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单片机
课程设计说明书
单片机原理与接口技术
专业
电气工程及其自动化
学生姓名
陈嘉俐
班级
BD电气071
学号
0720601103
指导教师
张兰红
完成日期
2010年12月26日
目录
一理论部分...............................................1
1课题要求与内容...........................................1
2系统方案设计............................................1
3系统硬件设计............................................3
4系统软件设计............................................11
二实践部分..............................................12
1系统硬件原理简介........................................12
2系统硬件调试中出现的问题及解决措施......................17
3系统软件................................................17
3.1软件设计..............................................17
3.2软件调试中出现的问题及解决措施.........................18
三附录...................................................19
一、理论部分
理论部分是基于P89V51RD的I/O口扩展与应用电路的设计。
1、课题要求与内容
了解常用的I/O口芯片,硬件扩展,读取开关状态,输出数据并且驱动发光二极管显示出来。
2、系统方案设计
根据设计内容要求,提出了如下三种方案:
方案一:
采用89C51系列的单片机作为CPU:
89C51单片机是8位单片机,其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集,共具有111条指令,与其他高位单片机相比而言,指令周期较长,运算速度太慢,而且由于其内部总线8位的,其内部功能模块也基本上都是8位的;89C51单片机本身的电源电压是5伏,89C5有两种低功耗方式:
待机方式和掉电方式。
正常情况下消耗的电流为24mA,在掉电状态下,其耗电电流仍为3mA;即使在掉电方式下,电源电压可以下降到2V,但是为了保存内部RAM中的数据,还需要提供约50uA的电流。
方案二:
采用凌阳公司推出的SPCE061A单片机及其开发板--61板作为主控CPU:
凌阳SPCE061A的CPU时钟为0.32MHz~49.152MHz,速度可以满足对实时性的要求;内置2KWords的SRAM,为浮点运算提供了足够的数据存储器空间;具有7个触键唤醒中断和2个外部中断,可以满足本系统中键盘和传感器对外部中断的要求;外部可接SPR4096实现存储空间的扩展,能播放较长时间的语音;SPCE061A可以实现在线程序下载和调试,提高了开发效率。
但由于接口电路比较复杂,对于比较大的程序代码下载和调试速度较慢,最主要的是功耗太高,无论如何都实现不了整机静态功耗小于5微安的基本要求,所以不得不另辟蹊径。
方案三:
采用的是飞利浦公司的NXP系列的P89V51RD2单片机。
P89V51RD2是Philips公司生产的一款80C51微控制器,包含64KBFlash和1024字节的数据RAM。
P89V51RD2的典型特性是它的X2方式选项。
利用该特性,设计者可使应用程序以传统的80C51时钟频率(每个机器周期包含12个时钟)或X2方式(每个机器周期包含6个时钟)的时钟频率运行,选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。
从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半来保持特性不变,这样可以极大地降低EMI。
选用传统的单片机设计比较繁琐,选P89V51RD2还因为比较简单。
图1传统的单片机系统设计流程图
图2基于P89V51RD2的系统设计流程图
3、系统硬件设计
采用8255A的芯片控制系统电路原理图由控制模块、发光二极管控制模块、液晶显示模块、数码管模块、开关模块、电源模块等部分组成。
3.1控制模块
控制模块电路如图3所示。
主控制器采用的是P89V51RD2。
P89V51RD2的晶振及复位电路按典型电路设计,元器件参数如图4所示,晶振频率选为12MHZ,P1口,由于P89V51RD2是philips公司生产的一款80C51微控制器,包含64KBFlash和1024字节的数据RAM。
P89V51RD2的典型特性是它的X2方式选项。
利用该特性,设计者可使应用程序以传统的80C51时钟频率(每个机器周期包含12个时钟)或X2方式(每个机器周期包含6个时钟)的时钟频率运行,选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。
从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半来保持特性不变,这样可以极大地降低EMI。
Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程(ISP),ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。
应用固件的产生/更新能力实现ISP的大范围应用。
5V的工作电压,操作频率为0~40MHz。
图3主控器系统结构框图
图4晶振及复位电路
3.2发光二极管模块
按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
LED的结构及发光原理:
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。
当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。
其电路图如图5所示。
图5发光二极管模块
3.3液晶显示模块
液晶显示模块采用的是1602,1602采用标准的16脚接口。
其中:
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15~16脚:
空脚。
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,如表1所示,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。
液晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址,也就是告诉模块在哪里显示字符。
图6液晶显示模块
3.4电源模块
输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。
它由电源变压器B,桥式整流电路D1~D4,滤波电容C1、C3,防止自激电容C2和一只固定式三端稳压器(7812和7805各一块)极为简捷方便地搭成的。
3.4.1电源变压器
电源变压器的作用是将220V交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。
变压器副边与原边的功率比为变压器的效率。
通常根据变压器副边输出功率来选择变压器。
3.4.2整流滤波电路
桥式整流电路D1~D4把交流电压变成脉动的直流电压,还有滤波电容C1,C2滤波,滤除高次谐波,使输出的直流电压更稳定。
3.4.3集成稳压器的使用和连接
固定式三端稳压器LM7812,LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。
此直流电压经过LM7812和LM7805的两次稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。
稳压器输入电压过低会使稳压器性能受影响,甚至不能正常工作;输入电压过高会使稳压器功耗增大,会导致电源效率下降。
所以输入电压的选择原则是:
在满足稳压器正常工作的前提下,电压越小越好,但输入电压最低必须保证输入输出电压差大于2~3V。
本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路,以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点,成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。
但是该电路发热量相对较大,容易烧坏元器件。
所以在设计时我们采取了两级稳压并在两稳压模块上安装了散热片,使发热量大大减小。
综合考虑经济因素和我们所做的电路流通电流较小的缘故,我们最终还是采用了该方案。
图7稳压电源图
3.58255A芯片
8255A由以下几部分组成:
3.5.1三个数据端口A,B,C
这三个端口均可看作是I/O口,但它们的结构和功能也稍有不同。
A口:
是一个独立的8位I/O口,它的内部有对数据输入/输出的锁存功能。
B口:
也是一个独立的8位I/O口,仅对输出数据的锁存功能。
C口:
可以看作是一个独立的8位I/O口;也可以看作是两个独立的4位I/O。
3.5.2A组和B组的控制电路
这是两组根据CPU命令控制8255A工作方式的电路,这些控制电路内部设有控制寄存器,可以根据CPU送来的编程命令来控制8255A的工作方式,也可以根据编程命令来对C口的指定位进行置/复位的操作。
A组控制电路用来控制A口及C口的高4位;
B组控制电路用来控制B口及C口的低4位。
3.5.3数据总线缓冲器
8位的双向的三态缓冲器。
作为8255A与系统总线连接的界面,输入/输出的数据,CPU的编程命令以及外设通过8255A传送的工作状态等信息,都是通过它来传输的。
3.5.4读/写控制逻辑
读/写控制逻辑电路负责管理8255A的数据传输过程。
它接收片选信号CS及系统读信号RD、写信号WR、复位信号RESET,还有来自系统地址总线的口地址选择信号A0和A1。
8255A的引脚信号
引脚信号可以分为两组:
一组是面向CPU的信号,一组是面向外设的信号。
3.5.4.1面向CPU的引脚信号及功能
D0-D7:
8位,双向,三态数据线,用来与系统数据总线相连;
RESET:
复位信号,高电平有效,输入,用来清除8255A的内部寄存器,并置A口,B口,C口均为输入方式;
CS:
片选,输入,用来决定芯片是否被选中;
RD:
读信号,输入,控制8255A将数据或状态信息送给CPU;
WR:
写信号,输入,控制CPU将数据或控制信息送到8255A;
A1,AO:
