单片机及智能仪器实验指导书.docx

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单片机及智能仪器实验指导书

《单片机及智能仪器》

实验指导书

杨明亮梁应选编

适应专业：

测控技术与仪器

陕西理工学院机械工程学院

2012年4月

前言

《单片机及智能仪器》是一门实践性很强的课程。

为了使学生更好的理解和掌握这些知识，灵活应用单片机，使学生熟悉单片机实用技术的开发过程，提高汇编语言的编写能力，提高对汇编语言的编辑、汇编、调试运行等技能，设置了软件类、硬件类和综合应用类实验，通过上机及接口实验，熟练地掌握单片机的编程结构、工作模式、指令系统；学会汇编语言程序设计；掌握微机输入/输出接口的基本概念，主要模式和基本工作方法，掌握并行和串行接口的原理，学会并行输入/输出口的扩展，并能够进行基本的接口设计，提高其实践能力；并培养学生实事求是、严谨的科学作风和良好的实验习惯，为今后课程学习以及开发应用打下基础。

开设“单片机综合实验”的目的，是总结几年来单片机教学中，用购买的实验箱，虽然功能很齐全，但基本上是黑箱结构，对初学者，不是从最简单的最小系统开始，一步步深入，做完实验后，效果很差，大部分学生对单片机的系统没有感性认识，最后在课程设计和毕业设计中，连最简单的单片机最小系统都不清楚。

因此该实验就是想让学生从最简单的系统开始，自己搭建，编程，调试和固化程序，循序渐进，逐步深入。

本实验指导书是针对测仪专业《单片机与智能仪器》课程实验设置的，两个2学时的验证实验和一个6学时的综合实验。

实验一：

LED显示实验

实验学时：

实验类型：

验证

实验要求：

必做

一、实验目的：

1、了解MCS51系列单片机汇编语言的设计和调试方法；

2、掌握8032单片机通过8155扩展I/O接口时，LED显示的连接方法和编程方法。

3、了解LED动态显示原理及汇编语言编程。

二、实验内容：

1、观察单片机实验系统（实验箱）结构与原理；

2、看懂附录1中的程序，将程序输入并调试；编译、调试、运行该程序，显示结果应为“123456”；

3、修改该程序，让LED交替显示“123456”和“654321”，注意交替变化中间要有明显的保持时间；也可以显示任意两个六位数字或字符（用七断数码管可以显示的字符，如“H”、“L”等）。

三、实验原理：

本次实验采用启东计算机总厂生产的“DICE系列单片机实验系统”，该系统运行的基本原理与一般的单片机系统是一样的，但作为实验系统，它的程序存储器里面存储的是监控管理程序，实验所编写的程序，在计算机中进行调试，编译，生成可执行文件，然后将实验程序存入实验系统中的扩展数据存储区。

所以实验程序在断电后就从实验箱中消失了。

在DICE系列单片机实验系统中，用8155芯片扩展I/O口，显示用LED数码管，系统分配给显示部分的端口：

8155A口，连LED显示的字位口，地址为FF21H；8155B口，连LED显示的字形口，地址为FF22H。

四、实验组织运行：

采用集中授课形式，分组进行实验。

五、实验条件：

1、单片机实验系统一套；

2、计算机一台；

3、WIN51仿真软件一套

六、实验步骤：

1、打开实验箱，查看单片机以及其它芯片的铭牌，记录相关芯片的型号；

2、参照教材和实验指导书，找出上述芯片的型号，记录各芯片的作用和引脚功能；

3、打开计算机，进入WIN51仿真软件（执行DICE51.EXE文件），打开其工作界面；

4、检查计算机与单片机是否连接就绪。

即查看WIN51工作界面底边状态栏由“脱机就绪”变成“联机就绪”，说明联机成功。

否则对话框提示“单片机未连上”，要检查硬件实际连接情况，在设置菜单下设定COM1或COM2。

5、将自己编写的程序或提供的参考程序输入，然后进行调试，编译，改正错误。

一直调到没有错误为止，然后让程序单步运行、连续运行，查看程序运行结果。

七、思考题：

1、LED显示分为动态显示与静态显示，本次实验采用动态还是静态显示，显示的原理是什么？

八、实验报告：

实验报告内容应包括实验目的、原理和内容以及结果，特别是修改程序的结果，做详细记录。

应对实验过程，程序调试中出现的问题及解决方法进行记录，对实验中出现的问题应进行分析。

必须对程序全部进行注释。

八、附录

附录1.1：

LED显示源程序

说明：

在LED上实现字符显示的方法，是将待显示的字形码，送入8155的字形口（B口）地址FF22H,显示位置送入8155的字位口（A口）地址FF21H。

附录2给出了本实验中的字形、字位表。

一个字长为8位的二进制，要在两个LED上显示，因此程序中有如何将一个字拆分成两个字。

输入程序时可以不输注释语句。

ORG0500H

SE15:

MOVSP,#53H

LED:

MOVR0,#79H；将字形存在RAM的79H-7EH

MOVR6,#65H；输入待显示的字符

MOVR5,#43H

MOVR4,#21H

MOVA,R6；调用拆分程序将3个字节拆成6个字节

LCALLPTDS

MOVA,R5

LCALLPTDS

MOVA,R4

LCALLPTDS

LCALLSSEESJMPLED；循环显示

；字节拆分程序

PTDS:

MOVR1,A

ACALLPTDS1

MOVA,R1

SWAPA

PTDS1:

ANLA,#0FH

MOV@R0,A

INCR0

RET

；字节显示程序

SSEE:

SETBRS1；换工作寄存器第三组

MOVR5,#05H；每个字显示5次

SSE2:

MOV30H,#20H；字位码初值

MOV31H,#7EH；字形码初地址

MOVR7,#06H；显示位数

SSE1:

MOVR1,#21H；输入字位码

MOVA,30H

MOVX@R1,A

MOVR0,31H；查表、输入字形码

MOVA,@R0

MOVDPTR,#DDFF

MOVCA,@A+DPTR

MOVR1,#22H

MOVX@R1,A；字形送入地址22H

MOVA,30H；改变字位

RRA

MOV30H,A

DEC31H；转换为下一个字形

MOVA,#0FFH

MOVX@R1,A；关显示

DJNZR7,SSE1；6位显示完了吗？

DJNZR5,SSE2；5次显示完了吗？

CLRRS1

RET

；以下为字形表，见表2。

DDFF:

DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H

DB88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH,0CH,89H,0DEH

END

附录1.2：

字形、字位表

字位表

未用

字形表

代码

字形

注：

低电位亮。

实验二单片机资源应用

实验学时：

课内6学时，课外6学时。

实验类型：

综合

实验要求：

必做

一、实验目的

1、掌握单片机最小系统的设计。

2、了解51系列单片机并行口输出/输入方式的工作原理及编程方法。

3、掌握51系列单片机中断的设置方法及编程实现。

4、掌握定时器/计数器的设置方法及编程。

5、掌握设计简单的单片机系统并在面包板上搭建单片机系统，或在单片机实验板上组建单片机系统。

6、用七段数码管进行数据显示。

二、实验内容

实验内容按要求分A、B、C、三部分，其中A是必做内容，B是选做内容，C是提高内容。

内容A：

按实验指导书给出的单片机最小系统和4位七段LED数码管动态显示电路，在面包板上搭接，然后用汇编语言编写显示程序，在数码管的任何一位显示要求的数字。

该部分主要是熟悉并掌握单片机的最小系统，振荡电路、复位电路，端口的应用，动态显示的电路及编程，程序的调试及固化，掌握用keil软件调试汇编程序。

由于显示是人机交流的窗口，是以后其它功能实验的基础。

必须在内容A中很好的掌握。

实验电路见附图，还给出数码管引脚图，元器件清单等。

电路说明：

该电路是一个在单片机最小系统上接了4个数码管，由于AT89C51片内有4K的FlashMemory存储器，故在软件不是很大的情况下，一般不需要扩展片外程序存储器，故单片引脚EA接高电平；复位采用上电复位和人工按钮复位；显示采用七段共阳极数码管，位码采用三极管9014驱动，因为LED数码管的电压在1.5-3V，电流在2-20mA,故要加限流电阻。

注意该电路图中的总线画法。

内容B：

在以下两个内容中选做1个

1、用定时器定时，（定时器T0或T1任选），每过20ms计数1次，并将计数值在LED上显示。

提示：

该部分的主要内容是定时器和中断的性能和编程，要知道晶振的频率，然后根据要求的时间，确定定时器的工作方式，计算定时器的初值，设定定时器与中断，在RAM中设定两个单元，永远计数，每中断一次该计数单元的值加1，程序启动后，一直处于动态显示中，直到中断时才处理加1程序。

