实验指导书.docx
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实验指导书
宁波大红鹰学院
单片机原理及应用
实验指导书
电气工程及其自动化教研室编
目录
实验指导1
实验一发光二极管控制1
实验二继电器控制3
实验三数码管静态显示5
实验四数码管动态显示7
实验五键盘接口8
实验六工件计数10
实验七数字时钟11
实验八单片机间串行通信13
实验九TLC1549串行A/D转换15
实验十TLC561510位D/A串行转换17
实验十一步进电机控制19
实验十二I2C总线21
实验十三红外线通信26
实验十四温度测量28
实验十五数控电流源30
实验十六基于DS18B20的智能温度测量32
实验十七DS1302实时时钟35
附录37
Keil软件的使用37
主要电路模块43
实验指导
实验一发光二极管控制
一、目的
1、理解单片机端口的结构
2、掌握单片机端口作为一般I/O接口的数据输出方法
3、掌握延时子程序的编写
4、掌握程序的基本结构
5、熟悉单片机最小系统
6、软件的使用
二、内容
1、点亮一个发光二极管
2、使一个发光二极管闪烁
3、使8个发光二极管右循环点亮，实现流水灯效果
4、将八个发光二极管分为两组，LED1、3、5、7为一组，LED2、4、6、8为一组，使两组发光二极管分别轮流点亮（选做）
5、软件的使用
三、步骤
1、选择12MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、将J2的1、2脚短接（短接片放在“开”的位置）
3、编写程序，下载调试
可先在EDA软件中进行仿真。
四、设计思路
1、硬件电路
2、软件设计
五、思考
1、改变内容1和3的延时时间，观察有什么不同
2、改变内容3，实现左循环
实验二继电器控制
一、目的
1、理解继电器工作原理
2、了解功率驱动的概念
3、掌握弱电控制强电的方法
4、掌握继电器的隔离作用
5、掌握单片机I/O口的使用
6、掌握独立式按键的工作原理
二、内容
用独立式按键控制继电器的吸合和释放，当按键按下时吸合，按键松开时继电器释放，观察继电器动作。
三、步骤
1、选择12MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、编写程序，下载调试
3、观察继电器动作，或用万用表测量常开、常闭触点吸合前后的状态
四、设计思路
单片机是一个弱电器件，一般工作在低电压（５V或更低）小电流（mA级）的条件下，不能直接驱动大电压，大电流器件，比如电动机、照明电路等，就要加上一个中间环节来衔接，这个环节就是“功率驱动”。
继电器就是一个简单的功率驱动环节，对单片机来说，它是一个功率器件，对外又可以驱动其它大功率负载。
继电器就是单片机和其它大功率负载的接口。
同时，继电器可将直流和交流、弱电和强电隔离开来，起到隔离作用。
其工作原理很简单，当线圈得电的时候，常开触点闭合，常闭触点打开。
因为继电器对单片机来说也是一个功率器件，因此电路中要加一个起开关作用的三极管。
可以考虑一下二极管的作用。
1、硬件电路（参考继电器和蜂鸣器控制电路）
2、软件设计思路
当K1按下时，继电器的吸合，否则释放。
五、思考
1、二极管的作用？
2、为什么要加三极管，直接用单片机的管脚去驱动行不行？
（MCS51单片机）
实验三数码管静态显示
一、目的
1、掌握数码管静态显示原理
2、掌握数码管显示方法
3、掌握独立式按键的检测方法
二、内容
1、采用静态显示的方法，在数码管上分别循环显示0、1、2….一直到F，然后在从0开始，每隔一秒显示一个数据。
2、给4个独立式按键编号，当有按键按下时，将对应的按键编号显示在数码管上，当没有按键按下或有多个按键按下时，显示0。
3、按键计数：
开始时，数码管上显示数字0，K1每按一次，数码管上显示的数字就加1，直到F，然后在从0开始。
三、步骤
1、选择12MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、J2的2、3脚短接（短接片放在“关”的位置）
3、J3的1、2脚短接（短接片放在“开”的位置）
4、编写程序，下载调试
四、设计思路
1、硬件电路
电路中共有8位显示数码管，选择一位作为静态显示用；四个独立式按键K1、K2、K3、K4分别编号为1、2、3、4。
2、软件设计思路
采用查表的方式得到段码。
五、思考
静态显示有什么优缺点？
实验四数码管动态显示
一、目的
1、掌握数码管动态显示原理
2、掌握数码管动态显示方法
3、掌握独立式按键的检测方法
二、内容
1、采用动态显示的方法，在4位数码管上分别显示0、1、2、3
2、按键计数：
开始时，4位数码管上都显示十进制数字0，按键K1每按一次，4位数码管上显示的数字就加1，直到9999，然后在从0开始，注意显示的是十进制数。
三、步骤