内部口地址的选择,输入。
这两个引脚上的信号组合决定对8255A内部的哪一个口或寄存器进行操作。
8255A内部共有4个端口:
A口,B口,C口和控制口,两个引脚的信号组合选中端口见下表。
CS,RD,WR,A1,A0这几个信号的组合决定了8255A的所有具体操作。
3.5.4.2面向外设的引脚信号及功能
PA0~PA7:
A组数据信号,用来连接外设;
PB0~PB7:
B组数据信号,用来连接外设;
PC0~PC7:
C组数据信号,用来连接外设或者作为控制信号。
3.5.58255两种控制字:
(1)方式控制字
方式控制字用于设定单片机的PA口、PB口和PC口的工作方式。
(2)置位/复位控制字
置位/复位控制字用于对8255A的PC口按位进行操作。
方式控制字如下所示:
图88255A方式控制字
图98255A芯片引脚图
图108255A与单片机连接图
4、系统软件设计
I/O口扩展与应用的控制系统主要分为主程序、8255A的初始化程序、液晶显示程序、数码管显示程序等组成。
4.1主程序
主程序主要负责总体程序的管理功能,包括初始化部分与人机交互设定部分。
其流程图如下所示:
图11主程序流程图
4.2基于单片机扩展I/O口控制系统程序清单
单片机与8255A的接口电路如前图,PA口作输出口,接8个LED发光二极管,PB口作输入口,接8个按键开关,PC口不用,都工作在方式0。
要实现“按下任意键,对应的LED发光”,相应的程序如下:
I/O口的控制程序见附录表一
二、实践部分
1.系统硬件原理和说明
在实践部分,我们每人设计了一块单片机开发板,其包括流水灯、交通灯、A/D、键盘、数码管等部分。
其电路原理图如下图所示:
图12单片机最小系统
图13上拉电阻
图14电源电路
图15交通灯电路
图16键盘电路
图17流水灯电路
图18TLC549
图19RS232
图20复位电路
图21LED-4
2.系统硬件调试中出现的问题及解决措施
因为自己在焊接板子之前先练习了一下焊接,在设计过程中都是先分析原理图再进行焊接,因此在硬件检查过程中没有出现任何问题。
达到了预期的效果。
3.系统软件
3.1软件设计
单片机的应用系统由硬件和软件组成,上述硬件原理图搭建完成上电之后,我们还不能看到流水灯循环点亮的现象,我们还需要告诉单片机怎么来进行工作,即编写程序控制单片机管脚电平的高低变化,来实现发光二极管的一亮一灭。
3.1.1位控法
这是一种比较笨但又最易理解的方法,采用顺序程序结构,用位指令控制P1口的每一个位输出高低电平,从而来控制相应LED灯的亮灭。
程序见附录表二(a)
3.1.2循环移位法
在上个程序中我们是逐个控制P1端口的每个位来实现的,因此程序显得有点复杂,下面我们利用循环移位指令,采用循环程序结构进行编程。
我们在程序一开始就给P1口送一个数,这个数本身就让P1.0先低,其他位为高,然后延时一段时间,再让这个数据向高位移动,然后再输出至P1口,这样就实现“流水”效果啦。
由于8051系列单片机的指令中只有对累加器ACC中数据左移或右移的指令,因此实际编程中我们应把需移动的数据先放到ACC中,让其移动,然后将ACC移动后的数据再转送到P1口,这样同样可以实现“流水”效果。
具体编程如下所示,程序结构确实简单了很多。
程序见附录表二(b)
3.1.3查表法
上面的两个程序都是比较简单的流水灯程序,“流水”花样只能实现单一的“从左到右”流方式。
运用查表法所编写的流水灯程序,能够实现任意方式流水,而且流水花样无限,只要更改流水花样数据表的流水数据就可以随意添加或改变流水花样,真正实现随心所欲的流水灯效果。
我们首先把要显示流水花样的数据建在一个以TAB为标号的数据表中,然后通过查表指令“MOVC A,@A+DPTR”把数据取到累加器A中,然后再送到P1口进行显示。
具体源程序如下,TAB标号处的数据表可以根据实现效果的要求任意修改。
程序见附录表二(c)
3.2系统软件调试中出现的问题及解决措施
在软件调试过程中出现了不少的问题,因为以前没有用过C语言编程,在编程过程中遇到了不少的问题。
3.2.1流水灯点亮过程出现的问题
在点亮流水灯的过程中,本来是想流水灯先是从上到下依次点亮,再由下向上点亮,然后再由中间向两边点亮。
但是一开始编程的过程中总是达不到预期的效果,后来在仔细研究原理图和同学的帮助下,圆满的完成了程序的设计。
3.2.2数码管显示过程出现的问题
在设计数码管显示的过程中,想通过流水灯的逐次点亮,使得数码管依次显示0、1、2、3、4、5、6、7,但是并未能达到预期效果,因为驱动数码管的三极管是与前四个流水灯相连,要数码管显示,三极管必须处于导通状态,因此不可能实现上述的想法。
3.2.3交通灯点亮过程出现的问题
在设计交通灯控制模块时,因为一开始没有理解好P2的哪些口对应的是什么颜色的灯,在设计程序时遇到了很大的麻烦。
设计出的程序总是显示不出自己想要的结果,因此在一定程度上浪费了很多的时间。
这也让自己深刻的认识到不要急于求成,这样反而要走更多的弯路。
3.2.4键盘控制数码管显示数据过程出现的问题
设计用键盘控制数码管显示数字时,也遇到了一系列的问题,因为一开始没有考虑到接口问题,因此在设计过程中遇到了很多的难题,一开始总是显示不出自己想要的数字,后来对其进行仔细分析,发现自己调不出自己想要的结果,主要是自己对程序分析的不够透彻。
3.2.5整个模块调整过程中出现的问题
后来经过两天的程序分析,一开始就简单的把程序连接到一起,出现了很多的问题,后来通过延时将所有的模块显示程序组织起来,虽然与自己的预期效果有一定的差别,但是心里还是感到很开心,毕竟这是自己第一次进行程序设计,而且也做出了一个开发板。
