1、单片机原理及应用综合实验（课程设计）指导书第一部分 概述1.1 系统设计的一般原则微型计算机控制系统设计时，一般应做以下考虑： （1）确定设计任务，对设计方案进行调研，包括查阅资料、分析研究、确定系统的技术指标。 （2）系统方案设计，包括芯片的选择、综合考虑软件硬件的分工与分配。 （3）系统的软件硬件设计。（4）系统调试。1.2 软硬件设计的内容1 单片机硬件设计包含以下内容：（1）存储器扩展：程序存储器和数据存储器的扩展； （2）接口扩展：并行I/O口扩展，串行I/O口扩展，模拟量接口扩展；（3）定时器/计数器的扩展；（4）中断源的扩展；另外，在单片机外部电路接口较多时，必须考虑其驱动能力（
2、P2，P0），因为驱动能力不足，会影响系统工作的可靠性。2 硬件测试单片机硬件原理设计（方案）完成后，即可进行电路板的设计制作，安装元器件后，编制简单的测试程序，借助单片机仿真开发装置，对硬件进行必要的测试，检查硬件是否能正常工作。通常通过测试程序检查地址线（片选线、选通线）、控制线（读写控制、输入输出控制、时钟信号等）、数据总线（通过测试程序发送特定的数据，如AA、55，检查地址线顺序是否连接正确）、外围芯片等是否正常。3 软件设计和调试单片机系统的软件是根据系统功能要求设计的，详细分析系统要求，可靠地实现各种功能。系统的软件设计和硬件设计可以同时进行。在软件调试过程中，对照设计要求，在单片
3、机仿真开发装置上对软件的各个部分进行调试修改。4 系统调试检验软硬件设计的正确性，有时需重复几次，直至满足设计要求。第二部分 参考方案介绍2.1 通用控制器单片机系统部分的方案2.1.1 设计内容介绍及实现方案（1） 设计要求微控制器：MCS-51系列Intel8031、ATMEL89C51/89C52程序设计容量不大于8K，预留外部数据存储器空间2K；16点输入（两个字节），16点输出（两个字节），8个模拟量输入通道，1个模拟量输出通道，定时/计数器不少于2个，可提供2个以上的外部中断源接口。参考资料：集成电路手册查阅相关芯片的管脚定义和芯片功能（2） 设计方案根据设计要求，可选以下主要外围
4、芯片：1）程序设计容量不大于8K： 可选 一片2764，27128，27256，27512，或者2片2732，4片2716；2）外部数据存储器空间2K： 可选 一片6116，6264；3）8个模拟量输入通道 ： 可选 一片ADC0809；4）1个模拟量输出通道 ： 可选 一片ADC0832；5）16点输入（开关量）： 可选 一片8155，或者2片74LS244；6）16点输出（开关量）： 可选一片8155，或者2片74LS273；7）由于单片机内部具有2个定时/计数器2个，可提供2个的外部中断源，这一部分可以不用扩展；若采用8155实现I/O口扩展，还可提供2个14位定时/计数器。在分配芯片地
5、址时，可用线选法和译码器译码法，由于系统中外围芯片较多，最好采用译码器译码法，译码器可采用74LS138，74LS139，74LS154。另外，在设计时，必须考虑地址总线和数据总线的驱动能力（P2，P0），必要时，要加接总线驱动器，P0加接双向总线驱动器74LS245，P2加接单向总线驱动器74LS244。（3） 设计方案A、参考方案一（图1）采用74LS244/245及74LS273构造输入输出口，模拟量输入输出采用ADC0809、ADC0832，设计适当的存储器（程序存储器、数据存储器）。单片机晶振复位88xP2P0ALE74LS373EPR0MRAMPSENRSTRDWRy译码器产生RA
6、M、273、244、0809、0832的片选信号（x+y=8）74LS24474LS24474LS27374LS27308090832片选1+片选2+电平转换电平转换输入设备：如：开关、按钮、限位开关片选0片选3+片选4+驱动电路驱动电路输出设备：继电器、接触器、电磁铁等片选5逻辑电路START、OE，ALEA0,A1,A2IN0-IN7EOC接中断变送器或转换电路 传感器片选6转换电路 执行器图1 参考方案一B、参考方案二（图2）采用8155构造输入输出口，模拟量输入输出采用ADC0809、ADC0832，设计适当的存储器（程序存储器、数据存储器）。参考资料：微机控制系统及应用教材，武自芳等