1、选择12MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、J2的2、3脚短接（短接片放在“关”的位置）
3、J3的1、2脚短接（短接片放在“开”的位置）
4、编写程序，下载调试
四、设计思路
动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。
选亮数码管采用动态扫描显示。
所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。
动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。
1、硬件电路（参考数码管静态显示电路）
电路中共有8位显示数码管，选择4位作为动态显示用。
2、软件设计思路
4位数码管轮流显示。
五、思考
动态显示有什么优缺点？
实验五键盘接口
一、目的
1、掌握独立键盘的检测原理
2、掌握矩阵键盘的检测原理
二、内容
按矩阵键盘上面的S1---S16，在第一个数码管上分别显示1-16
三、步骤
1、选择12MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、编写程序，下载调试
四、设计思路
独立键盘
如果系统只需几个按键，可直接采用I/O线构成单个按键电路，各个按键之间相互独立，一根线上的按键状态不会影响其他输入线上的工作状态，又称独立式键盘接口电路。
检测是否有键闭合，如有键闭合，则去除键抖动，判断键号并转入相应的按键处理。
编写单片机的键盘检测程序时，一般在检测按下时加入去抖延时，检测松手时就不用加了。
矩阵式
键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。
当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。
这一点是识别矩阵按键是否被按下的关键。
然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。
扫描方式是利用CPU完成其他工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。
在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。
键盘扫描程序一般应包括以下内容：
（1）判别有无键按下。
（2）键盘扫描取得闭合键的行、列值。
（3）用计算法或查表法得到键值。
（4）判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。
（5）将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。
1、硬件电路
2、软件设计思路
按检测、判断过程编写。
五、思考
按键消抖有哪些方法？
为什么要进行按键消抖？
实验六工件计数
一、目的
1、掌握LED数码管动态显示原理与应用方法
2、掌握外部中断的原理与使用方法
3、熟悉红外光电传感器的使用方法。
二、内容
在流水线产品数量自动记录系统中，物品经过红外线检测器时，挡住红外线，接受电路产生单片机中断触发信号，送给单片机的中断，在中断服务程序中计数，并实时显示计数结果（采用独立式按键K4模拟，产生中断信号）。
三、步骤
1、将J1的2、3脚短接，选择12MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、J14的1、2脚短接（短接片放在“关”的位置）
3、J11的1、2脚短接（短接片放在“开”的位置）
4、编写程序，下载调试
四、设计思路
1、硬件电路（参考数码管静态显示电路）
采用4位数码管显示，使用K4作为外部中断1输入信号。
2、软件设计思路
主程序中显示，中断程序中计数。
实验七数字时钟
一、目的
1、掌握LED数码管显示原理与应用方法
2、掌握单片机定时/计数器的应用
3、熟悉键盘的设计方法
4、熟悉单片机中断的使用方法
二、内容
1、单片机上电开机时，数码管显示00：
00并开始以一秒的时间走动
2、第一个按键为功能键：
（1）按第一下时，时钟暂停
（2）按第二下时，时钟停止，当前秒操作为有效（数码管后两位）
（3）按第三下时，时钟停止，当前分操作为有效（数码管前两位）
（4）按第四下时，时钟开始走动，显示当前时间
3、第二个键为操作键：
（1）在功能键按下二次时，按操作键一次，秒加1
（2）在功能键按下三次时，按操作键一次，分加1
三、步骤
1、选择12MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、J2的2、3脚短接（短接片放在“关”的位置）
3、J3的1、2脚短接（短接片放在“开”的位置）
4、编写程序，下载调试
四、设计思路
1、硬件电路（参考数码管静态显示电路）
