基于单片机实验教学系统的毕业设计.doc

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1、摘 要实验教学作为单片机教学的重要组成部分，是培养学生实践能力和创新能力、提高学生综合素质的重要环节。目前该环节整体教学效果并不理想，其根本原因是由于缺乏合适的实验器材：仿真器与实验箱的价格昂贵、操作复杂，难以普及给每个学生；而基于监控程序的实验板功能单一，大多不具备在线编程功能，不能适应现代单片机教学实验的要求。针对以上问题，本文引入了“宏晶科技公司”具有ISP/IAP功能的STC89单片机，设计开发了一套新型的单片机实验教学系统，以低廉的成本实现了高档仿真器的大多数功能。该教学系统可使初学者迅速掌握单片机原理及应用，熟悉汇编语言和C语言；用户不仅可以对源程序进行实时在线调试，而且可以将调试

2、好的程序在线下载到单片机中，极大地缩短了单片机应用系统的开发时间。论文主要完成了以下工作：1) 在分析单片机实验教学器材现状的基础上，提出一种结合单片机ISP技术和监控程序调试的方案。新方案集ISP下载、编程器、仿真器、开发板功能四合一，是一种廉价而有效的单片机实验平台。2) 在完成单片机实验板设计和调试的同时，开发了一种基于Keil和Proteus的软件仿真方法。通过实际硬件操作前的软件模拟过程，可解决初学者上手困难、容易损坏硬件电路等问题。3) 开发了一些综合性、创新性较强的实验等。新实验贴近实际项目开发，可有效拓宽学生的学习视野，提高其单片机应用的综合能力。课题目前完成了实验教学系统的全

3、部软件、硬件的设计和调试工作，实验板已经批量生产制作，经过小规模试用，反映良好。关键词：单片机 实验教学 仿真器 编程器ABSTRACTAs an important section of MCU teaching, Experimentation can improve the practical and innovative students ability, enhance their quality of comprehensive abilities. But the training effect isnt satisfying presently due to lacking o

4、f appropriate experiment equipment; the emulator cant prevail for its high price and the low-cost board based on monitor program only has simplex function. So a new experiment and training system based on STC89 MCU is designed, which can realize the main function of emulator with low-cost. Students

5、can expediently master assemble language and C language with help of the teaching system.Main completed tasks in the paper:1) We primarily analyze the actuality of the teaching experiment equipment; then introduced a project based on ISP and monitor program technique. The new system integrated ISP f

6、unction, programmer, emulator and experimental broad with a low price.2) Not only we achieved all hardware and software tasks, but also introduced a virtual MCU emulate platform which is based on Proteus and Keil. The emulate platform can help students enhance their thought before the hardware opera

7、tion, and then the difficulty for fresher is reduced and learning efficiency is improved.3) Some integrative and innovative experiments were designed, including automobile supervising alarm, intelligent path-recognize vehicle and so on. The new experiments can widen students view; enhance their abil

8、ity in MCU application.All hardware and software tasks have been completed by now and the experimental board is in production. The tryout effect in small range is well.Key Words：MCU, Experimentation Training, Emulator, Programmer第一章 绪 论1.1课题的提出社会现代化的发展，最重要的基础应该是计算机，现代生活几乎片刻不离的也是计算机。这里所说的计算机，更多的是指单片机

9、，即单片计算机的简称。单片机的应用非常广泛：工业科学（测控系统和仪器仪表）、生活通信（家电和手机）、交通贸易（车辆飞机和计量器具）、军事国防（卫星和导弹）等各领域中，无处没有单片机的存在1。单片机具有高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，在我国单片机技术在近几年得到迅猛发展和大范围推广，已经深入到工业生产的各环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家中电器(冰箱、空调、彩电)无不含有单片机。为推广应用单片机技术，诸多大、中专院校、职高、技校等开设了单片机课程。相应的也提出了单片机实验课程的教学需要。世界上著名的单片机供应商有Freescale(原Motoro

