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类型单片机原理与接口技术实验指导书-学生.doc

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  • 文档编号:11179168
  • 上传时间:2020-02-12
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    单片机原理与接口技术实验指导书-学生.doc
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    1、单片机原理与接口技术实验实验指导书适用专业: 电信工程 通信工程 信息工程 自动化 信息与通信工程学院2011 年 5 月I前 言一、课程性质本课程是电子信息工程、通信工程、信息工程和自动化专业必修的专业实验课程,独立开课。通过本课程的教学,使学生深刻体会到单片机原理与接口技术的应用,掌握汇编或 C51 语言的语法和技巧,熟悉电子系统的设计和调试过程,使其具备研究和开发以单片机为核心的电子系统的能力。二、项目设置本课程总学时为 16,开设的具体实验项目如下: 实验 1 跑马灯控制(2 学时,必修) 实验 2 模拟交通灯控制系统设计(2 学时,选修) 实验 3 数码管动态扫描显示算法设计(3 学

    2、时,必修) 实验 4 矩阵式键盘显示设计(3 学时,必修) 实验 5 LED 点阵显示设计( 3 学时,选修) 实验 6 液晶显示设计(3 学时,选修) 实验 7 篮球比赛倒计时器设计(3 学时,选修) 实验 8 乐曲演奏设计(3 学时,选修) 实验 9 电机调速控制设计(3 学时,选修) 实验 10 串行数据存储设计(3 学时,选修) 实验 11 电子钟设计(3 学时,选修) 实验 12 数字电压表设计(4 学时,选修) 实验 13 数字温度计设计(4 学时,选修) 实验 14 万年历时钟设计(4 学时,选修) 实验 15 信号发生器设计(4 学时,选修)其中,实验 1 为验证性实验;实验

    3、2实验 10 为设计性实验;实验 11实验15 为综合性实验。三、专业安排电子信息工程专业可选修全部实验;通信工程、信息工程和自动化专业选修实验 1实验 11。II四、本书特点本指导书的特点是引入工程项目机制来管理实验项目,着重培养学生的方案设计、算法分析和现场调试能力,为将来成为卓越工程师打下坚实的基础。III目 录第一章 实验系统 11.1 整体架构 11.2 核心板 11.3 主要模块 2第二章 开发平台 32.1 Keil C51 简介 .32.2 uVision 开发流程 .3第三章 实验项目 7实验 1 跑马灯控制 7实验 2 模拟交通灯控制系统设计 9实验 3 数码管动态扫描显示

    4、算法设计 12实验 4 矩阵式键盘显示设计 16实验 5 LED 点阵显示设计 19实验 6 液晶显示设计 23实验 7 篮球比赛倒计时器设计 27实验 8 乐曲演奏设计 30实验 9 电机调速控制设计 34实验 10 串行数据存储设计 38实验 11 电子钟设计 43实验 12 数字电压表设计 46实验 13 数字温度计设计 50实验 14 万年历时钟设计 54实验 15 信号发生器设计 59附录 实验报告基本要求 651第一章 实验系统1.1 整体架构HNIST 型单片机实验系统分为多个模块,各模块之间相对独立。图 1.1 HNIST 型单片机实验系统整体1.2 核心板图 1.2 HNIS

    5、T 型单片机实验系统核心板21.3 主要模块1、流水灯对流水灯的操作可能是初学者最先体会到成就感的一个项目,该实验板的流水灯由四个发光二极管组成,流水灯的旁边设有四个针头的排针,这样可以用连接线接入单片机的任意 I/O 口来控制流水灯。我们可以用这几个发光二极管实现跑马灯、交通灯等功能。2、数码管数码管是该实验板上最能验证程序功能的输出器件。数码管旁边有四个跳线帽,分别用来控制四个数码管工作状态。当然这种控制只是在硬件上的控制,在软件上的控制则可以通过对 74SL573 锁存器的编程实现。数码管可用于静态显示和动态扫描。3、44 矩阵键盘我们可以通过键盘来控制流水灯的亮灭,也可用它来控制数码管