要注意中断程序的地址，定时器不同该地址也不同，具体请查中断服务程序服务入口地址。

由于几个中断程序入口地址仅相隔8个单元，如果中断程序较长，一般要转移到后面的单元中。

2、由定时器T0计时，对T1口在一定时间内输入的脉冲进行计数并显示。

脉冲的产生可以用点动开关，也可以用信号发生器或单片机实验箱中的分频信号，也可以给出分频器，自己设计电路，对单片机EA口输出信号进行分频。

该实验较上一个实验难度大，用了两个定时器/计数器。

涉及到计数器的设计，由T0定时中断，然后读T1的计数值。

内容C：

该部分内容属提高内容，供学有余力且感兴趣的学生选做，其他学生不作要求。

因此该部分的主导思想是只提要求，提供元件，由学生自己设计电路，编写软件。

教师仅作指导。

这样可以更好的锻炼学生的能力。

1、串行EPROM存储器及按键的电路设计及编程。

在智能仪器中，不可避免的要有按键进行功能转换和控制，经常将标定的系数和测量的数据存储起来，希望下一次开机、甚至断电的情况下该数据能长期保留，用AT24C02等串行EPROM芯片就可以实现该该功能。

这个实验的要求，就是用按键进行控制，将一批数据存储在AT24C02芯片中，然后又用另一个功能键将该数据取出并进行显示。

下面只给出该芯片的资料，自己设计电路，编写软件。

2、RS232串行通信实验。

因为串行通信是智能仪器中经常应用的功能，本实验提供MAX232芯片和电容，由两组同学一起，用串行口实行远距离（5-10m）通信。

也可以和计算机进行通信。

3、模拟信号的数据采集实验，该实验提供ADC0809芯片，由学生自己完成电路设计，搭建。

并进行编程，将一个0-5V的电压信号通过A/D转换后在显示器中显示。

三、实验组织运行要求：

采用学生自主训练为主的开放模式组织教学。

每4个人一组，共同完成电路设计，搭建，软件编写，调试。

四、实验条件：

1、实验面包板一块（或单片机实验板）；

2、AT89C51（或相近型号）单片机1个；

3、稳压电源1台；

4、电源插座1只；

5、计算机1台；

6、其它芯片见下表：

（注意：

实验未用的元件报告中不能出现）

序号

名称

型号

单片机

AT89C52

RS-232收发器

MAX232C

三极管

9014

模数转换器

ADC0809

晶振

24MHZ

译码器

74LS138

采样保持器

LF398N

LED数码管

Sm4205（共阳极）

电阻

需要的规格

电容

需要的规格

面包板

轻触开关

KFC_A06_05

说明：

其他元件，电路设计后和指导教师商量解决。

五、实验步骤：

1、实验前先进行实验内容的预习，在课外设计好实验接线图，编写实验要求的汇编程序，并在计算机上进行编译和调试，将调试好的程序转换成*.HEX格式存入移动U盘。

2、实验时按电路图接好线后，将*.HEX程序写入单片机中，进行程序调试。

3、观察实验过程，详细记录实验中出现的问题，并分析其原因以及程序的修改过程。

六、思考题：

1、如何设置定时器和中断？

2、显示器的地址如何确定，如何将一个数据进行动态显示。

怎样查询要显示的数字。

七、实验报告：

1、实验的目的、要求；

2、实验电路图的设计，所用元件性能的简单介绍；

3、实验程序的编写与调试，并对程序加以详细注释；

4、调试过程与调试结果，并对调试中出现的问题进行分析；

5、回答本实验相关问题。

6、实验的体会与总结。

附2.1：

单片机最小系统实验原理图

附2.2设计编程注意事项

一、硬件设计

1、单片机选用

本次实验，单片机采用的是AT89C××系列或AT89S××系列，该系列单片机片内都含有闪速程序存储器，可以根据所编写程序代码大小选择有不同片内程序存储器的单片机，一般情况下，课程设计中的程序代码都不是太大，2K或4K的程序存储器都可以满足。

数据存储器一般都较小，不进行大量的数据处理，或数组变量中成员不是太多的情况下，片内RAM是够用的。

2、端口资源分配

接口是CPU与外界的连接部件，以实现CPU与外部设备的最佳耦合和匹配。

包括键盘、显示、A/D转换、D/A转换和打印机等。

根据实验要求，选用外设，并选用合适的外围接口芯片。

I/O端口是CPU与I/O设备直接通信的地址。

单片机系统对I/O端口是采用端口地址与存储器地址统一编址的方式，即存储器映射方式。

而编址技术又分线选法和译码法。

在设计单片机系统时，对地址必须有一个清楚的认识，一但硬件确定，则相应的扩展地址也就确定了。

3、数据采集单元设计

要针对不同的要求，不同的情况设计数据采集电路。

设计时要考虑测量范围，显示精度，信号的情况，信号变化缓慢的还是变化很快，信号的质量，确定是否需要放大、滤波、采样保持电路；对于数字信号，也要考虑信号的大小和质量，考虑是否用比较电路、驱动电路和光电隔离等。