10、la半导体部)、Mitsubishi、Microchip、ST、Philips、Infineon、Atmel、NEC和TI等，每个公司都有几个至几十个单片机产品系列，每个单片机系列又都有几个至几十个不同的单片机品种。不同厂商的单片机结构不同，指令也不完全兼容。1981年Intel公司推出的8051单片机，由于具有一系列其他型号8位机难以比拟的优点，成为事实上的单片机工业标准。在我国，学习8051的人数之多，应用之广，更是其他种类的单片机不可比拟的，8051几乎就是单片机的代名词。时至今日，虽然有成百上千种新型的单片机出现，但8051在8位单片机中的霸主地位似乎仍然不可动摇。新出现的8位新型单片

11、机中，仍然有相当数量的单片机是基于标准8051单片机或与其兼容。即便是与8051不兼容的单片机，在掌握好8051单片机之后，也可以迅速掌握它。因此，各个学校开设单片机课程时几乎都是以8051单片机作为授课内容。近年来，韩国、中国台湾地区和中国大陆的一些企业也开始生产一些兼容8051内核、但更廉价的单片机，并迅速抢占了一部分中、低端产品的市场。其中，以“宏晶科技”为代表的本土企业凭借低廉的价格、灵活的配置在国内市场的占有率节节攀升。微机原理及接口技术、单片机原理及应用、电子测量原理、数据采集技术、虚拟仪器技术等课程是大中专院校电子类专业实践性、应用性和工程性很强的专业基础课或专业选修课。从加强学

12、生能力培养的要求来看，这类课程仅在课堂上讲授基本原理是不够的，必须在教学中加强实践环节，开出一定数量的高质量的配套实验课或独立的实验课程，让学生有足够的实践机会。那么对于实验教学环境建设就相应提出了较高要求。目前，在中国许多高等院校中使用的教学实验仪器，仍大多为已相当落后的传统仪器。随着科学技术的不断发展以及相应学科高等教育课程教学内容的更新，传统仪器日益暴露出一些缺陷和不足。为了改善实验条件、改革实验教学方法、更新实验教学内容、提高实验教学课程的开设水平，把虚拟仪器引入实验教学已成为一种必然趋势。经了解，目前国内对于电子信息领域教学实验平台的开发还比较少，绝大部分厂家都仅限于进行各分离项目的

13、实验，即分别进行单片机实验和微机接口实验，将虚拟仪器技术相结合方面我校更是走在同行的前列。因此，研制与虚拟仪器技术相结合的微机与单片机实验平台顺应了技术发展潮流，在此实验平台上学生可以完成微机接口和单片机的全部实验，并将虚拟仪器的学习有机地结合在一起。不仅可以显著降低实验设备投资，而且将培养学生的创新精神，提高学生的工程素质，为高等工程教育实验教学带来革命性的变化。1.2国内外单片机开发系统现状任何一套电子系统，都必须经过“设计-制作-调试-修改设计-制作-调试”等多次反复的过程，单片机的应用系统也不例外。特殊的是，单片机在程序固化后，仅仅从外部很难测试出单片机的硬件和软件设计是否合理、运行是

14、否正常。因此，在开发单片机应用系统的过程中，人们往往要采用一定的工具或工具组合系统。即所谓的单片机开发系统，其基本要求是：首先把编译好的目标代码存入单片机，然后控制并追踪系统的执行，在设置的断点处可以更改一些寄存器中的内容，分析一些基本数据。在进行该项目之前，我们查阅了各方面的文献资料，以及一些厂家的教学及其资料，对于国内外的电子实验装置现状及趋势进行了深入的了解。可以看出，目前的实验教学仪器一般都仅将功能集中在某一类试验，或者是实现其中几种功能，研制成功功能比较齐全的实验平台，解决电子实验教学课程的瓶颈，势在必行。1.2.1传统仿真器调试方法已不适应现代单片机开发使用仿真器开发单片机应用项目

