单片机原理与接口技术实验指导书学生.docx
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单片机原理与接口技术实验指导书学生
《单片机原理与接口技术实验》
实验指导书
适用专业：
电信工程
通信工程
信息工程
自动化
信息与通信工程学院
2011年5月
、课程性质
本课程是电子信息工程、通信工程、信息工程和自动化专业必修的专业实验课程，独立开课。
通过本课程的教学，使学生深刻体会到单片机原理与接口技术的应用，掌握汇编或C51语言的语法和技巧，熟悉电子系统的设计和调试过程，使其具备研究和开发以单片机为核心的电子系统的能力。
、项目设置
本课程总学时为16,开设的具体实验项目如下：
实验1跑马灯控制（2学时，必修）
实验2模拟交通灯控制系统设计（2学时，选修）
实验3数码管动态扫描显示算法设计（3学时，必修）
实验4矩阵式键盘显示设计（3学时，必修）
实验5LED点阵显示设计（3学时，选修）
实验6液晶显示设计（3学时，选修）
实验7篮球比赛倒计时器设计（3学时，选修）
实验8乐曲演奏设计（3学时，选修）
实验9电机调速控制设计（3学时，选修）
实验10串行数据存储设计（3学时，选修）
实验11电子钟设计（3学时，选修）
实验12数字电压表设计（4学时，选修）
实验13数字温度计设计（4学时，选修）
实验14万年历时钟设计（4学时，选修）
实验15信号发生器设计（4学时，选修）
其中，实验1为验证性实验；实验2~实验10为设计性实验；实验11~实验15为综合性实验。
三、专业安排
电子信息工程专业可选修全部实验；通信工程、信息工程和自动化专业选修实验1~实验11。
四、本书特点
本指导书的特点是引入工程项目机制来管理实验项目，着重培养学生的方案设计、算法分析和现场调试能力，为将来成为卓越工程师打下坚实的基础。
第一章实验系统1
1.1整体架构1
1.2核心板1
1.3主要模块2
第二章开发平台3
2.1KeilC51简介3
2.2uVision开发流程3
第三章实验项目7
实验1跑马灯控制7
实验2模拟交通灯控制系统设计9
实验3数码管动态扫描显示算法设计12
实验4矩阵式键盘显示设计16
实验5LED点阵显示设计错误!
未定义书签。
实验6液晶显示设计错误!
未定义书签。
实验7篮球比赛倒计时器设计错误!
未定义书签。
实验8乐曲演奏设计19
实验9电机调速控制设计23
实验10串行数据存储设计错误!
未定义书签。
实验11电子钟设计27
实验12数字电压表设计错误!
未定义书签。
实验13数字温度计设计错误!
未定义书签。
实验14万年历时钟设计错误!
未定义书签。
实验15信号发生器设计错误!
