基于51系列单片机的实验平台开发设计.docx
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基于51系列单片机的实验平台开发设计
摘要
由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MOS.51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了市场，成为国内单片机应用领域中的主流。
目前，可用于MOS.51系列单片机开发的产品越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。
利用STC系列单片机作为微控制器开发一套软、硬件相结合的单片机实验平台，在KeilC环境下进行软件设计，主要包括流水灯、数码管显示以及LCD显示模块，在Protues中仿真成功，下载到电路板中验证成功。
实现流水灯正反向流动，应用中断实现数码管60之内计数以及LCD显示不同字符的功能。
关键词：
STC单片机，实验平台，数码管，流水灯
51seriesmicrocontrollercomprehensiveexperimentalboarddevelopmentdesign
ABSTRACT
Duetothesingle-chipmicrocomputertechnologyinvariousfieldshasbeenmoreandmorewidelyused,manyintegratedcircuitmanufacturershaveintroducedvarioustypesofSCM,themicrocontrollerfamilymanymembers,MOS.51seriesmicrocontrollerwithitssuperiorperformance,maturetechnologyandhighreliabilityandhighperformanceprice,quicklyoccupiedthemarket,becomethemainstreaminthefieldofSCM.Atpresent,canbeusedforMOS.51seriesmicrocontrollerproductsismoreandmore,anditssupportingallkindsofdevelopmentsystem,allkindsofsoftwarehasbecomemoreandmoreperfect,soitcanbeveryconvenienttouseofthepresentresources,developedfordifferentpurposeofallkindsofapplicationsystem.
UsingSTCseriessinglechipmicrocomputerasmicrocontrollerdevelopasetofsoftwareandhardwarecombinationofSCMexperimentplatform,intheKeilCundertheenvironmentofsoftwaredesign,includingthewaterlamp,digitaltubedisplayandLCDdisplaymodule,inProtuessimulationinsuccess,downloadtocircuitboardverifysuccess.Realizationofflowingwaterlightforwardandreverseflow,applicationofinterrupttorealizedigitaltubewithinsixtycounterandLCDdisplaythefunctionofdifferentcharacter.
KEYWORDS:
STCmicrocontroller,comprehensiveexperimentalboard,softwareandhardwarecombinedwith,andtheprogramdevelopmentdesign
前言
1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。
特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。
以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。
以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。
这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。
随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。
第1章系统概述
1.1设计题目
基于51系列单片机的实验平台开发设计
1.2系统设计目的和内容
1.2.1设计目的
利用STC系列单片机作为微控制器开发一套软、硬件相结合的单片机实验平台。
锻炼学生的设计思维和动手能力，使其具备独立完成设计的能力。
1.2.2设计内容
1.电路原理图设计，主要包括集LCD显示模块、串口通信模块、数码管显示模块、LED发光二极管、键盘等接口电路的设计；