2、软件设计思路
实验八单片机串行通信
一、目的
1、了解串行通信的基本概念
2、理解串行通信的专业术语
3、掌握单片机串行通信原理
4、掌握单片机双机通信的软硬件设计
二、内容
使用下载软件中的串口助手完成下列功能：
1、单片机向串口助手发送一个字符（或按键值），同时将发送的字符（或按键值）在数码管上显示出来
2、单片机接收串口助手发来的单个字符并显示
3、单片机向口助手发送多个字符（或按键值），同时将发送的字符（或按键值）在数码管上显示出来
4、单片机接收串口助手发来的多个字符并显示
5、两个单片机相互通信（选做）
三、步骤
1、选择11.0592MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、J2的2、3脚短接（短接片放在“关”的位置）
3、J3的1、2脚短接（短接片放在“开”的位置）
4、编写程序，下载
5、打开下载软件的串口助手，设置号通信参数，如下图所示
6、点打开串口按钮，按钮旁指示灯变绿，发送或接收数据
四、设计思路
1、硬件电路
通过下载线通信。
2、软件设计思路
注意通信协议。
五、思考
如果选择12MHz晶振进行通信，可能会存在什么问题？
实验九AD转换器实验
一、目的
1、了解单片机自带AD转换器的工作原理
2、掌握单片机自带AD转换器的控制方法
3、掌握模拟量和数字量的转换关系
二、内容
利用单片机自带A/D转换器，通过系统板上的电位器提供模拟量输入，编制程序，将模拟量转换成数字量，通过数码管显示出来。
三、步骤
1、选择12MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、J2的2、3脚短接（短接片放在“关”的位置）
3、J3的1、2脚短接（短接片放在“开”的位置）
4、将拔码开关SJ2的第二个开关拔到ON，其它的拔到OFF
5、编写程序，下载调试
四、设计思路
1、硬件电路
2、软件设计思路
单片机的自带资源一般都是通过寄存器控制的，熟悉相关寄存器。
五、思考
若输入的模拟电压为3v，则输出的数字量是多少？
写出计算过程。
实验十TLC561510位D/A串行转换
一、目的
1、了解TLC561510位串行D/A转换器的工作原理。
2、掌握TLC561510位串行D/A转换器在单片机系统中的连接与编程。
二、内容
利用TLC5615输出一个从0V开始逐渐升至5V再降至0V的可变电压，并用来驱动发光二极管，观察发光二极管的亮度变化。
三、步骤
1、选择12MHz晶振（短接片放在“开”的位置）
2、J91的2、3脚短接
3、将拔码开关SJ4的开关拔到ON
4、编写程序，下载调试
5、观察发光二极管的亮度变化
6、将拔码开关SJ4的开关拔到OFF
四、设计思路
TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。
带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。
性能比早期电流型输出的DAC要好。
只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器（单片机）接口,适用于电池供电的测试仪表、移动电话,也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。
（1）TLC5615器件的引脚图及各引脚功能。
DIN：
串行数据输入端；
SCLK：
串行时钟输入端；
/CS：
芯片选用通端，低电平有效；
DOUT：
用于级联时的串行数据输出端；
AGND：
模拟地；
REFIN：
基准电压输入端,2V～（VDD-2）；
OUT：
DAC模拟电压输出端；
VDD：
正电源端，4.5～5.5V,通常取5V。
（2）TLC5615的工作时序
TLC5615工作时序如上图所示。
可以看出,只有当片选CS为低电平时,串行输入数据才能被移入16位移位寄存器。
当CS为低电平时,在每一个SCLK时钟的上升沿将DIN的一位数据移入16位移寄存器。
注意,二进制最高有效位被导前移入。
接着,CS的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据锁存于10位DAC寄存器,供DAC电路进行转换;当片选CS为高电平时,串行输入数据不能被移入16位移位寄存器。
注意,CS的上升和下降都必须发生在SCLK为低电平期间。
1、硬件电路
2、软件设计思路
按照时序要求，编写控制程序
五、思考
若单片机送出的数字量是360，则DA输出模拟电压为多少？
写出计算过程。
实验十一步进电机控制
一、目的
1、了解步进电机的结构与功能；
2、熟悉步进电机控制与驱动电路；
3、熟悉步进电机控制程序的编写。
二、内容
1、设计对应的软件系统，实现步进电机的正反转、转速增/减等可控功能
