级《单片机应用实习》实习指导书.docx
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级《单片机应用实习》实习指导书
单片机应用实习指导书
葛红军
黑龙江工程学院
电气与信息工程学院
目录
第一章实习概述………………………………………………………………………2
1.1实习目的和任务…………………………………………………………………2
1.2实习基本要求…………………………………………………………………2
1.3实习内容和安排……………………………………………………………3
第二章单片机应用系统的设计步骤………………………………………………………4
2.1总体设计…………………………………………………………………………4
2.2硬件设计…………………………………………………………………………4
2.3软件设计…………………………………………………………………………5
2.4综合调试…………………………………………………………………………7
2.5撰写设计说明书…………………………………………………………………7
第三章实习报告示例………………………………………………………………8
第四章实习参考题目、要求及提示…………………………………………………23
附录………………………………………………………………………………………30
第一章实习概述
单片机系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用系统。
单片机系统设计技术已成为后PC时代最热门的研究领域之一。
单片机作为最典型的单片机系统,它的成功应用推动了单片机系统的发展。
MCS51系列单片机奠定了8位单片机的基础,形成了单片机的经典体系结构。
MCS51系列中的8051成为许多半导体厂家、公司竞相选用的对象,并以此为基核,推出了许多兼容性的CHMOS单片机,呈现出很强的生命力,统称为MCS51系列。
综上,选择MCS51系列为基础的单片机体系结构,既符合教学特点的典型性,又不失内容的先进性。
本次实习以MCS51系列的AT89S52单片机为对象来进行典型单片机系统设计。
1.1实习目的和任务
单片机应用实习是电气工程及其自动化、电子信息工程等电类专业学生必修的重要专业教育实践课程。
单片机应用实习将以单片机技术应用为主线,以产品的实际开发过程为依托,在操作层面和一定的理论层面上对能力训练情境进行了系统化的设计。
通过对单片机应用产品开发过程的调查与分析,归纳出从事单片机研发工程技术人员的几个基本工作任务,按照产品开发的工作流程设计训练情境。
单片机应用实习中的每个训练项目都从产品的技术要求出发,按照技术资料查阅、熟悉器件性能、确定硬件电路设计方案、编制器件清单、制作硬件电路、程序设计、软硬件调试、器件及模块电路性能测试、性能指标测试等步骤实施。
单片机应用实习可以提高学生参阅与检索资料的能力,技术集成能力,单片机及外部硬件资源的调配能力,硬件电路的设计与分析能力,编程及调试工具的运用能力,软硬件调试、分析能力及其他诸多专业技术能力。
1.2实习基本要求
通过本次实习使学生深刻理解单片机与嵌入式系统的概念和基本要素,掌握单片机系统软硬件设计的基本方法,跟踪单片机最新设计理念,实践单片机应用项目开发基本流程。
单片机应用实习要求学生综合前面所学过的模拟电子技术、数字电子与EDA技术等课程,进行专业第一次综合性设计实习,形成课程群合力,为学生将来从事单片机应用相关项目研究和专业应用奠定良好的基础。
具体要求如下:
1.要求设计者按照实习要求,运用所学知识及查阅相关文献,经详细、全面考虑,确定设计方案,并给出方案比较。
2.正确选用设计参数,树立从技术上可行和经济上合理两方面考虑的工程观点,兼顾调试和维护方便等因素,使总体上得到最佳结果。
3.准确而快速得进行仿真、计算和工艺设计,以确保在规定的时间内完成设计任务。