未定义书签。
附录实验报告基本要求30
1.1整体架构
第一章实验系统
HNIST型单片机实验系统分为多个模块，各模块之间相对独立
图1.1HNIST型单片机实验系统整体
1.2核心板
图1.2HNIST型单片机实验系统核心板
1.3主要模块
1、流水灯
对流水灯的操作可能是初学者最先体会到成就感的一个项目，该实验板的流水灯由四个发光二极管组成，流水灯的旁边设有四个针头的排针，这样可以用连接线接入单片机的任意I/O口来控制流水灯。
我们可以用这几个发光二极管实现跑马灯、交通灯等功能。
2、数码管
数码管是该实验板上最能验证程序功能的输出器件。
数码管旁边有四个跳线帽，分别用来控制四个数码管工作状态。
当然这种控制只是在硬件上的控制，在软件上的控制则可以通过对74SL573锁存器的编程实现。
数码管可用于静态显示和动态扫描。
3、4X4矩阵键盘
我们可以通过键盘来控制流水灯的亮灭，也可用它来控制数码管上数字或字母的显示。
键盘和数码管结合可以通过编写程序来实现计算器功能、日历
4、EEPROM
AT24C02在单片机应用中，作为EEPROM储存器用，与单片机通过I2C通信。
优点是掉电后仍可以保存数据。
比如单片机运行时，手动设置了一些参数，可以用它保存起来。
即可对其进行读操作又可进行写操作，并且在断电后可保存数据。
5、实时时钟芯片
本实验板含有1片DS1302芯片，内含有1个实时时钟/日历和31字节静态RAM通过简单的串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、
分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。
时钟操作可通过AM/PM旨示决定采用24或12小时格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信。
另外该芯片含备份电源接口，掉电后时钟仍然能够正确的运行。
第二章开发平台
2.1KeilC51简介
KeilC51是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机开发工具。
它集编辑、编译、仿真与调试于一体，支持C语言与汇编语言开发。
Keil
C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，生成的目标代码效率非常高。
C51工具包目前的集成开发环境uVision将项目管理，源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中。
2.2uVision开发流程
为项目建立文件夹，把相关的源程序和头文件等都保存到此文件夹。
1、启动uVision
首先双击桌面uVision图标，启动uVision。
图2.1uVision启动界面
2、建立工程
单击Project菜单，在下拉菜单选中NewProject选项。
图2.2建立工程菜单
3、保存工程
选择之前建立的文件夹，输入工程文件的名字，然后单击保存
图2.3保存工程文件
4、选择器件
keilC51几乎支持所有的51核的单片机，以Atmel公司的AT89S52来说明，如下图所示，展开Atmel。
图2.4器件选择然后选择AT89S52单击“确定”。
5、加载标准启动文件单击“是（Y）”。
6编辑源程序单击File菜单，在下拉菜单单击New
单击File菜单，在下拉菜单选中SaveAs，注意必须键入正确的扩展名
用C语言编写程序，扩展名为（.c）;用汇编语言编写程序，扩展名必须为
（.asm）。
图2.6保存源程序
7、添加源程序到工程
在编辑界面，单击Target1前“+”号，在SourceGroup1上单击右键,再单击AddFiletoGroup‘SourceGroup1'，选择源程序。
图2.7添加源程序到工程
8、设置目标文件属性
单击Project菜单，在下拉菜单单击“OptionsforTarget'Target
1'”。
在下图中，单击Output标签，选中CreateHEXFile选项，使程序编译
后产生HEX代码。
图2.8设置目标文件属性
9、编译工程
单击Project菜单，在下拉菜单单击BuiltTarget。
如果有错误，应重新
修改源程序，直至通过编译
10、下载目标程序
运行progisp，弹出对话框如下图2.9所示。
图2.9下载程序
首先单击“selectchip”下拉列表，选择AT89S52芯片；然后单击“调入
Flash”按钮，找到工程编译后生成的hex文件；最后选中“芯片檫除”、“编程flash、“数据自动重载”和“校验flash选项，单击“自动”按钮。
第三章实验项目
实验1跑马灯控制
实验学时：
2
实验类型：
验证
实验要求：
必修
一、实验目的
通过本实验的学习，掌握单片机通用I/O口的功能，熟悉Keil平台的操作流程，学会延时程序的编写。
二、实验内容
单片机控制4个发光二极管，设计跑马灯效果。
