1、自动化与电气工程学院单片机原理及系统设计课程设计大纲一、目的本课程设计是在学习先修课程单片机原理与系统设计之后，为加强对学生系统设计和应用能力的培养而开设的综合设计训练环节。本课程设计应结合单片机原理与系统设计课程的基础理论，重点强调实际应用技能训练，包括单片机系统设计的软件和硬件两部分。其课程设计任务是使学生通过应用单片机系统设计的基本理论,基本知识与基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，初步掌握并具备应用单片机进行设备技术改造和产品开发的能力，培养学生的创新意识，提高学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力。二、课程设计的要求和过程管理设计步骤的规范不但可以培养学生科学的
2、工作方法和作风，而且还能有效地减少错误，提高工作效率。因此必须严格执行良好的实验步骤规范（包括上级操作规范） 。本课程设计的基本步骤是：1. 问题分析及解决方案框架确定充分地分析和理解问题本身，弄清要求做什么（What to do?） 。在确定解决方案框架过程中（How to do?） ，综合考虑系统功能，考虑怎样使系统结构清晰、合理、简单和易于调试。最后确定每个模块的选择及设计方案。2. 详细设计确定各个模块与单片机的接口方法，分配好单片机的资源，在此基础上进行程序设计。3. 上机调试选择自己熟悉的单片机开发环境，或者利用实验室现有资源，检查、调试、验证自己所做系统设计的正确性。4. 完成课
3、程设计报告本课程设计共一周（5 天） ，时间安排为：(1) 下达设计任务书，熟悉设计系统任务和要求；查阅设计资料；(2) 系统软、硬件总体设计；(3) 设计电原理图, 系统硬件调试；(4) 编写软件，系统软件调试；(5) 完成课程设计报告并参加课程设计检查；(6) 封面格式如下页所示。(7) 论文内容要求如下。1) 中英文摘要2) 引言3) 设计方案及原理4) 硬件设计5) 软件设计6) 总结7) 参考文献8) 附录三、考核评估课程设计一结束即评定成绩。重点考核以下几个方面的内容：设计内容完成情况（系统软、硬件设计）占总成绩的 60%；课程设计报告完成情况占总成绩的20%；平时设计认真，独立思
4、考完成情况占总成绩 10%；课程设计宣讲、答辩占总成绩的 10%。优秀：设计认真、准确，设计思想新颖，有一定的独到之处，打印书写工整，电路设计合理，程序设计思路清晰，有较强的独立思考和创新能力，独立思考完成；良好：设计认真、准确，打印书写工整，电路设计基本合理，程序设计思路清晰， 单片机课程设计题 目：热名电阻测温系统设计 班 级： 电气 092 姓 名： 张毅 学 号： 200909103 指导教师： 于晓英 设计时间： 2012 年 7 月 1 日 讨论后独立思考完成。中等：设计认真、较准确，打印书写工整，电路设计基本合理，程序设计思路清晰，有一定的思考能力。及格：设计较认真、基本准确，打
5、印书写基本工整，电路设计基本合理，程序设计思路较清晰，和同学讨论基本能完成设计任务。不及格：设计不认真、错误较多，打印书写潦草，未能完成设计任务。四、课程设计实习题由以下设计题目中学生任选一题，并且带课程设计的教师必须自行出一个大纲题目以外的课题，学生也可自选课题。题目一：水塔水位控制设计 (1) 设计内容本设计为一个实际应用系统的水塔水位控制部分。在此水塔水位控制系统中，评语：成绩 检测信号来自插入水中的 3 个金属棒，以感知水位变化情况。工作正常情况下，应保持水位在某一范围内，当水位变化发生故障的时候，及时关断电机电源，发出声、光报警信号。1）完成单片机硬件的设计，包括：CPU、存储器（外