4.实习报告的编写,应按照实习教学大纲规定及设计任务要求,用精炼的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想和设计结果。
5.原理图、系统图等绘制正确,符合规范。
6.实习前要认真预习有关理论知识。
实习过程中,学生应服从指导老师的安排,遵守相关的卫生、安全、纪律、管理等要求,认真完成实习,用科学的态度记录和处理数据。
7.注重互相交流、协作攻关的团队精神培养。
1.3实习内容和安排
1.实习项目(或内容)名称:
单片机应用实习
为了满足学习单片机应用系统设计要求,即熟悉单片机的经典体系结构、掌握应用系统设计方法、了解应用系统设计前沿技术,实习分两个步骤:
第一步骤是完成单片机最小系统的制作和调试;
第二步步骤将分组完成既定的实习题目或自拟题目(经指导教师鉴定并同意)。
2.实习形式:
集中或分散
3.实习地点:
实习基地(实验楼517)
4.实习周数:
3周
实习中,要以学生为主体,充分发挥学生自己的自主性和创造精神。
教师的指导作用主要体现在思维方法的引导方面。
切忌照搬照抄和指定思路方法。
实习由于时间安排、学生水平、实验条件等诸方面的限制。
本教学环节,只是对学生设计能力的初步训练,学生由做习题、回答思考题过渡到面对全面、复杂的课题,每组学生完成的任务常不够完整,较好完成的比例不高。
所以,在最后组织答辩、相互交流,常可使学生扩大视野、增加收获,有很好的效果。
同时,也锻炼了学生正确、条理地讲述清楚技术问题的能力。
本教学环节单独进行成绩考核。
成绩的评定应兼顾到实验动手能力,日常表现,也应考虑作品和设计说明书的质量。
如时间与条件允许,应鼓励学生论证与完善自己的观点,完善程序,再通过调试。
应提倡学生讨论、争论,培育良好的学术气氛。
第二章单片机应用系统的设计步骤
基于单片机的应用系统随着用途不同,它们的硬件和软件结构差别很大,但系统设计的方法和步骤基本上是相同的。
一般包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、固化程序、应用系统独立运行等步骤。
建议设计步骤如下:
(1)系统工作原理:
叙述单片机的应用系统要求的工作原理;
(2)总体设计:
软、硬件部分总体设计,注重软硬件的配合;
(3)硬件:
系统的组成,硬件的选用,芯片的特点、功能和编址等;
(4)软件:
存储单元的分配,标志位的设置,由上自下的程序流程图,子程序的设计及调试;
(5)综合调试;
(6)实习报告,准备答辩。
2.1总体设计
1、明确任务
根据课题的要求确定系统的工作原理。
如,电脑钟的工作原理为:
秒定时到秒加一,秒满60次分加一……,并在数码管上显示时、分、秒当前值。
如果需要还要提出相应的技术指标。
如电脑钟要求显示的最小单位为秒,温度测量系统要求测量多少路,测量精度是多少等。
2、硬件和软件功能的划分
系统的硬件配置和软件设计是紧密地联系在一起的,且硬件和软件具有一定的互换性。
多用硬件完成一些功能,可以提高工作速度,但降低了系统的柔性。
若用软件替代某些硬件功能,可增加系统的柔性,但降低系统的工作速度。
因此,总体设计时,应综合考虑,合理划分硬件和软件的功能。
一般为走软件实现道路,符合节约成本的产品设计理念。
一般要给出设计原理框图。
2.2硬件设计
根据总体设计要求,确定系统扩展与功能接口,设计出系统的电路原理图。
1、系统扩展
STC89S52最小系统在完成特定应用时,根据应用内容要求,一般还需要扩展资源和设计应用电路,如扩展SRAM、键盘、显示、A/D转换、D/A转换和打印机等。
关键在于选用合适的外围接口芯片。
2、应用电路
如在LED点阵屏设计应用中,LED点阵驱动电路就是应用电路,是设计的重点。
其与单片机的接口技术是整个设计的核心。
3、人机接口电路
人机接口是单片机应用系统的重要组成部分,包括系统的输入接口(比如按键)和输出接口(比如数码管)。
