单片机系统开发与应用工程实习报告-基于AT89S52单片机的比赛记分牌设计.doc

单片机系统开发与应用工程实习报告单片机系统开发与应用工程实习报告 选题名称选题名称: 基于 at89s52 单片机的比赛记分牌设计 系（院）系（院）: 专专 业业: 班班 级级: 姓姓 名名: 学学 号号: 指导教师指导教师: 学年学期学年学期: 2009 2010 学年 第 2 学期 2010年 5 月 30 日 摘要： 单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。它是一种集 计数和多接口于一体的微控制器，被广泛应用在智能产品和工业自动化上，而 at89s52 单片机是单片机中较为典型和有代表性的一种。本次实习的主要任务是设计 一个比赛记分牌，包括硬件设计和软件设计。硬件设计的主要任务是：led 数码管显 示、按键控制系统、单片机主控系统及电源模块设计。软件设计包括：实现加分、减 分及复位。本文主要介绍了单片机实现记分牌的整个设计流程，采用汇编语言编写程 序。本课题选择 at89s52 为核心控制元件，设计了日常比赛中用到的记分牌。设计同 时引用 74ls06 专用驱动芯片，解决了共阴码字表向共阳的转换，同时提高了数码管 的亮度。本项目设计的计分牌系统，电路简单，成本较低，灵敏可靠，操作方便，具 有较高的推广价值。 关键词：at89s52 单片机；led 数码管；74ls06；汇编；记分牌 目目录录 1 课题综述1 1.1 课题来源1 1.2 课题意义1 1.3 项目目标1 2 系统设计 .1 2.1 框图设计1 2.2 知识点2 2.2.1 单片机的时钟电路2 2.2.2 单片机复位电路工作原理2 2.2.3 单片机晶振电路工作原理3 2.2.4 按键电路的设计5 2.2.5 蜂鸣器驱动电路设计.5 2.2.6 数码管特性及使用5 2.2.7 at89s52 单片机引脚 6 2.2.8 集成块 74ls06 的使用7 3 硬件设计 .7 3.1 电路原理图7 3.2 硬件连线8 4 软件设计 .8 4.1 软件流程图8 4.2 程序代码9 5 系统仿真与调试 .11 5.1 硬件调试11 5.2 软件调试11 总结 .13 参考文献 .14 单片机系统开发与应用工程实习报告 1 1 课题综述课题综述 1.1 课题来源课题来源 单片机是一个单芯片形态,面向控制对象的嵌入式应用计算机系统.它的出现及发展 使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。 由于本次设计的简单 篮球记分牌体积小，故要求其控制器体积更小以便能嵌入其结构之中。单片机以微小 的体积和编程的灵活性而产生多种控制功能，完全可以满足需求。可以适应不同规则 下操作。 1.2 课题意义课题意义 现在大多数比赛活动中都会遇到需要向观众和选手展示选手得分的情况，需要用 到比赛记分牌。在目前的市场上，普通计分牌系统都需要几百块，价钱比较高。本项 目设计的记分牌系统，电路简易，灵敏可靠，具有一定的使用价值和竞争价值。 1.3 项目目标项目目标 基于 at89s52 单片机比赛记分牌，采用 12mhz 晶振。项目具体要求如下： (1) 启动时显示为 10 分。 (2) 当得分的时候加上相应的分数，失分时减去相应的分数。 (3) 刷新分数的按键按下时，伴随提示音。 (4) 计分范围设为 0100 2 系统设计系统设计 计分牌主要用途是展示选手的得分情况，当选手得分时记分牌加上相应的分数。 根据项目要求进行系统设计 2.1 框图设计框图设计 基于 at89s52 单片机比赛计分牌由显示模块、按键模块、单片机主控模块、 电源模块等组成，系统框图如图 2-1 所示： 单片机系统开发与应用工程实习报告 2 电源 复位电路 at89s52 单片机 晶振电路 显示电路 按键电路 图 2-1 基于 at89s52 单片机比赛记分牌体统框图 2.2 知识点知识点 本项目需要通过学习和查阅资料，掌握和了解如下知识： 2.2.1 单片机的时钟电路 单片机本身是一个复杂的同步时序系统，为保证同步工作方式的实现，单片机必 须有时钟信号，以使其系统在时钟信号的控制下按时序协调工作。单片机的时钟电路 由振荡电路和分频电路组成。其中震荡电路由反相器以及并联外接的石英晶体和电容 构成，用于产生振荡脉冲。而分频电路则用于把振荡脉冲分频，以得到所需要的时钟 信号。如图 2-2 图 2-2 单片机的时钟电路 2.2.2 单片机复位电路工作原理 复位是单片机的初始化操作，其作用是使 cpu 中的各个部件都处于一个确定的初 始状态，并从这个状态开始工作。当单片机的 ale 及 两脚输出高电平，rst 引脚高 电平时，单片机复位。单片机的复位电路有上电复位和手动按钮复位两种形式， 单片机系统开发与应用工程实习报告 3 rst/vpd 端的高电平直接由上电瞬间产生高电平则为上电复位；若通过按钮产生高电 平复位信号称为手动按钮复位。在实际应用系统中，有些外围芯片也需要复位，如果 这些复位端的复位电平要求与单片机的要求一致，则可以与之相连。复位后，p0p3 四个并行接口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有 sbuf 寄存器状态不确定。 目前，在单片机体统中共使用 4 种类型的复位电路，分别为：积分型电路、微分 型电路、比较器型和看门狗型。其中前三种是在芯片外面用分立元件或集成电路芯片 搭建的，而最后一种位于芯片内部，是单片机芯片的一部分。对于片外复位电路，无 论哪种类型，加电复位和手动复位是必不可少的基本功能。如图 2-3 所示： 图 2-3 复位原理电路 2.2.3 单片机晶振电路工作原理 每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用 非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指 令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速 度也就越快。 晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精 确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高 级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器 （vco）。 晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各 部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的 方法保持同步。 单片机系统开发与应用工程实习报告 4 晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统 需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。 下面具体的介绍一下晶振的作用以及原理，晶振一般采用如图 2-4a 的电容三端式(考 毕兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图 2-4b，其中 cv 是用来调节 振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理； 把晶体的等效电路代替晶体后如图 2-4c。其中 co，c1，l1，rr 是晶体的等效电路。 