15、在人们心中已经根深蒂固，这是由于过去的单片机用户需要将开发好的应用程序交给单片机工厂去制作掩模，开发和小批量生产时虽然可以使用一次性的OTP（Once Time Programmable）产品，但程序一旦写入就不能更改，因此在开发设计时使用一种叫做仿真器的开发工具，将仿真器上的仿真头插到用户的目标板上，替代目标板上的单片机。仿真器与PC相连，用户通过仿真器在目标板上开发应用程序，等应用程序开发完成再用OTP芯片替代仿真头，插到或者焊接到目标板上。使用仿真器有以下两个很大的缺陷：1) 仿真器并不能完全仿真目标单片机的所有行为，特别是时钟和复位的特性。经常出现使用仿真器可以正确运行，而实际目标单片

16、机不能正常运行的情况。2) 为了使用仿真头，往往对电路板中单片机的位置安排有一定的要求，周围的器件不能太密集，而且对于表面贴片式封装的单片机还需要使用娇贵的转接器。在一些元件布局比较紧密的产品设计中，为了使用仿真器需要开发专门的调试板电路，这就导致开发环境与产品的实际情况不一致，往往是导致问题的隐患之处。1.2.2 Flash存储技术和ISP技术丰富了单片机调试方法随着片内Flash存储器的广泛应用，可多次读写的Flash逐步替代过去的片内掩膜ROM，使得单片机应用不再需要仿真器。Flash存储器虽然有写入、擦除次数寿命方面的限制，但一般都可以达到10万次以上，故开发过程对Flash进行写入与

17、擦除时，不必顾及Flash寿命问题。ISP（In System Programmable）技术极大地简化了单片机的开发流程，其基本原理是，单片机片内的CPU有能力对片内Flash进行写入、擦除操作，用户只需以某种方式将命令和数据传送给单片机即可。这样用户就可以在目标板的单片机上直接运行应用程序，由于是在真实的硬件环境下的运行，比在仿真器的单片机上运行应用程序真实可靠。目前流行的单片机开发方式主要有以下几种：高端的32位的单片机一般内置JTAG接口，除完成Flash写入、擦除功能外，还可以用于应用程序的调试，甚至可以在应用程序运行时，动态的获取CPU、存储器等瞬态信息。中端的16位单片机和一些8

18、位单片机借助特定的硬件也可以实现上述功能，如Freescale单片机所采用的BDM（Background Debug Mode）调试方式。对于应用最为广泛的低端8位单片机，在国内广为流行的是MON51开发方式，其基本原理是先将监控程序下载到单片机中，然后借助监控程序调试应用程序。该方法造价便宜、制作简单、源代码公开，可以实现高档仿真器的大多数功能。1.3单片机教学系统现状实验教学是单片机教学的重要组成部分，是培养学生实践能力和创新能力、提高学生综合素质的重要环节。以往的实验教学环节多是学生在老师的带领下，在实验室中采用仿真器进行实验。缺点很明显：时间短、任务重，学生在有限的时间内，要完成硬件连

19、接、程序输入等一系列工作，还要调试、排除错误，从而造成整体教学效果不理想。学生普遍反映，接触硬件的时间太少，难以形成感性认识，希望学校多提供试验场地和器材，最好能够借给学生使用。但是由于器材比较贵重，实验箱上千元一套，一般的51系列单片机仿真器也要五六百元一套，难以普及给学生。目前市场上基于监控程序的实验板虽然价格低廉，但是其功能普遍比较单一，大多不具备在线编程的功能，另外购置一套编程器也要几百元，这无疑增加了学生的实验成本，为单片机的普及与推广带来一定的难度。国内许多公司都生产基于MON51监控程序的单片机开发板，虽然价格低廉，但是其功能普遍比较单一。目前市场上的MON51实验板大部分并不能

20、将程序能真正地烧录到单片机内部，只是将程序装载到外部扩展RAM中。这样做的好处是用户完全不用考虑RAM的寿命，因为RAM的写入次数几乎是无限的(虽然Flash的10万次写入寿命对于一般单片机应用系统开发是足够的，但是对于擦、写频繁的教学实验来说并不算充足)；缺点是用户程序随着电源的切断而消失，不能真正实现单片机系统上的功能开发。如果直接用作单片机教学实验板，学习者并不能体验到一个完整的实际单片机应用系统的开发过程，从而不利于其理解、掌握单片机应用系统的开发过程，学会、掌握使用新技术的方法。虽然另外购置一套编程器可以解决在线编程的问题，但是这不但增加了学生的实验成本，而且实验时需要在编程插座和实