7、编，西安交通大学出版社。单片机基础教材，李光第，北航出版社。2.1.2 通用控制器输入口电平转换电路及输出口驱动电路的设计 单片机系统采用单一5V直流电源工作，单片机所处理的信息满足TTL电平规则，而在实际应用中，被控对象的执行装置的工作电压和检测装置的检测信号为非TTL电平信息，所以，必须将检测信号的非TTL电平信息（如限位器，位置信号等）转化为TTL电平信息，才能被计算机处理，同时，计算机产生的控制信息（TTL电平信息），必须经过驱动电路，将控制信息（TTL电平信息）转化为执行装置的所需工作电压，这样才可驱动执行装置动作（如继电器，接触器，电磁阀等）。同时，为了防止干扰，提高系统可靠性，在
8、电路中采取光电隔离措施。图2 参考方案二1 输入电平转换电路的设计（1） 基于直流输入信号的电平转换电路。（图3）开关（1）去计算机输入点图3 直流输入电路（2）VCC（2） 基于交流输入信号的电平转换电路。（图4）图4 交流输入信号的电平转换电路2 输出驱动电路的设计本设计输出口驱动电路可为继电器输出形式，或固态继电器输出形式，或晶体管输出形式，或晶闸管（可控硅）输出形式。（1） 继电器输出形式（图5（1）、（2）PA0815512VKAD单片机系统负载（指示灯，继电器，接触器，电磁铁线圈电源PA08155Y0112VKA0D0Y02PA1Y1112VKA1D1Y12图5（1）继电器输出形式
9、PA08155VccOPTD负载（指示灯，继电器，接触器，电磁铁线圈直流电源R1R2R3T1图5（2）继电器输出形式 图6 晶体管输出形式晶闸管（可控硅）输出形式和固态继电器输出形式可参考有关计算机控制技术方面的资料，在此不再介绍。有关控制器输入口电平转换电路及输出口驱动电路设计原理可参考以下资料中关于可编程序控制器输入输出口的相关内容：参考资料建筑电气控制技术，王俭编，建筑工业出版社，1996。MCS-51系列单片机应用系统设计、系统配置与接口技术，何立民编，北京航空航天大学出版社，19902.1.3 电源设计通用控制器电源设计有以下几个：（1）单片机系统工作电源：+5V，功率设计为10W；
10、（2）根据要求提供给外部的24V，0.5A；（3）电平转换及驱动电路所需的直流电源，根据所选元件而定，功率设计为15W20W；应注意，在绘图时，若系统中有多个直流电源且不共地，图纸中各个电源的地符号应不同；如有两个24V直流电源且不共地，则一个电源的地符号为，另一个电源的地符号为，若多个直流电源且共地，则地符号应相同。一种电源设计参考方案（图7）：选用三端集成稳压器：7805，7824。变压交流电源220VACFUSE整流滤波稳压7805直流电源5V图7参考资料 模拟电子技术教材2.1.4 采用通用控制器实现电机的控制设计步骤：（1）根据课题要求，确定控制方案，完成输入输出点的分配；（2）根据
11、课题要求，画出软件流程图；（3）根据流程图编制程序；（4）调试程序，使其能实现课题所要求的功能。1 电机转速的测量与显示电动机发电机放大电路nUA/D转换0-5V0809的IN0单片机系统（1）、测速发电机图8电机转速的测量原理： 若电机的转速在0-3000转/分，假定A/D转换为理想线形，则转速与数字量（0809为8位）的对应关系如下：转速0809电压输入0809数字量输出0000000000（00H）325062500011111（1FH）75012500111111（3FH）15002501111111（7FH）3000511111111（FFH）在计算机中，事先已经建立了转速数值与数字
12、量之间的关系（建立一个表），若要显示实际的转速，可以通过 查表的方法得知数字量对应得转速，如由7FH可以从转速表中通过程序查得转速为1500转/分，这样可以通过数码显示器显示该数值。由于建立转速表较长，比较麻烦，有时采用下列方法：建立一个较小的表，表中只存储个别特征电的值，然后在程序中通过插值法（插值关系事先已知），求得采样数据所对应得实际值。电动机n发射 接收整形单片机应用系统接单片机计数器输入端（2）光电码盘码盘（b）（a） VccR码盘发射管接收管方波输出VccR码盘发射管接收管 方波输出 （d）（c）图9原理： 码盘上一周均匀地开有n个小孔（图9-b），当发射管的发射光被码盘的孔间隔遮