2、在现有系统基础上增加数码显示圈数/转速、启动/暂停/停止、预设转动圈数等功能
三、步骤
1、将步进电机对应连接到X5端子
2、编写程序，下载调试
四、设计思路
步进电也称为脉冲电机，它可以直接接收来自计算机的数字脉冲，使电机旋转过相应的角度。
步进电机在要求快速启停，精确定位的场合做为执行部件，得到了广泛采用。
四相步进电机的工作方式：
*单相四拍工作方式，其电机控制绕组A、B、C、D相的正转通电顺序为：
A->B->C->D->A；反转通电顺序为：
A->D->C->B->A。
*四相八拍工作方式，正转的绕组通电顺序为：
AB->B->BC->C->CD->D
->DA->A；反向的通电顺序为：
A->AD->D->DC->C->CB->B->BA->A。
*双四拍工作方式，正转的绕组通电顺序为：
AB->BC->CD->DA->AB；反向的通电顺序为：
AB->AD->DC->CB->BA。
步进电机有如下特点：
给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲的频率越高，步进电机转得越快；改变各相的通电方式，可以改变电机的运行方式；改变通电顺序，可以控制电机的正、反转。
1、硬件电路
参考步进电机电路、按键电路。
2、软件设计思路
基本流程图如图所示，在此基础上，可自行增加启动/停止/暂停，预设转动圈数，运行时间显示等其他功能。
实验十二I2C总线
一、目标
1、理解I2C协议
2、掌握EEPROM的读写方法
二、内容
向EEPROM中写入1、2、3、4，然后读出来送数码管显示。
三、说明
1、串行EEPROM（24C02）接口方法
在新一代单片机中，无论总线型还是非总线型单片机，为了简化系统结构，提高系统的可靠性，都推出了芯片间的串行数据传输技术，设置了芯片间的串行传输接口或串行总线。
串行总线扩展接线灵活，极易形成用户的模块化结构，同时将大大简化其系统结构。
串行器件不仅占用很少的资源和I/O线，而且体积大大缩小，同时还具有工作电压宽，抗干扰能力强，功耗低，资料不宜丢失和支持在线编程等特点。
目前，各式各样的串行接口器件层出不穷，如：
串行EEPROM，串行ADC/DAC，串行时钟芯片，串行数字电位器，串行微处理器监控芯片，串行温度传感器等等。
串行EEPROM是在各种串行器件应用中使用较频繁的器件，和并行EEPROM相比，串行EEPROM的资料传送的速度较低，但是其体积较小，容量小，所含的引脚也较少。
所以，它特别适合于需要存放非挥发资料，要求速度不高，引脚少的单片机的应用。
2、串行EEPROM及其工作原理
串行EEPROM中，较为典型的有ATMEL公司的AT24CXX系列以及该公司生产的AT93CXX系列，较为著名的半导体厂家，包括Microchip，国家半导体厂家等，都有AT93CXX系列EEPROM产品。
AT24CXX系列的串行电可改写及可编程只读存储器EEPROM有10种型号，其中典型的型号有AT24C01A/02/04/08/16等5种，它们的存储容量分别是1024/2048/4096/8192/16384位，也就是128/256/512/1024/2048字节。
这个系列一般用于低电压，低功耗的工业和商业用途，并且可以组成优化的系统。
信息存取采用2线串行接口。
这里我们就24C02的结构特点，其它系列比较类似。
3、结构原理及引脚
AT24C02有地址线A0～A2，串行资料引脚SDA，串行时钟输入引脚SCL，写保护引脚WP等引脚。
很明显，其引脚较少，对组成的应用系统可以减少布线，提高可靠性。
各引脚的功能和意义如下：
①VCC引脚，电源+5V。
②GND引脚，地线。
③SCL引脚，串行时钟输入端。
在时钟的正跳沿即上升沿时把资料写入EEPROM；在时钟的负跳沿即下降沿时把资料从EEPROM中读出来。
④SDA引脚，串行资料I/O端，用于输入和输出串行资料。
这个引脚是漏极开路的埠，故可以组成“线或”结构。
⑤A0,A1,A2引脚，是芯片地址引脚。
在型号不同时意义有些不同，但都要接固定电平。
⑥WP引脚，写保护端。
这个端提供了硬件数据保护。
当把WP接地时，允许芯片执行一般读写操作；当把WP接VCC时，则对芯片实施写保护。
4、内存的组织及运行
内存的组织：
对于不同的型号，内存的组织不一样，其关键原因在于内存容量存在差异。
对于AT24CXX系列的EEPROM，其典型型号的内存组织如下。
AT24C01A：
内部含有128个字节，故需要7位地址对其内部字节进行寻址
AT24C02：
内部含有256个字节，故需要8位地址对其内部字节进行读写。
5、运行方式
起始状态：
当SCL为高电平时，SDA由高电平变到低电平则处于起始状态。
起始状态应处于任何其它命令之前。
停止状态：
当SCL处于高电平时，SDA从低电平变到高电平则处于停止状态。
在执行完读序列信号之后，停止命令将把EEPROM置于低功耗的备用方式（StandbyMode）.
