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实验报告

单片机开发板的设计与开发

专业年级：

应用电子技术2009级

学生姓名：

张维银王刚王小琴

指导教师：

赵书朵

应用技术学院

2011年6月1日

目录

1前言2

2单片机概述3

3protel99se软件介绍3

4实验板可完成的实验4

4.1闪烁灯4

4.2流水灯4

4.3单键识别5

4.4矩阵键盘5

4.559秒计数器7

4.6利用定时器和蜂鸣器唱歌7

4.7模数转换ADC0804的应用8

4.8模数转换ADC0804的应用8

4.9DS18B20温度测量显示实验9

4.10断电保护9

4.11串口通讯实验10

5原理图和印制电路板图10

6谢辞11

7参考文献12

1前言

1.1概述

二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。

不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。

它由主机、键盘、显示器等组成。

还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。

这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。

顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。

它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。

它在这个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。

单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。

现在，这种单片机的使用领域已十分广泛。

彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中

1.2研究内容

本课题是利用Protel99SE+SP6来设计和开发单片机。

利用这个软件先画出单片机的原理图，然后画PCB。

此单片机主要包括闪烁灯、流水灯、单键识别、矩阵键盘等多种功能。

2单片机概述

2.1单片机概述

单片机（MCU）可以定义为：

一种把微处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出（I/O）接口电路、定时器/计数器、串行通信接口及中断系统等部件集成在同一块芯片上的，具有完整功能的微型计算机。

这块芯片就是硬件，而软件程序则存放在片内的只读存储器中。

51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，

后来随着FlashRom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，它广泛应用于工业测控系统之中。

目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。

51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

3protel99se软件介绍

Protel软件包是90年代初由澳大利亚ProtelTechnology公司研制开发的，应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成原理图、印制板设计、可编程逻辑器件设计和电路仿真等，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

Protel99SE中主要功能模块如下。

⑴AdvancedSchematic99SE（原理图设计系统）

该模块主要用于电路原理图设计、原理图元件设计和各种原理图报表生成等。

⑵AdvancedPCB99SE（印刷电路板设计系统）

该模块提供了一个功能强大和交互友好的PCB设计环境，主要用于PCB设计、元件封装设计、报表形成及PCB输出。

⑶AdvancedRoute99SE（自动布线系统）

该模块是一个集成的无网格自动布线系统，布线效率高。

⑷AdvancedIntegrity99SE（PCB信号完整性分析）

该模块提供精确的板级物理信号分析，可以检查出串扰、过冲、下冲、延时和阻抗等问题，并能自动给出具体解决方案。

⑸AdvancedSIM99SE（电路仿真系统）

该模块是一个基于最新Spice3.5标准的仿真器，为用户的设计前端提供了完整、直观的解决方案。

⑹AdvancedPLD99SE（可编程逻辑器件设计系统）

该模块是一个集成的PLD开发环境，可使用原理图或CUPL硬件描述语言作为设计前端，能提供工业标准JEDEC输出。

在此实验中我们使用Protel99se制作了一个单片机实验板得元件图和Pcb图，并有此图制作了一款单片机实验板。

4实验板可完成的实验

4.1闪烁灯

图1闪烁灯原理图

点亮与单片机P1.0口相连的发光二极管，延时约0.2S，然后熄灭，再延时约0.2S，再点亮，如此循环下去。

了解单片机IO口输出高低电平的方法，延时函数的时间估算

4.2流水灯

图2流水灯原理图

单片机P1口相连的8个发光二极管中的一个循环移位点亮，同时蜂鸣器发出滴滴的响声。

蜂鸣器用一PNP三极管驱动，集电极（C极）通过蜂鸣器线圈接5V电源，基极（B极）是控制端，发射极（E极）接地，当三极管C，B极PN结正偏时，PN结导通，即B极为低电平时，三极管导通，蜂鸣器发声，掌握循环移位的工作原理和操作方法，学会使用C51封装好的函数库C51LIB，延时函数的时间估算。

4.3单键识别

图3单键识别原理图

每按一次独立键盘的S2键，与P1口相连的八个发光二极管中点亮的一个往下移动一位。

注意：

关于按键去抖动的解释，我们在手动按键的时候，由于机械抖动或是其它一些非人为的因素很有可能会造成误识别，一般手动按下一次键然后接着释放，按键两片金属膜接触的时间大约为50ms左右，在按下瞬间到稳定的时间为5-10ms,在松开的瞬间到稳定的时间也为5-10ms，如果我们再首次检测到键被按下后延时10ms左右再去检测，这时如果是干扰信号将不会被检测到，如果确实是有键被按下，则可确认，以上为按键识别去抖动的原理。

4.4矩阵键盘

图4矩阵键盘的原理图

依次按下4*4矩阵键盘上从第1到第20个键，同时在六位数码管上依次显示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

说明：

本实验板上数码管为共阴极。

静态数码管显示原理（视频中有详细介绍）：

这里就共阴极数码管显示原理进行讲解，一位数码管内一共有8个发光二极管，对共阴极来说其8个发光二极管的阴极在数码管内部全部接在一起，也就是“共阴”说法的来源，阳极是独立的，设计电路时一般把阴极接地，当我们从外部给任一个阳极加一个高电平时这个发光二极管就亮了，如果想要出一个8字，并且把右下角的小数点也点亮的话，那可以给8个阳极全总送高电平，想出几就给相对应的发光二极管送高电平，因此我们在显示数字的时候首先做的就是给0-9十个数字编好码，在要它亮什么数字的时候直接把这个编码送到它的阳极就行了。

