单片机实验教学系统.doc
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1、黑龙江东方学院本科毕业论文(设计)摘要随着现代科技的飞速发展,单片机已经在各个领域得到越来越广泛的应用。大学对单片机的需要,开展课外创新实践,理论联系实际,单片机由于体积小,功耗低两个基本特征,在通讯,家电,工业控制,仪器仪表,汽车等产品中都可以看到单片机的身影。单片机有良好的应用价值和研究。作为电子专业的学生,非常有必要通过实际产品的设计和制作,了解现代单片机产品的开发全流程。掌握从系统级,电路级,到芯片级各个层次的设计和实现手段。基于上述原因,选择此设计课题,在此设计过程中,我们将会用到多门学科的理论知识,将对以前所学的知识做一个全面的复习和巩固,更重要的是培养了发现问题,分析问题,解决问
2、题的能力,还有动手能力,也是一次很好的实践,对以后的学习和工作也会有所帮助。本设计主要应用于现代大学教学实验,对于充实现代大学生的动手实践能力而制作这款以51单片机为基础的教学试验系统,他可以是学生将学习的软件网络知识联系到一起,实现嵌入式的基本操作。本系统包含了51单片机最小系统,LED流水灯,按键,液晶显示等多重功能。主要是以汇编语言与嵌入式C语言为主。关键词:单片机;实验板;接口; C语言关键词与摘要内容隔行书写,词条用小四号宋体字,词条间用分号(;)隔开,3-5个关键词The Designed of 51 Serial Single Chip Processor Experiment
3、Teaching Board Abstract51 serial single chip processor teaching experiment board is a user experiment board, and also a powerful and practical single chip processor develop and debug tools.With this experiment board, the beginners can easily to grasp the principle and application of the MCU, be fami
4、liar with assemble languages , even the C51 languages. The character of on system debug can shorten the time to study Develop experiment board with emulation this, carry on to user source program real-time to debug online, can shorten construction period of the application system of the single chip
5、processor greatly.This design mainly used in modern university teaching experiment, to enrich the modern college students practical ability and making this based on a 51 single chip microcomputer teaching test system, he can be the students will learn the software network knowledge together, realize
6、s the embedded basic operation. The system contains 51MCU minimum system, LED running lights, buttons, temperature control, liquid crystal display multiple functions such as. Mainly in the assembly language and C language embedded.Keywords: single chip processor; experiment board;interface; C langua
7、ges小提示:当需要从网站或者文档复制到本文档时,先将文字复制到文本文档,然后再从文本文档复制到本文档的相应位置,这样就能够保证格式是正确的!此行不会被打印千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。(在word菜单-工具-选项-视图标签中,格式标记部分请全部打对号,这样就可以看到隐藏的分节符和空格等信息了)-II-目录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1设计原则1第2章 课题概述32.1课题研究背景32.2国内外单片机实验系统现状42.3本章小结4第3章 总体设计53.1整体程序设计53.2系统功能框图53.3分模块设计63.4系统方案设计83.5本章小结8第4章 系统硬件设计10
8、4.1硬件各组成部分简介104.1.1电路原理图设计与生成PCB134.2本章小结14第5章 系统软件设计155.1各模块程序流程155.2程序代码185.3本章小结20第6章 目标系统216.1目标系统介绍216.2简要操作和使用说明236.3本章小结23第7 章 开发板设计与测试247.1开发板PCB设计247.2开发板测试297.3本章小结29结 论30参考文献31附 录32致谢40千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”黑龙江东方学院本科毕业论文(设计)单片机实验教学系统设计第1章 绪论单片机越来越成为电子工程师设计产品时的首选器件之一。
9、因此拥有一块单片机开发板对单片机学习具有着极其重要的意义1。但是单片机学习效果的优劣直接取决于单片机的选择,C51系列单片机内部具有128字节RAM、5个中断源、32条I/O口线、2个16位定时器、4KB的程序存储器、一个全双工异步串行口。本开发板选择具有ISP在线编程功能的S51单片机,该单片机不需要烧写器,可在开发板上ISP在线编程,具有广泛的应用前景2。S51单片机除兼容C51单片机外,还具有工作频率0至33MHz的高工作频率;可以满足绝大多数的实际应用开发需求,在开发板上使用十分方便。本课题设计的S51单片机开发板,具有一般开发板通用结构,并基于硬件进行相关软件设计。利用程序开发语言开