有了人机接口,才可操作和应用计算机。
良好的人机操作界面是优秀电子系统设计的重要标志。
4、电源电路
电源电路是电子系统运行的基础,建议采用经典的线性电源设计思路,通过三端集成稳压器完成电源设计。
注意,电路中使用运放时单电源和双电源电源供电问题。
2.3软件设计
一个优秀的的系统的软件应具有下列特点:
(1)软件结构清晰、简捷、流程合理。
(2)各功能程序实现模块化、子程序化。
这样,既便于调试、链接,又方便移植、修改。
(3)程序存储区、数据存储区分配合理。
(4)运行状态实现标志化管理。
各个功能程序运行状态、运行结果以及运行要求都设置状态标志(一般用位寻址区的位)以便查询,程序的转移、运行、控制都可以通过状态标志条件来控制。
(5)实现全面软件抗干扰设计。
(由于条件有限,实习中适当考虑。
)
软件设计一般步骤如下:
1、系统定义
系统定义是在软件设计前,把软件承担的任务明确出来。
(1)各种数据类型的定义。
是定点数还是浮点数;是有符号数还是无符号数;是十六进制数还是BCD码。
如果一个参数的变化范围有限,就可以用定点数来表示,以简化程序设计和加快运行速度。
当参数的变化范围太宽时,只好采用浮点数来表示,如智能电桥中被测对象的变化范围达10个数量级(l~l0000μF),定点数是无法胜任的。
若要求数据的正负之分,则考虑定义有符号数。
对于自然数列,为显示方便,可以采用BCD码,如电脑时钟的时、分、秒。
(2)合理定义和分配存储空间、定义标志位。
资源分配的主要工作是RAM资源的分配。
片外RAM的容量要比片内RAM大,通常用来存放批量大的数据,如采样数据系列。
主要考虑片内RAM的分配。
系统上电复位时,SP=07H,自动定义0区为工作寄存器,1区为堆栈,并向2区、3区延伸。
如果系统前台程序要用1区、2区作为工作寄存器,就应将堆栈空间重新规划,常将堆栈安放在片内RAM的高端,如60H~7FH。
在工作寄存器的8个单元中,R0和R1具有指针功能,是编程的重要角色,应充分发挥其作用,尽量避免用来做其他事情。
20H~2FH这16个字节具有位寻址功能,用来存放各种软件标志、逻辑变量、位输入信息、位输出信息副本、状态变量、逻辑运算的中间结果等。
当这些项目全部安排好后,保留一两个字节备用,剩下的单元才可改作其他用途。
30H~7FH为一般通用寄存器,只能存入整字节信息。
通常用来存放各种参数、指针、中间结果,或用作数据缓冲区。
RAM资源规划好后,应列出一张RAM资源的详细分配清单,作为编程依据。
为了增加可读性,便于修改,一般对分配的存储单元取名。
如保存当前时间的时、分、秒取HOUR、MINI、SEC,编程时用变量名,编译时只需在前面加HOUREQU24H即可(20H为分配给小时的存储单元的地址)。
2、软件结构设计
软件设计有两种方法:
一种是自上而下,逐步细化;另一种是自下而上,先设计出每一个具体的模块(子程序),然后再慢慢扩大,最后组成一个系统。
两种方法各有优缺点。
自上而下的方法在前期看不到什么具体效果,对于初学者来说,心中总是不踏实。
而自下而上的方法一开始就有结果,每设计并测试好一个模块,就能看到实际的效果,给人一步一个足印的感觉,能树立信心。
我们建议两种方法结合运用。
主程序采用自上而下的方法,将它分成若干个功能相对独立的较小的程序模块。
然后再采用自下而上的方法,设计一个模块,调试一个模块,加入主程序调试;再进行下一个模块设计和调试。
所以在这一步骤就是设计主程序的框架。
3、模块设计
(1)建立入口条件和出口条件,明确模块功能
根据问题的定义,描述出各个输入变量的存放地址(入口条件)和各个输出变量的存放地址(出口条件)。
例如输入量是经A/D转换后的8个数字量,存入在以30H为首的数据块中,输出量是这8个数字量的平均值,存放在40H中。
为方便起见,用R0存放输入量数据块首地址,用R1存放输出量地址。
