单片机最小应用系统设计报告-单片机继电器控制.doc

电电 子子 科科 技技 大大 学学 单片机最小应用系统单片机最小应用系统 设设 计计 报报 告告 指导老师：指导老师： 学学 生：生： 学学 号：号： 机电工程学院机电工程学院 20092009 年年 5 5 月月 单片机最小应用系统设计报告单片机最小应用系统设计报告 一、设计题目一、设计题目1 1 二、设计目的二、设计目的1 1 三、系统硬件图三、系统硬件图1 1 四、程序流程图四、程序流程图2 2 五、系统分析与说明五、系统分析与说明 5.1 系统主要组成部分3 5.2 继电器量部分4 5.3 单片机最小系统部分5 5.4 可编程并行接口芯 8255a 部分10 5.5 电路板的制作15 5.6 系统连线说明分析.16 六、源程序 17 七、设计体会20 八、参考文献 20 一、 设计题目 继电器控制。用 8031 单片机和 8255 控制继电器，实现外部电路转换。按一个按 钮，第一条线通，再按一下，第一条线路断开，第二条线路通。 二、 设计目的 1、通过本次实验，掌握继电器的基本原理和特点。 2、掌握可编程通用并行接口芯片 8255 芯片的结构及编程方法。 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 1、继电器控制的硬件电路原理图如下： 123456 a b c d 654321 d c b a t itle n umberr evisionsize b d ate:9-may-2009 sheet of file:e :下下下下下下下下下下下下8255z.ddbd raw n by: c fu 22u 30p1 30p c 30p230p y 1 12m hz x ta 1 x ta 2 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 p2.7 p2.6 p2.5 p2.4 p2.3 p2.2 p2.1 p2.0 x ta 1 x ta 2 r st r st 下下下下1104p s1 下下下下 r 2 2.2k +5 v c c xx 下下下下 1 2 d c in 下下下下 1 2 3 vv g nd in o ut 7805 下下下 c dian 下下下下 p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 r st 30/r xd 31/t xd 32/in t0 33/in t1 34/t 0 35/t 1 36/w r 37/r d x ta l2 x ta l1 v ssp20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 psen a le e a p07 p06 p05 p04 p03 p02 p01 p00 v cc 8051 p1.5 p1.6 p1.7 rst +5 g nd +5 +5 +5 g nd ss 0 sw -pb pa0 pb0 pa1 pb1 pa2 pb2 pa3 pb3 pa4 pb4 pa5 pa6 pa7 a 0 a 1 d 0 d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 r ese t w r r d c s g nd 27 28 29 30 31 32 33 34 1 2 3 4 37 38 39 40 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 10 11 12 13 5 6 7 8 35 36 9 26 u 8255a 8255a pc0 pc1 pc2 pc3 pc4 pc5 pc6 pc7 下下下 l ed d 0 d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 a 0 a 1 r ese t w r r d c s v c 下下 2.2k g nd 1 2 3 4 5 6 下下下下下 6p下下 +5 g nd g nd g nd g nd g nd 源源源源 100u 下下下下 +5 d d21 l ed p0.0 pb3 +5 +5 g nd ss 1 sw -pb pb4 r s1 4.7k r s2 4.7k q s1 pnp2 q s2 pnp2 j1 下下下 j2 下下下 +5 +5 pa0 pa1 g ndg nd jl ed 1 l ed jl ed 2 l ed g nd g nd r e1 1k r e2 1k r e3 1k r e4 1k 图 1 电路原理图 2、pcb 图如下： 图 2 pcb 图 四、 程序流程图 继电器控制系统程序框图如下： 图 3 程序流程图 五五、系统分析与说明 5.15.1 系统主要组成部分系统主要组成部分 继电器控制系统主要分为三个部分：单片机最小系统，继电器部分，可编程并行 开始 两继电器断开 第一个按钮是否按下 key_count+ 第一个继电器闭合 第二个按钮是否按下 key_count=0 第二个继电器闭合，另一个断开 接口芯片 8255a 部分。 所用主要元件有：at89s51 ，srd-05vdc-sl-c 型继电器器， 8255a，发光二级管。 5.25.2 继电器部分继电器部分 5.2.1 继电器实物图与电气图 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统 （又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大 电流的一种“自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 图 4 继电器实物图 图 5 继电器电气图 5.2.2 继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加 上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力 吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开 触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返 回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而 达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样 来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点” ；处于接通状 态的静触点称为“常闭触点” 。 