4、显示单元设计

显示是仪器和人交流信息的重要窗口，也是仪器的一个重要组成部分。

根据题目要求，确定显示的形式（静态显示还是动态显示；LED显示好事LCD显示等），显示的位数，所以必须对要显示的信息做到心中有数，设计的显示单元要满足所有要显示信息的显示要求。

由于LED显示的控制较为简单，本次实验室提供LED指示灯和8段LED数码管。

5、按键控制单元设计

一个测控系统，总是有许多功能，有些功能可以根据系统的运行状态自己变化，如智能仪表中的量程自动选择；但相当多的功能需要人工控制，如交通灯控制中的各段时间的设定等，所以对于测控系统来讲，一般都要有人工控制信号的输入端口－按键或键盘。

设计按件或键盘，要对设计对象的功能相当熟悉，才能正确确定按键的数量。

如果要输入的数字较大且是随机的，要考虑设计键盘。

如果不是很大，或者数字很大但变化范围不大的情况下，尽量使用按键。

6、其它功能设计

其他功能设计，需要根据题目要求，如串行通信，D/A转换等，因为本次实验时间所限，布置任务时，将一些功能不做要求或作为选择内容，学生可以根据实际情况取舍，进度较快的课题组，还可以自己增加相应内容。

7、硬件设计以后，要求搭建电路，在软件未编写完以前，编写测试软件，先对硬件的各部分进行测试。

二、软件设计

本次软件设计必须采用汇编语言，考试考核内容是汇编语言。

（在以后学习了单片机C语言以后，可以采用单片机C语言，由于单片机C语言在系统开发中有明显的优越性，掌握单片机C语言对以后可能从事该工作的同学有很大的益处。

鼓励同学用单片机C语言编程。

）

1、对编写软件的要求：

①软件结构清晰、简捷、流程合理。

②各功能程序实现模块化、子程序化。

这样，既便于调试、链接，又方便移植、修改。

③程序存储区、数据存储区分配合理。

④运行状态实现标志化管理。

各个功能程序运行状态、运行结果以及运行要求都设置状态标志（一般用位寻址区的位）以便查询，程序的转移、运行、控制都可以通过状态标志条件来控制。

⑤软件抗干扰性能好。

2、设计前的准备工作

1）定义系统功能，画出流程图

系统定义是在软件设计前，把软件承担的任务明确出来。

然后对软件进行功能分块。

画出流程图，特别注意有中断时，中断流程图和主流程图一定是分开的。

这一部分是相当重要的工作，对后面程序编写与调试是否顺利有很多影响，一定要认真对待。

软件设计有两种方法：

一种是自上而下，逐步细化；另一种是自下而上，先设计出每一个具体的模块（子程序），然后再慢慢扩大，最后组成一个系统。

两种方法各有优缺点。

自上而下的方法在前期看不到什么具体效果，对于初学者来说，心中总是不踏实。

而自下而上的方法一开始就有结果，每设计并测试好一个模块，就能看到实际的效果，给人一步一个足印的感觉，能树立信心。

建议两种方法结合运用。

主程序采用自上而下的方法，将它分成若干个功能相对独立的较小的程序模块。

然后再采用自下而上的方法，设计一个模块，调试一个模块，加入主程序调试；再进行下一个模块设计和调试。

所以在这一步骤就是设计主程序的框架。

根据问题的定义,确定算法，并绘制程序框图。

注意必须确保程序框图的正确性。

比如在电脑时钟中，考虑输入“分”的数据的合理性，数据必须小于60，程序框图中就不能忽视等于60如何处理。

这是初学者常犯的错误。

2）合理选用数据类型

数据类型选用，在用单片机C语言编程时特别重要。

各种数据类型的定义。

是定点数还是浮点数；是有符号数还是无符号数；是十六进制数还是BCD码。

如果一个参数的变化范围有限，就可以用定点数来表示，以简化程序设计和加快运行速度。

当参数的变化范围太宽时，只好采用浮点数来表示。

若要求数据的正负之分，则考虑定义有符号数。

对于自然数列，为显示方便，可以采用BCD码，如电脑时钟的时、分、秒。

3）合理定义和分配存储空间、定义标志位。

资源分配的主要工作是RAM资源的分配。