    6、上数字或字母的显示。键盘和数码管结合可以通过编写程序来实现计算器功能、日历等。4、EEPROMAT24C02 在单片机应用中,作为 EEPROM 储存器用,与单片机通过 I2C通信。优点是掉电后仍可以保存数据。比如单片机运行时,手动设置了一些参数,可以用它保存起来。即可对其进行读操作又可进行写操作,并且在断电后可保存数据。5、实时时钟芯片本实验板含有 1 片 DS1302 芯片,内含有 1 个实时时钟/日历和 31 字节静态RAM,通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息,每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过 AM/PM 指示决定

    7、采用 24 或 12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信。另外该芯片含备份电源接口,掉电后时钟仍然能够正确的运行。3第二章 开发平台2.1 Keil C51 简介Keil C51 是德国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机开发工具。它集编辑、编译、仿真与调试于一体,支持 C 语言与汇编语言开发。Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,生成的目标代码效率非常高。C51 工具包目前的集成开发环境 uVision 将项目管理,源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中。2.2 uVision 开发流程为项

    8、目建立文件夹,把相关的源程序和头文件等都保存到此文件夹。1、启动 uVision首先双击桌面 uVision 图标,启动 uVision。图 2.1 uVision 启动界面2、建立工程单击 Project 菜单,在下拉菜单选中 New Project 选项。图 2.2 建立工程菜单43、保存工程选择之前建立的文件夹,输入工程文件的名字,然后单击保存。图 2.3 保存工程文件4、选择器件keil C51 几乎支持所有的 51 核的单片机,以 Atmel 公司的 AT89S52 来说明,如下图所示,展开 Atmel。图 2.4 器件选择然后选择 AT89S52,单击“确定”。5、加载标准启动文件

    9、单击“是(Y)”。6、编辑源程序单击 File 菜单,在下拉菜单单击 New。图 2.5 新建源程序单击 File 菜单,在下拉菜单选中 Save As,注意必须键入正确的扩展名。5用 C 语言编写程序,扩展名为(.c) ;用汇编语言编写程序,扩展名必须为 (.asm)。图 2.6 保存源程序7、添加源程序到工程在编辑界面,单击 Target 1 前“”号,在 Source Group 1 上单击右键,再单击 Add File to Group Source Group 1,选择源程序。图 2.7 添加源程序到工程8、设置目标文件属性单击 Project 菜单,在下拉菜单单击“Options

    10、for Target Target 1”。在下图中,单击 Output 标签,选中 Create HEX File 选项,使程序编译后产生 HEX代码。图 2.8 设置目标文件属性9、编译工程单击 Project 菜单,在下拉菜单单击 Built Target。如果有错误,应重新修改6源程序,直至通过编译。10、下载目标程序运行 progisp,弹出对话框如下图 2.9 所示。图 2.9 下载程序首先单击“select chip”下拉列表,选择 AT89S52 芯片;然后单击“调入Flash”按钮,找到工程编译后生成的 hex 文件;最后选中 “芯片檫除”、“编程 FLASH”、“数据自动重载

    11、 ”和“校验 FLASH”选项,单击“自动”按钮。7第三章 实验项目实验 1 跑马灯控制实验学时:2实验类型:验证实验要求:必修一、实验目的通过本实验的学习,掌握单片机通用 I/O 口的功能,熟悉 Keil 平台的操作流程,学会延时程序的编写。二、实验内容单片机控制 4 个发光二极管,设计跑马灯效果。各灯首先从左到右依次点亮,再从右到左依次点亮;然后全部点亮,再全部熄灭。以上过程循环出现。三、实验原理、方法和手段1、系统方案利用单片机的 P2 口作为输出端口,使 4 个发光二极管按照一定的花样亮灭,循环变化。图 3.1 跑马灯驱动电路82、软件算法图 3.2 跑马灯控制流程图延时函数的编写,如