6、扩 ROM、RAM） 、输入/输出接口（外扩并行 I/O 口）以及总线连接部分（附控制电路原理图） ；2）完成控制软件的设计（附控制软件清单） ；设计要求1）因本计算机控制系统还控制有其他多个设备，所以要求水位检测采用中断方式；2）给出系统硬件电路原理图（用 protel 或其它电路图软件画出） ；3）给出系统程序流程图、程序清单（加注释） ；4）以论文格式给出设计报告。参考答案1）设计原理实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的导电离子，本智能水位检测装置就是利用水的导电性完成的。检测装置控制图中的虚线表示允许水位变化设定的上下限。在正常情况下，应保持
7、水位在虚线范围内。为此，在水塔的不同高度安装了 3 根金属棒，以感知水位变化情况。这样 b、c 两点的电压信号位数字信号，不需要再进行数字信号变换处理，可以直接输入给单片机。如图 1.1 所示。图 1.1 水塔水位控制原理图B 棒处于设定下限水位，C 棒处于设定上限水位，A 棒接+5V 电源，B 棒、C 棒各通过一个阻值位 4.7K 的电阻与地相连。水塔由电动机带动补水泵供水，单片机控制电机转动实现对水位的控制。单片机通过不断的采集 B、C 两点电压信号来检测水位的变化。控制过程如下：（1）当水塔补水过程中水位达到上限时，由于水的导电作用，B、C 棒连通+5V。因此，b、c 两端均为 1 状态
8、，这是应停止电机和水泵工作，不再给水塔供水。（2）当水位在水位下限时， B、C 棒都不能与 A 棒导电。因此，b、c 两端均为0 状态。这时正常起动电机，并接通相关电路开关电源，带动水泵工作，给水塔供水。（3）当水位处于上下限之间时，B 棒与 A 棒导通，b 端为 1 状态。C 端为 0 状态。这时，无论是电机以带动水泵给水塔加水，水位在不断上升；或者是电机没有工作，用水使水位在不断下降，都应继续维持原来的工作状态。单片机循环不断地采集水位信号以实现控制系统的性能指标要求。2）参考电路原理图如图 1.2 所示。图 1.2 水塔水位控制原理接线图3）参考程序流程图如图 1.3 所示。题目二：循环
9、灯控制设计(1) 设计内容在单片机的P1口接8个发光二极管，通过外部中断、定时器中断和位扫描等程序控制实现每个发光二极管指示灯闪烁10次，并依次循环。正常状态下，这8个灯（发光二极管）按一定流速从左向右流动（假设这8个灯依次从左向右接在P1.0-P1.7上） 。(2) 设计要求1）在系统设计中，要求使用中断方式完成其功能；P B = 0 F F H ?初始化 、 检测水塔水位开始电机停转P B = 0 F E H ?P B = 0 F C H ?故障报警电机运转YNYYNN图 1.3 水塔水位控制程序流程图2）给出系统硬件电路原理图（用protel或其它电路图软件画出） ；3）给出系统程序流程
10、图、程序清单（加注释） ；4）以论文格式给出设计报告。(3) 参考答案1）设计方案:本流水灯实际上就是一个带有八个发光二极管的单片机最小应用系统，即为由发光二极管、晶振、复位、电源等电路和必要的软件组成的单个单片机。如图所示，P1.0 口的 LED1 亮起来，只要把 P1.0 口的电平变为低电平就可以了；相反，如果要接在 P1.0 口的 LED1 熄灭，就要把 P1.0 口的电平变为高电平就可以；同理，接在P1.1P1.7 口的其他 7 个 LED 的点亮和熄灭方法同 LED1。由于 P1 和其他端口在单片机中也是一个寄存器，累加器 A 数据左移指令为“RL A“，累加器数据右移指令为“RR
11、A“，累加器 ACC 为 8 位。可以将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，从而实现“流水”效果。闪烁十次则可以通过定义循环变量来实现。因为需要以中断的方式实现，在此采用定时器 0，定时中断。使定时器 0 定时一定的时间（大于视觉暂留效果） ，初始状态时，二极管点亮，定时时间到，产生中断，是点亮的二极管熄灭，如此循环 10 次，再按照上面叙述，依次使其他放光二极管亮灭十次。由于 8 个 LED 发光与熄灭的时间都很短，我们无法看到 LED 的熄灭与点亮，在加上视觉暂留，看不到“流水”效果的。单片机执行每条指令的时间很短，实验板上单片机的时钟
