单片机报告222.docx

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单片机报告222

桂林电子科技大学

单片机最小应用系统

设

计

报

告

指导老师：

吴兆华

学生：

王瑾

学号：

082011222

机电工程学院

2009年5月

单片机最小应用系统设计报告

一、设计题目………………………………………………………1

二、设计目的………………………………………………………1

三、系统硬件图……………………………………………………1

四、程序流程图……………………………………………………2

五、系统说明与分析………………………………………………3

5.1系统主要组成部分………………………………………3

5.2单片机最小系统…………………………………………3

5.3检测显示部分……………………………………………9

5.4电路板的制作……………………………………………11

5.5系统连线说明分析………………………………………12

六、源程序………………………………………………………13

七、总结…………………………………………………………14

八、参考文献……………………………………………………14

一、设计题目

网线检测系统设计。

利用51单片机实现对一段网线通断的检测。

二、设计目的

1.目前已经走进网络时代，网络已经成为获取信息的重要途径，成为交换信息通信的有力枢纽，所以保持正常网络是很重要的；我们必须有一种工具对网线的通断做测试，网线通断测试仪在E时代已成为很有用的工具。

2.通过本次实验，掌握检测网线通断的基本原理。

3.搭建单片机最小应用系统，进一步加深对单片机应用的理解，提高处理实际问题的能力和独立分析思考的能力。

三、系统硬件图

测量系统的硬件电路原理图如下图3-1所示：

图3-1电路原理图

四、程序流程图

网线检测系统程序框图如下图4-1，4-2所示：

图4-1主程序框图

图4-2外部中断0子程序框图

五、系统说明与分析

5.1系统主要组成部分

网线检测系统主要分为两个部分：

单片机最小系统及由LED为主的检测显示部分。

所用主要元件有：

AT89S51，晶振系统所需器件，复位系统所需器件及八个LED，两个八针的的插座。

5.2单片机最小系统部分

MCS-51系列单片机是一种高性能的8位机系列，广泛应用于各种小型控制系统中，其引脚图如图所示。

本论文采用的AT89C51单片机是AMTEL公司生产的MCS-51系列的兼容产品，与MCS-51指令系统兼容，系统结构相同，CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器。

全部支持12时钟和6时钟操作。

AT89C51包含128字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口（可用于多机通信I/O扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路）。

图5-1MCS-51引脚图

MCS-51系列单片机的并行I/O口

接口电路是微机必不可少的组成部分，并行输入确出接口是CPU和外部进行信息交换的主要通道。

MSC－51系列单片有4个8位并行双向I/O口P0～P3，共32根I/O线。

每一根线能独立用作输入或输出。

单片机可以外接键盘、显示器等外围设备．还可以进行系统扩展，以解决硬件资源不足问题。

4个并行口都是双向口，既可以输入又可以输出。

P0、P2口经常作外部扩展存储器时的数据、地址线，P3口除作I/O口外，每一根都有第二功能。

这4个I/O口结构基本相同，但仍存在差别。

40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

1．电源:

（1）VCC-芯片电源，接+5V；

（2）VSS-接地端；

注：

用万用表测试单片机引脚电流一般为0v或者5v，这是标准的TTL电平，但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间，其实这之是万用表反映没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在0v或者5v的。

2．时钟:

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3．控制线:

控制线共有4根，

（1）ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

①ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

②PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲

（2）PSEN:

外ROM读选通信号。

（3）RST/VPD:

复位/备用电源。

①RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

②VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

（4）EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

   ①EA功能：

内外ROM选择端。

②Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4．I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