    12、用汇编语言编程,可考虑用多个寄存器嵌套计数实现;如用 C51 语言编程,可通过多重循环语句实现,但应注意循环变量的取值范围,避免陷入死循环。四、实验条件PC 机,HNIST 型单片机实验系统。五、实验步骤1、用排线将 P2 口相应端口连接到发光二极管;2、启动 Keil 平台,编写程序;3、编译和下载程序,观察发光二极管的变化。六、实验报告要求应提供硬件电路和源程序,并回答思考题。七、思考题1、单片机的 I/O 口作为输入口,可以接收哪些输入设备的信号?2、单片机的 I/O 口作为输出口,可以驱动哪些输出设备?3、以单片机为核心控制外设,与传统模拟和数字电路相比,有哪些优势?开始输出变化花样调

    13、用延时函数9实验 2 模拟交通灯控制系统设计实验学时:2实验类型:设计实验要求:选修一、实验目的通过本次实验,掌握单片机内部定时器的工作原理和使用方法,学会中断处理程序的编写。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心,通过 P2 口控制 4 组发光二极管,每组有红绿黄三色,模拟十字路口交通灯的控制。2、交通灯图 3.3 交通灯驱动电路交通灯共有 4 个状态,应循环执行。初始状态为南北通行:南北绿灯、东西红灯保持 25 秒;后转为过渡状态:南北黄灯、东西红灯保持 5 秒;再转为东西通行:东西绿灯、南北红灯保持 25 秒;最后转为过渡状态:东西黄灯、南北红灯保持 5 秒。3、软件算法(1)主程序引

    14、入有限状态机实现交通灯多状态的变化。10图 3.4 主程序流程图(2)定时器中断处理子程序利用单片机内部的定时器来计时。图 3.5 定时器中断处理子程序流程图开始恢复计数初值秒参数加 1到 1 秒 ?NY返回秒参数清零到 6 0 秒 ?NY开始初始化定时器秒参数 3 0 ?东西过渡秒参数 2 5 ?东西通车YY南北过渡秒参数 5 5南北通车NYNN初始化秒参数11三、实验要求1、功能要求交通灯共有 4 个状态,应循环执行。具体技术指标如下:各状态时间误差0.01 秒2、预习要求在实验前提交设计方案,给出硬件电路,分析软件算法。四、实验条件PC 机,HNIST 型单片机实验系统。五、调试及结果测

    15、试表 3.1 交通灯控制实验测试结果交通灯状态 南北通行 南北过渡 东西通行 东西过渡灯的亮灭运行周期时间误差六、实验报告要求应提供电路、流程图、源程序和测试结果,总结调试过程,并回答思考题。七、思考题1、如果单片机的 I/O 口已经被占用一部分用于其它功能,可以引入什么类型的接口电路,来解决引脚不够分配的问题?2、如果要让救护车和警车优先通过十字路口,应怎样改进硬件电路,修改软件算法?12实验 3 数码管动态显示设计实验学时:3实验类型:设计实验要求:必修一、实验目的通过本次实验,掌握数码管动态显示的工作原理和驱动电路,学会动态显示程序的编写。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心,扩展三

    16、极管 9013 驱动数码管的位码,74573 芯片驱动数码管的段码,实现数码管的动态显示。要求显示当前日期,如 3 月 1 日,则显示 0301。2、数码管数码管内部电路如下。图 3.6 数码管内部电路表 3.2 共阴极数码管编码字符 编码 字符 编码 字符 编码0 0xfc 6 0xbe C 0x9c1 0x60 7 0xe0 d 0x7a2 0xda 8 0xfe E 0x9e3 0xf2 9 0xf6 F 0x8e4 0x66 A 0xee 无显示 0x005 0xb6 B 0x3eabcdegGNDfdpGNDa bcef gd dpabcdefgdp dpgfedcba 5V( a)