5.2.3 继电器的选用注意事项 控制电路的电源电压，能提供的最大电流； 被控制电路中的电压和电流； 被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可 作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不 稳定的； 注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑 电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。 5.35.3 单片机最小系统部分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）。 cpu romram 定时器/ 计数器 i/o 接口 电路 时钟 图 6 mcs-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。msc51系列单片有4个8位并行双向i/o口p0p3，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。 (1) p1口是最常用的i/o口如图所示，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7 p1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8 p2口一位结构 下表中概括了单片机中使用到的并行口 p1、p2 功能： 表 1 p1、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1.212m。mcs5-51系列单片机也可以采用外 接时钟，这时xtal 2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13b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，xtal 2脚悬空。 (a)外接石英晶体振荡电路 （b）外接时钟电路 图9 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10 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 10a 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 10c 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 10b 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 10d 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，最小系统如下： 图 11 单片机最小系统 5.45.4 可编程并行接口芯片可编程并行接口芯片 8255a8255a 部分部分 8255a 可编程外围接口芯片是 intel 公司生产的通用并行接口芯片，它具有 a、b、c 三个并行接口，用+5v 单电源供电，能在以下三种方式下工作： 方式 0：基本输入输出式； 方式 1：选通输入输出式； 方式 2：双向选通工作方式。 8255a 可编程输入/输出接口 1从功能上来分，8255a 的结构可分为：总线接口电路、内部控制逻辑和输入/输出接 口电路。 （1）总线接口电路 数据总线缓冲器和读/写控制逻辑。 （2）内部控制逻辑 （3）输入/输出接口电路 图 12 8255a 的结构框图 1）三个数据端口 8255a 芯片内部有三个 8 位的输入输出端口，分别为 a 口、 b 口和 c 口，可用指 令将 它们分别设置成输入或输出端口，它们在结构和功能上各有特点。 端口 a 包含一个 8 位数据输入锁存器和一个 8 位数据输出锁存器缓仲器。端口 a 无论是用做输入端口还是用做输出端口，其数据均能锁存。 端口 b 包含一个 8 位数 据输入缓仲器和一个 8 位数据输出锁存器准仲器。端口 b 用做输出端口时，其数据能 锁存；用做输入端口时，不具有锁存能力，此时外设输入的数据必须维持到被 cpu 读 取为土。端口 c 包含一个 8 位数据输入缓仲器和一个 8 位数据输出锁存器准仲器，当 它被用做输入端口时，不具有锁存能力。 端口 a 和端口 b 一般作为独立的 i/o 口使用，与外设的数据线相连。端口 c 可以 作为一个独立的 8 位 i/o 口；也可以拆分为由高 4 位和低 4 位分别组成的两个 4 位端 口，作为两个独立的 4 位 i/o 口使用；端口 c 拆分开的高 4 位和低 4 位还可以与端口 内 部 数 据 总 线 pb7pb0 b 组 b 口 (8 位) pc3pc0 b 组 c 口 (4 位) pc7pc4 pa7pa0 a 组 a 口 (8 位) a 组 c 口 (4 位) a 组 控制 b 组 控制 d7d0 数据 总线 缓冲器 读/写 控制 逻辑 rd wr a1 a0 reset cs a 和端口 b 配合，作为端口 a 和端口 b 的信号联络线。 2）两组控制器 8255a 将端口 a b、 c 分为两组：端口 a 和端口 c 的高岑位构成 a 组，由 a 组控 制器进行控制；端口 b 和端口 c 的低岑位构成 b 组，由 b 组控制器进行控制。这两组 控制器都从读写控制逻辑接收命令信号和读写信号，从内部数据总线接收控制字， 并根据控制字确定各端口的工作方式。 3)数据总线缓冲器 数据总线缓仲器是一个双向三态的 8 位缓仲器，它直接与系统数据总线连接，是 8255a 与 cpu 之间传输数据的必经之路，数据的输入、输出以及控制字的写入都是通过 这个缓仲器传递的。 4)读写控制逻辑 读写控制逻辑电路负责管理 8255a 的数据传输过程。它接收来自控制总线的控 制信号 wr、rd、reset 和地址总线的 ai、ad 以及由地址译码输出的片选信号 cs，由这 些信号形成对端口的读写控制，并通过 a 组控制器和 b 组控制器实现对数据、状态 和控制信息的传输。 