各灯首先从左到右依次点亮，再从右到左依次点亮；然后全部点亮，再全部熄灭。
以上过程循环出现。
三、实验原理、方法和手段
1、系统方案
利用单片机的P2口作为输出端口，使4个发光二极管按照一定的花样亮灭，循环变化。
图3.1跑马灯驱动电路
2、软件算法
开始
1
■
输出变化花样
丄
调用延时函数
图3.2跑马灯控制流程图
延时函数的编写，如用汇编语言编程，可考虑用多个寄存器嵌套计数实现；如用C51语言编程，可通过多重循环语句实现，但应注意循环变量的取值范围，避免陷入死循环。
四、实验条件
PC机，HNIST型单片机实验系统。
五、实验步骤
1、用排线将P2口相应端口连接到发光二极管；
2、启动Keil平台，编写程序；
3、编译和下载程序，观察发光二极管的变化。
六、实验报告要求
应提供硬件电路和源程序，并回答思考题。
七、思考题
1、单片机的I/O口作为输入口，可以接收哪些输入设备的信号？
2、单片机的I/O口作为输出口，可以驱动哪些输出设备？
3、以单片机为核心控制外设，与传统模拟和数字电路相比，有哪些优势？
实验2模拟交通灯控制系统设计
实验学时：
2
实验类型：
设计
实验要求：
选修
一、实验目的
通过本次实验，掌握单片机内部定时器的工作原理和使用方法，学会中断处理程序的编写。
二、预习与参考
1、系统方案
以单片机为核心，通过P2口控制4组发光二极管，每组有红绿黄三色，模拟十字路口交通灯的控制。
2、交通灯
L11
L12
L1B
J101
11
JL92
L21
H33抵
H32冥
VCC10
\\D10_9
sr—
H33
JL0_4
4X1K
图3.3交通灯驱动电路
南北绿灯、东
交通灯共有4个状态，应循环执行。
初始状态为南北通行:
5秒；再转为东
西红灯保持25秒；后转为过渡状态：
南北黄灯、东西红灯保持西通行：
东西绿灯、南北红灯保持25秒；最后转为过渡状态：
东西黄灯、南北
红灯保持5秒。
3、软件算法
（1）主程序
引入有限状态机实现交通灯多状态的变化
（2）定时器中断处理子程序
利用单片机内部的定时器来计时。
图3.5定时器中断处理子程序流程图
三、实验要求
1、功能要求
交通灯共有4个状态，应循环执行。
具体技术指标如下：
各状态时间误差w0.01秒
2、预习要求
在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法四、实验条件
PC机，HNIST型单片机实验系统
五、调试及结果测试
表3.1交通灯控制实验测试结果
交通灯状态
南北通行
南北过渡
东西通行
东西过渡
灯的亮火
运行周期
时间误差
六、实验报告要求
应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。
七、思考题
1、如果单片机的I/O口已经被占用一部分用于其它功能，可以引入什么类型的接口电路，来解决引脚不够分配的问题？
2、如果要让救护车和警车优先通过十字路口，应怎样改进硬件电路，修改软件算法？
头验3数码官动态显示设计
实验学时：
3
实验类型：
设计
实验要求：
必修
一、实验目的
通过本次实验，掌握数码管动态显示的工作原理和驱动电路，学会动态显示程序的编写。
二、预习与参考
1、系统方案
以单片机为核心，扩展三极管9013驱动数码管的位码，74573芯片驱动数码管的段码，实现数码管的动态显示。
要求显示当前日期，如3月1日，贝U显示0301。
2、数码管
数码管内部电路如下
（b）
图3.6数码管内部电路
表3.2共阴极数码管编码
字符
编码
字符
编码
字符
编码
0
Oxfc
6
0xbe
C
0x9c
1
0x60
7
0xe0
d
0x7a
2
Oxda
8
0xfe
E
0x9e
3
0xf2
9
0xf6
F
0x8e
4
0x66
A
0xee
无显示
0x00
5
0xb6
B
0x3e
数码管有两种工作方式：
静态显示和动态显示。
（1）静态显示
每个数码管的段码都需要独立的数据锁存器锁存，当送入字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止，显示亮度较高。
（2）动态显示
轮流选中多个数码管显示不同字符，由于人眼的视觉惰性，感觉是同时显示。
为了减少硬件成本，通常采用动态显示。
3、整体电路
1KR17
1K
■'I
T1
9013
1K
R18
R20
T2
1K
9013
R2'
T3
9013
T4
9013
VCC
10k
R14
39P00
2
TMS9
INT113、
INT〒
WD仔;
P156
P1厂7
P1厂8
19
18
P101
P112
P123
P1厂4
P1厂5
10RXD
11TXD矿ALE
29
31
P0,
T115
T014
VCC
DS1SMG4
12
11
7
4
2
1
10
5
3
U3
OC
C
abcdefg
P10/T
P11/T
P12
P13
P14
P15
P16
P17
INT1
INT0
T1
P2
T0
EA/VP
X1
X2
RESET
RD!
