方式,抗干扰能力强,性能价格比高,深受电子设计专家和客户的普遍欢迎。
据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种已经过千,流行的结构有30多种[3]。
1.2.3单片机在国外的研究动态及发展趋势在全世界,利用单片机设计的嵌入式系统带来的工业年产值己超过1万亿美元。
世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。
纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有:
1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。
像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。
CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2.微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
3.主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。
所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。
此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路[4]。
1.2.4单片机的特点1.控制性能和可靠性高单片机是为满足工业控制而设计的,所以实时控制功能特别强,其CPU可以对I/O端口直接进行操作,位操作能力更是其他计算机无法比拟的。
另外,由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内,各部件间的连接紧凑,数据在传送时受干扰的影响较小,且不易受环境条件的影响,所以单片机的可靠性非常高。
近期推出的单片机产品,内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件,并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式(如在系统编程ISP)等方面都有了进一步的增强。
2.体积小、价格低、易于产品化每片单片机芯片即是一台完整的微型计算机,对于批量大的专用场合,一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择,同时还可以专门进行芯片设计,使芯片功能与应用具有良好的对应关系。
在单片机产品的引脚封装方面,有的单片机引脚已减少到8个或更少,从而使应用系统的印制版减小接插、件减少、安装简单方便。
在现代的各种电子器件中,单片机具有良好的性能价格比。
这正是单片机得以广泛应用的重要原因。
1.2.5单片机的应用由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质,近年来单片机在各种领域都获得了极为广泛的应用。
概要地分成以下几个方面:
1.智能仪能器仪表单片机用于各种仪器仪表,一方面提高了仪器仪表的实用功能和精度,使仪器仪表智能化,同时还简化了仪器仪表的硬件结构,从而可以方便的完成仪器仪表产品的升级换代,如各种智能电器测量仪表、智能传感器等。
2.机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术微电子技术自动化技术和计算机技术于一体,具有智能化特征的各种机电产品。
单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。
典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。
3.实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。
电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。
在这类系统中,利用单片机作为系统控制器,可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法,实现期望的控制指标,从而提高生产效率和产品质量。
典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。
4.分布系统的前端模块在较复杂的工业系统中,经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。
在这类系统中,采用单片机作为分布式系统的前端采集模块,系统具有运行可靠,数据采集方便灵活,成本低廉等一系列优点。
5.家用电器家用电器是单片机的又一重要应用领域,前景十分广阔,如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。
另外,在交通领域中,汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用,如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等[5]。
1.3AT89S52单片机介绍1.3.1单片机选型由于80C51的系统结构合理、技术成熟,许多单片机芯片生产厂商倾力于提高80C51单片机产品的综合功能,从而形成了80C51的主流产品地位。
目前我国各大学及院校使用的单片机教材也普遍讲授51系列。
因此,本实验系统选择AT89S52单片机作为核心芯片。
1.3.2AT89S52单片机的主要性能l与MCS-51单片机产品兼容l8K字节在系统可编程Flash存储器l1000次擦写周期l全静态操作:
0Hz~33Hzl三级加密程序存储器l32个可编程I/O口线l三个16位定时器/计数器l八个中断源l全双工UART串行通道l低功耗空闲和掉电模式l掉电后中断可唤醒l看门狗定时器l双数据指针l掉电标识符1.3.3AT89S52单片机的功能特征描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8KISPflash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
1.3.4AT89S52单片机的引脚结构及功能P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
AT89S52单片机的引脚图如图1-1所示。
图1-1AT89S52引脚图P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如表1-1所示。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存
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