单片机教学实验系统开发
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1122334455667788D B 2017/6/7 C:.y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本科生毕业设计(论文)开题报告 论文 (设计 )题目 单片机教学实验系统开发 作者所在系 别 机电工程学院 作者所在专业 车辆工程 作者所在班级 者 姓 名 林柏荣 作 者 学 号 201322196 指导教师姓名 白亚双 指导教师职称 讲师 完 成 时 间 2017 年 3 月 北华航天工业学院教务处制 说 明 1 根据学校毕业设计 (论文 )工作暂行规定,学生必须撰写毕业设计(论文)开题报告。开题报告作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。 2 开题报告 应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成,经指导教师签署意见及所在专业教研室论证审查后生效。 开题报告不合格者需重做。 3毕业设计开题报告各项内容要实事求是,逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨,语言通顺,外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词,须注出全称。 4开题报告中除最后一页外均由学生填写,填写各栏目时可根据内容另加附页。 5 阅读的主要参考文献应在 10 篇以上( 土建类专业文献篇数可酌减) ,其中外文资料应占一定比例。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。 6参考文献的书写应遵循毕业设计(论文)撰写规范要求。 7开题报告应与文献综述、一篇外文译文和外文原文复印件同时提交,文献综述的撰写格式按毕业设计(论文)撰写规范的要求,字数在 2000 字左右。 毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 林柏荣 专 业 车辆工程 班 级 导教 师姓名 白亚双 职 称 讲师 工作单位 北华航天工业学院 课题来源 教师自拟题目 课题性质 应用设计 课题名称 单片机教学实验系统开发 本设计的科学依据 (科学意义和应用前景,国内外研究概况,目前技术现状、水平和发展趋势等) 毫无疑问,自从 20 世纪 70 年代以来,单片机的出现已经在很大程度上为人们的生活以及工作等多个方面做出了巨大的贡献。通过三十多年的发展,单片机已经成为了计算机技术不可分割的部分,无论是在工业控制方面还是在智能仪器仪表方面以及办公室自动化、家用电器等多个领域都得到了广泛的应用。由此可 见,单片机基本上已经涉及到了人们生活工作的各个方面,其技术的开发与应用已经逐渐成为衡量一个国家工业发展水平的重要参数。随着单片机技术越来越广泛的应用,单片机课程已经成为工科院校必备的课程,成为工科学生们的必学技能。该课程除了讲解单片机的硬件结构工作原理以外,对于汇编语言程序以及接口技术也有着很大程度上的涉及,也恰恰因此使得学生们对此会感到抽象不易理解,因此实践部分是必不可少的。如果想要学好这门技术,既要掌握该课程的硬件知识,又得对软件知识精通。 设计内容和预期成果 (具体设计内容和重点解决的技术问题、预 期成果 和 提 供 的 形式) 51 系列单片机教学实验板 既是一块用户实验板,又是一种功能强大而实用的单片机开发调试工具, 可使初学者迅速掌握单片机原理及应用,熟习汇编语言甚至单片机 C 语言。用本仿真开发实验板,对用户源程序进行实时在线调试,可极大的缩短单片机应用系统的开发时间。本设计主要应用于现代大学教学实验,对于充实现代大学生的动手实践能力而制作这款以 51 单片机为基础的教学试验系统,他可以是学生将学习的软件网络知识联系到一起,实现嵌入式的基本操作。本系统包含了 51 单片机最小系统 电路 , 计算机与单片机串行通信接口 , 8 位 示灯显示电路, 8 位 码管显示电路, 4*4 键盘电路,正负脉冲输出电路,8255 扩展 电路 。 拟采取设计方法和技术支持 (设计方案、技术要求、实验方法和步骤、可能遇到的问题和解决办法等) 本课题设计教学实验板能实现现如今高校大学生单片机课程的常用教学内容以及课程设计、毕业设计的系统开发任务。主要工作为设计常用实验内容涉及到的电路原理图和印刷电路板、设计单片机的控制程序并用 件进行仿真。 本课题所设计教学实验板是为学生做实验而设计的应用系统,它可以提供给学生以模块硬件,以实现单 片机的多种不同功能。本课题所设计的有系统硬件模块和基本实验的仿真控制程序,可以供学生参考。 本设计的任务主要分为硬件和软件两大部分 。 实现本项目预期目标和已具备的条件 ( 包 括 过 去 学习、研究工作基础,现有主要仪器设备、设计环境 及 协 作 条 件等) 该多功能教学实验板,以 51 单片机为核心,最大限度的利用片上的资源,在外围配置 示灯 、 码管、 键盘 等多种器件,能够针对各个模块给出演示程序,具有成本低、实用性强、可扩展性强等优点。