则入口条件为R0,出口条件为R1。
(2)绘制程序流程图
根据问题的定义,确定算法,并绘制程序流程图。
注意必须确保程序流程图的正确性。
比如在电脑时钟中,考虑输入“分”的数据的合理性,数据必须小于60,程序框图中就不能忽视等于60如何处理。
这是初学者常犯的错误。
(3)编写程序
在确保程序流程图的正确性的前提下,才能编写程序。
在编程时必须注意以下几点:
①一定要严格根据程序流程图编程。
②一定要写注释。
③通过编译后,只表明语法没错,并不表明逻辑正确,一定要用不同的数据对模块进行测试。
完全符合预定结果,方可确认通过。
④将某功能模块加到主控模块进行测试,如果与预定结果不符,必须查找原因,进行修改、调试。
⑤必须注意随时保存调试通过的程序副本。
以便当新程序出现故障时,随时可返回前面的正确点重新开始。
2.4综合调试
综合调试,是对软件和硬件综合测试、分析和修改调试,是完成设计的重要阶段,也是提升系统性能的重要阶段。
是动手能力训练的集中体现。
2.5撰写实习报告
实习报告是对实习的高度总结,实习报告的格式及例样见第三章。
由于设计时间紧迫,建议不要在完成全部设计后再编写实习报告。
而应在设计过程中逐步完成。
一开始不可能设计出满意的主程序流程图。
因此,总体设计部分在完成全部设计任务后再写。
而硬件部分和软件部分可以在设计过程同步完成。
实习任务书
学生姓名
系部
电子工程系
专业
班级
指导教师姓名
职称
是否外聘
□是
否
题目名称
真有效值测试仪的设计
一、设计的内容、目的和意义
本次实习是有关于电压真有效值测试仪的设计。
所谓真有效值即为“真正有效值”之意,英文缩写为“TRMS”,也称为真均方根值。
真有效值直流变换,可以直接测得输入信号的真实有效值,并和输入波形无关。
在电子测量技术和自动控制系统中,通常要测量正弦波、矩形波、三角波等波形的交变电压有效值和微弱信号中的噪声。
尤其在随机过程测量中,只要能准确测出各个窄频带内与被测波形无关的有效值,就可以得到该随机过程的功率谱密度函数,进行频谱分析和过程控制,而且电压有效值也是电力系统中一个十分重要的参数,对真有效值进行精确的测量和计算是很多后续工作的前提,真有效值测量表产品已遍布电测量领域的各个方面。
随着微机化数字测量技术的日益普及,数字式有效值测量技术的应用已日益广泛,因此,数字式真有效值的测量是电测领域内一个重要的研究课题。
目前,虽然一些数字式电压表和智能仪器具有真有效值的测量功能,但大都结构复杂,价格昂贵。
本次实习的目的是实现对交流电压真有效值的测量功能,并运用单片机技术设计一个结构简单,并且相对低成本的真有效值测试仪。
二、设计的技术指标要求
1、研究方法
(1)总体按照最优化的方法进行软件设计和硬件设计,走软件实现道路;
(2)对软硬件进行模块划分,并对各单元电路结合EDA工具进行论证设计;
(3)在查阅文献基础上展开设计,力求创新。
2、技术要求
(1)任意波形的真有效值测量;
(2)输入信号峰峰值:
小于10V;
(3)显示格式及精度:
××××mV;
(4)测量误差:
小于10mV
摘要
随着微机化数字测量技术的日益普及,数字式有效值测量产品已遍布电测量领域的各个方面。
本设计以AD736作为真有效值转换电路的核心芯片,辅以必要的外围电路设计了一个真有效值测试仪。
AD736是一个低功率、高精度、单片真有效值/直流变换器,它具有准确性高、灵敏度好、测量速率快、频率特性好、输入阻抗高、输出阻抗低、功耗低以及测量范围宽等特点。
相对于非真有效值整流电路,AD736在同等或更低的成本的条件下能够提供更高的精度。
本次实习采用TLC1543作为A/D接口电路用于采集经AD736转换输出后的直流电压,TLC1543是11通道的10位模/数转换器,简化了电路结构,应用较为方便。
并且选择由模拟开关CD4051和由电阻组成的衰减器用来作为电压输入电路,从而实现了量程转换控制功能。