2.学习集成电路等芯片的焊接方法与技巧，进行实际元器件的识别，进行电路板焊接；
3.在KeilC环境下，进行软件设计。
主要包括流水灯、计数器、定时器、LCD字符显示、键盘的控制等功能程序设计；
4.针对所开发的实验板，结合器件选择、原理图设计、硬件焊接、软件编程调试、软硬件联调等方面写出课程设计报告。
1.2.3设计要求
1.完成综合实验平台的电路结构分析，进行模块分解，掌握各部分电路的工作原理；
2.独立完成电路板的焊接，掌握故障排除方法，完成实验平台的硬件设计及开发；
3.结合KeilC软件在焊接无误的单片机实验平台上开发出流水灯、LCD显示模块，通信模块等程序设计；
4.按照要求撰写课程设计论文。
1.2.4设计步骤
1.完成每一个模块的C51程序，包括数码管显示模块，LCD模块，流水灯模块；并在仿真软件中运行仿真；
2.按照电路原理图完成电路板的焊接；
3.下载验证
第2章整体设计方案
1
2
2.1开发板整体外观
图2-1开发板整体外观
2.2整板电路PROTUES仿真电路
图2-2Protues仿真电路
2.3软件功能描述
1.Keil
KeilC51µVision2集成开发环境是KeilSoftware，Inc/KeilElektronikGmbH开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。
KeilC51集成开发环境的主要功能有以下几点：
●µVision2forWindows：
是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中；
●C51国际际准化C交叉编译器：
从C源代码产生可重定位的目标模块；
●A51宏汇编器：
从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模块；
●BL51链接器/定位器：
组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块；
●LIB51库管理器：
从目标模块生成连接器可以使用的库文件；OH51目标文件至HEX格式的转换器，从绝对目标模块生成IntelHex文件；
●RTX-51实时操作系统：
简化了复杂的实时应用软件项目的设计。
这个工具套件是为专业软件开发人员设计的，但任何层次的编程人员都可以使用，并获得80C51单片机的绝大部分应用。
2.ISISProtues
ProtuesISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
该软件可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路、单片机及外围电路进行绘制、分析、仿真，并提供了简便易用的印刷电路板设计工具。
Protues软件有如下几个特点：
●强大的原理绘图功能。
●支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
●提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点的等调试功能，同时在仿真系统中也加入了观察各个变量、寄存器等的当前状态的功能；它还支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51Vision2等软件。
●丰富的元器件库。
提供30多个元器件库，数千种元器件。
包括：
电阻、电容、二极管、三极管、MOS管、变压器、继电器、各种激励、各种微控制器、各种门电路和终端等。
●软件包中提供各种仪表。
包括：
交直流电压表、交直流电流表、逻辑分析仪、定时\计数器和信号发生器等，它们通过图形显示功能，将线路中的变化的信号以图形方式实时显示出来。
Protues中主要包括ISIS和ARES两个基本模块，其中ISIS集单片机电路图绘制、汇编语言编程、调试和仿真运行等功能于一体；ARES模块则可根据ISIS原理图实现印刷电路板的设计功能。
总之，在Protues中，从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB设计可以一气呵成，具有从概念到产品的完整设计能力。
2.4仿真软件PROTUES中的效果图
图2-3Protues仿真效果图
第3章硬件电路设计
3.1两位一体共阴数码管
2
3
3.1
3.1.1数码管概述
LED数码管是由发光二极管构成的,具有显示亮度高、响应速度快的特点。
常见的是七段LED显示器为“8”字型，该显示器内部有7个条形发光二级管和一个小圆点发光二级管，共计8段，每段对应一个发光二级管。
有共阴极和共阳极两种，共阴极发光二极管的阴极连在一起，通常公共阴极接地。
当阳极为高电平时发光二级管发光。
共阳极发光二极管的阳极连在一起，通常公共阳极接正电压。
当阴极为低电平时发光二级管发光。
3.1.2数码管内部结构
8段LED数码管如图3-1所示：
图3-18段LED数码管结构及外形
LED数码管通过7个发光二极管亮暗的不同组合可以显示各种数字，另外一个圆的型发光二级管（图3-1（a）中以dp显示）显示小数点。
只要为LED数码管提供了段码就可以显示不同的符号和数字。
LED数码管共计8段。
正好是一个字节。
习惯上是以“a”段对应段码字节的最低位。