该实验板需要和 8051/52、 892 单片机完全兼容,能结合单片机的在线编程功能及程序运行功能,具有设计巧妙、布局合理、价格低廉、使用方便、可再开发、抗干扰能力强等优点。使得学生一板在手便拥有了编程器和实验板两套设备,其最终目标是使该实验板能够成功烧录程序、仿真及单独使用。 各环节拟定阶段性工作进度 (以周为单位 ) 第 1 周:布置课题,落实任务,确定课题; 第 2 周至第 3 周:搜集并阅读相关的资料和文献; 第 4 周至第 5 周:对单片机、芯片方面有较深刻的理解; 第 6 周至第 7 周:对本课题有个整体的思路并拟定开题报告; 第 8 周至第 9 周:通过方案的确定和整体思路的把握进实验室做本课题; 第 10 周至第 14 周:对本次毕业设计整个过程进行总结; 第 15 周:完成毕业设计 开 题 报 告 审 定 纪 要 时 间 地点 主持人 参 会 教 师 姓 名 职 务(职 称) 姓 名 职 务(职 称) 论 证 情 况 摘 要 记录人: 指 导 教 师 意 见 指导教师签名: 年 月 日 教 研 室 意 见 教研室主任签名: 年 月 日 本科生毕业设计 (论文 ) 外 文 翻 译 原 文 标 题 文 标 题 单片机的发展和应用 作者所在系 别 机电工程学院 作者所在专业 车辆工程 作者所在班级 者 姓 名 林柏荣 作 者 学 号 201322196 指导教师姓名 白亚双 指导教师职称 讲师 完 成 时 间 2017 年 3 月 北华航天工业学院教务处制 译文标题 单片机的发展和应用 原文标题 者 名 崔许静 国 籍 中国 原文出处 译文: 题目:单片机的发展和应用 单片机是指将一个完整的计算机系统集成在一块芯片上。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上, 但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件: 存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机由芯片内仅有 专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成更复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 然而单片机又不同于单板机,芯片在没有开发前,它只是具备功能极强的超大规模集成电路,如果赋予它特 定的程序,它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统,它与单板机或个人电脑 ( )有着本质的区别,单片机的应用属于芯片级应用,需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术,用这样特定的芯片设计应用程序,从而使该芯片具备特定的功能。 不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征,即它们的技术特征不尽相同,硬件特征取决于单片机芯片的内部结构,用户要想使用某种单片机,必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气 特性等等,这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境,指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式,数据处理和逻辑处理方式,输入输出特性及对电源的要求等等。支持开发的环境包括指令的兼容及可移植性,支持软件 (包含可支持开发应用程序的软件资源 )及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统,掌握其结构特征和技术特征是必须的。 单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系 统,可以通过软件控制来实现,并能够实现智能化,现在单片机控制范畴无所不在,例如通信产品、家用电 器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等,单片机的应用领域越来越广泛。 单片机硬件介绍: 8051 系列微控制器是建立在一个高度优化的嵌入式控制系统的结构上。它的运用范 围比较广,从军事装备到汽车再到你的 的键盘。仅次于摩托罗拉 8 位处理器 68销售,家庭中的 8051 微控制器,在制造商上有各种各样的变化,如因特尔公司、西门子、飞利浦。这些厂家已经增加了许多功能及外设,如总线接口,模拟到数字转换器,看门狗定时器、脉冲宽度调制的输出。 8051 与时钟变化速度高达 40电压需求降低到 供选择。这种大范围基于一个核心部件,使 8051 系列是一个很好的选择,作为一个产品公司的整个产品线,因为它可以执行许多功能和开发的基础架构将只需要学习这一个平台。 基本结构有以下特点: 一个 8 位的算术逻辑单元 32 个离散输入输出端口( 4 组 8 位)可单独访问 两个 16 位定时器 /计数器 全双工通用异步接收 /发送装置 6 个中断源与 2 个优先级别 128 字节的随机存储器 64K 分开字节地址空间的数据和代码的记忆 一个 8051 处理器周期共有十二个振荡周期。