单片机原理及应用实验指导竞赛版v2.docx
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单片机原理及应用实验指导竞赛版v2
单片机原理及应用
实验指导书
C语言版
2010.03
目录
实验一KeiluVision2开发环境入门2
实验二单片机最小系统设计4
实验三单片机人机接口设计6
实验四SPI按键显示接口设计7
实验五数字频率计设计8
实验六数据采集系统设计10
实验七函数信号发生器设计11
实验一KeiluVision2开发环境入门
一、实验目的
1.初步熟悉KeiluVision2开发环境的使用。
2.了解汇编语言程序设计和调试方法。
二、实验内容
1.存储块清零程序设计。
指定内部RAM中某块的起始地址和长度，要求能将其内容清零。
2.二进制到BCD转换。
将给定的一个单字节二进制数，转换成非压缩的二—十进制（BCD）码。
三、实验说明
通过本实验，初步熟悉KeiluVision2开发环境的使用了解单片机的存储器结构及读写存储器的方法，了解各种数制之间的转换，同时也可以了解单片机编程、调试方法。
四、实验仪器和设备
PC机、KeiluVision2软件。
五、实验原理及参考程序流程图
否
是
图1存储器块清零参考程序流程图
图2单字节二进制数转换成非压缩BCD码程序流程图
实验二单片机最小系统设计
一、实验目的
1.掌握C8051F330单片机最小系统设计方法。
2.进一步熟悉KeiluVision2开发环境的使用。
3.了解C语言程序设计和调试方法。
4.熟悉C8051F优先权交叉开关译码器，掌握I/O口交叉开关设置和引脚配置。
5.了解C8051F单片机内部和外部振荡器结构和配置方法。
二、实验内容
1.C8051F330单片机最小系统设计、制作与调试。
2.C8051F330单片机片内振荡器配置。
3.I/O口交叉开关配置。
为UART0、/INT0和/INT1分配端口引脚。
将P1.2、P1.3和P1.4配置为模拟输入。
4.改变系统工作时钟频率，在P1.7输出一个矩形波，用示波器观察波形，并记录信号频率、周期与脉宽。
三、实验说明
通过本实验，掌握C8051F330单片机最小系统设计、制作和调试方法；进一步初步熟悉KeiluVision2开发环境的使用；了解C8051F330单片机的I/O口交叉开关和振荡器及配置使用；了解C语言程序设计和调试方法。
四、实验仪器和设备
PC机、KeiluVision2软件，C8051F330单片机，EC3在线仿真器。
五、实验原理及参考程序流程图
1.最小系统原理框图
2.C8051F系列MCU振荡器
每个C8051F系列MCU都有一个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，每个驱动电路都能产生系统时钟，MCU在复位后从内部振荡器启动。
系统时钟可在内部振荡器和外部振荡器之间进行切换。
也可以在选择内部振荡器时让外部振荡器保持在允许状态，这样可以避免在系统时钟被切换到外部振荡器时的启动延迟。
外部振荡器具有很高的可配置性，为系统设置者提供了多种选择。
时基信号可以从外部CMOS电平时钟源、晶体或陶瓷谐振器、RC组合电路或外部电容获得。
内部和外部振荡器的工作受两个SFR寄存器控制，即OSCICN内部振荡器控制寄存器和OSCXCN外部振荡器控制寄存器。
3.C8051F330交叉开关配置
C8051F330单片机内部的数字和模拟资源可以通过17个I/O引脚使用。
端口引脚被组织为两个8位口和一个1位口。
每个端口引脚都可以被定义为通用I/O（GPIO）或模拟输入。
P0.0~P1.7可以被分配给内部数字资源。
设计者完全控制数字功能的引脚分配，只受I/O引脚数的限制。
