单片机教学实验板电路设计毕业论文.docx

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单片机教学实验板电路设计毕业论文

本科生毕业论文

题目

单片机教学实验板电路设计

系别

计算机与信息工程学院

班级

电子信工程

姓名

学号

答辩时间

单片机教学实验板电路设计毕业论文

摘要1

1.单片机实验平台的现状4

1.1单片机课程的实际应用4

1.2单片机教学实验的重要性4

1.3目前采用的单片机实验平台4

1.4教学实验平台一般存在的问题5

2.自作实验板的必要性和优点6

3.单片机常做教学实验6

3.1I/O口直接使用和简单的I/O口扩展实验6

3.2显示器接口实验7

3.3A/D转换器实验7

3.4D/A转换器实验7

3.5定时器计数器实验7

3.6存储器实验8

3.7灯模拟实验9

4.硬件系统设计9

4.1STC98C52RC的简单介绍9

4.2DA模块11

4.3AD模块13

4.4显示和输出模块14

4.5复位模块16

4.6电源模块16

4.7晶振模块17

4.8键盘模块18

4.9温度传感器模块18

4.10串行通信模块19

5.软件设计20

5.1PROTEUS软件20

5.2KEIL软件21

5.3程序设计21

5.3.1蜂鸣器程序21

5.3.2矩阵键盘程序22

5.3.3流水灯程序23

5.3.4数模转换程序24

5.3.5数码管动态扫描程序25

5.3.6温度测试程序26

6.仿真和实物演示27

7.总结28

谢辞30

参考文献31

附录132

附录253

随着大规模集成电路的发展，组成微型计算机的各功能部件：

中央处理器、存储器、串/并行输入输出接口、定时器/计数器、中断控制器，以及许多特殊功能单元，单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习和应用以及开发提供了便利条件。

单片机的基础知识和技能的学习容，蕴含着数学、物理、计算机信息技术、数字信息技术、电子技术都学科知识的联系，有利于多方面的教育容和学生综合视野的形成。

这些容具有广泛的生长点，有利于容的横向和纵向联系。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

所以作为一名电子专业的学生学习单片机是非常有必要的。

1.单片机实验平台的现状

1.1单片机课程的实际应用

单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。

通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其数据总线的宽度不断增加，从8位、16位迅速过渡到32位，并且不断提高运算速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力，在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用；单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

1.2单片机教学实验的重要性

“单片机原理与应用”是一门许多工科专业学生必修的专业基础课，是一门理论性和实践性都很强的课程。

这门课程介绍单片机的硬件结构、工作原理、汇编语言程序设计及接口技术容，比较抽象，逻辑性强。

在教学中学生需要做大量的软硬件实验。

目前采用的教材多属于CS-51系列，程序源代码用汇编语言书写，教学容与实际产品严重脱离。

因此单片机课程在教学容和教学方法等方面越来越不能适应单片机技术领域的发展需求，不加以改进，势必影响我们培养应用型人才的培养目标。

当前国家积极倡导的素质教育和创新工程，旨在提高受教育者的素质，培养将所学知识转化为生产力、创造力和经济效益的能力。

为了更好地适应发展潮流和就业需要，培养学生的实践能力和创新能力，就必须要有一个很好的实验环境，而要有一个好的实验环境就必须创建一个较好的平台。

单片机本身就是一个知识平台，在这个知识平台上如果总是简单地进行重复别人的劳动，即不能调动学生学习的积极性，也很难实现对学生能力的培养。

1.3目前采用的单片机实验平台

目前，国单片机教学实验平台种类繁多，总体上分为两类：

（1）综合型单片机实验平台，典型特征是把全部实验项目集中在一块实验电路板上。

这种单片机综合实验平台的优点是学生进行实验时连接线较少，在时间上可快速进入实验状态，减少因学生接错连接线和连接线接触不良的情况；缺点是实验项目基本固定，不易扩展，实验的灵活性较差。

如省澉浦恒坚电器设备厂出品的HJPC-A型单片机综合实验箱；省单片机实验室开发的MCS-51B型综合单片机实验平台；省启东计算机总厂开发的DICE-598K超强型三合一单片机微机开发实验平台；北京金一倍科技发展开发的DP-51PRo单片机综合仿真实验平台等。