它的核心是在每一个阶段用于特殊功能的振荡器,例如数字代码和全部中 断中的处理器。 8051 指令所需通过的时间可以由任何时钟频率除以 12,并通过它的数字处理器所指示的反馈结果和增殖周期显示。因此,如果你有一个使用 钟的系统,这个值除以 12 可以计算出指令数。这给出了 921583 指令每秒指令频率。采取的反相时间将提供每个指令周期( 秒)。 单片机的应用 现在单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到没有单片机的痕迹。 导弹导航设备、飞机、所有类型的仪器控制、计算机网络通信和数据传输,工业自动化,实时过程控制和数据处理,广泛使用的各种智能 、民用豪华 轿车的安全系统、录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说机器人控制领域,智能仪器,医疗设备。因此,大量的科学家、工程师需要学习单片机的开发与应用以及计算机应用和智能控制。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗器械、航空航天、专用设备、智能管理和过程控制领域,大致分为以下几个方面: 1、在应用程序的智能仪器 单片机具有体积小、功耗低、控制功能,扩张的灵活性,小型化和易用性的优势, 是广泛使用的工具,结合不同类型的传感器可以实现电压、功率、频率、湿度、温度 、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、物理压力测量。单片机利用数字仪器、情报、小型化、功能比电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备 (功率计,示波器,各种分析仪 )。 2、在工业控制应用程序 单片机可以构成各种控制系统、数据采集系统。如工厂生产线的智能控制。 3、在家用电器 可以说,该设备基本上都是采用单片机,从电饭煲,洗衣机,冰箱,空调,彩电,以及其他音频视频设备的好评,在电子称重设备,五花八门,无所不在。 4、在计算机网络和通信领域的应用 单片机一般有现代化的通讯接口,可以方便的与电脑进行数据通信 ,网络和设备之间的计算机通信程序具有良好的物质条件,基本上所有通讯设备,都实现了由单片机手机控制,例如电话、迷你程序、程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、日常工作中随处可见的手机躯干移动无线电、对讲机等。 原文: f is an on a a of in a it a to of At as on a is PU Is of a of PU in a a in is it of if it a it is a a it or to to of in so CU is on of to a of by to s to we of so of of To of a to to is a to of or of to as so is 051 of is on an is It is in a of to to on C. to 8in of is in a of to 051 2C to of 051 up 0of on 051an as a s of it to of an 32(4 ) be 6 128of on 4K 051 of of is a by 051 as op of 051 be by 2, it by of by in if a is of by 2. an 21583of by CM of is to of of of C to of CU of of of is in CM a of of of be of or as CU a of as of an be V, to of CU be in to a CU to be in 指 导 教 师 评 语 外文翻译成绩: 指导教师签字: 年 月 日 注: 1. 指导教师对译文进行评阅时应注意以下几个方面:翻译的外文文献与毕业设计(论文)的主题是否高度相关,并作为外文参考文献列入毕业设计(论文)的参考文献;翻译的外文文献字数是否达到规定数量( 3 000 字以上);译文语言是否准确、通顺、具有参考价值。 2. 外文原文应以附件的方式置于译文之后。 本科生毕业设计 (论文 )文献综述 设计 (论文 )题目 单片机教学实验系统开发 作者所在系 别 机电工程学院 作者所在专业 车辆工程 作者所在班级 者 姓 名 林柏荣 作 者 学 号 201322196 指导教师姓名 白亚双 指导教师职称 讲师 完 成 时 间 2017 年 3 月 北华航天工业学院教务处制 说 明 1 根据学校毕业设计 (论文 )工作暂行规定,学生必须撰写毕业设计 (论文 )文献综述。文献综述作为毕业设计 (论文 )答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。 2 文献综述 应在指导教师指导下,由学生在毕业设计 (论文 )工作前期内完成,由指导教师签署意见并经所在专业教研室审查。 