13、挡时（图9-c），接收管截止（图9-c），通过整形后，该电路输出低电平0，当发射管的发射光从码盘上的孔透过时（图9-d），接收管导通，通过整形后，该电路输出高电平1；当码盘随电机主轴转动时，在该电路的输出端就会产生连续的方波，每转动一转，则产生n个周期的方波。当电机转速高时，则方波的周期小，当电机转速低时，则方波的周期长。若在一单位时间内测量到M个周期方波，则M/n为该单位时间内电机的转速，将该值转化为一分钟的转速，即为电机的转速，将它送到显示器显示。（3）旋转编码器原理同光电码盘，请参阅电梯控制技术教材，梁延东编，中国建工出版社，1996:P153-160参考资料电梯控制技术教材，梁延东编，
14、中国建工出版社，1996:P153-160（4）数码管静态显示静态显示时，需在方案一二上增加显示驱动元件，以方案二为例:WR片选174LS27374LS273片选4WR74LS273片选2WR74LS273片选3WRD0-D7（P0.0-P0.7）图10 需要硬件较多，需要片选线相应增加，所以需要解决每个锁存器的地址问题，必要时采用低位地址线译码，如A1、A0，然后，与高位地址线译码输出线相或，由此决定每个锁存器的地址。优点：编程简单。（5）、数码管动态显示动态显示时，需在方案一二上增加显示驱动元件，以方案二为例:1）增加一片8155VCCRX88PA8PC0PC1PC2PC3驱动元件图11设
15、置8155为输入输出口状态，I0/M=1，PA、PC为输出口，从译码器输出端选择一个片选线，其它同单片机的连线与另外两片8155相同。VCCRX88Q0Q1Q2Q3P0.0-P0.784片选1片选274LS27374LS2732）增加两片74LS273图12（6）、采用模拟仪表指示转速采用模拟仪表指示转速，可以利用0832的数模转换功能，将转速值（二进制数，8位时，转速对应数值00FFH）通过0832输出，转换为模拟量（电流、电压），然后选用直流电压表或电流表来模拟显示转速，将电压表、电流表的刻度盘修改为与数值对应的转速值。参考资料：微机控制系统及应用教材，武自芳等编，西安交通大学出版社。MC
16、S-51系列单片机应用系统设计、系统配置与接口技术，何立民编，北京航空航天大学出版社，19902. 温度的测量将测温元件（热电阻、热电偶等）安装于电机的外壳上，测温元件将温度信号变换为电信号，经放大后，变成0-5V的模拟信号，将其接入0809的一个输入通道，单片机启动0809，就可测量到温度值，该值为二进制数（8位），该值对应的实际温度值可以通过查表获得。建立表的原理与测速问题相似。3. 电机控制系统及工作流程图13为一种简单电机控制系统的原理图图中S1启动，S2停机，KM接触器，FU熔断器，QO开关，采用模拟仪表指示转速，测速发电机测速，热电偶测温。LH为电机工作指示。S1S2X01X1Y0
17、1Y02LH+24VY01Y02L220VACN变送器IN0Iout1Iout2放大Meter M380V ACL11L21L31Q01FU1KMKMT GIN1测速发电机输出图132.1.5 图纸及说明书要求（1）、图纸用计算机（使用PROTEL或AUTOCAD）或手工制图，严禁徒手绘图，图面干净，线条笔直流畅；（2）、采用新国标电气符号，图纸标注齐全；（3）、说明书应对本次设计的方案、原理，进行详细科学的分析论证，对电源部分要做简单的校核计算，如变压器的容量，熔断器的容量，整流电路元件的参数等等。（4）、说明书应对本次软件设计的方案进行详细的说明。（5）、说明书应包含以下几部分（装订成册）
18、：1）、概述（序言）2）、通用控制器设计3）、电机控制系统的设计4）、总结5）、程序清单6）、设计图纸2.2 智能控制仪表的参考设计方案（题目1,2,3）硬件系统参考方案如图14所示。（1）I/O口芯片可以选用可编程芯片8155、8255、8279等，也可以选用TTL芯片74LS244、74LS245、74LS273、74LS373、74LS377等。（2）报警限位的设定可以采用键盘设定，其设置过程为：设置一个“设置报警限位”的功能按钮，当该键按下时，通过键盘设置报警限位值，按“确认”键后，设定数值有效。另一种方案采用增1“”和减1“”设置的方法，设置一个“设置报警限位”的功能按钮，当该键按下