    17、 ( b)13数码管有两种工作方式:静态显示和动态显示。(1)静态显示每个数码管的段码都需要独立的数据锁存器锁存,当送入字形码后,显示字形可一直保持,直到送入新字形码为止,显示亮度较高。(2)动态显示轮流选中多个数码管显示不同字符,由于人眼的视觉惰性,感觉是同时显示。为了减少硬件成本,通常采用动态显示。3、整体电路图 3.7 数码管动态显示驱动电路EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06

    18、33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30TXD 11RXD 10U2P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27TMSP10P11P12P13P14P15P16P17T19013T29013T39013T49013R181KR211KR171KR201KRXDTXDVCCALERDINT1INT0T0T1WR1234567891011124abcdefgdpCOM1COM2COM3COM4123DS1SMG4OC1C111D21Q 192D3

    19、2Q 183D43Q 174D54Q 165D65Q 156D76Q 147D87Q 138D98Q 12U374LS573R1410kVCCAT89S52144、软件算法(1)主程序图 3.8 主程序流程图(2)数码管动态显示子程序图 3.9 数码管动态显示子程序流程图开始初始化显示缓冲区调用数码管动态显示函数开始显示完一轮 ?Y输出位码读显示缓冲区 , 输出段码N初始化位码调整位码延时 1 m s关显示返回15三、实验要求1、功能要求数码管显示应稳定清晰。2、预习要求在实验前提交设计方案,给出硬件电路,分析软件算法。四、实验条件PC 机,HNIST 型单片机实验系统。五、调试及结果测试表

    20、3.3 数码管动态显示实验测试结果数码管 LED1 LED2 LED3 LED4显示字符是否稳定六、实验报告要求应提供电路、流程图、源程序和测试结果,总结调试过程,并回答思考题。七、思考题1、数码管动态显示时,位扫描间隔时间是多长?2、如何消除前一位的编码对当前位选通瞬间的影响?3、扩展实验 2,对交通灯的状态进行倒计时并显示。16实验 4 矩阵式键盘显示设计实验学时:3实验类型:设计实验要求:必修一、实验目的通过本次实验,掌握矩阵式键盘的驱动电路和扫描方法,学会键盘消抖和扫描程序的编写。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心,通过 P2 口驱动矩阵式键盘,高 4 位接入键盘的列,低 4位接

    21、入键盘的行,并进行逐行扫描,识别按键,送数码管显示。2、矩阵式键盘图 3.10 矩阵式键盘驱动电路矩阵式键盘有两种扫描方法。(1)行反转法首先,将全低电平输出到行,读入列信号,确定按键所在的列;然后,将全低电平输出到列线,读入行线信号,确定按键所在的行。(2)行扫描法将低电平逐行输出到行,读入列信号,确定按键所在的行和列。3、显示模块参见实验 3 说明。174、软件算法(1)主程序图 3.11 主程序流程图(2)键盘扫描子程序键盘扫描子程序流程图见下页。三、实验要求1、功能要求准确快速识别按键。2、预习要求在实验前提交设计方案,给出硬件电路,分析软件算法。四、实验条件PC 机,HNIST 型单

    22、片机实验系统。五、调试及结果测试表 3.4 数码管动态显示实验测试结果测试次数 1 2 3 4实际按键显示字符六、实验报告要求应提供电路、流程图、源程序和测试结果,总结调试过程,并回答思考题。七、思考题1、怎样消除按键的抖动?2、如何处理多个按键同时按下的情况?开始调用键盘扫描函数调用数码管显示函数18图 3.12 键盘扫描子程序流程图开始扫描完各行Y输出键盘行扫描码N返回列线输入全高YN计算按键键值列线输入全高YN行线输出全低列线输入全高YN调用显示函数 , 延时 1 2 m s 消抖列线输入全高YN确定按键列号调用显示函数19实验 8 乐曲演奏设计实验学时:3实验类型:设计实验要求:选修一