3文献综述各项内容要实事求是,文字表达要明确、严谨,语言通顺,外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词,须注出全称。 4学生撰写文献综述, 阅读的主要参考文献应在 10 篇以上 ( 土建类专业文献篇数可酌减) ,其中外文资料应占一定比例。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。 5文献综述的撰写格式按毕业设计 (论文 )撰写规范的要求,字数在 2000字左右。文献综述应与开题报告同时提交。 毕 业 设 计(论 文)文 献 综 述 一 单片机自从 70年代问世以来得到了很好的发展,单片机的功能正在逐渐完善。现如今,随着电子技术和计算机科学技术的进一步发展,单片机作为微型计算机的一个重要分支已经成为了现代电子技术、计算机应用、网络、通信、信号处理与数据 采集、自动控制与计量测试、智能化电器等方面日益普及的一项最基本的技术。单片机课程在高校的计算机类、电气类、电子类、机械类等专业的教学计划中具有非常重要的地位。 同时,该课程还涉及到许多实践环节,比如课程设计、毕业设计等,甚至广泛应用于高校中大力推行的各种电子设计的竞赛中。这就要求教师在教学过程中不仅要重视理论教学,还必须重视实验教学。学生只有通过设计硬件电路、编制软件程序、仿真调试等实验过程,才能更好、更系统的掌握单片机的理论知识和应用技能。 二 “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内容,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 列,程序源代码用汇编语言书写,教学内容与实际产品严重脱离。因此单片机课程在教学内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。 三 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 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。 1张毅刚 M2010. 2周冰 准教程 M2014. 3许维蓥,郑荣焕 子电路设计及仿真 M2014. 4杨青,管力锐 M工业学院, 2003. 5戴佳,苗龙,陈斌 片机应用系统开发典型实例 M2005. 6沈培峰 真软件在单片机教学和系统开发中的应用 M2005. 7陈华珍,夏国清 程序设计教学方法探讨 J009, 27(1):1008迟耀丹 .单片机原理及应用课程教学改革探讨 J然科学报), 2010, 28(5):1339. 29(3):27110i of a . 36(12):273 毕 业 设 计(论 文)文 献 综 述 指导教师意见 指导教师: 年 月 日 专业教研室审查意见 负责人: 年 月 日 毕业设计报告 (论文 ) 报告 (论文 )题目: 单片机教学实验系统开 发 作者所在系部: 机电工程学院 作者所在专业: 车辆工程 作者所在班级: 作 者 姓 名 : 林柏荣 作 者 学 号 : 201322196 指导教师姓名: 白亚双 完 成 时 间 : 2017 年 5 月 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院毕业论文 I 摘 要 本课题所设计单片机教学实验板既可以满足本科高校日常教学任务,同时,它又能适应开发人员开发调试的一个模块化非常使用的一块实验板。 高校学生使用本教学实验板 , 不仅可以把课本知识和实践相结合 , 与此同时 , 学生能更好的学习并掌握单片机原理及应用 , 并且可以熟练运用 C 语言知识到 一定水准。如果用户使用本实验板对进行系统开发,对 C 语言控制程序进行基本调试,理论上讲可以充分地了解开发系统的可行性,以及缩短了我们对系统的开发调试的时间。 本课题设计教学实验板最主要的用途就是为高校单片机教学实验所服务,以及它可以极大地激发出高校大学生对单片机的热爱,充分充实了大学生学习生涯,还有对动手能力的开发也是我们所希望看到的。所以为了能让学生能方便的学习单片机知识,本设计对高校学生来说有着非常重要的实际意义。本课题所设计实验板囊括了单片机最小系统电路、计算机与单片机的串行通信接口、 8 位 示灯 显示电路、 8 位 码管显示电路、4 4 键盘 电路、 正负脉冲输出电路、 8255 扩展 接口电路 等多种模块化电路,模块电路组合能实现多种功能。主要使用计算机语言为 C 语言。 关键词 : 单片机 教学实验板 模块 电路 C 语言 北华航天工业学院毕业论文 he in of to a is by in at of to a If in of to on of of of is CU it as as of is we to in to to CM of a 8 ED 8 4 255 to a of of C 华航天工业学院毕业论文 1 目 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 题背景 . 1 内外研究现状 . 1 设计完成的工作 . 1 第 2 章 硬件设计 . 3 计方案 . 