12、高达 12MHz，在这个时钟信号（即晶体振荡信号）下，一个“机器周期”仅大约 1uS(微秒)，在如此高速的流水速度下，8 个 LED 发光与熄灭的时间都很短，因为点亮发光二极管后，使用定时器定时，定时时间到再熄灭发光二极管，并且定时时间大于视觉暂留效果时间，无须再加入延时，因此只需在 P1 口熄灭发光二极管后，在调用延迟程序。2）参考电路原理图如图 2.1 所示。图 2.1 硬件电路连接原理图3)程序流程图如图 2.2 所示。初始化定时时间是否到 ？开始启动定时 ， 输出控制字亮灭交替是否闪烁 1 0 次NY右移控制字NY是否到最右边的 L E D结束YN图 2.2 软件程序流程图题目三：多功
13、能信号发生器设计 (1) 设计内容1）信号发生器能产生50-200Hz的正弦波、方波、三角波、锯齿波，数码管显示信号频率； 2）输出哪一种波形由四个按键控制；3）波形的极性、幅度、周期、占空比可由按键操作设置和修改。(2) 设计要求1）给出系统硬件电路原理图（用protel或其它电路图软件画出） ；2）给出系统程序流程图、程序清单（加注释） ； 3）以论文格式给出设计报告。 (3) 参考答案1）设计方案信号发生器能产生 50-200Hz 的正弦波、方波、三角波、锯齿波，数码管显示信号频率； 输出哪一种波形由四个按键控制；波形的极性、幅度、周期、占空比可由按键操作设置和修改。2） 硬件原理图如图
14、 3.1 所示。132LM58HEA/VPX9RSTD7W6IN04U?FBGOCZ-+图 3.1 硬件电路连接原理图3）软件流程图如图 3.2 所示。选取频率读 A/D 转换键盘按键否键号是2键号是3键号是1键号是4开始初始化选取幅度等待中断系统初始化读标志单元YNYYYYNNNN图 3.2 软件流程图题目四：汽车转向信号灯设计(1) 设计内容模拟汽车在驾驶中的左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关、停靠等操作。在左转弯或右转弯时，通过转弯操作杆使左转弯或右转弯开关合上，从而使左头信号灯、仪表板的左转弯灯、左尾信号灯或右头信号灯、仪表板的右转弯信号灯、右尾信号灯闪烁；闭合紧急开关时以上六个信号灯全
15、部闪烁；汽车刹车时，左右两个尾信号灯点亮；若正当转弯时刹车，则转弯时原闪烁的信号灯应继续闪烁，同时另一个尾信号灯点亮，以上闪烁的信号灯以 1Hz 频率慢速闪烁；在汽车停靠开关合上时左头信号灯、右头信号灯、左尾信号灯、右尾信号灯以 10Hz 频率快速闪烁。任何在下表中未出现的组合，都将出现故障指示灯闪烁，闪烁频率为 10Hz。 表 4.1 模拟驾驶开关作时信号灯输出的信号表(2) 设计要求1）给出系统硬件电路原理图（用protel或其它电路图软件画出） ；2）给出系统程序流程图、程序清单（加注释） ； 3）以论文格式给出设计报告。 (3)参考答案1）设计方案本次设计是在单片机的P2口接6个发光二
16、极管，在设计时，用P0口的高电平表示开关断开，低电平表示开关闭合，用P0口输出高电平来使二极管发光，输出低电平输出信号驾驶操作 左转弯灯右转弯灯 左头灯 右头灯 左尾灯 右尾灯左转弯（合上左转弯开关） 闪烁 灭 闪烁 灭 闪烁 灭右转弯（合上右转弯开关） 灭 闪烁 灭 闪烁 灭 闪烁合紧急开关 闪烁 闪烁 闪烁 闪烁 闪烁 闪烁刹车（合刹车开关） 灭 灭 灭 灭 亮 亮左转弯时刹车 闪烁 灭 闪烁 灭 闪烁 亮右转弯时刹车 灭 闪烁 灭 闪烁 亮 闪烁刹车时合紧急开关 闪烁 闪烁 闪烁 闪烁 亮 亮左转弯时刹车合紧急开关 闪烁 闪烁 闪烁 闪烁 闪烁 亮右转弯时刹车合紧急开关 闪烁 闪烁 闪烁