图5-251单片机原理图

    上图5-2为哈佛（Harvard）结构的单片机的原理图，这种结构是程序存储器和数据存储器分开的。

mcs-8051系列的单片机都是属于这种结构。

（1）P1口是最常用的I/O口如图5-3所示，因为不作数据地址线，其结构中没有数据地址线，也没有多路开关MUX，输出驱动电路接有上拉电阻。

P1口输入输出时与P0作I/O时相似，输出数据时．先写入锁存器，经Q端反相，再经场效应管反相输出到引脚。

输入时，先向锁存器写l，使v管截止．外部引脚信号由下方读缓冲器送入内部总线，完成读引脚操作。

P1口也可以读锁存器。

外部提升电阻将引脚拉升至高电平，但输人的低电平信号能将其拉低，不会影响低电平的输入。

图5-3P1口一位结构

（2）P2口的位结构比P1多了一个控制转换部分如图5-4所示，结构与P0口基本相似，如下图所示。

P2口改P0推拉式输出驱动电路为上拉电阻式，当控制信号s为低电平，作I/O口使用时，多路开关MUX使锁存器输出端Q与输出驱动输入端接通，构成一个准双向口。

此外，当外部扩展存储器时，P2口常做高8位地址线使用。

图5-4P2口一位结构

下表5-1中概括了单片机中使用到的并行口P1、P2功能：

表5-1P1、P2功能一览表

MCS-51系列单片机的工作方式和时序

单片机应用系统中，除了基本计算机系统单元电路外．还需配备完整的外围电路、以完成复位、掉电保护、提供时钟、节电等功能。

（1）时钟电路：

单片机内部有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1和XTAL2引脚外接石英振于或陶瓷振子、微调电容组成振荡器如图13所示。

该振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。

振荡器若外接的是石英扳子，微调电容通常选择30pF；外接陶瓷娠子时选样47pF。

振荡频率范围选择1.2—12M。

MCS5-51系列单片机也可以采用外接时钟，这时XTAL2脚用来输入外部时钟信号（XTAL2脚为内部时钟电路的输入端），XTALl脚则接地如图5-5－b所示。

对于CHM05工艺制造的80C51单片机，则应从XTALl脚输入外部时钟信号，XTAL2脚悬空。

（a）外接石英晶体振荡电路（b）外接时钟电路

图5-5两种单片机时钟电路

（a）上电复位（b）按键电平复位

（c）RC放电过程（d）电平复位过程

图5-6单片机常用复位电路

（2）复位电路：

复位使单片机处于起始状态，并从此状态开始运行MCS5-51单片机RST引脚为复位端，该引脚连续保持2个机器周期（24个时钟振荡周期）以上的高电平。

可使单片机复位。

本论文使用的是外部复位电路，单片机在启动后要从复位状态开始运行，因此上电时要完成复位工作，称上电复位，如图14－a所示。

上电瞬间电容两端的电压不能发生突变，只RST端为高电平＋5v，上电后电容通过及RC电路放电RST端电压逐渐下降，直至低电平0V，如图5-6－c所示。

适当选择R、C的值，使RST端的高I电平维持2个机器周期以上即可完成复位。

单片机L在运行过程中，出于本身或外并干扰的原因会导致出错。

这时可按复位键以重新开始远行，按键复位可分为按键电平复位或按健脉冲复位，如图14－b所示。

按键脉冲复位和上电平复值的原理是一样的，都是利用RC电路的放电原理，如图5-6－d所示。

让RST端能保持一段时间的高电平，以完成复位，按键电平复位时，按键时间也应保持在两个机器周期以上。

根据设计要求和计算简便的原则，我们选择12M的石英晶振、30PF的电容、+5V电源，最小系统如图5-7：

图5-7单片机最小系统

5.3检测显示部分

这一部分由八个二极管组成，每个二极管同网线中的一根导线相连。

其亮灭可表示网线中相应导线的通断情况。

半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。

事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。

1、半导体发光二极管工作原理、特性及应用

（1）LED发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

如图5-8

图5-8LED工作原理图

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即

λ≈1240/Eg（mm）

式中Eg的单位为电子伏特（eV）。

若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。

比红光波长长的光为红外光。

现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。

（2）LED的特性

极限参数的意义

a.允许功耗Pm:

允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。

超过此值，LED发热、损坏。

b.最大正向直流电流IFm：

允许加的最大的正向直流电流。

超过此值可损坏二极管。

c.最大反向电压VRm：

所允许加的最大反向电压。

超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

d.工作环境topm:

发光二极管可正常工作的环境温度范围。

低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。

（3）LED的应用

由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制，使用时，应保证不超过此值。

为安全起见，实际电流IF应在0.6IFm以下；应让可能出现的反向电压VRRm。

LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。

红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。

2、发光二极管的检测

（1）用万用表检测。

利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。

正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ,反向电阻的值为∝。

如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为0，则易损坏。

这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为×10kΩ挡不能向LED提供较大正向电流。

如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好地检查发光二极管的发光情况。

用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。

余下的“-”笔接被测发光管的正极（P区），余下的“+”笔接被测发光管的负极（N区）。

两块万用表均置×10Ω挡。

正常情况下，接通后就能正常发光。

若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至×1Ω若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。