（2）模块化单片机实验平台，典型特征是采用积木式结构，由一块主板连接一块或多块实验板组成。

主板是在单片机基本系统的基础上扩展多样化的接口和总线，具有驱动多个外围接口芯片的能力，提供单片机的基本功能实验。

一块实验板对应1-3个扩展实验项目，实验板与主板之间用电缆连接，可以互相通信。

如清华大学科教仪器厂生产的TMD-1型模块化单片机实验平台。

这种模块化单片机实验平台的优点是主板可单独或与一块及以上实验板相连，电路简单，元器件少，容易消化理解，降低了初学的难度和实验项目灵活，根据学生专业和程度可方便地扩展实验，可较好地用在学生的课程实验、毕业设计和电子设计竞赛等各个不同的实验与实践阶段。

缺点是连接电缆经常拔插，易出现接触不良和连接错误及连接电缆花费时间较多的情况。

1.4教学实验平台一般存在的问题

（1）功能全面，系统复杂的单片机实验平台对作为学生的初学者来说并不适宜。

虽然有着非常丰富的实验项目，但这些项目一般都是相互独立的，或者说联系不紧密，没有像一个实际应用项目那样成为一个完整的控制系统，学生学完过后只有一些片面的认识，不能形成系统的概念，不能有效培养学生开发简单实用的单片机应用系统的能力,同时是也使得学生的动手能力得不到很大的提高，市场化的单片机枯燥，难以激发学生学习的兴趣。

（2）市场化的单片机实验平台为了最大限度的降低生产成本，往往采用廉价相对落后的器件和工艺，不符合电子技术的发展方向，导致学生在学习过程当中不能了解到先进的技术和工艺。

如大量使用CT74LS系列和4000系列器件，很少用更加先进的CT74HC系列器件；普遍采用像8279、8255等落后甚至淘汰的元件，很少采用先进的HD7279A等元件；大量使用直插式元件，较少采用贴片元件和工艺。

（3）普遍没有考虑系统在干扰情况下的稳定性。

（4）现在的市场单片机都是独立的，缺少扩展，在没有扩展的情况下，在实验中我们就不能很好的完成我们想要实现的容，这样的局限性不是我们教学中所需要的。

2.自作实验板的必要性和优点

单片机课程的实验包括编程和硬件接口两大类，对于编程软件部分我们可以采用Keil软件进行编译。

但是实验和实习都必须需要可靠的接口电路或开发产品电路。

这些电路如果是在实验和实习中使用面包版插接，插接的元件和连线都很多。

这样一方面由于学生很难掌握插接的走线，不可避免地存在走线的松散、紊乱、短路、开路都现象；另一方面面包板长期的反复使用也难以确保每一个插孔都能可靠的插接。

因此，实验或实习过程中学生插接的接口电路或开发产品电路必然存在连接故障，这些故障又会由于走线的松散、紊乱而难以查找和排除，常常出现一个故障后又出现另一个新的故障的情况，因此造成实验和实习效果的不理想，不利于教学工作的顺利和教学质量的提高，很显然，如果将实验线路制作成印刷线路板，使用的电路器件一般都采用焊接或用插槽插接就会很好的解决线路连接不可靠的问题，从而改变上述不利的教学局面。

但是，实验和学习项目很多，线路各不相同，每个实验线路都制作一个独立的实验板又不现实，从而把各种实验线路有机的按模块组合在一起，制作成一个多功能的实验板就十分必要了。

