通信工程专业单片机系统设计仿真与程序设计指导书.docx
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通信工程专业单片机系统设计仿真与程序设计指导书
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通信工程专业单片机系统设计、
仿真与程序设计指导书
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通信工程系
2007年5月
一、设计目的
《单片机原理及应用》是一门技术性、应用性很强的学科，实践教学是它的一个极为重要的环节。
不论是硬件扩展、接口应用还是编程方法、程序调试，都离不开实验教学。
如果不在切实认真地抓好学生的实践技能的锻炼上下功夫，单凭课堂理论课学习，势必出现理论与实践脱节，学习与应用脱节的局面。
任随书本上把单片机技术介绍得多么重要、多么实用、多么好用，同学们仍然会感到那只是空中楼阁，离自己十分遥远，或者会因此而对它失去兴趣，或者会感到它高深莫测无从下手，这些情况都会令课堂教学的效果大打折扣。
本次仿真设计的目的就是让同学们在理论学习的基础上，通过完成一个涉及MCS-51单片机多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排错调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高，为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础。
二、设计任务
在上一学期进行的EDA课程设计中，同学们完成了单片机数据采集与定时系统的硬件电路设计。
本次综合实践是在此基础上，焊接制作电路板，完成该系统的软件设计与调试。
待仿真成功后，再将程序烧写入单片机中。
系统功能包括以下几点：
1）24小时计时功能
用6位LED显示器显示时、分、秒。
2）时间调整功能
用功能移位键、功能加键和功能减键实现时间的调整
3）闹铃功能
用定闹键配合功能移位键、功能加键和功能减键三个按键设定闹铃，并用蜂鸣器实现响铃功能。
4）环境温度采集与显示功能
选用温度传感器DS18B20采集环境温度，并用2位LED显示器显示环境温度。
在这里我们只考虑采集室内温度，即零度以上的温度。
三、软件设计原理
整个系统电路可分为五个部分：
中央处理单元、电源电路部分、显示部分、键盘输入部分、温度采集部分。
各部分关系如图1：
图1
1.中央处理单元
CPU选用8051对整个系统进行控制：
a.它将定时数据输出到LED，实现时间的显示；
b.根据键盘输入调用相应键处理子程序，实现时间的调整和闹铃的设定；
c.接收温度传感器输入的温度数据，进行一定的转换，然后输出到2位的LED显示器显示出来。
2.显示部分
显示部分采用动态显示方式，分为时间的显示和温度的显示两部分，共需8位LED显示器。
3.键盘部分
采用独立式按键，分别为功能移位键、功能加键、功能减键和定闹键。
4.温度采集部分
温度传感器建议使用DS18B20，该芯片简介如下：
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
图2
DS18B20内部结构如图2所示，主要由四部分组成：
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
图3
DS18B20的管脚排列如图3所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。
图4
以MCS－51系列单片机为例，图4为DS18B20与微处理器的典型连接。
图4中上方为DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地，图4中下方DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V～5.5V电源供电。
5．电源部分
电源电路包括变压、整流、滤波和稳压四个部分，稳压器使用三线集成稳压块7806。
四、电路制作
1.AT89C51单片机最小系统介绍
单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，电路图如图5。