片外可扩展RAM的容量要比片内RAM大，在数据量较大的情况下，要扩展片外RAM，通常用来存放批量大的数据，如采集的大量数据的存储。

用汇编语言编程，片内RAM的分配，是一个相当麻烦，要有一定技巧的工作，那个变量放在那个存储单元，该变量需要长期保存还是保存到某一个阶段，在用单片机汇编语言编程时，不能象编普通的计算机程序那样，否则容易造成RAM不够用或者将有用的数据覆盖。

注意用单片机C语言编程不存在这个问题。

系统上电复位时，自动定义0区为工作寄存器，1区为堆栈，并向2区、3区延伸。

如果系统前台程序要用1区、2区作为工作寄存器，就应将堆栈空间重新规划，常将堆栈安放在片内RAM的高端，如60H—7FH。

在工作寄存器的8个单元中，R0和R1具有指针功能，是编程的重要角色，应充分发挥其作用，尽量避免用来做其他事情。

20H～2FH这16个字节具有位寻址功能，用来存放各种软件标志、逻辑变量、位输入信息、位输出信息副本、状态变量、逻辑运算的中间结果等。

当这些项目全部安排好后，保留一两个字节备用，剩下的单元才可改作其他用途。

30H—7FH为一般通用寄存器，只能存入整字节信息。

通常用来存放各种参数、指针、中间结果，或用作数据缓冲区。

RAM资源规划好后，应列出一张RAM资源的详细分配清单，作为编程依据。

为了增加可读性，便于修改，一般对分配的存储单元取名。

如保存当前时间的时、分、秒取HOUR、MINI、SEC，编程时用变量名，编译时只需在前面加HOUREQU24H即可（20H为分配给小时的存储单元的地址）。

3、编程时注意事项：

①一定要严格根据框图编程。

②一定要写注释。

③通过编译后，只表明语法没错，并不表明逻辑正确，一定要用不同的数据对模块进行测试。

完全符合预定结果，方可确认通过。

④将该模块加到主控模块进行测试，如果与预定结果不符，必须查找原因，进行修改、调试。

⑤必须注意随时保存调试通过的副本。

以便当新程序出现故障时，随时可返回前面的正确点重新开始。

4、软件的调试

调试程序一般应经过以下几个步骤：

1）先进行人工检查，即静态检查。

在写好一个程序以后，不要匆匆忙忙上机，而应对纸面上的程序进行人工检查。

这一步是十分重要的，它能发现程序设计人员由于疏忽而造成的多数错误。

而这一步骤往往容易被人忽视。

有人总希望把一切推给计算机系统去做，但这样就会多占用机器时间，作为一个程序人员应当养成严谨的科学作风，每一步都要严格把关，不把问题留给后面的程序。

2）在人工检查无误后，才可以上机调试。

通过上机发现错误称动态检查。

在编译时给出语法错误的信息，可以根据提示的信息具体找出程序中出错之处并改正之。

应当注意的是有时提示的出错并不是真正出错的行，如果在提示出错的行上找不到错误的话应当到上一行再找。

有时提示出错的类型并非绝对准确，由于出错的情况繁多，各种错误互有关联，因止要善于分析，找出真正的错误，而不要只从字面意义上找出错信息。

如果系统提示的出错信息多，应当从上到下一一改正。

有时显示出一大片出错信息往往使人感到问题严重，无从下手。

其实可能只有一二个错误。

例如，对使用的变量未定义，编译时就会对所有含该变量的语句发出出错信息；有的是少了“}”或多了“}”有的是书写语句时忘记写“；”或是全角的“；”了，只要加上一个变量定义，或填加“}；”就所有错误都消除了。

3）在改正语法错误后，程序经过连接就得到可执行的目标程序。

目标程序可以用Keil软件进行仿真。

对仿真结果要作认真分析。

看它是否符合要求。

有时，数据比较复杂，难以立即判断结果是否正确。

可以事先考虑好一批“试验数据”，输入这些数据可以得出容易判断正确与否的结果。

可以在计算的输出结果的程序地方加入一段输出到串口的程序，利用串口窗口可以方便看到结果的。

4）运行结果不对，大多属于逻辑错误。

对这类错误往往需要仔细检查和分析才能发现。

可以采用以下办法：

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