3 要芯片介绍 . 3 片机各功能模块硬件设计 . 4 片机最小系统设计 . 4 盘电路模块设计 . 5 码管显示电路模块设计 . 6 示灯显示电路模块设计 . 6 行通信接口电路模块设计 . 7 255 扩展电路模块设计 . 7 负脉冲输出模块设计 . 8 第 3 章 仿真实验设计 . 9 真 件 . 9 程 件 . 9 验板示范仿真实验 . 9 4 键盘电路识别实验 . 13 255 扩展输出实验 . 16 片机与计算机串行通信实验 . 19 第 4 章 总结 . 22 致 谢 . 23 参考文献 . 24 北华航天工业学院毕业论文 1 第 1 章 绪论 题背景 毫无疑问,自从 20 世纪 70 年代以来,单片机的出现已经在很大程度上为人们的生活以及工作等多个方面做出了巨大的贡献。通过三十多年的发展,单片机已经成为了计算机技术不可分割的部分,无论是在工业控制方面还是在智能仪器仪表方面以及办公室自动化、家用电器等多个领域都得到了广泛的应用。由此可见,单片机基本上已经涉及到了人们生活工作的各个方面,其技术的开发与应用已经逐渐成为衡量一个国家工业发展水平的重要参数。随着单片机技术越来越广泛的应用,单片机课程已经成为工科院校必备的课程,成为工科学生们的必学技能。该课程除了讲解单片机的硬件结构工作原理以外,对 于汇编语言程序以及接口技术也有着很大程度上的涉及,也恰恰因此使得学生们对此会感到抽象不易理解,因此实践部分是必不可少的。如果想要学好这门技术,既要掌握该课程的硬件知识,又得对软件知识精通。 内外研究现状 单片机教学试验系统已经在市场上有了很广泛的应用,很多公司都能够提供出不错的产品。但是大部分的产品是以试验箱的形式对外开放,有着丰富的接口,但除了价格昂贵以外,更是存在以下几种弊端: ( 1) 展现形式单一,基本都是试验箱形式,主要侧重于软件实验。 ( 2) 相对应的实验多为验证性实验,学生使用试验箱做实验的难度系数较 高。 ( 3) 学生对于实验的系统的设计以及软硬件的调试认识度不够,即便试验完成后,仍会有很多学生对于系统不够了解 因为单片机技术广泛应用于各个领域,众多集成电路厂商陆续推出各式各样的单片机,以满足不同的需求。在种类繁多的单片机中, 片机 迅速占领市场,成为国内单片机的主流应用芯片,依靠的不是别的,就是其高效的性能、成熟可靠的技术以及高性价比 。目前 为止 ,可以 供人们开发 利用的 片机开发产品愈来愈多 , 与此同时 ,能与其配套的各种开发系统 、 各类开发软件 也是日趋丰富 。 所以 , 可以利用现有资源 , 以达到教学实验系统开发 、 方便高校学生学习研究的目的 。 设计 完成的工作 本课题设计教学实验板能实现现如今高校大学生单片机课程的常用教学内容以及课程设计、毕业设计的系统开发任务 。主要工作为设计常用实验内容涉及到的电路原理图和北华航天工业学院毕业论文 2 印刷电路板、设计单片机的控制程序并用 件进行仿真 。 北华航天工业学院毕业论文 3 第 2 章 硬件设计 计方案 本课题所设计教学实验板是为学生做实验而设计的应用系统,它可以提供给学生以模块硬件,以实现单片机的多种不同功能。本课题所设计的有 系统硬件 模块和基本实验的仿真控制程序,可以供学生参考 。 本设计的任务主要分为硬件和软件两大部分 , 其主要硬件设计框如下 : ( 1) 单片机最小系统电路 ( 2) 计算机与单片机的串行通信接口 ( 3) 8 位 示灯显示电路 ( 4) 8 位 码管显示电路 ( 5) 4 4 键盘电路 ( 6) 正负脉冲输出电路 ( 7) 8255 扩展接口电路 要芯片介绍 单片 机系列芯片 一个 产的电脑晶片 。而其中最具有代表性的芯片是 8051 单片机, 其他厂商生产的单片机都是以 8051 位核心作参考,研发出有自己版权的单片机,而且功能略有增加,以适应 不同市场的需求。 现今市场占有率最高的要数 因为设计构型以及效率较高,成为市场主导的单片机。因此,众多生产厂商要求司转让专利技术给他们,以便于生产更多的更好用的,兼容 8051 单片机的芯片。 在各式各样的兼容 单片机中 , 有增强型和扩展型 , 其中就数美国 出名 , 生产量及市场占额都是第一 。所以本教学实验板采用的是 产的芯片。 图 2现的是 引脚摆放位置,共有 40 个引脚,在其中有一根正电源和一根地线, 两 根 时钟 接线和 四 根 控制 线,外加 32 个 I/O 接口 。 北华航天工业学院毕业论文 4 图 2脚位置 片机各功能模块硬件设计 片机最小系统设计 单片机里最小系统电路能实现芯片最基本的功能 , 包括时钟电路和复位电路 。 时钟电路:时钟电路提供时钟信号,让单片机工作时能有一个时间基准,可以保证单片机工作在一个十分精确的时间区间里,有条不紊的工作。单片机内部有一个时钟电路放大器,它是构成振荡器的必须原件,输入端为 输出端为 这两个引脚连接外部石英晶体和微调电容 , 这就是单片机最小系统的时钟电路里的自激振荡器 。 复位电路 : 复位电路能提供机器的初始化 , 可以让单片机恢复到最开始的状态 , 重新开始工作 。 除了能让单片机初始化外 , 当遇到程序错误或者操作问题让机器 出于异常工作状态时复位电路可以使其恢复正常 ,也可以按复位键重新启动机器。本设计采用手动方式复位,单片机内置复位电路,而信号输入这是由 脚引入,高电平才可以使复位电路起作用。