    23、、实验目的通过本次实验,掌握蜂鸣器的工作原理和驱动电路,学会乐曲演奏程序的编写。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心,通过 P1 口输出方波信号,驱动蜂鸣器发声,演奏乐曲。图 3.23 梁祝乐谱2、乐曲演奏图 3.24 乐曲演奏电路20(1)音符控制利用单片机片内的定时器来定时,取反 P1 口的相应端口,即可输出方波,使喇叭演奏乐曲中相应的音符。表 3.8 音符频率值低音(Hz) 中音(Hz) 高音(Hz)1 261.6 1 C 523.3 1 1046.52 293.7 2 D 587.3 2 1174.73 329.6 3 E 659.3 3 1318.54 349.2 4 F 698

    24、.5 4 1396.95 392 5 G 784 5 15686 A 440 6 880 6 17607 B 493.9 7 987.8 7 1975.5(2)节拍控制取 0.25 秒代表 1 个 8 分音符的时长,将乐曲分割成连续的 8 分音符序列。用延时程序获得 0.25 秒,每当延时结束,即切换到下一个 8 分音符。3、软件算法(1)定时器中断处理子程序图 3.25 定时器中断处理子程序流程图开始恢复计数初值蜂鸣器控制端取反返回21(2)主程序图 3.26 主程序流程图三、实验要求1、功能要求乐曲演奏应保证音调和旋律均符合曲谱。2、预习要求在实验前提交设计方案,给出硬件电路,分析软件算法

    25、。四、实验条件PC 机,HNIST 型单片机实验系统。开始初始化定时器到乐曲结尾 ?获取当前音符NY获取定时常数节拍延时音符计数增 1音符计数清 0获取对应节拍22五、调试及结果测试表 3.9 乐曲演奏实验测试结果演奏次数 1 2 3音调旋律六、实验报告要求应提供电路、流程图、源程序和测试结果,总结调试过程,并回答思考题。七、思考题1、扩展数码管,分别显示当前正在演奏的高、中、低音的音符和节拍。2、怎样扩展系统,使其可以演奏双声道乐曲?23实验 9 电机调速控制设计实验学时:3实验类型:设计实验要求:选修一、实验目的通过本次实验,掌握步进电机的工作原理和驱动电路,学会步进电机脉宽调制程序的编写

    26、。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心,通过 P1 口输出脉冲信号,驱动步进电机旋转。通过 P2口引入键盘,实现对步进电机的启停、转向和 8 级转速控制。2、步进电机图 3.27 步进电机驱动电路(1)转向控制步进电机以 4 相 4 拍方式工作,若按 顺序通电为正转,按 顺序通电为反转。(2)转速控制每改变 1 次节拍,步进电机旋转 7.5 度。调节脉冲周期,就可以控制步进24电机的转速。3、键盘模块参见实验 4 说明。4、软件算法(1)主程序图 3.28 主程序流程图(2)步进电机驱动子程序图 3.29 步进电机驱动子程序流程图开 始调 用 键 盘 扫 描 函 数调 用 步 进 电 机

    27、驱 动 函 数开始输出完 4 拍 ?YN返回启停标志位为 1 ?YN输出正转控制字转向标志位为 1 ?YN速度参数送延时函数输出反转控制字25(3)键盘扫描子程序图 3.30 键盘扫描子程序流程图开始扫描完各行Y输出键盘行扫描码N返回列线输入全高YN计算按键键值列线输入全高YN行线输出全低列线输入全高YN延时 1 2 m s 消抖列线输入全高YN确定按键列号调用键盘处理函数26(4)键盘处理子程序图 3.31 键盘处理子程序流程图三、实验要求1、功能要求马达实现启停和转向控制,转速有 8 级调节。2、预习要求在实验前提交设计方案,给出硬件电路,分析软件算法。四、实验条件PC 机,HNIST 型单片机实验系统。五、调试及结果测试表 3.10 马达调速控制实验测试结果控制顺序 1 2 3 4 5 6 7 8启停控制转向控制转速调节六、实验报告要求应提供电路、流程图、源程序和测试结果,总结调试过程,并回答思考题。七、思考题1、怎样克服步进电机和负载的惯性?开 始返 回速 度 参 数 赋 值键 值07启 停 标 志 位 取 反 转 向 标 志 位 取 反8 9

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