关键词:
单片机;真有效值;AD736;模/数转换器;量程转换
方案比较及选择
(方案数量可根据具体情况而定。
方案论述要求简明扼要,突出设计原理。
)
方案1:
在数字系统中,利用高速A/D对电压进行采样,将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值,即可得出电压有效值:
方案2:
一个交变信号的变化情况可用波峰因数
来表示,波峰因数定义为该电压的峰值和有效值之比,即:
。
方案3:
高频正弦信号可采用峰值检测的方法来测量。
取样回来的输出电压经过二极管和电容进行峰值检波,并经过高精度运算放大器进行衰减和保持后,再输入A/D转换器转换为数字信号。
使用检波用的肖特基二极管大概会有0.2V管压降,完全可以通过单片机进行程序上的补偿。
然而这种电路也存在着局限性,只能适用于正弦信号测量。
方案4:
采用集成真有效值变换芯片,能够直接输出被测信号的真有效值。
真有效值直流变换器,它可以直接测得输入信号的真实有效值,并和输入波形无关,它具有集成度高,功能完善,极大简化了电路设计。
确定方案及理由:
方案1需要高速A/D。
方案2不同波形的波峰因数不一致,尤其是被测信号未知情况下无法确定波峰因数,不规则信号更是无法确定波峰因数。
方案3只适用于测量正弦信号。
故采用方案4作为本次实习的方案。
第1章总体设计方案
1.1总体设计方案
由于市场上具有真有效值的测量功能的数字式电压表和智能仪器有很多,但是大多数结构复杂,价格昂贵。
通过对真有效值测量方法的理解以及对各种测量方案的综合考虑,本次实习即是针对电压真有效值的测量,选用了价格较为低廉的集成芯片来实现对真有效值的测量功能,并运用单片机编程控制加以实现。
系统设计采用集成真有效值变换芯片,不但能够直接输出被测信号的真有效值,而且它直接测得的输入信号的真实有效值,和输入波形无关,从而具有集成度高、功能完善的特点,极大简化了电路设计。
其具体系统原理框图如图1.1所示。
图1.1真有效值测试系统框图
1.2软硬件功能分析
系统的总体工作过程是这样的:
首先输入信号通过模拟开关通路来选择合适的量程转换,再将输入信号送到由真有效值转换芯片组成的真有效值转换电路中,然后将转换后输出的直流电压输入到A/D转换电路中去,通过A/D输出由模拟量转换成的数字量,最后通过单片机编程实现从数字量编码转换到七段译码送到数码管显示输出测量结果。
其中,通过对器件性价比及其他方面的考虑,真有效值/直流转换器选择采用了AD公司生产的AD736作为真有效值转换电路的核心芯片。
同时采用TLC1543作为A/D接口电路用于采集经AD736转换输出后的直流电压,TLC1543是11通道的10位模/数转换器,简化了电路结构,应用较为方便。
选择由模拟开关CD4051和由电阻组成的衰减器作为电压输入电路,实现量程转换控制功能。
另外,数码显示部分采用动态扫描显示的方式,通过单片机编程控制加以实现。
第2章硬件电路设计
2.1单片机最小系统电路设计
单片机最小系统设计是单片机应用系统设计的基础。
AT89S52单片机最小系统电路如图2.1所示。
图2.1单片机最小系统电路
2.2输入电路及其接口技术
输入电路的作用是将不同量程的被测电压调理到A/D转换器的输入电压范围,由输入衰减器、前置放大器、真有效值/直流转换器、量程转换控制以及自动校准电路等组成。
以AD736为核心组成的0~200V真有效值变换电路如图2.2所示。
图2.2真有效值变换电路
当被测交流电压超过200mVRMS时,必须在AD736前加一级分压器,以将被测电压衰减到200mV以内。
电阻R1~R4串联组成衰减器,分别为不衰减、1/10、1/100和1/1000,对应量程为200mV/2V/20V/200V。
这样不同量程通过模拟开关切换即可实现。
为保证精度和稳定性,选用温度系数为100ppm/℃的金属膜电阻,各电阻值采用串联或并联方法获得。