复位方式有手动和自动,因为手动复位电路简单实用,所以选它。 时钟电路图 和 复位电路 如 图 2示 : 北华航天工业学院毕业论文 5 图 2时钟电路图和复位电路图 盘电路 模块 设计 键盘具有单片机输入数据 , 控制其他电路运行等功能 ,是人控制机器运行的主要手段。 键盘一般有两种:编码键盘和非编码键盘。非编码键盘接口电路较简单,通常用于对按键需求少的控制系统。而前者占用的引脚数量少,因此经常用于按键比较多的控制系统。本实验板所使用的是 4 4 矩阵键盘。 单片机扫描键盘引脚电路 电平 高低 , 当没有按键被按下 , 键盘行线为高电平状态 ; 有按键按下时 , 行线电平状态为此时的相连接列线 的电平高低 。 列线的电平若为低 , 行线电平则为低 ,同理列线的电平为高时,行线电平也为高。 电路图如下图所示: 图 2矩阵键盘电路图 北华航天工业学院毕业论文 6 码管显示电路 模块 设计 码管应用在单片机上可谓是非常普遍。普遍见到的 码管为“ 8”字形的,一共 8 段 , 一个发光二极管 相对对应的是数码管 8 段中的一段 。 每个数码管有 8 个输入管脚,相对应的管脚控制着相应区域的显示,从而达到显示不同数字的目的 。 电路图如下: 图 2数码管显示电路 示灯显示电路 模块 设计 发光二极管的缩写。 发光二极管就是把电能转变成光能的半导体模块, 端是负极,另一端连接电源,形成 。通电时电子在 就是可以看到的光线。不同的波长形成不同的颜色,产生不同波长由半导体决定。 显示电路如图: 北华航天工业学院毕业论文 7 图 2示灯显示电路 行通信接口电路 模块 设计 单片机与计算机的通信应用的越来越频繁,这个功能也受到了电子计算机研究人员的重视。单片机的通信指的是单片机与一个或多个单片机和计算机进行数据交流。串行通信将数据字节分成一个个单独的字节进行传输,逐个逐字节 的在一条传输线上传输。跟并行通信相比,串行通信有传输线少,成本低等优点。可以用现有电话网络部线进行传输信息,长距离传送简单易实现。 电路图如下: 图 2串行通信接口电路 255 扩展电路 模块 设计 司生产的 8255 是可编程的并行 I/O 接口芯片 ,芯片里面主要包括了控制寄存器、状态寄存器和数据器。 端口 A 的输入输出线, 端口 B 的输入输出线, 端口 C 的输入输出线,这 24 根信号线都可以连接 I/O 口传送信息。所以可以作为单片机和外界电路连接时的中间电路。 8255 有 3 中基本工作方式: 北华航天工业学院毕业论文 8 方式 0 基本输入 /输出 方式 1 选通输入 /输出 方式 2 双向传送(仅 有此功能) 单片机可以向 8255 控制寄存器 写入两种不同的控制字, 3 种工作方式 就 是由写入控制字寄存器的方式控制字来决定的。 模块电路如下所示: 图 28255 扩展电路 负脉冲输出 模块 设计 本设计 采用的是 脉冲跨度调制 电路 ,也就是 路模块 。 术控制简单易学,原理为 对 单片机发出的电平信号进行限制 , 利用单片机控制程序控制数字信号的转换来 达到实现各种频率波形的输出目的 。 制技术 应用灵活,控制简单 , 响应迅速,逐渐成为电子技术中最常用的控制方式。广泛应用于电子应用、测量技术、通信技术等多方面领域。 模块电路如下所示: 图 2脉冲输出电路 北华航天工业学院毕业论文 9 第 3 章 仿真实验设计 真 件 本设计采用 件进行仿真。 件是英国 司 研发的 具软件。 合易用性与强大的功能,以帮助您设计,测试和布局专业印刷电路板。 它有着 近 800 的单片机的变种准备模拟 示意图 , 还有 一个最直观的专业 以 市场和世界级的基于形状的自动布线程序包括作为标准 , 所以 它 称得上 是迄今为止 最好的仿真单片机 的软件 。 设计师结合世界级的 真提供了一种新的流程图编程引擎提供了一个真正的集成直观的开发环境 。 虽然目前 这款软件在 国内 的 推广 传播才 刚 开始 ,但 是它 已 经 受到 了 单片机爱好者、 还有 从事单片机教学的 老师教授 、 以及投身 于单片机开发 和 应用的科 学家们 的青睐。 程 件 51 是一款 51 单片机 C 语言软件开发软件, 常用的嵌入式 程所使用的编译器平台 。界面都是传统的 面 ,上手起来 很快,都是利用新建工程的形式来管理一个较为大型的单片机项目。相对来说, 编译器还算是非常稳定的。一般不怎么会出错。 试器提供了一个单一的环境中,你可以测试,验证和优化你的应用程序代码。调试器包括传统的功能,如简单和复杂的断点,监视窗口和执行控制,并提供全面的可见性设备外设。 他的 易用易学 的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会让你感叹软件的 方便使用,使你事半功倍。 验板示范 仿真 实 验 、 实验 任务 : ( 1) 掌握单片机最小系统电路各个部分 的功能。 ( 2)掌握 个引脚的功能 和单片机 I/O 口的使用方法 。 ( 3) 实现 I/O 口直接驱动 8 个 发光。 二、 实验内容 : ( 1) 使用 件绘制电路原理图 。 ( 2) 按实验要求,编写单片机控制程序 。 ( 3) 使用 件调试编译控制程序 并加载到芯片中 。 北华航天工业学院毕业论文 10 ( 4)观察仿真结果,记录仿真数据。 