10、发程序并实现ISP在线下载到单片机,无需配置单独的下载器。单片机使用ISP在线下载程序,加快了程序设计者调试的进度,使设计者所设计的程序尽快得到验证。通过对开发板上的模块进行实验,可以提高针对不同硬件进行编程的能力,同时通过实验现象对所用的硬件也有了更深一步的认识,因此该开发板具有一定的实用价值和现实意义。1.1 设计原则开发板系统的扩展和配置应遵循以下设计原则: (1)尽可能选择典型电路,并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础;(2)系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适当余地,以便进行二次开发; (3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。
11、硬件结构与软件方案会产生相互影响,考虑的原则是:软件能实现的功能尽可能由软件实现,以简化硬件结构。但必须注意,由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间;(4)可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等;(5)单片机外围电路较多时,必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时,系统工作不可靠,可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载; (6)尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多,器件之间相互干扰也越强,功耗也增大,也不可避免地降低了系统的稳定性。第2章 课题概述2.1 课题研究背景随着信息时代的
12、飞速发展,计算机应用技术日益渗透到社会生活的各个领域的下一个发展目标,在这一进程中,单片机起到了举足轻重的作用,以51单片机为代表的单片机家族也随之日益壮大起来,成为工业控制和家用电器智能化、微型化的排头兵,现今,单片机课程也是广大工科专业教学中不可缺少的一部分3 4。但是单片机课程是学生反映比较难学的一门课程,主要原因是给学生动手的机会比较少,即使实验也是利用以及开发好的单片机试验箱,学生经过简单的接线,然后编程运行,这与真正的单片机开发相差较远,而且很多学生,由于基础较差,看到实验箱线路复杂,也失去了学习的信心。因此,单片机教学中,好的实验系统将有助于提高教学实验质量,激发学生自己动手的兴
13、趣,让学生更好的发现问题并解决问题。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/实验箱价格昂贵、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
14、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,其中包括汽车防盗报警系统、自主循迹机器人等。新实验贴近实际项目开发,可有效拓宽学生的
15、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。2.2 国内外单片机实验系统现状任何一套点子系统,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5 6。即所谓的单片机开发系统,其基本要求是:首先发翻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
16、存器中的内容,分析一些基本数据。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。7缺点很明显:时间短、任务比较重、学生在有限的时间内,要完成硬件连接、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,但是其功能比较
17、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,并不能为广大师生所接受。2.3 本章小结通过系统研究的目的确定自己的设计的思路,确立了设计的目标有了确切的定位通过了解设计的要求,从而规范自己的设计思路,严格按照要求来进行设计,其思路会更加精准。注意:除第一章绪论外,其他每一章都应该有一个本章小结第3章 总体设计3.1 系统总体设计本系统软硬件都采用模块化设计方法。系统硬件模块包括:键盘、流水灯、数码管、DS1302、DS18B20、STC89C51、EEPROM。系统软件模块包括:键盘输入、数码管显示、串行通信、实时时钟、测试温度。3.2 系统功能框图
18、测温模块DS1302实时时钟模块键盘模块数码管模块流水灯模块51单片机主控制模块图3-1 系统功能框图3.3 系统方案设计 MCU COM POWER K1 K2 发光二极管 数码管 图3-2 系统方案设计3.4 分模块设计依据开发板上硬件资源,进行程序的开发,在软件的设计过程中,采用模块化的设计方法,依次分别为每个模块设计软件。下面分别介绍以上各个模块的程序设计。流水灯模块程序中先定义五个一维数组,每个一维数组里面含有八个元素,元素为十六进制数,对应P0口的八个引脚,十六进制数为1则对应相应引脚为高电平,为0则相应引脚为低电平。LED连接引脚若为低电平,则LED发光,若为高电平,则LED不发
19、光。将一维数组里的八个元素依次送到P0口,则LED亮灭依次发生变化,轮流将五个一维数组送交P0口,则可以显示五组不同的花型8 9。键盘模块: 键盘采用的是行扫描法确定键值,在程序中具体是这样扫描键盘的:将键盘扫描码送入P2口,先是使行线依次为低电平,顺序为KEY1、KEY2、KEY3、KEY4,在某一行线为低电平的状态下,读取P2口的状态,将状态值依次右移四位,这样便将KEY5-KEY8的状态值移到了低四位,再将高四位状态值置一,将处理后的状态值与当前的扫描码比较,如果此时的状态值与四个扫描码中的一个相同,证明有键按下,此时保存扫描码的数组下标和与状态值相等的扫描码数组下标,并将两个值按照键盘
20、编码值进行某一规则的四则运算后返回给主函数中的某一变量;如果在全部行线依次为低电平情况下的状态值与四个扫描码中没有一个相同,证明没有键按下,返回-1到主函数。在主函数中调用键盘扫描函数对键盘进行扫描,判断返回键值,若返回值不为-1,证明右键按下,在某一个数码管上显示键值,若返回值为-1,证明没有键按下,显示先前按下的按键键值10。数码管模块数码管的显示方式可以分为动态和静态的。动态的也叫扫描方式,是利用发光二极管的余辉效应和人眼的视觉暂留效应来实现的,只要在在一定时间内数码管的笔段亮的频率够快,人眼就看不出闪烁,一般外围硬件较少,但是对单片机资源耗用巨大。11静态的也叫锁存方式,单片机送出数据
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