应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于×1Ω，以免电流过大，损坏发光二极管。

（2）外接电源测量。

用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。

为此可按图10所示连接电路即可。

如果测得VF在1.4～3V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。

如果测得VF=0或VF≈3V，且不发光，说明发光管已坏。

2．红外发光二极管的检测

由于红外发光二极管，它发射1～3μm的红外光，人眼看不到。

通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。

红外LED的正向压降一般为1.3～2.5V。

正是由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常否。

为此，最好准备一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光电池）作接收器。

用万用表测光电池两端电压的变化情况。

来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。

5.4电路板的制作

Protel99功能强大，为我们进行电子电路原理图和印制板图的设计提供了良好的操作环境。

用Protell99进行电路设计分为两大部分：

原理图的设计和电路板的设计。

原理图的设计实在SCH系统中进行的，电路原理图是印刷板电路设计的基础，只有设计好原理图才有可能进行下一步的电路板设计。

因为这里使用的是万能板所以只进行第一部分就可以达到目的。

用protel99进行电路板设计的第一步是其原理图的设计。

显然，原理图决定整个电路的基本功能，也是接下来生成网表和设计印刷板电路的基础。

具体步骤如下：

（1）图面设置：

Protel99允许用户根据电路的规模设置图面的大小，按照偏好和习惯设置图面的样式。

实际上，设置图面就是设置了一个工作平面，以后的工作就要在这个平面上进行。

所以图面应该设置得足够大，为进一步工作提供一个足够大的工作空间。

（2）放置元件：

所谓放置元件就是从元件库中选取所需得元件，将其布置到图面上合适的位置，有时还要重定义元件的编号、封装。

元件的封装很重要，要根据元件的实际尺寸和实际封装来决定，要是元件没封装好，将会给以后电路板的制作带来很大的麻烦。

这些都是下一步工作的基础。

Protel99为用户提供了一个非完备的元件库，并且允许用户对这个元件库进行编辑或者新建自己的元件库。

电路板的制作过程

（1）放置元件：

放置前应先打磨一下打孔后留下的毛刺，并均匀地涂上松香水（目的是防止铜线氧化，易于焊锡覆着焊盘，但多涂会导致焊接时焊点变黑，影响美观）。

放置元件时注意集成块的管脚，二极管和电解电容的正负，这些都是平时比较容易出错的地方。

（2）焊接：

焊接技术比较难掌握，焊锡、烙铁与焊盘的位置关系，焊锡熔化时间

长短，松香水的浓度，烙铁的温度等等，都是影响焊点美观的因素。

（3）检查：

检查是否有虚焊，集成块管脚位置是否正确，电源引线位置是否恰当等。

检查完毕就能进行调试了。

5.5系统连线说明分析

检测时将待测网线的两端分别插到与P0和P1连接的网线插槽上。

单片机程序的功能是：

让P1的8个端口发送低电平信号，然后看对应端口能否收到信号，即对应的二极管能不能亮。

若可以亮，则说明与之相连的那根网线是通的，否则就是断的。

1、调试过程：

（1）保证电路板连接正确后，接上电源。

（2）观察二极管显示是否与程序中要求相同。

2、实验过程中的问题及改进方法

制作电路板过程中由于焊接等原因，造成电路连接不通现象，浪费了调试时间。

六、源程序

#include

voiddelay02s（unsignedcharm）//延时子程序

{

unsignedchari,j,k;

for（;m>0;m--）

{

for（i=20;i>0;i--）

for（j=20;j>0;j--）

for（k=248;k>0;k--）;

}

}

main（）

{

P0=0x00;

delay02s（20）;

P0=0xff;

while

（1）

{

EA=1;

EX0=1;

IT0=1;

}

}

voidt0（void）interrupt0using1//INT0中断服务程序，使用第0组寄存器

{

P1=0x00;

delay02s（20）;

P1=0xff;

}

七、总结

1、在设计系统过程中，学会用Protel99SE画原理图。

2、自己动手制作电路板，提高动手能力。

3、调试程序过程中，针对遇到的问题，寻找解决方法，同时学会利用C语言编制单片机程序。

4、感谢在整个设计单片机最小系统过程中给我很大帮助的导师，师兄，同学等。

八、参考文献

[1]肖洪兵.跟我学用单片机.北京：

北京航空航天大学出版社,2002.8

[2]赵晓安.MCS-51单片机原理及应用.天津：

天津大学出版社，2001.3

[3]夏继强.单片机实验与实践教程.北京：

北京航空航天大学出版社,2001

[4]吴金戌等．8051单片机实践与应用．北京：

清华大学出版社，2002

[5]李勋．单片机微型计算机大学读本．北京：

北京航空航天大学出版社，2002