三 、 硬件 连线 : 把单片机芯片上的 脚用线分别连接到 8 个 入端 ,再引出 8 条线连接到 220的电阻上 ,然后全部接到 四 、 实验仿真电路图 图 3I/O 口的直接使用实验 五 、 实验使用 C 语言程序 #20; 21; 22; 23; 24; 25; 26; 27; / t); i; /定义一个无符号字符型局部变量 i 取值范围 0255 /赋初始值 ) X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R . 6 / W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 S I L E = 5 1 .h e 0 0 0 0 0 0 0 0北华航天工业学院毕业论文 11 i=0;i /包含头文件,一般情况不需要改动,头文件包含特殊功能寄存器的定义 20; /定义 出端口 /时器初始化子程序 = 0 /使用模式 1, 16 位定时器,使用 |符号可以在使用多个定时器时不受影响 / /给定初值,这里使用定时器最大值从 0 开始计数一直到 65535溢出 /; /总中断打开 ; /定时器中断打开 ; /定时器开关打开 X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R . 6 / W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 I B 0北华航天工业学院毕业论文 13 /程序 ; ); /时器中断子程序 i; 65536256; /重新赋值 12M 晶振计算,指令周期 1 /200波半个周期 100于定时器 /最大值 65536 即 以 65536256; /直接定时器不够用,需要用循环处理 , /定时 10后循环 10 次后输出 1000ms i+; if(i=11) i=0; /用示波器可看到方波输出 4 键盘电路识别实验 一、实验任务: ( 1)掌握单片机 I/O 口的输入检测以及 4 4 矩阵按键的识别方法 。 ( 2)掌握 码管的显示电路 。 ( 3)实现 每按一个键在数码管上对应显示 0 到 f。 北华航天工业学院毕业论文 14 二、 实验内容 : ( 1)使用 件绘制电路原理图。 ( 2)按实验要求,编写单片机控制程序。 ( 3)使用 件调试编译控制程序 并加载到芯片中 。 ( 4)观察仿真结果,记录仿真数据。 三 、 硬件连线: ( 1) 把单片机芯片上的 脚用线分别连接到 键盘的 4 行 ,再 把 脚分别连接到键盘的 4 列 。 ( 2) 把单片机芯片上的 脚连接到 74 再从 接到 8 位 码管的 脚上。 此外 需连接上拉电阻。 ( 3) 从 码管 1脚连接到 74的 再从其中的 出 ,连接到单片机的 。 四 、 实验仿真电路图 图 3键盘电路识别实验 五、 实验使用 C 语言程序 #0 /定义数据端口 程序中遇到 用 换 X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R . 6 / W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 S I L E = 5 1 .h e 3 8 4 5北华航天工业学院毕业论文 15 34;/定义锁存使能端口 段锁存 35;/ 位锁存 36; 4=0 a) i; i=100;i0; 2!=0); 2!=0 2&0 ; 2&0 :;:;北华航天工业学院毕业论文 16 :;:; 2!=0 i,j) ij; /取段码 即显示数字 0 ; /位锁存 ; ;/三八译码器选通第一个数码管 /函数 ) ; 255 扩展 输出实验 一、实验任务: ( 1)掌握 8255 扩展接口与单片机的连接 电路。 ( 2)实现单片机通过 8255 连接控制 12 个交通灯。 ( 3)让 红绿灯各亮三秒,期间让黄灯闪烁两秒,实现交通控制 。 二、 实验内容 : ( 1)使用 件绘制电路原理图。 ( 2)按实验要求,编写单片机控制程序。 北华航天工业学院毕业论文 17 ( 3)使用 件调试编译控制程序并加载到芯片中 。 ( 4)观察仿真结果,记录仿真数据。 三、硬件连线: ( 1)把单片机芯片上的 脚用线分别连接到 8255 的 ( 2)把 8255 芯片上的 脚连接到 74 接 8255 的 而 接 74 口 , 从 出接线到 8255 的 口。 ( 3)从 8255 的 接到 4 个路口 共 12 个灯 。 四 、 实验仿真电路图 图 38255 扩展输出实验 五、 实验使用 C 语言程序 #A #B #C #S ; X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R . 