21、验插座之间来回拔插芯片，降低了学习和开发的效率。1.4课题的目标及意义针对上述问题，本文引入了“宏晶科技公司”具有ISP/IAP功能的STC89系列单片机，以其为基础设计开发了一套新型的单片机实验教学系统。新系统集ISP下载、编程器、仿真器、开发板功能于一身，价格低廉、使用方便(带RS232串口的PC机即可)，提供了丰富的外围功能模块(如ADC、DAC、存储器、LED数码管、键盘、串行接口等)。不论对于在校的电子专业学生还是业余的电子爱好者均具有很好的实用价值。整个实验教学系统由上位机和实验板构成。上位机可以是一台普通的PC机，PC机上安装有Keil C51 uVision2集成开发环境。Ke

22、il C51是德国Keil公司推出的基于32位Windows环境，以51系列单片机为开发目标，以高效率的C语言为基础的集成开发平台。在Keil C51 V6.0版本之后，编译和仿真软件统一为uVision2，即通常所说的uV2，这是一个非常优秀的51单片机开发平台，对C高级语言的编译支持几乎达到了完美的程度，当然它也同样支持51宏汇编，同时它内嵌的仿真调试软件可以让用户采用模拟仿真和实时在线仿真两种方式对目标系统进行开发。在实时在线仿真状态下，uV2负责把用户程序编译、链接后生成HEX格式文件，通过PC机的串口发送给实验板。实验板上的单片机内置了监控程序，每次CPU启动后，这段监控程序将首先获

23、得CPU的控制权。然后监控程序通过解析从串口得到的数据，来完成用户所需要的操作，包括存储器的修改、CPU寄存器值的读/写、指定地址的程序运行及断点调试等。这样用户的应用程序真正地运行在目标单片机上，从而获得更加真实、可靠地调试效果。仿真实验板如图1-1所示： 图1-1教学实验板实物图它既是一块用户实验板，又是一种功能强大而实用的单片机开发板，它充分利用STC89单片机的系统资源，使用户可以轻松完成8051单片机应用系统的开发工作。实验板上将单片机的I/O引脚全部引出，可作为外部仿真头使用，扩展了模拟信号发生电路(产生三角波、方波)、ADC0809、DAC0832、62256、蜂鸣器、44按键和

24、LED显示接口电路，此外还预留了若干译码输出口线，可供用户扩展。由于STC89系列单片机具有ISP(在线编程)功能，用户可以将调试好的程序通过串口直接下载到单片机中，从而省去了价格昂贵的编程器。采用本实验教学系统，可使初学者迅速掌握单片机原理及应用，熟悉汇编语言、甚至单片机C语言；用户不仅可以对源程序进行实时在线调试，而且可以将调试好的程序在线下载到单片机中，极大地缩短单片机应用系统的开发时间。 第二章 系统的硬件设计2.1 STC89单片机及其最小系统STC89系列单片机是“宏晶科技”推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的8位单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机。其新特性主要有以下几

25、点： ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程）。不需要专用的编程器/仿真器，可以通过串口直接下载用户程序，8 K程序3 s即可下载完成。ISP引导码在出厂时已经固化在单片机中，并且进行了加密，一般的程序下载不会对其产生影响。IAP功能允许用户程序运行时，将内部部分Flash当作E2PROM使用，实现停电后保存数据的功能。 超低功耗。掉电模式下典型功耗0.1uA，空闲模式下典型功耗15mA，字电流80 mA）；端口占用少，最少的2线连接方式仅占用单片机2个端口；编程简单，只需简单设置操作命令即可自动运行。图2-6为CH452键盘扫描、LED驱动电路图，CH452采用经济的2线串行接口，包含2个主要信号线：串行数据时钟输入线DCLK、串行数据输入DIN和输出线DOUT；以及2个辅助信号线：串行接口地址选择线、串行接口的中断输出线INT1。其中，DCLK、串行接口地址线是带上拉的输入信号线，默认是高图2-6为CH452键盘扫描、LED驱动电路图电