19、时，按“”设定值增大，按“”设定值减少，按“确认”键后，设定数值有效。四个键即可解决问题。（3）数码管显示可以采用静态和动态方式，具体方法参照指导书2.1节的内容。（4）电池极性是否接反，可以利用二极管的特性，在供电电路中串接一个二极管，极性正确时，供电，极性接反时，二极管截止，系统不能获得供电。（5）传感器放大电路与具体的传感器有关，查阅自动检测技术和智能仪器仪表方面的资料，确定放大电路。图14 智能仪器仪表参考方案2.3电子钟表和温度表的参考设计方案（题目4,5）2.3.1 硬件系统参考方案图15 硬件系统参考方案如图15所示。（1） I/O口芯片可以选用可编程芯片8155、8255、82
20、79等，也可以选用TTL芯片74LS244、74LS245、74LS273、74LS373、74LS377等。（2） 采用增1“”和减1“”设置的方法，设置一个“设置时间”的功能按钮，当该键按下时，按“”设定值增大，按“”设定值减少，按“确认”键后，设定数值有效。采用一键多重定义的方法实现时、分、秒的切换设置。（3） 数码管显示可以采用静态和动态方式，具体方法参照指导书2.1节的内容。（4） 电池极性是否接反，可以利用二极管的特性，在供电电路中串接一个二极管，极性正确时，供电，极性接反时，二极管截止，系统不能获得供电。（5） 查阅自动检测技术和智能仪器仪表方面的资料，选用温度传感器（热电偶、半
21、导体传感器），确定放大电路。2.3.2 时间基准产生方案图16时间基准产生方案如图16所示，采用两个定时计数器，一个工作在定时方式，产生具有一定周期的方波，从P1.0输出，而另外一个工作在计数方式，计方波周期的个数，以实现较长时间的定时（如1秒）。在此基础上产生分、时、天、月、年的数值。另外一种方法，采用外部提供秒基准的方法，如采用一个晶体振荡器分频实现周期为1秒的方波信号，对它计数产生分、时、天、月、年的数值。3 软件设计（1） 根据功能要求，画出软件框图。并编制程序。（2） 说明书中应包括：方案说明，芯片的使用方法和设置程序，元器件参数选择的计算，总结，程序清单。程序清单样式：（例）;+;
22、 program define DISBUF1 EQU 30H ;30H,31H,32H,33H DISBUF2 EQU 34H ;34H,35H,36H,37H TEMP EQU 20H BIT_CON EQU 2000H SEG_CON EQU 3000H; PRT_CON EQU 4000H; 20H - 25H FLAG-BIT BUFFER; 30H - 37H DISPLAY BUFFER TOTAL EQU 26H TOTL0 EQU 27H CRT_HIGH EQU 53H K_HIGH EQU 3BH DAT_BUF EQU 60H DOT_BUF EQU 0C0H T_MO
23、D0 EQU 99H; 00001001 T_MOD1 EQU 99H; 00001001 COM0 EQU 40H ;GUN_TIME (HIGH) BINARY COM1 EQU 41H ;GUN_TIME (MID) COM2 EQU 42H ;GUN_TIME (LOW) ;THE MIN GUN TIME IN COM0,COM1,COM2 CNTBCD EQU 45H ;THE MIN GUN TIME(BCD) IN CNTBCD IBCD EQU 49H INPUT_M EQU 0FFH;* MAIN PROGRAM * ORG 0000H LJMP MAIN ;JUMP TO
24、 MAIN PRO;%;* MAIN PRO * ORG 0030MAIN: MOV SP,#60H LCALL INTI0 ;CLEAR DATA_BUFFER FOR GUN_SPEED LCALL INTI1 ;CLEAR DISLAY_BUFFER LCALL INTI2 ;SETTING TIMER/COUNTER OPERATING MODE LCALL INTI3 ;CLEAR DATA BUFFER FOR FLAG_BIT LCALL DIPLY0 MOV P3,#INPUT_M ;SETTING PORT P3 AS INPUT MOV P1,#INPUT_M ;SETTI