6 / W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 S I L E = 5 1 .h e E 04P A 13P A 22P A 31P A 440P A 539P A 638P A 737P B 018P B 119P B 220P B 321P B 422P B 523P B 624P B 725P C 014P C 115P C 216P C 317P C 413P C 512P C 611P C 710 5 5 L S 3 7 3 3 8西东南北北华航天工业学院毕业论文 18 65536256; 65536256; ; ; ; ; /绿黄红 ) /阴极东西绿灯亮 #a,i; =I ; / () /时器工作方式 2 /装初值 /装初值 ; /启动定时器 1 / ; /设定串口工作方式 1 ; /同上 ; /允许串口接收 / ; /开总中断 ; /开串口中断 /因为定时器 2 是自动重装初值的因此不需要开定时器中断 / / () ; ) if(1) ; i=0;i6;i+) /发送数据 北华航天工业学院毕业论文 21 i; ; a; ; ; ; / / () ; a=; 北华航天工业学院毕业论文 22 第 4 章 总结 这次 毕业 设计 我 选取 课题 的是单片机 教学实验系统开发 ,本次课题存在非常大的挑战,因为作为一名在校大学生,由于在单片机的 学习 上还没有达到开发设计的程度,所以我查阅了非常多有关单片机的知识,在选择这个论文题目的时候,我就是抱着对单片机的热爱和探索发现的精神去做这次设计,这让既能够拓展自己的阅历,同时也能够让自己平时对单片机认识的不足有了更为充分的了解,在这次的单片机设计中,我认为还有非常多的东西需要去改进, 比如我发现可以 在 实验板 的周围 加一些芯片达到扩展的目的 ,这样 不仅 能够 提高效率 ,还能扩展其他的功能 。由于平时自己的 经验 不足,也有不美观的缺点。 通过为期三个月的单片机教学实验系统设计的毕业设计,让我收获甚多。我诸多方面的能力获得了提升和锻炼。例如,在沟通方面,我能够很好地和指导老师针对毕业设计的问题展开探讨,提出自己的看法并获得了指导老师的认可 ;在阅读理解方面,我可以在较短的时间里通过对繁杂的书籍和资料阅读,理解里面的内容,得到自己想要的知识。当然,我的收获也不仅仅只有这些。 毕业设计应该说是我的大学四年的学习生活里提交的最后一份作业,也是对我所学的所有课程里,以单片机课程为主,其他课程为辅的全面反应以及运用。这对于我即将结束大学四年的学习生活走进 社会这个大集体有着巨大的帮助,可以说是,对我以后进入社会工作,在工作岗位上实际操作创造了一个良好的开端。毕业设计应该说是对我们大学四年所学理论知识的一次总结、检验、完善。只有这样才可以培训出我们解决实际问题的能力以及独立分析问题的能力。 时间荏苒,我的毕业设计也做的也差不多,同时我的大学四年的学习生活也即将结束,在这里我感慨万分。在此,我非常感谢给予我帮助的同学们、专业的老师们,特别是我的指导老师白亚双老师。在做毕业设计的时候,遇到了很多的问题,通过老师和同学们的指导,我逐步克服困难,顺利的完成了毕业设计的 相关工作。通过这次毕业设计我深深地体会到了,态度决定一切,对于任何事只要我们抱着良好的心态去面对,我们就能克服任何可能遇到的困难。通过本次的毕业设计,我对单片机方面的知识有了更深的了解,增强了我查阅单片机书籍和资料的能力,同时也提高了我对本专业知识的综合运用能力,使我对单片机编程方面的认识有了进一步的提高,为我今后从事这方面的工作打下坚实的基础。 北华航天工业学院毕业论文 23 致 谢 首先要感谢我的毕业设计的指导老师 白亚双 ,从论文的选题、课题的研究方向以及在设计过程中遇到的问题,都得到了 白 老师的悉心指导,在完成毕业设计的过程中,曾多次就遇到的困难与 白 老师探讨, 白 老师不耐其烦的一次次的进行教导,对此着实令我感动。大学四年一晃而过,在 白 老师给我们任课期间,对于 白 老师教学的严谨态度、脚踏实地的工作作风以及对于学生的谆谆善诱,都让我为之深深的感动与由衷的敬佩。在学习上, 白老师为我们及时解惑;在生活方面, 白 老师也是对我们不时的关怀,我们能够顺利的毕业,与老师们的关怀与帮助是密不可分的。 衷心的感谢 白亚双 老师、赵逸智老师、 何涛老师、 许文娟老师、孟立新老师、赵秋芳老师、焦运景老师、刘志强老师、臧继高老师在 知识上对我的悉心教导,在生活上对我的关怀与帮助。有了各位老师的存在,使得我的大学变得更加丰富多彩,更加温暖与心安。面对各位老师的帮助与关怀,我想不仅仅只是感谢所能表达的,愿各位老师天天开心快乐。 感谢大学四年来一直围绕在身边的朋友们,你们的存在构成了我的大学。在此大学即将结束之际,祝愿各位小伙伴们能够一直向前,功成名就。 要感谢的人有太多,但篇幅有限,情谊无限,很荣幸,与你相遇。 北华航天工业学院毕业论文 24 参考文献 1张毅刚 应用 M版社, 2010. 2周冰 准教程 M学出版社, 2014. 3许维蓥,郑荣焕 子电路设计及仿真 M2014. 4杨青,管力锐 M2003. 5戴佳,苗龙,陈斌 片机应用系统开发典型实例 M2005. 6沈培峰 真软件在单片机教学和系统开发中的应用 M005. 7陈华珍,夏国清 程序设计教学方法探讨 J009, 27(1):1008迟耀丹 .单片机原理及应用课程教学改革探讨 J然科学报) , 2010, 28(5):1339. 29(3):27110i of a . 36(12):273
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