应答信号：
应答信号是由接受资料的器件发出的。
当EEPROM接受完一个写入资料之后，会在SDA上发一个”0”应答信号。
反之，当单片机接受完来自EEPROM的资料后，单片机也应向SDA发ACK信号。
ACK信号在第9个时钟周期时出现。
备用方式（StandbyMode）：
AT24C01A/02/04/08/16都具有备用方式，以保证在没有读写操作时芯片处于低功耗状态。
在下面两种情况中，EEPROM都会进入备用方式：
第一，芯片通电的时候；第二，在接到停止位和完成了任何内部操作之后。
AT24C01等5种典型的EEPROM在进入起始状态之后，需要一个8位的“器件地址字”去启动内存进行读或写操作。
在写操作中，它们有“字节写”，“页面写”两种不同的写入方法。
在读操作中，有“现行地址读”，随机读和“顺序读”种各具特点的读出方法。
下面分别介绍器件寻址，写操作和读操作。
①器件寻址：
所谓器件寻址（DeviceAddressing）就是用一个8位的器件地址字（DeviceAddressWord）去选择内存芯片。
在逻辑电路中的AT24CXX系列的5种芯片种，即AT24C01A/02/04/08/16中，如果和器件地址字相比较结果一致，则读芯片被选中。
下面对器件寻址的过程和意义加以说明。
②芯片的操作地址
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
0
1
0
A2
A1
A0
R/W
用于内存EEPROM芯片寻址的器件地址字如图所示。
它有4种方式，分别对应于1K/2K,4K,8K和16K位的EEPROM芯片。
从图中看出：
器件地址字含有3个部分。
第一部分是高4位，它们称为EEPROMAT24C01A/02/04/08/16的标识第二部分称为硬布线地址，它们是标识后的3位。
第三部分是最低位，它是读/写操作选择位。
第一部分：
器件标识，器件地址字的最高4位。
这4位的内容恒为”1010”，用于标识EEPROM器件AT24C01A/02/04/08/16。
第二部分：
硬布线地址，是与器件地址字的最高4位相接的低3位。
硬布线地址的3位有2种符号：
Ai（i=0～2）,Pj（j=0～2）其中Ai表示外部硬布线地址位。
对于AT24C10A/02这两种1K/2K位的EEPROM芯片，硬布线地址为“A2,A1,A0”。
在应用时，“A2,A1,A0”的内容必须和EEPROM芯片的A2,A1,A0的硬布线情况，即逻辑连接情况相比较，如果一样，则芯片被选中；否则，不选中。
AT24C01/02:
真正地址=字地址。
第三部分：
读/写选择位，器件地址字的最低位，并用R/W表示。
当R/W=1时，执行读操作；当R/W=0时，执行写操作。
当EEPROM芯片被选中时，则输出“0”；如果EEPROM芯片没有被选中，则它回到备用方式。
被选中的芯片。
其以后的输入，输出情况视写入和读出的内容而定。
③写操作：
AT24C01A/02/04/08/16这5种EEPROM芯片的写操作有2种：
一种是字节写，另一种是页面写。
字节写：
这种写方式只执行1个字节的写入。
字节写的过程如图所示，其写入过程分外部写和内部写两部分，分别说明如下。
在起始状态中，首先写入8位的器件地址。
则EEPROM芯片会产生一个“0”信号ACK输出作为应答；接着，写入8位的字地址，在接受了字地址之后，EEPROM芯片又产生一个“0”应答信号ACK；随后，写入8位资料，在接受了资料之后，芯片又产生一个“0”信号ACK作为应答。
到此为止，完成了一个字节写过程，故应在SDA端产生一个停止状态，这是外部写过程。
在这个过程中，控制EEPROM的单片机应在EEPROM的SCL，SDA端送入恰当的信号。
当然在一个字节写过程结束时，单片机应以停止状态结束写过程。
在这时，EEPROM进入内部定时的写周期，以便把接受的数据写入到存储单元中。
在EEPROM的内部写周期中，其所有输入被屏蔽，同时不响应外部信号直到写周期完成。
这是内部写过程。
内部写过程大约需要10ms时间。
内部写过程处于停止状态与下一次起始状态之间。
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