WR"
U2
AT89S52
38
P01
3
37
P02
4
36
P03
5
35
P04
6
34
P05
7
33
P06
8
32
P07
9
P0'
P24
P2
RXD
TXD
ALE/P
PEN
21P20五P21
23P22
24P23
25P24
26P25tTP26矿P27
1D2D3D4D5D6D7D8D
2Q
3Q
4Q
5Q
6Q
7Q
8Q
19
18
17
16
15
14
13
12
74LS573
图3.7数码管动态显示驱动电路
4、软件算法
（1）主程序
图3.8主程序流程图
（2）数码管动态显示子程序
图3.9数码管动态显示子程序流程图
三、实验要求
1、功能要求
数码管显示应稳定清晰
2、预习要求
在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法四、实验条件
PC机，HNIST型单片机实验系统
五、调试及结果测试
表3.3数码管动态显示实验测试结果
数码管
LED1
LED2
LED3
LED4
显示字符
是否稳定
六、实验报告要求
应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。
七、思考题
1、数码管动态显示时，位扫描间隔时间是多长？
2、如何消除前一位的编码对当前位选通瞬间的影响?
3、扩展实验2,对交通灯的状态进行倒计时并显示。
实验4矩阵式键盘显示设计
实验学时：
3
实验类型：
设计
实验要求：
必修
、实验目的
通过本次实验，掌握矩阵式键盘的驱动电路和扫描方法，学会键盘消抖和扫描程序的编写。
二、预习与参考
1、系统方案
以单片机为核心，通过P2口驱动矩阵式键盘，高4位接入键盘的列，低4位接入键盘的行，并进行逐行扫描，识别按键，送数码管显示。
2、矩阵式键盘
矩阵式键盘有两种扫描方法。
（1）行反转法
首先，将全低电平输出到行，读入列信号，确定按键所在的列；然后，将全低电平输出到列线，读入行线信号，确定按键所在的行。
（2）行扫描法
将低电平逐行输出到行，读入列信号，确定按键所在的行和列。
3、显示模块
参见实验3说明。
4、软件算法
（1）主程序
图3.11主程序流程图
（2）键盘扫描子程序
键盘扫描子程序流程图见下页。
三、实验要求
1、功能要求准确快速识别按键。
2、预习要求
在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法四、实验条件
PC机，HNIST型单片机实验系统
五、调试及结果测试
表3.4数码管动态显示实验测试结果
测试次数
1
2
3
4
实际按键
显示字符
六、实验报告要求
应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。
七、思考题
1、怎样消除按键的抖动？
2、如何处理多个按键同时按下的情况?