25、NG PORT P1 AS INPUT MOV R0,#50H MOV R1,#60H MOV R3,#00H MOV R4,#00H MOV K_HIGH,#00H MOV TCON,#00H.(程序省略). LCALL SEQUEN1 ;DATA PROCESSING,FINDING MAX LCALL SEQUEN ;DATA PROCESSING,FINDING MIN LCALL CALCUL ;60 * 106 / MIN =GUN_SPEED LCALL I_BCD ;CURRENT_UP_TIMP/1000 = XXX msGOON: LCALL DISPLAY LJMP GO
26、ON;*INTI0: MOV R0,#70H MOV R2,#8FH CLR ALOOP0: MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,LOOP0 RET;*INTI1: MOV R0,#30H MOV R2,#08H CLR ALOOP1: MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,LOOP1 RET;*INTI2: MOV A,#0 MOV CRT_HIGH,A MOV K_HIGH,A MOV TMOD,#T_MOD0 ;SETING TIMER/COUNTER MODE MOV TL0,#00 ;SETING TIMER/COUNTER MODE MOV TH0,#00 ;
27、SETING TIMER/COUNTER MODE MOV TL1,#00 ;SETING TIMER/COUNTER MODE MOV TH1,#00 ;SETING TIMER/COUNTER MODE RET;*INTI3: MOV R0,#20H MOV R2,#0FH CLR ALOOP2: MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,LOOP2 RET;$ DISPLAY A CHARACTOR $; R1: DISPLAY CHARACTOR ( BCD CODE & CHAR-CODING); R2: DISPLAY BIT; DISPLAY A CODE ON LEDDI
28、PLY: MOV DPTR,#LEDSEG MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#SEG_CON MOVX DPTR,A MOV A,R2 MOV DPTR,#BIT_CON MOVX DPTR,A ACALL DS1 ACALL DOPLY ;CLOSE LED RETLEDSEG: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H ;0,1,2,3,4,5,6,7 DB 7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H ;8,9,A,B,C,D,E,F DB 0BFH,86H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,8
29、7H ;0.,1.,2.,3.,4.,5.,6.,7. DB 0FFH,0EFH ;8.,9. DB 3EH,40H,08H,00H,0FH,5CH,73H,50H ;U, -, _, BLANK,I, O, P, r ; 1A 1B 1C 1D 1E 1F 20 21;+ DISPLAY A BIT +DOPLY: CLR A MOV DPTR,#SEG_CON MOVX DPTR,A CLR A MOV DPTR,#BIT_CON MOVX DPTR,A ACALL DS1 RET;* DS1: 10ms DELAY *DS1: PUSH PSW PUSH 06H PUSH 07H MOV