自己制作单片机实验板能够让同学们熟练掌握单片机的原理和用途，以及熟悉开发单片机应用系统的流程和方法。

自己由浅入深开始做起，让学生对单片机产生浓厚的兴趣。

将抽象变为具体。

学习单片机不仅仅是编程，还必须要有制作电路的硬功夫，只对现成的实验板插插拔拔对硬件电路一无所知，最终学习的单片机知识只能是纸上谈兵不能实用的。

3.单片机常做教学实验

3.1I/O口直接使用和简单的I/O口扩展实验

本实验主要是了解P1口作为输入、输出方式时，CPU对P1口的操作方式，并学习P1口做输入输出时的使用方法且在单片机系统扩展简单I/O接口的方法。

具体实验方法和现象是：

（1）将P1口做输出口，接八只发光二极管，编写程序，使得发光二极管循环点亮。

（2）将P1口做输入口，接八只拨动开关，扩展74LS273做输出口，编写程序，读取开关状态，并将此状态通过二极管显示出来。

3.2显示器接口实验

本实验主要掌握8031单片机输入输出接口扩展方法及熟悉8255A芯片性能，并熟悉七段LED显示器工作原理。

具体实现方法：

（1）设计调试出能显示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F的段数据表。

（2）编写一个6位LED显示器的通用显示子程序。

该子程序的功能是将8031片RAM中显示缓冲区的容在LED显示器显示。

（3）编写一个主程序，使该主程序先对显示缓冲区设置初值，然后循环用所设计的显示子程序，使显示器显示数字。

3.3A/D转换器实验

本实验主要了解A/D转换芯片ADC0809的转换性能及编程方法，通过实验知道单片机如何进行数据采集。

具体实现方法：

利用实验箱上的ADC0809、8255A、74LS373、电位器、LED显示器等，设计数据采集系统。

实验箱上的三个电位器可以提供三路模拟电压信号输入，编制程序，将模拟量转换成数字量，进行数据采集。

3.4D/A转换器实验

本实验主要了解D/A转换的基本原理，知道单片机和DAC0832芯片设计D/A转换器的接口电路设计及D/A转换程序的方法。

具体实现方法：

利用实验箱的DAC0832芯片设计D/A转换器，编制程序，产生锯齿波、三角波。

用示波器观察输出波形，或利用万用表测试实验电路的输出端OUT，应能测出不断加大或减小的电压值。

3.5定时器计数器实验

本实验主要了解8051部定时/计数器的使用和编程方法，掌握中断处理程序的编写方法，了解脉宽调制的原理，学习计数器各种工作方式的用法，掌握8253定时器的时序关系并知道8253的工作方式和编程方法。

具体实现方法：

（1）部计数器在单片机中主要有定时器和计数器两个功能。

实验使用的定时器，定时为一秒钟。

CPU运用定时中断方式，实现每一秒钟输出状态发生一次反转，即发光管每隔一秒钟亮一次。

（2）PWM是单片机上常用的模拟量输出方法，通过外接的转换电路，可以将脉冲的占空比变成电压。

程序中通过调整占空比来调节输出模拟电压。

占空比是制脉冲中高电平与低电平的宽度比。

（3）8051部有两个16位的定时/计数器T0和T1，16位是指定时/计数器的计数器是16位的，由2个8位计数器组成。

本实验用的是T0，它的2个8位计数器是TH0和TL0，TH0是高8位，TL0是低八位。

所谓加法计数器，指其计数的方法是对计数脉冲每次加1。

在其它单片机和可编程计数器芯片中，有的计数器是减法计数器，如8155的14位计数器，8253的16计数器，即先设置计数器的初值，然后对计数器脉冲每次减1，减到0，计数器溢出。