我们采用的是AT89C51芯片，它内部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平（PCB画板时已经接死），所以我们只用芯片内部的4K程序存储器。
单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。
复位电路由22UF的电容和1K的电阻及IN4148二极管组成，以前教科书上常推荐用10UF电容和10K电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用22UF的电容和1K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。
二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。
图5
判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的办法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：
18脚对地约2.24V，19脚对地约2.09V。
对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和＋5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路有问题。
2.电路制作注意事项
根据元器件种类和体积以及技术要求将其布局在电路板上的适当位置。
可以先从体积较大的器件开始，如单片机底座、电源稳压器、变压线圈、锁存器、温度传感器等。
待体积较大的元器件布局好之后，小型的电子元器件就可以根据间隙面积灵活布配。
二极管、电感器、阻容元件的装配方式一般有直立式、俯卧式和混合式三种。
①直立式。
这种安装方式见图6。
电阻、电容、二极管等都是竖直安装在印刷电路板上的。
这种方式的特点是：
在一定的单位面积内可以容纳较多的电子元件，同时元件的排列也比较紧凑。
缺点是：
元件的引线过长，所占高度大，且由于元件的体积尺寸不一致，其高度不在一个平面上，欠美观，元器件引脚弯曲，且密度较大，元器件之间容易引脚碰触，可靠性欠佳，且不太适合频率较高的电路采用。
图6
②俯卧式。
这种安装方式见图7。
二极管、电容、电阻等元件均是俯卧式安装在印刷电路板上的。
这样可以明显地降低元件的排列高度，可实现薄形化，同时元器件的引线也最短，适合于较高工作频率的电路采用，也是目前采用得最广泛的一种安装方式。
图7
③混合式。
为了适应各种不同条件的要求或某些位置受面积所限，在一块印刷电路板上，有的元器件采用直立式安装，也有的元器件则采用俯卧式安装。
这受到电路结构各式以及机壳内空间尺寸的制约，同时也与所用元器件本身的尺寸和结构形式有关，可以灵活处理。
见图8。
图8
元器件配置布局应考虑的因素：
1）电路板是矩形，元件排列的长度方向一般应与电路板的长边平行，这样不但可以提高元件的装配密度，而且可使装配好的印刷电路板更美观。
2）应尽可能地缩短元件及元件之间的引线。
尽量避免电路板上的导线的交叉，设法减小它们的分布电容和互相之间的电磁干扰，以提高系统工作的可靠性。
3）应以功能电路的核心器件为中心，外围元件围绕它进行布局。
4）要注意各种门电路多余端的处理，或接电源端或接地端，并按照正确的方法实现不同逻辑门的组合转换。
5）元器件的配置和布局应有利于设备的装配、检查、高度与维修。
元器件焊接注意事项：
焊前务必认准元件数值，会认元件上的标识和会用数字多用表测试。
焊接时速度要快，电烙铁不可长时间停留在电路板和元件的焊脚上。
特别是晶振、发光二极管、电解电容、9014三极管等元件，时间过长容易导致元器件损坏
五、软件仿真
仿真器采用伟福仿真器系统，该仿真器介绍如下：
系统的特点介绍
本仿真器系统由仿真主机+仿真头、MULT1A用户板、实验板、开关电源等组成。
本系统的特点是：
1．主机+仿真头的组合，通过更换不同型号的仿真头即可对各种不同类型的单片机进行仿真，是一种灵活的多CPU仿真系统。
采用主机+POD组合的方式，更换POD，可以对各种CPU进行仿真。
本仿真器主机型号为E2000/S，仿真头型号为POD8X5X（可仿真51系列8X5X单片机）。
2．双平台，具有DOS版本和WINDOWS版本，后者功能强大，中/英文界面任选，用户源程序的大小不再有任何限制，支持ASM，c，PLM语言混合编程，具有项目管理功能，为用户的资源共享、课题重组提供强有力的手段。