8255a 的引脚说明 8255a 是 40 根引脚，双列直插式芯片，40 根引脚的分布图如下图（引脚图）所示， 这些引脚可分成： （1）与外设连接的引脚 （2）与 cpu 连接的引脚 reset：复位信号输入端，高电平有效，有效时清除 8255a 内部寄存器，同时三个 端口自动设为输入端： d0d7：数据线； vcc：电源； gnd：接地线； paspa7： a 组 8 位 i/o 口； pb。pb7：b 组 8 位 i/o 口； pc。pc7：c 组 8 位 i/o 口，还具备其它控制功能； cs：片选信号输入线，低电平有效； rd：读选通信号输入线，低电平有效； wr：写选通信号输入线，低电平有效； adai：端口信号选择端，用于决定当前对哪一个端口进行操作。 a 口 b 口 c 口 pa0 pa1 pa2 pa3 pa4 pa5 pa6 pa7 pb0 pb1 pb2 pb3 pb4 pb5 pb6 pb7 pc0 pc1 pc2 pc3 pc4 pc5 pc6 pc7 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 a0 a1 cs rd wr reset vcc gnd 34 4 33 3 32 2 31 1 30 40 29 39 28 38 27 37 18 8255a 19 9 20 8 21 6 22 5 23 36 24 35 25 14 15 16 17 13 26 12 7 11 10 图 13 8255a 引脚分布图 8255a8255a 端口选择表端口选择表 表 2 8255a 端口选择表 8255a 的编程控制字 （1）工作方式控制字：用来设定通道的工作方式及数据的传送方向的。 （2）c 口按位置位/复位控制字：向控制寄存器写入控制字，而使它的每一位置位或复 位。 （3）两个控制字的差别 工作方式控制字放在程序的开始部分；按位置位/复位控制字可放在初始化程序以后的 任何地方。 8255a 的工作方式及应用 （1）方式 0 及其应用：系统连接 （2）方式 1 及其应用： 引脚配置、输出图、输出时序、状态字 （3）方式 2 及其应用： 引脚定义、输出时序、状态字、接口电路 图 14 系统连接图 pb7pb0 pa7pa0 8 位开关 8 位 led 指示灯 reset 接系统 reset 信号线 蜂鸣片 按钮 8255a pc0 pc4 数据总线 d7d0 cs （a）a 通道方式 1 引脚配置 （b）b 通道方式 1 引脚配置 图 6-14 8255a 方式 1 输入 rd stba ibfa intra i/o pc4 pc5 pc3 pa7pa0 intea pc6, 7 stbb intrb ibfb rd pc2 pc1 pc0 pb7pb0 inteb 5.55.5 电路板的制作电路板的制作 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。 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) 打印： 将生成的 pcb 图打印到热转印纸上，需注意线不能太窄，墨要加重，否则制板时 容易断线，如果在操作过程中断了线，可用电烙铁将锡带过。 (2) 熨烫： 将热转印纸覆在铜板上，用电熨斗进行熨烫，关键要注意熨烫的时间，不能太久， 也不能时间太短，否则，太久会把铜板烫坏，不够的话墨迹覆不上去。 (3) 腐蚀： 把铜板放到三氯化铁溶液中腐蚀，需注意溶液浓度要较高，最好用热水配置，这 样腐蚀更快，一般 3 分钟即可。如果时间过长，需剩下的铜线也可能被腐蚀。 (4) 打孔： 打孔时注意钻头尺寸，本次用的钻头大小是 0.712mm 的，最需注意的地方是集成 块的管脚，如果打孔误差大，管座就很难插上。 (5) 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。 (6) 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。 (7) 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。 5.65.6 系统连线说明分析系统连线说明分析 在本系统中 8255 的 pa0、pa1 分别继电器上的串联电阻 re1 和 re2 相连，发光二 极管一端与继电器触点相连，另一端接地，单片机的 p1.0p1.7 连接到 8255 的 d0、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7 端子上，作为数据总线，单片机的 p3.5 与 8255 的 片选信号 cs 端子相连，p3.4 和 p3.3 与 8255 的 rd 和 wr 端子相连，用于读写信号，p3.6 和 p3.7 与 8255 的 a1 和 a0 端子相连，选择 8255 的控制端口。 调试过程： 1、保证电路板连接正确后，接上电源。 2、保证正确的按钮次序及按下次数与要求的线路控制相符合。 实验过程中的问题及改进方法 1、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。 2、由于 8255 的时序控制不好把握，在调试中花费了不少时间。 六、源程序 #include #define a0 p3_7 #define a1 p3_6 #define rest p3_2 #define read p3_4 #define write p3_3 #define cs p3_5 #define wr_clk() read=1; write = 0;write =1 unsigned char key_count = 0,tm,set_key_flag; void set_adr(char adr) if(adr else a0=0; if(adr else a1=0; void wr_data_at(unsigned char data,unsigned char adr) cs=1; cs=0; set_adr(adr); p1=data; wr_clk(); void init_8255(void) rest=1; rest=0; cs=0; read=1; write=1; wr_data_at(0x82,3); v