实验8乐曲演奏设计
实验学时：
3
实验类型：
设计
实验要求：
选修
、实验目的
通过本次实验，掌握蜂鸣器的工作原理和驱动电路，学会乐曲演奏程序的编写。
、预习与参考
1、系统方案
以单片机为核心，通过P1口输出方波信号，驱动蜂鸣器发声，演奏乐曲
~61^316561§5T2
图3.23梁祝乐谱
2、乐曲演奏
（1）音符控制
利用单片机片内的定时器来定时，取反P1口的相应端口，即可输出方波,使喇叭演奏乐曲中相应的音符。
表3.8音符频率值
低音（Hz）
中音（Hz）
高音（Hz）
1
261.6
1C
523.3
1
1046.5
2
293.7
2D
587.3
2
1174.7
3
329.6
3E
659.3
3
1318.5
4
349.2
4F
698.5
4
1396.9
5
392
5G
784
5
1568
6A
440
6
880
6
1760
7B
493.9
7
987.8
7
1975.5
（2）节拍控制
取0.25秒代表1个8分音符的时长，将乐曲分割成连续的8分音符序列
用延时程序获得0.25秒，每当延时结束，即切换到下一个8分音符。
3、软件算法
（1）定时器中断处理子程序
开始
恢复计数初值
蜂鸣器控制端取反
返回
图3.25定时器中断处理子程序流程图
（2）主程序
图3.26主程序流程图
三、实验要求
1、功能要求
乐曲演奏应保证音调和旋律均符合曲谱。
2、预习要求
在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法四、实验条件
PC机，HNIST型单片机实验系统
五、调试及结果测试
表3.9乐曲演奏实验测试结果
演奏次数
1
2
3
音调
旋律
六、实验报告要求
应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。
七、思考题
1、扩展数码管，分别显示当前正在演奏的高、中、低音的音符和节拍
2、怎样扩展系统，使其可以演奏双声道乐曲？
实验9电机调速控制设计
实验学时：
3
实验类型：
设计
实验要求：
选修
、实验目的
通过本次实验，掌握步进电机的工作原理和驱动电路，学会步进电机脉宽调制程序的编写。
、预习与参考
1、系统方案
以单片机为核心，通过P1口输出脉冲信号，驱动步进电机旋转。
通过P2
口引入键盘，实现对步进电机的启停、转向和8级转速控制。
2、步进电机
图3.27步进电机驱动电路
（1）转向控制
步进电机以4相4拍方式工作，若按顺序通电为正转，按顺序通电为反转。
（2）转速控制
每改变1次节拍，步进电机旋转7.5度。
调节脉冲周期，就可以控制步进电
机的转速。
3、键盘模块
参见实验4说明
4、软件算法
（1）主程序
图3.28主程序流程图
（2）步进电机驱动子程序
（3）键盘扫描子程序
图3.30键盘扫描子程序流程图
（4）键盘处理子程序
图3.31键盘处理子程序流程图
三、实验要求
1、功能要求
马达实现启停和转向控制，转速有8级调节。
2、预习要求
在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法
四、实验条件
PC机，HNIST型单片机实验系统。
五、调试及结果测试
表3.10马达调速控制实验测试结果
控制顺序
1
2
3
4
5
6
7
8
启停控制
转向控制:
转速调节
六、实验报告要求
应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。
七、思考题
1、怎样克服步进电机和负载的惯性?
实验11电子钟设计
实验学时：
3
实验类型：
综合
实验要求：
选修
一、实验目的
通过本次实验，掌握数码管的动态显示，学会定时器嵌套计时程序的编写。
二、相关知识点
1、数码管的动态显示
2、定时器的嵌套计时程序
三、实验原理、方法和手段
1、系统方案
以单片机为核心，扩展三极管9013驱动数码管的位码，74573芯片驱动数码管的段码，显示时钟数据。
时钟更新由单片机片内的定时器完成。
2、硬件电路
参见实验3。
3、软件算法
（1）主程序
图3.39主程序流程图
（2）定时器中断处理子程序
图3.40定时器中断处理子程序流程图
（3）数码管动态显示子程序
数码管动态显示子程序流程图参见实验3
四、实验条件
PC机，HNIST型单片机实验系统
五、调试及结果测试
表3.12智能电子钟实验测试结果
测试顺序
LED1
LED2
LED3
LED4
1
2
3
六、实验报告要求
应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。
七、思考题
1、引入按键，提供校正时间功能。
2、实现定时闹铃和整点报时。
附录实验报告基本要求
一、实验预习
实验前，每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告。
在预习报告中，要写出实验目的、要求、设备和简要的实验步骤，形成一个操作提纲。
对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。
对于设计性和综合性实验，在进入实验室前应写出实验方案。
二、实验记录
实验时，应将实验的操作步骤、运行现象、测试环境和数据如实地记录下来。
实验记录中应有指导教师的签名。
三、实验报告
主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、分析和总结，回答思考题，提出实验结论或建议等。
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