各段与字节中各位对应关系如表3-1所示。
表3-1段码与字节中各位对应关系
代码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dp
g
f
e
d
c
b
a
按照表3-1中的格式，显示各种字符的8段LED数码管的段码如表3-2所示（以共阴极为例）。
表3-28段LED数码管段码
显示字符
段符号
十六进制代码
dp
g
f
e
d
c
b
a
共阴极
共阳极
0
0
0
1
1
1
1
1
1
3FH
C0H
1
0
0
0
0
0
1
1
0
06H
F9H
2
0
1
0
1
1
0
1
1
5BH
A4H
3
0
1
0
0
1
1
1
1
4FH
B0H
4
0
1
1
0
0
1
1
0
66H
99H
5
0
1
1
0
1
1
0
1
6DH
92H
6
0
1
1
1
1
1
0
1
7DH
82H
7
0
0
0
0
0
1
1
1
07H
F8H
8
0
1
1
1
1
1
1
1
7FH
80H
9
0
1
1
0
1
1
1
1
6FH
90H
3.1.3两位一体共阴数码管和74LS374锁存器接口电路
图3-2两位一体共阴数码管和74LS374锁存器接口电路
3.2LCD1602液晶
3.2.1LCD1602液晶简介
1.1602LCD，工业字符型液晶，能够同时显示16×2即32个字符（16列2行）每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5×7或者5×10等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。
2.液晶显示模块RT-C1602C的内部结构可以分成三部分：
一为LCD控制器，二为LCD驱动器，三为LCD显示装置，如图3-1所示：
图3-1RT-C1602内部结构
3.HD44780控制器的特点
HD44780是集控制器、驱动器于一体，专用于字符显示控制驱动集成电路。
可选择5×7或5×10点字符。
HD44780不仅作为控制器而且还具有驱动40×16点阵液晶像素的能力，并且HD44780的驱动能力可通过外接驱动器扩展360列驱动。
HD44780可控制的字符高达每行80个字，也就是5×80=400点，HD44780内部有16路行驱动器和40路列驱动器，所以HD44780本身就具驱动有16×40点阵LCD的能力（即单行16个字符或两行8个字符）。
如果在外部加一HD44100外扩展多40路/列驱动，则可驱动16×2LCD。
HD44780的显示缓冲区DDRAM、字符发生存储器（ROM）及用户自定义的字符发生器CGRAM全部集成在芯片内。
HD44780有80个字节的显示缓冲区，分两行，地址为：
第一行为00H~27H；（0～39→40个）
第二行为40H~67H。
（64～103→40个）
HD44780具有8位数据和4位数据传输两种方式，可与4/8位CPU相连。
具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。
HD44780内部的字符发生存储器（ROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形包括阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等。
4.HD44100是作为扩展显示字符位。
3.2.2LCD1602液晶引脚介绍
图3-3RT-1602外观
图3-4RT-1602引脚
显示容量：
16个×2排字符；工作电流2.0mA（5.0V）；字符尺寸：
2.95×4.35mm。
RT-1602C采用标准的16脚接口，各引脚情况如下：
第1脚：
VSS为电源地；
第2脚：
VDD为+5V电源；第3脚：
VEE为液晶显示对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时，会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择命令寄存器。
[RS：
RegisterSelection]
第5脚：
R\W，读写操作选择（1－读，0－写）。
如表3-1所示：
表3-3读写操作选择
RS
R\W
寄存器及操作
0
0
指令寄存器写入
0
1
忙信号和地址计数器读出
1
0
数据寄存器写入
1
1
数据寄存器读出
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时（负跳变），液晶模块执行命令。
执行一条命令，都要使E有一个负跳变。
第7～14脚：
D0～D7，为8位双向数据总线，与单片机的数据总线相连，三态。
第15脚：
BLA，背光电源，通常为＋5V，并联一个电位器，调节背光亮度。
第16脚：
BLK，背光电源地。
3.2.3LCD1602液晶外围接口电路
图3-5LCD1602液晶外围接口电路
3.3串口通信
3.3.1串口通讯概述
单片机构成的控制系统，由于设计需求，往往需要和外部的微处理器进行数据交流，实现两个或多个处理器之间的数据通信。
常用的数据通信包括两种形式：
并行通信和串行通信。
分别如图3-1（a）和图3-1（b）所示。
（a）（b）
图3-6并行通信与串行通信
1.串行通信与并行通信的优缺点对比，如表3-1所示。