这种资源分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的。
端口I/O初始化包括以下步骤：
1）用端口输入方式寄存器（PnMDIN）选择所有端口引脚的输入方式（模拟或数字）。
2）用端口输出方式寄存器（PnMDOUT）选择所有端口引脚的输出方式（漏极开路或推挽）。
3）用端口跳过寄存器（PnSKIP）选择应被交叉开关跳过的那些引脚。
4）将引脚分配给要使用的外设。
5）使能交叉开关（XBARE=‘1’）。
实验三单片机人机接口设计
一、实验目的
1.掌握单片机简单人机交互接口电路的设计方法。
2.进一步熟悉C8051F330单片机I/O口交叉开关设置和I/O端口的使用。
3.掌握独立式按键和LED显示接口电路和程序设计方法。
二、实验内容
1.C8051F330单片机按键（3个）和LED（4个）显示接口电路设计、制作与调试。
2.用按键输入脉冲，在P1口按16进制计数方式点亮发光二极管。
其中一个按键为加法计数键，一个按键为减法计数键，最后一个为清零键。
三、实验说明
通过本实验，掌握单片机简单人机交互接口电路的设计、制作和调试方法和程序设计方法。
进一步熟悉C8051F330单片机的I/O口交叉开关和振荡器及配置使用；熟悉C语言的模块化程序设计方法。
必须用模块化方法进行C语言程序设计。
四、实验仪器和设备
PC机、KeiluVision2软件，C8051F330单片机，EC3在线仿真器。
五、实验原理
1.LED显示接口电路
图4
2.独立式按键接口电路
图5
实验四SPI按键显示接口设计
一、实验目的
1.掌握ZLG7289专用按键显示芯片电路设计。
2.掌握SPI通信程序设计方法。
3.掌握基于ZLG7289按键显示驱动程序设计。
二、实验内容
1.ZLG7289专用按键显示芯片接口电路设计、制作与调试。
2.ZLG7289按键显示驱动程序设计。
（1）设计一个秒表。
要求：
计时精度为10ms，计时范围为1000秒；显示格式为：
XX.XX.XX；
功能按键：
启动、停止、清零。
（2）设计一个定时器。
要求：
能够输入定时时间，定时最长时间为99分59秒；按启动键后开始倒计时，数码管显示当前剩余时间，每秒钟刷新一次数码管显示的数值；定时时间到达后，用数码管闪烁指示。
三、实验说明
通过本实验，掌握ZLG7289专用按键显示芯片接口电路设计、制作与调试；掌握SPI串行通信接口驱动程序设计；掌握基于专用芯片的人机交互程序设计方法。
逐步掌握C语言的模块化程序设计方法。
必须用模块化方法进行C语言程序设计。
四、实验仪器和设备
PC机、KeiluVision2软件，C8051F330单片机，EC3在线仿真器。
五、实验原理
参考ZLG7289使用说明。
实验五数字频率计设计
一、实验目的
1.掌握单片机片内定时器的使用方法。
2.掌握基于单片机片内定时器的数字频率计设计方法。
二、实验内容
基于单片机片内定时器的数字频率计设计。
要求：
（1）测频率范围：
10Hz~10KHz。
为保证测量精度分为三个频段：
10Hz~100Hz
100Hz~1KHz
1KHz~10KHz
当信号频率超过规定的频段上限时，设有超量程指示。
三个频段之间用手动切换。
（2）输入波形：
低频函数信号发生器输出的矩形波，幅度为3V。
（3）测量误差：
σ≤±1%。
（4）显示和响应时间：
测量结果用三位半导体数码管显示，要求显示数码稳定清晰。
三个频段的最大显示数分别为99.9Hz，999.Hz，9.99KHz，为此需要控制小数点位置，并用两个发光二极管分别显示频率单位：
Hz或KHz，详见表1。
表1
频率范围
小数点位置
单位
响应时间
10Hz≤f<100Hz
××.×
Hz
≤12秒
100Hz≤f<1KHz
×××.