17、 闪烁 亮 闪烁停靠（合停靠开关） 灭 灭 闪烁(10Hz) 闪烁(10Hz) 闪烁(10Hz) 闪烁(10Hz)二极管则熄灭，通过程序查询、延时和等程序控制实现每个发光二极管指示灯闪烁或者亮灭，正常状态下，左转弯或右转弯开关合上, 左头信号灯、仪表板的左转弯灯、左尾信号灯或右头信号灯、仪表板的右转弯信号灯、右尾信号灯闪烁, 闭合紧急开关时以上六个信号灯全部闪烁；汽车刹车时，左右两个尾信号灯点亮；若正当转弯时刹车，则转弯时原闪烁的信号灯应继续闪烁，同时另一个尾信号灯点亮，以上闪烁的信号灯以1Hz频率慢速闪烁；在汽车停靠开关合上时左头信号灯、右头信号灯、左尾信号灯、右尾信号灯以10Hz频率快速闪
18、烁。2）参考硬件原理图如图 4.1 所示。 EA/VP31X98RSTIN0.4567DWLCKesuFYpa图 4.1 硬件连接原理图3）参考程序流程图如图 4.2 所示。开始程序初始化按键扫描确定开关类别等待改变其他灯状态灯亮或灭是否 1 s 或 0 . 1 s图 4.2 程序流程图题目五：数字频率计(1) 设计内容1）频率计可以测量三角波、正弦波、锯齿波、方波信号的频； 2）可以显示所测得信号的频率；3）可以测量从1HZ到10KHZ的频率信号。(2) 设计要求1）给出系统硬件电路原理图（用protel或其它电路图软件画出） ；2）给出系统程序流程图、程序清单（加注释） ； 3）以论文格式
19、给出设计报告。 (3)参考答案1）设计方案：在单片机8031中，当定时器/计数器用作“定时器” 时，在每个机器周期寄存器加1，因此，也可以把它看作是在累计机器周期。由于一个机器周期包括12个振荡周期，所以，它的计数速率是振荡频率的1/12。而用作“计数器”时，寄存器在其对应的外输入端T0或T1 有一个“10”的跳变时加1。此操作中，在每个机器周期的S5P2 期间采样外部输入信号，当一个周期的采样值为高电平，而下一个周期采样值变为低电平时，计数器加1。新的计数值在紧接着检测到一个跳变后的下一个周期的S3P1 期间在寄存器中出现。由于识别一个从“10”的跳变要用两个机器周期（24个振荡周期） ，所
20、以最快的计数速率是振荡频率的1/24。外部输入信号的速率是不受限制的，但必须保证给出的电平在变化前至少被采样一次，即它应该至少保持一个完整的机器周期。当开关与振荡器相接则为定时，与TX端相接则为计数。后一个开关受控制信号的控制，它实际上决定了脉冲源是否加到计数器的输入端，即决定了加1计数器的开启与运行。在实际线路中起另个开关作用的是特殊功能寄存器TMOD与TCON的相应位。TMOD和TCON是专门用于定时器/计数器的控制寄存器，用户可用指令对其各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态（计数或定时）或启动时间，并可设置相应的控制条件，换言之，定时器/计数器是可编程的。2）参考硬件原理图如图
21、 5.1 所示。被测信号从输入端输入经三极管放大电路放大，再经由 3 个与非门组成的 D 触发器整形，将三角波、正弦波、锯齿波等信号变换成方波信号，便于计数。三极管采用高频小功率管。数字频率计的总电路图如下，输入被测信号经放大整形电路整形、分频后送入定时/计数器输入端口 P3.5,单片机在 1s 时间内统计输入脉冲个数，确定分频量后，再测出 1s 计数脉冲个数，将计数值的每一位分离出来并显示在数码管上。数码管右边的指示灯用来指示显示频率的单位。当输入信号改变时需要复位CPU，否则测出的频率是错误的。EA/VP31X928RSTIN0 .4567DWLCfgedcbaGQKskuFpB与OMY-图 5.1 硬件接口电路3) 参考软件流程如图 5.2 所示。定时器定时 1 s定时结束开始结束计数器计数输出计数值NY图 5.2 软件流程图