表3-4串并行通信对比
并行数据传送
串行数据传送
原理
各位数据同时传送
数据按位顺序传送
优点
传送速度快、效率高
最少需要一对传输线即可完成：
成本低
缺点
数据位数→传输线根数：
成本高
速度慢，成本低
应用
传送距离<30米，用于近距离或内部
几米～几千公里，用于计算机与外设之间
2.串行通信按信息的格式可分为异步通信和同步通信两种方式；根据信息传送的方向，串行通信可以分为单工、半双工和全双工3种，如图3-2所示。
图3-7串行通信的3种传输形式
3.3.2MAX232接口电路
MAX232接口电路如图3-3所示。
图3-8MAX232接口电路
第4章软件设计
4.1程序整体流程图
4.2程序清单
#include
unsignedcharled[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
unsignedcharled_code[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
sbitP15=P1^5;
sbitRS=P1^6;
sbitRW=P1^7;
bitrun=0;
bitdir=0;
unsignedcharLCD_Status;
voiddelay（unsignedintcount）
{unsignedchari;
while（count--）
for（i=0;i<120;i++）;
}
unsignedcharBusy_Check（）//检查忙函数
{RS=0;
RW=1;//RS=0,RW=1，忙信号地址读出
P2=0x40;//E=1;//E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令
delay
（2）;
LCD_Status=P0;//读出的值写入单片机
delay
（2）;
P2=0x00;//E=0;
returnLCD_Status;
}
voidwcmd（unsignedcharcmd）//写命令函数,RS=0；RW=0
{while（（Busy_Check（）&0x80）==0x80）;//写命令前，先检查设备是否忙？
//忙信号标志位在最高位，为1时表示忙,程序不往下执行
RS=0;
RW=0;//写控制字
P2=0x40;//E=1;//E设置为高电平
P0=cmd;//命令由P0口送入LCD
delay
（2）;
P2=0x00;//E=0;//E由高电平到低电平跳变，液晶模块执行命令
}
voidwdat（unsignedchardat）//写数据函数,RS=1；RW=0
{
while（（Busy_Check（）&0x80）==0x80）;//写数据前，检查是否忙，同上
RS=1;
RW=0;
P2=0x40;//E=1;//E由高电平到低电平跳变，液晶模块执行命令
P0=dat;//数据由P1口送入LCD
delay
（2）;//延时大约2ms
P2=0x00;//E=0;
}
voidinit（）//初始化函数，主要写命令
{wcmd（0x38）;//38H=00111000，使用8位，显示两行；用5×7的字型【命令6】
delay（20）;//改为0x3C=00111100，就用5×10字型
wcmd（0x01）;//01H=00000001，清屏【命令1】
delay（20）;
wcmd（0x06）;//06H＝00000110，字符不动，光标自动右移一格【命令3】
delay（20）;
wcmd（0x0e）;//0eH＝00001110，开显示，有光标，字符不闪烁【命令4】
delay（20）;
}
voidkey1（void）interrupt0
{
run=1;
dir=0;
wcmd（0x80+0x44）;
wdat（'h'）;
wdat（'e'）;
wdat（'l'）;
wdat（'l'）;
wdat（'o'）;
}
voidkey2（void）interrupt2
{unsignedintk;
unsignedintj;
while（k<6）
{P2=0x3f;
P0=led_code[k];
k++;
for（j=0;j<10;j++）
{P2=0x1f;
P0=led_code[j];
delay（200）;}
}k=0;j=0;
}
voidmain（void）
{signedchari;
IT0=1;IT1=1;
EX0=1;EX1=1;
EA=1;
P15=1;
Busy_Check（）;
wcmd（）;
wdat（）;
init（）;//0x80，见命令8（显示缓冲区DDRAM地址设置命令格式）
wcmd（0x80+0x00）;//写入显示缓冲区起始地址为第1行第1列
wdat（'W'）;
wdat（'E'）;
wdat（'L'）;
wdat（'C'）;
wdat（'O'）;
wdat（'M'）;
wdat（'E'）;
while
（1）
{switch（P3&0x3c）
{case0x2c:
run=1,dir=1;break;
case0x1c:
run=0,dir=0;break;
}
if（run==1）
if（dir==1）
for（i=0;i<=7;i++）
{P2=led[i];
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