而8051部的计数器是加法计数器，需先设置计数器的初值，本实验设置计数器初值为0，然后对计数脉冲每次加1，加到计数器满后溢出。

3.6存储器实验

本实验主要掌握89C51单片机扩展外ROM，了解EEPROM、FLASHROM、静态RAM的使用方法，学会93C46的操作指令和掌握93C46读/写程序的编写。

具体实现方法：

MCS-51型单片机ROM寻址围为64KB，其中4KB在片，60KB在片外（8031芯片无ROM，全部在片外）。

当单片机外ROM选择EA脚保持高电平时，先访问ROM，但当程序计数器值超过4KB时，将自动转向执行外ROM中的程序。

EA当保持低电平时，则只访问外ROM。

不管芯片有无ROM，对8031芯片，片无ROM，因此EA必须接地。

本实验使用EEPROM27C512芯片进行片外ROM的扩展。

27C512具有64K空间，因此它需要使用全部16根地址线（A0-A15），片选端E接地。

PSEN是51单片机的专用外部程序存储器访问控制线，PSEN作用为外ROM的输出允许的选通信号。

3.7灯模拟实验

本实验掌握51系列单片机的常用指令，并熟悉他的分支程序和子程序。

具体实现方法：

模拟汽车在驾驶中的左转弯、右转弯、刹车、合紧急开关、停靠等操作。

在左转弯或右转弯时，通过转弯操作杆使左转弯或右转弯开关合上，从而使左头信号灯、仪表板的左转弯灯、左尾信号灯或右头信号灯、仪表板的右转弯信号灯、右尾信号灯闪烁；闭合紧急开关时以上六个信号灯全部闪烁；汽车刹车时，左右两个尾信号灯点亮；若正当转弯时刹车，则转弯时原闪烁的信号灯应继续闪烁，同时另一个尾信号灯点亮，以上闪烁的信号灯以1HZ频率慢速闪烁；在汽车停靠开关合上时左头信号灯、右头信号灯、左尾信号灯、右尾信号灯以10HZ频率快速闪烁。

任何在下表中未出现的组合，都将出现故障指示灯闪烁，闪烁频率为10HZ。

4.硬件系统设计

4.1STC98C52RC的简单介绍

STC98C52RC单片机是一种增强型的51系列单片机，其最大的特点就是“在系统编程”（ISP）功能，还具有双数据指针，看门狗等特性。

用户编写完程序，经过模拟调试无误后，可以直接使用ISP软件将程序下载到实验板上观察程序运行结果。

免去了插、拔芯片的麻烦，更主要是免去了单片机中必须的昂贵的硬件仿真器和专用编程器的开销。

系统框图如图4-1所示：

图4-1系统框图

STC89C52RC是STC公司生产的单片机，具有加密性强、超强抗干扰、超低价、超低功耗等特点。

STC89C52RC引脚说明如下：

1-8：

I/OP1口（P1.0-P1.7）输入输出口。

9：

RST/VPD复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。

10-17：

I/OP3口（P3.0=RXD，P3.1=TXD，P3.2=-INT0，P3.3=-INT1，P3.4=T0，P3.5=T1，P3.6=-WR，P3.7=-RD）输入输出口且同时具有第二功能（-低电平有效）。

18-19：

XTAL2/XTAL1晶体振荡器引脚。

20:

VSS接地。

21-28：

I/OP2口（P2.0-P2.7）输入输出口。

29：

-PSEN片外ROM读选通信号（-低电平有效）。

30：

ALE/-PROG地址锁存允许信号输出引脚。

31：

-EA/VPP外部程序存储器地址允许输入信号引脚。

32-39：

I/OP0口（P0.7-P0.0）输入输出口。

40：

VCC接5V电源。

STC89C52RC芯片管脚如图4-2所示：

图4-2STC89C52R管脚图

4.2DA模块

系统DA转换部分电路原理图如图4-3所示，DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。

图4-3DA模块电路

一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。

输入可有256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压围任意值，而只能是256个可能值。

图4-4是DAC0832的逻辑框图和引脚排列:

图4-4DAC0832的逻辑框图和引脚排列

D0-D7：

数字信号输入端。

ILE：

输入寄存器允许，高电平有效。

-CS：

片选信号，低电平有效。

-WR1：

写信号1，低电平有效。

-XFER：

传送控制信号，低电平有效。

-WR2：

写信号2，低电平有效。

IOUT1、IOUT2：

DAC电流输出端。

RFB：

是集成在片的外接运放的反馈电阻。

VREF：

基准电压（-10V-10V）。

VCC：

是源电压（+5V-15V）。

AGND：

模拟地NGND：

数字地，可与AGND接在一起使用。

DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。

实验线路如图4-5所示:

图4-5外接的运算放大器转换成电压

IN0-IN7：

8路模拟信号输入端。

A1、A2、A0：

地址输入端。

ALE地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行A/D转换。

START：

启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达时，部逐次逼近寄存器复位，在下降沿到达后，开始A/D转换过程。