Hz
≤2秒
1KHz≤f<10KHz
×.××
KHz
≤2秒
三、实验说明
通过本实验，掌握单片机片内定时器的使用方法，了解数字频率计的测量原理及测量电路设计方法。
掌握基于单片机的数字频率计工作原理与设计方法。
必须用模块化方法进行C语言程序设计。
四、实验仪器和设备
PC机、KeiluVision2软件，C8051F330单片机，EC3在线仿真器。
五、实验原理
频率测量的方法常用的有测频法和测周法两种。
（1）测频法
测频法的基本思想是让计数器在闸门信号的控制下计数1秒时间，计数结果是1秒内被测信号的周期数，即被测信号的频率。
若被测信号不是矩形脉冲，则应先变换成同频率的矩形脉冲。
测频法的原理框图如图6所示。
图中，秒脉冲作为闸门信号，当其为高电平时，计数器计数；低电平时，计数器停止计数。
显然，在同样的闸门信号作用下，被测信号的频率越高，测量误差越小。
当被测频率一定时，闸门信号高电平的时间越长，测量误差越小。
但是闸门信号周期越长，测量的响应时间也越长。
例如，闸门信号高电平时间为1秒，被测信号频率的真值为2Hz，如图2-2-2所示。
由
图可知，无论被测信号的频率是多少，测量时可能产生的最大绝对误差均为±1Hz，即
f测-f真=±1Hz
所以，最大相对误差为
σmax=（f测-f真）/f真=±1/f真
由上式可知，在闸门信号相同时，测频法的相对误差与被测信号的频率成反比。
因此测频法适合于测量频率较高的信号。
（2）测周法
当被测信号频率较低时，为保证测量精度，常采用测周法。
即先测出被测信号的周期，再换算成频率。
测周法的实质是把被测信号作为闸门信号，在它的高电平的时间内，用一个标准频率的信号源作为计数器的时钟脉冲。
若计数结果为N，标准信号频率为f1，则被测信号的周期为
T=T1·N
被测信号的频率为
f=1/T1·N=f1/N
利用测周法所产生的最大绝对误差，显然也等于±1个标准信号周期。
如果被测信号周期的真值为T真=T1·N，则T测=T1·（N±1）
σmax=（f测-f真）/f真=T真/T测–1=±1/（N±1）
由上式可知，对于一定的被测信号，标准信号的频率越高，则N的值越大，因而相对误差越小。
（3）低频段的测量
鉴于上述困难，对于低频信号，为了达到规定的精度，要采取一些比较特殊的方法。
例如，可考虑将被测信号倍频后再用测频法测量。
或将闸门信号展宽。
由于倍频电路比较复杂，所以一般采用后一种方法，实际上闸门信号展宽与被测信号倍频在效果上是相同的。
闸门信号展宽比较容易做到，例如采用分频电路就可以实现。
若闸门信号高电平时间从1秒展宽到10秒，则相对误差可以按比例下降，但响应时间也增大相同的比例。
实验六数据采集系统设计
一、实验目的
1.掌握单片机片内ADC及温度传感器的使用及应用程序设计
二、实验内容
应用单片机片内ADC实现数据的采集，使用片内温度传感器实现温度的测量。
要求：
1.应用C8051F330单片机片内温度传感器实现温度的测量，并用数码管显示实测温度值，显示精度为0.1oC。
2.应用C8051F330单片机内ADC实现两路数据的采集，要求对外部输入0-3V的直流电压进行数据采集，测量精度为5mV，显示精度为0.001V。
3.两种采集功能可以用按键进行切换，可以用按键控制数据采集的通路。
三、实验说明
通过本实验，掌握单片机片内ADC使用方法，掌握基于单片机的数据采集系统的工作原理与设计方法。
必须用模块化方法进行C语言程序设计。
四、实验仪器和设备
PC机、KeiluVision2软件，C8051F330单片机，EC3在线仿真器。
五、实验原理
C8051F330单片机内ADC的工作原理及使用参考C8051F330数据手册。
实验七函数信号发生器设计
一、实验目的
1.掌握单片机片内DAC的使用及应用程序设计
二、实验内容
应用C8051F330单片机内DAC设计制作一个简单的函数信号发生器，该信号发生器能产生正弦波、方波、三角波。
要求：
1.输出波形的频率范围为100Hz～20kHz；频率可调，频率步进间隔≤100Hz。
2.输出波形幅度范围0～3V（峰-峰值）。
3.具有显示输出波形的类型、频率的功能。
三、实验说明
通过本实验，掌握单片机片内DAC使用方法，掌握基于单片机函数信号发生器的工作原理与设计方法。
必须用模块化方法进行C语言程序设计。
四、实验仪器和设备
PC机、KeiluVision2软件，C8051F330单片机，EC3在线仿真器。
五、实验原理
C8051F330单片机内DAC的工作原理及使用参考C8051F330数据手册。
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