三、附录
理论部分程序
附录表一
读PB口开关状态,送PA口输出控制LED,循环
MOVDPTR,#0FF7FH;指向8255A的控制口
MOVA,#82H;工作方式控制字
MOVX@DPTR,A;向控制口写控制字,PA口输出,PB口输入
LOOP:
MOVDPTR,#0FF7DH;指向8255A的PB口
MOVXA,@DPTR;读PB口按键状态
MOVDPTR,#0FF7CH;指向8255的PA口
MOVX@DPTR,A;从PA口输出,驱动LED发光。
SJMPLOOP
实践部分程序
附录表二
附录表二(a)(位控法)
ORG0000H;单片机上电后从0000H地址执行
AJMPSTART;跳转到主程序存放地址处
ORG0030H;设置主程序开始地址
START:
MOVSP,#60H;设置堆栈起始地址为60H
CLRP1.0;P1.0输出低电平,使LED1点亮
ACALL DELAY;调用延时子程序
SETB P1.0;P1.0输出高电平,使LED1熄灭
CLR P1.1;P1.1输出低电平,使LED2点亮
ACALL DELAY;调用延时子程序
SETB P1.1;P1.1输出高电平,使LED2熄灭
CLR P1.2;P1.2输出低电平,使LED3点亮
ACALL DELAY;调用延时子程序
SETB P1.2;P1.2输出高电平,使LED3熄灭
CLR P1.3;P1.3输出低电平,使LED4点亮
ACALL DELAY;调用延时子程序
SETB P1.3;P1.3输出高电平,使LED4熄灭
CLR P1.4;P1.4输出低电平,使LED5点亮
ACALL DELAY;调用延时子程序
SETB P1.4;P1.4输出高电平,使LED5熄灭
CLR P1.5;P1.5输出低电平,使LED6点亮
ACALL DELAY;调用延时子程序
SETB P1.5;P1.5输出高电平,使LED6熄灭
CLR P1.6;P1.6输出低电平,使LED7点亮
ACALL DELAY;调用延时子程序
SETB P1.6;P1.6输出高电平,使LED7熄灭
CLR P1.7;P1.7输出低电平,使LED8点亮
ACALL DELAY;调用延时子程序
SETB P1.7;P1.7输出高电平,使LED8熄灭
ACALL DELAY;调用延时子程序
AJMP START;8个LED流了一遍后返回到标号START处再循环
DELAY:
;延时子程序
MOVR0,#255 ;延时一段时间
D1:
MOVR1,#255
DJNZR1,$
DJNZR0,D1
RET;子程序返回
END;程序结束
附录表二(b)(循环移位法)
ORG0000H;单片机上电后从0000H地址执行
AJMPSTART;跳转到主程序存放地址处
ORG0030H;设置主程序开始地址
START:
MOVSP,#60H;设置堆栈起始地址为60H
MOV A,#0FEH;ACC中先装入LED1亮的数据(二进制的11111110)
MOV P1,A;将ACC的数据送P1口
MOV R0,#7;将数据再移动7次就完成一个8位流水过程
LOOP:
RLA;将ACC中的数据左移一位
MOVP1,A;把ACC移动过的数据送p1口显示
ACALLDELAY;调用延时子程序
DJNZR0,LOOP;没有移动够7次继续移动
AJMPSTART;移动完7次后跳到开始重来,以达到循环流动效果
DELAY:
;延时子程序
MOVR0,#255 ;延时一段时间
D1:
MOVR1,#255
DJNZR1,$
DJNZR0,D1
RET;子程序返回
END;程序结束
附录表二(c)(查表法)
ORG0000H;单片机上电后从0000H地址执行
AJMPSTART;跳转到主程序存放地址处
ORG0030H;设置主程序开始地址
START:
MOVSP,#60H;设置堆栈起始地址为60H
MOVDPTR,#TAB;流水花样表首地址送DPTR
LOOP:
CLRA;累加器清零
MOVCA,@A+DPTR;取数据表中的值
CJNEA,#0FFH,SHOW;检查流水结束标志
AJMPSTART;所有花样流完,则从头开始重复流
SHOW:
MOVP1,A;将数据送到P1口
ACALLDELAY;调用延时子程序
INCDPTR;取数据表指针指向下一数据
AJMPLOOP;继续查表取数据
DELAY:
;延时子程序
MOVR0,#255 ;延时一段时间
D1:
MOVR1,#255
DJNZR1,$
DJNZR0,D1
RET;子程序返回
TAB:
;下面是流水花样数据表,用户可据要求任意编写
DB11111110B;二进制表示的流水花样数据,从低到高左移
DB11111101B
DB11111011B
DB11110111B
DB11101111B
DB11011111B
DB10111111B
DB01111111B
DB01111111B;二进制表示的流水花样数据,从高到低右移
DB10111111B
DB11011111B
DB11101111B
DB11110111B
DB11111011B
DB11111101B
DB11111110B
DB0FEH,0FDH,0FBH,0F7H;十六进制表示的流水花样数据
DB0EFH,0DFH,0BFH,7FH
DB7FH,0BFH,0DFH,0EFH
DB0F7H,0FBH,0FDH,0FEH
……
DB0FFH;
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