支持点屏显示，用鼠标左键点一下源程序中的某一变量，即可显示该变量的数值。
有丰富的窗口显示方式，多方位，动态地显示仿真的各种过程，使用极为便利。
本操作系统一经推出，立即被广大用户所喜爱。
3．双工作模式
1）软件模拟仿真（不要仿真器也能模拟仿真）。
2）硬件仿真。
4．双CPU结构，100％不占用户资源。
全空间硬件断点，不受任何条件限制，支持地址、数据、外部信号、事件断点、支持实时断点计数、软件运行时间统计。
5．双集成环境
编辑、编译、下载、调试全部集中在一个环境下。
多种仿真器，多类CPU仿真全部集成在一个环境下。
可仿真51系列，196系列，PIC系列，飞利蒲公司的552、LPC764、DALLAS320，华邦438等51增强型CPU。
为了跟上形势，现在很多工程师需要面对和掌握不同的项目管理器、编辑器、编译器。
他们由不同的厂家开发，相互不兼容，使用不同的界面，学习使用都很吃力。
伟福WINDOWS调试软件为您提供了一个全集成环境，统一的界面，包含一个项目管理器，一个功能强大的编辑器，汇编Make、Build和调试工具并提供千个与第三方编译器的接口。
由于风格统一，大大节省了您的精力和时间。
6．强大的逻辑分析仪综合调试功能。
逻辑分析仪由交互式软件菜单窗口对系统硬件的逻辑或时序进行同步实时采样，并实时在线调试分析，采集深度32K（E2000/L），最高时基采样频率达20MHz，40路波形，可精确实时反映用户程序运行时的历史时间。
系统在使用逻辑分析仪时，除普通的单步运行、键盘断点运行、全速硬件断点运行外，还可实现各种条件组合断点如：
数据、地址、外部控制信号、CPU内部控制信号、程序区间断点等。
由于逻辑仪可以直接对程序的执行结果进行分析，因此极大地便利于程序的调试。
随着科学技术的发展，单片机通讯方面的运用越来越多。
在通讯功能的调试时，如果通讯不正常，查找原因是非常耗时和低效的，您很难搞清楚问题到底在什么地方，是波特率不对，是硬件信道有问题，是通讯协仪有问题，是发方出错还是收方出错。
有了逻辑仪，情况则完全不一样，用它可以分别或者同时对发送方、接收方的输入或者输出波形进行记录、存储、对比、测量等各种直观的分析，可以将实际输出通讯报文的波形与源程序相比较，可立即发现问题所在，从而极大地方便了调试。
7．强大的追踪器功能
追踪功能以总线周期为单位，实时记录仿真过程中CPU发生的总线事件，其触发条件方式同逻辑分析仪。
追踪窗口在仿真停止时可收集显示追踪的CPU指令记忆信息，可以以总线反汇编码模式、源程序模式对应显示追踪结果。
屏幕窗口显示波形图最多追踪记忆指令32K并通过仿真器的断点、单步、全速运行或各种条件组合断点来完成追踪功能。
总线跟踪可以跟踪程序的运行轨迹。
可以统计软件运行时间。
开发环境简介
双击桌面上的WAVE图标或从开始/程序/WAVEFORWINDOWS/WAVE进入本开发环境，其界面及主要功能如图9中所注。
图9WAVE界面
1．仿真器设置窗口
如图10所示，在实验开始时要先根据需要设置好仿真器类型、仿真头类型以及CPU类型，并注意是否“使用伟福软件模拟器”，若使用硬件仿真，请注意去掉“使用伟福软件模拟器”前的选择。
图10仿真器设置窗口
2．文件窗口
如图11，可在此窗口下进行包括新建、打开、保存等文件操作。
图11文件窗口
3．编译文件窗口
如图12，在此窗口下可将源文件编译成目标文件。
图12编译文件窗口
4．执行窗口
如图13，在此窗口下，可用全速、跟踪、断点等各种方式运行程序
图13执行窗口
5．窗口窗口
如图14，在此窗口下，可以观察各种窗口信息，其中最常用到的是CPU窗口和数据窗口。
图14窗口
a．CPU窗口
通过CPU窗口可以看到你编译正确的机器码及反汇编程序，可以让你更清楚地了解程序执行过程。
CPU窗口中还有SFR窗口和位窗口，让你了解程序执行过程中寄存器内容的变化。
图15CPU窗口
b．数据窗口
对51系列CPU，数据窗口有：
DATA内部数据窗口；CODE程序数据窗口；
XDATA外部数据窗口；PDATA外部数据窗口（页方式）
图16数据窗口
图17DATA（内部数据窗口）
图18CODE（程序数据窗口）
图19XDATA（外部数据窗口）
图20PDATA（页方式外部数据窗口）
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
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