换档开关可以通过模拟开关CD4051实现。
电容C1为隔直电容,若选AD736低频截止频率为2Hz,则
μF
因而选取C1=1μF,耐压大于400V。
保护电路由R5、VD1、VD2组成。
R5取值越大,保护性能越好,但将使频率特性变坏,通常取R5为33k
。
CC为AD736用于交流测量时必须外接的电容。
若低频截止频率选为2Hz,则
μF
式中,8k
电阻为AD736的1脚内部电阻。
CD4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码ABC来决定。
“INH”是禁止端,当“INH”=1时,各通道均不接通。
此外,CD4051还设有另外一个电源端VEE,以作为电平位移时使用,从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并使这种多路开关可传输峰—峰值达15V的交流信号。
例如,若模拟开关的供电电源VDD=+5V,VSS=0V,当VEE=-5V时,只要对此模拟开关施加0~5V的数字控制信号,就可控制幅度范围为-5V~+5V的模拟信号。
CD4051引脚功能见图2.3所示,CD4051真值表见表2.1。
。
由于CD4051是非线性元器件,在交流信号输入不同时会对导通信号的测量结果产生不同的影响,从而产生测量误差。
所以在之后接入的AD736的典型应用电路采用了高阻抗输入的方式,能够减小此类误差。
图2.3CD4051的外部引脚排列图
表2.1CD4051的真值表
输入状态
开关通道
INH
C
B
A
L
L
L
L
L
L
L
L
H
L
L
L
L
H
H
H
H
X
L
L
H
H
L
L
H
H
X
L
H
L
H
L
H
L
H
X
O/I←→I/O0
O/I←→I/O1
O/I←→I/O2
O/I←→I/O3
O/I←→I/O4
O/I←→I/O5
O/I←→I/O6
O/I←→I/O7
均不接通
2.3A/D接口电路设计
模拟的真有效值需要通过A/D转换为数字量,本设计采用10位的A/D器件TCL1543。
TCL1543是美国德州仪器公司于近年推出开关电容逐次逼近式10位有11通道串行模拟输入A/D转换器。
它有4个控制输入端:
片选(
)、输入/输出时钟(CLK)、数据输出(DOUT)以及地址输入端(DIN),可以通过一个串行的3态输出口以SPI方式与主处理器或其它外围器件串口通信。
TLC1543与单片机接口电路如图2.4所示。
图2.4TLC1543接口电路
2.4人机接口电路设计
本设计利用数码管作为显示单元,采用动态显示技术,电路如图2.5所示。
图2.5显示电路
2.5系统供电电源电路设计
本系统需要采用
5V电源,所采用的电源电路是由整流电路和三端稳压器组成的。
电路输出电压和最大输出电流决定于所选三端稳压器。
其电源电路如图2.7所示。
图2.7
5V电源电路
第3章系统软件设计
3.1软件总体设计思路
经过前几章的设计工作,系统的硬件电路设计已经完成了。
然而,对于一个完整的设计系统来说,只有硬件电路的设计完成是不够的,它必须通过软件编程来实现系统工作的控制功能,从而才能实现电路应有的系统功能。
单片机系统的软件设计主要使用汇编语言或高级语言。
汇编语言与系统硬件的关系密切,可方便地实现诸如中断管理以及模拟/数字量的输入/输出等功能,具有占用系统资源小、执行速度快的特点,但是,对复杂的大型应用系统,其代码可读性差,并不利于升级和维护。
高级语言的代码效率和长度都不如汇编语言,但其结构清晰、可读性好、开发周期短、有极强的可移植性,在多数应用方面执行效率与汇编语言的差距也不大,近年来得到了极为广泛的应用。
而C语言既有高级语言的各种特点,又可对硬件进行操作,并可进行结构化程序设计。
用C语
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