另外说一下，一般的数码管每一段亮至少需要10个毫安的电流，而单片机的IO口送不出如此大的电流，所以我们需要加数码管的驱动电路，可以用上拉电阻的方法，也可以使用专门的驱动芯片，本实验板使用的74HC573，其输出电流较大，足够点亮数码管。

本实验板上的六位数码管中每个的相同段号（段a,b,c,d,e,f,g,h）全部是接在一起的，其中每一个位（阴极）是独立的，所以在做静态显示的时候所有的数码管只能显示相同的数字，当然可以控制显示几位，如果让它们显示不同的数字那就得给每一个数码管加一套驱动电路了。

但这样做是没有必要的。

本实验板共阴极数码管数字编码矩阵键盘的四行分别与P3.0-P3.3连接，四列分别与P3.4-P3.7连接

4.559秒计数器

图559秒计数器

使用软件延时的方法实现0-59秒自动计数器，用数码管的前两位显示出来

4.6利用定时器和蜂鸣器唱歌

图6利用定时器和蜂鸣器唱歌的原理图

用单片机的P2.3口输出不同占空比的方波来控制与它相连的蜂鸣器，当方波的占空比不同时蜂鸣器发出的音调就不同，由此根据歌曲的音调编程实现让蜂鸣器唱歌。

占空比：

一个周期中，高电平的长度比上总周期的长度的值再乘上100%。

标准方波的占空比为50%。

4.7模数转换ADC0804的应用

图7ADC0804模数转换的原理图

学习如果用单片机控制ADC0804芯片进行数模转换，掌握数码管动态扫描显示的原理。

动态扫描：

就六位数码管显示123456举例说明如下：

先让第一个数码管显示1，其余的全部不亮，1大约亮几毫秒，然后熄灭，紧接着立即让第二个数码管显示2，其余的全部不亮，2同样亮几毫秒，依次这样亮到第六个数码管，然后再回来显示1，如此这样以很快的速度不断循环下去，由于人眼的视觉暂留时间大约为20毫秒左右，所以是感觉不出有不亮的数码管存在的，看见的是六个数码管同时在显示，数值是123456，如果我们把这个过程一点点放慢，看见的是从第一个数码管显1，然后移到第二个再显2，也就是说在任一时刻只有一位数码管是亮的。

这就是数码管动态扫描显示的原理。

ADC0804:

ADC0804是8位全MOS中速A/D转换器、它是逐次逼近式A/D转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。

单通道输入,转换时间大约为100us。

ADC0804转换时序是：

当CS＝0许可进行A/D转换。

WR由低到高时，A/D开始转换。

CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR信号（低电平有效），可供查询或者中断信号。

在CS和RD的控制下可以读取数据结果。

本实验没有使用INTR信号。

4.8模数转换DAC0832的应用

图8DAC0832数模转换的原理图

用单片机控制数模转换芯片DAC0832。

DAC0832：

DAC0832是8位全MOS中速D/A转换器，采用R—2RT形电阻解码网络，转换结果为一对差动电流输出，转换时间大约为1us。

使用单电源+5V―+15V供电。

参考电压为-10V－+10V。

在此我们直接选择+5V作为参考电压。

DAC0832有三种工作方式：

直通方式，单缓冲方式，双缓冲方式；在此我们选择直通的工作方式，将XFER、WR2、CS管脚全部接数字地。

管脚8接参考电压，在此我们接的参考电压是+5V。

我们在控制P0口输出数据有规律的变化将可以产生三角波，锯齿波，梯型波等波形了。

4.9DS18B20温度测量显示实验

图9DS18B20温度测量显示的原理图

用单片机控制实验板上的DS18B20数字温度传感器，读取当前环境温度，精度达0.1度，温度范围0-99度，并用数码管的前三位显示出来。

同时实验板上的单片机还能把温度值通过串口发送到计算机，在计算机上安装该目录下的.exe文件后，打开应用程序可看到温度值。

4.10断电保护

图10断电保护的原理图

利用24C08断电以后存储的数据不消失的特点，可以做一个断电保护装置。

首先利用单片机做一个0－99秒的自动计时器。

然后随机关断电源，在通电以后计时器接着断电前的状态继续计时。

4.11串口通讯实验

图11串口通讯的原理图

由串口调试助手以16进制向单片机发送一数据，如01，如果单片机接收到数据将会原样返回给计算机，并且显示在串口调试助手的接收框内。

5原理图和印制电路板图

我们用Protel99se已制成此单片机开发板的原理图和Pcb图，并有此图制出开发板实物。

此板能实现预期实验。

原理图

图12单片机开发板原理图

Pcb版图

图13单片机开发板Pcb图

单片机实验板

图14单片机实验板成品图1

图15单片机实验板成品图2

6谢辞

论文的顺利完成，也离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。

在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。

另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。

通过此次的论文，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。

并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。

在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过毕业论文，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。

在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。

在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。

感谢学校能够给予我们这次开放性实验的机会，让我们学到了课本不能学到的知识，也感谢赵老师的精心指导，让我们深刻的明白团队合作的重要性。

再次感谢在大学传授给我知识以及给我帮助和鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们。

7参考文献

1、郑一力等人编著人民邮电出版社出版的《Protel99SE电路设计与制版入门与提高》；

2、居吉乔著作化学工业出版社出版的《Protel99SE实用教程》；

3、李广弟著作北京航空航天大学出版社社出版的《单片机基础》；

4、徐玮著作北京航空航天大学出版社社出版的《单片机快速入门》；

5、机械工业出版社出版的《单片机实用教程》；