30、 R6,#01HLOP1: MOV R7,#088H NOPLOP2: DJNZ R7,LOP2 DJNZ R6,LOP1 POP 07H POP 06H POP PSW RET;* DISPLAY *; IN:BEING DISPLAYED DATA IN 30H,31H,32H,33H;34H,35H,36H,37H; LOW - HIGH;LOW - HIGH; FUNCTION:DISPLAY DATA FROM HIGH - LOW,; CONTROL REGISTER: R2DISPLAY:MOV R0,#DISBUF2+3 ;DISPLAY 34,35,36,37 MOV R2,
31、#0EFH ; 0111;1111DIPLAY: MOV A,R0 MOV R1,A CJNE A,#00H,DOPLAY MOV R1,#1DH ;DISPALY BLANK LCALL DIPLY DEC R0 MOV A,R2 RL A MOV R2,A XRL A,#0FEH ;1110;1111 JNZ DIPLAY MOV A,#00 MOV R1,A MOV R2,#7FH LCALL DIPLY SJMP NEXTPDOPLAY: MOV A,R0 MOV R1,A LCALL DIPLY DEC R0 MOV A,R2 RL A MOV R2,A XRL A,#0FEH JN
32、Z DOPLAYNEXTP: MOV R0,#DISBUF1+3 ;DISPLAY ANOTHER 4 BITS MOV R2,#0FEH ; 1111;0111DIPLY1: MOV A,R0 MOV R1,A CJNE A,#00H,DOPLY1 MOV R1,#13H ;DISPALY BLANK LCALL DIPLY DEC R0 MOV A,R2 RL A MOV R2,A XRL A,#0EFH ;1111;1110 JNZ DIPLY1 MOV A,#00 MOV R1,A MOV R2,#0F7H LCALL DIPLY SJMP PENDDOPLY1: MOV A,R0 M
33、OV R1,A LCALL DIPLY DEC R0 MOV A,R2 RL A MOV R2,A XRL A,#0EFH JNZ DOPLY1PEND: RET;&SEQUEN: MOV A,#02H CLR C （省略）; 2- 10 SUBPROGRAM ; IN: R0,R1,R2, 6 BITS HEX, HIGH - LOW; LOW =999999IDTB: MOV A,#00H MOV R3,A MOV R4,A MOV R5,A MOV R6,A MOV R7,#24LOOP: CLR C MOV A,R2 RLC A MOV R2,A MOV A,R1 RLC A MOV
34、R1,A MOV A,R0 RLC A MOV R0,A MOV A,R6 ADDC A,R6 DA A MOV R6,A MOV A,R5 ADDC A,R5 DA A MOV R5,A MOV A,R4 ADDC A,R4 DA A MOV R4,A MOV A,R3 ADDC A,R3 DA A MOV R3,A DJNZ R7,LOOP RET;$ SBCD SUBROUTINE $;SUPRESSED BCD-CODE CONVERT TO SEPARATED BCD;IN: R5,R6;OUT: SEPARATED BCD-CODE IN DISBUFX+3 HIGH; DISBUFX+2 |; DISBUFX+1 |; DISBUFX+0 LOW; USEGE MOV R0,#DISBUFX; ACALL SBCD; SBCD: MOV A,R6 ANL A,#0FH MOV R0,A ;LOWEST BIT INC R0 MOV A,R6 ANL A,#0F0H SWAP A MOV R0,A ;LOWER LOW BIT INC R0 MOV A,R5 ANL A,#0FH MOV R0,A ;MID HIGH BIT INC R0 MOV A,R5 ANL A,#0F0H SWAP A MOV R0,A ;THE MOST BIT RET;+