EOC：

转换结束输出信号（转换接受标志），高电平有效。

OE：

输入允许信号，高电平有效。

CLOCK（CP）：

时钟信号输入端，外接时钟频率一般为640kHz。

VCC：

+5V单电源供电。

VREF（+）,VREF（-）：

基准电压的正极、负极。

一般VREF（+）接+5V电源，VREF（-）接地。

D7-D0：

数字信号输出端。

由A0、A1、A2三地址输入端选通8路模拟信号中的任何一路进行A/D转换。

4.3AD模块

系统AD转换部分电路原理图如图4-6所示，ADC0832是美国半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。

图4-6AD模块电路

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0-5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

图4-7是ADC0832的引脚图。

图4-7ADC0832引脚图

-CS：

片选使能，低电平芯片使能。

CH0：

模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1：

模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

GND：

芯片参考0电位（地）。

DI：

数据信号输入，选择通道控制。

DO：

数据信号输出，转换数据输出。

CLK：

芯片时钟输入。

VCC/VREF：

电源输入及参考电压输入（复用）。

4.4显示和输出模块

系统显示和输出模块包括发光二极管、蜂鸣器电路，数码管显示电路和流水灯电路，电路图如图4-8所示。

一个数码管由8个发光二极管组成，由于是共阴极，所以高电平选通。

图4-8流水灯电路

图4-9蜂鸣器和数码管显示电路

如图4-9所示，SN74LS245N接成直通方式通过P0口驱动数码管。

由SN74LS138N对P2口译码控制SN74LS245N驱动6个数码管的位选，剩余两路，一路接到发光二极管，另一路控制蜂鸣器，由程序进行选通控制。

4.5复位模块

一个芯片，尤其是可编程芯片，通常在上电的瞬间需要一个短暂的时间进行部参数的初始化，这个时候芯片无法立即进入工作状态。

通常称上电初始化这些工作为复位。

在要求不高的场合，复位电路都是利用RC来制作的。

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时（共大于两个机器周期）才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头一分一合的过程中引起抖动而影响复位。

系统采用手动按键复位方式实现系统的复位操作。

在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。

手动按键复位是通过按键将电阻R1与VCC接通来实现。

电路如图4-10所示：

图4-10复位电路

4.6电源模块

系统电源部分电路原理图如图4-11所示，电源接通时LED灯亮。

图4-11电源模块电路

4.7晶振模块

晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分为有源晶振和无源晶振两个大类，无源晶振需要芯片部有震荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确的匹配外围电路，如需更换晶振时要同时更换外围电路有源晶振不需要芯片的部振荡器，可以提供高精度的频率基准，信号质量也较无源晶振要好。

实际应用中多采用无源晶振设计的电路居多。

本单片机系统晶振电路如图4-12。

晶振Y1和微调电容C10、C11就构成了部震荡方式，由于单片机部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成自激振荡器并产生震荡时钟脉冲。

图4-12晶振模块电路

4.8键盘模块

本系统矩阵键盘模块部分的电路原理图如图4-13所示，设计使用P1口的高四位作为矩阵键盘的列扫描信号，低四位作为行扫描信号。

图4-13矩阵键盘模块电路

4.9温度传感器模块

系统的温度传感器部分电路原理图如图4-14所示，此电路的温度传感器采用美国DALLAS公司生产的DS18B20。

DS18B20部结构主要由四部分组成：

64位光刻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。

DS18B20具有以下特点：

独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；测温围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃；支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温；工作电源:

3-5V/DC；在使用中不需要任何外围元件。

图4-14温度传感器模块电路

4.10串行通信模块

系统串行接口部分的电路原理图如图4-15所示，其中MAX232是RS-232接口芯片，目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。

RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。

RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

单片机的RXD和TXD引脚作为UAET的接收端和发送端，通过MAX232接口芯片分别连接到J1接口端子的2脚和3脚。

图4-15串行通信模块电路

MAX232主要负责信号不同标准电平间的转换，很多情况下串行通信的故障都是有MAX232芯片的故障造成。

根据芯片手册，MAX232在正常工作时，第2引脚CAP+应该输出+8.5V的电压，第6引脚CAP-应该输出-8.5V的电压。

因此，实际工作中可以通过测量这两个引脚的工作电压是否正常来判断MAX232芯片是否正常工作。

5.软件设计

5.1Proteus软件

本设计用Proteus软件进行仿真。

Proteus软件是英国LabcenterElectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