图 2-4 晶振电路及其等效槽路 分析整个振荡槽路可知，利用 cv 来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽 路电容 c=cbe,cce,cv 三个电容串联后和 co 并联再和 c1 串联。可以看出：c1 越小， co 越大，cv 变化时对整个槽路电容的作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。 实际上，由于 c1 很小(1e-15 量级)，co 不能忽略(1e-12 量级，几 pf)。所以，cv 变 大时，降低槽路频率的作用越来越小，cv 变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。 这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给 振荡的反馈电压(cbe 上的电压)却越来越小，最后导致停振。通过晶振的原理图你应 该大致了解了晶振的作用以及工作过程了吧。采用泛音次数越高的晶振，其等效电容 c1 就越小；因此频率的变化范围也就越小。 微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐 振槽路；rc（电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐 振槽路。另一种为简单的分立 rc 振荡器。 用万用表测量晶体振荡器是否工作的方法：测量两个引脚电压是否是芯片工作电 压的一半，比如工作电压是 51 单片机的+5v 则是否是 2.5v 左右。另外如果用镊子碰 晶体另外一个脚，这个电压有明显变化，证明是起振了的。 晶振的类型有 smd 和 dip 型，即贴片和插脚型 。 单片机系统开发与应用工程实习报告 5 其中 dip：常用尺寸有 hc-49u/t，hc-49s，um-1，um-5，这些都是 mhz 单位 的。 2.2.4 按键电路的设计 本次实验用了三个按键电路:复位电路、加一电路和减一电路。三个按键电路都是 通过手动按下按键拉低电平来分别实现相应的复位及加减功能。 2.2.5 蜂鸣器驱动电路设计 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的 i/o 口是无法直接驱动的， 所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。如图 2-5： 图 2-5 蜂鸣器驱动电路 2.2.6 数码管特性及使用 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个 发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为 1 位、2 位、 4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(com)的数码管。 共阳数码管在应用时应将公共极 com 接到+5v，当某一字段发光二极管的阴极为 低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(com)的数码管。 共阴数码管在应用时应将公共极 com 接到地线 gnd 上，当某一字段发光二极管 的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就 不亮。 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我 们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将 所有数码管的 8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起，另外为每个数码 管的公共极 com 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的i/o 线控制，当单 单片机系统开发与应用工程实习报告 6 片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显 示出字形，取决于单片机对位选通com 端电路的控制，所以我们只要将需要显 示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通 过分时轮流控制各个数码管的的 com 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是 动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视 觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只 要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态 显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的i/o 端口，而且功耗更低。 下 图 2-6 分别为共阳极和共阴极数码管引脚图： 图 2-6 作为共阳极右为共阴极引脚结构 2.2.7 at89s52 单片机引脚 功能特性：at89s52 是一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系统可编程 flash 存储器。使用 atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造 , 与工业 80c51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 flash 允许程序存储器在系统可编 程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89s52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方 案。 at89s52 具有以下标准功能 :8k 字节 flash，256 字节 ram,32 位 i/o 口线， 看门狗定时器 ,2 个数据指针，三 个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结 构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， at89s52 可降至 0hz 静态逻 辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下 ，cpu 停止工作，允许 单片机系统开发与应用工程实习报告 7 ram、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下， ram 内容被 保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 8 位微控制器 8k 字节在系统可编程 flash at89s52p0 口。其引脚结构如图 2-7 图 2-7 at89s52 引脚图 2.2.8 集成块 74ls06 的使用 74ls06 为集电极开路输出的六组反相驱动器，其结构如图 2-8 所示，其中 1a6a 为输入端，1y6y 为输出端： 图 2-8 74ls06 引脚图 3 硬件设计硬件设计 3.1 电路原理图电路原理图 根据上述分析，设计出基于 at89s52 单片机的比赛计分牌电路原理图如图 3-1 所示。电源电路为单片机以及其他模块提供标准 5v 电源。晶振模块为单片机提供 时钟标准，使系统各部分能协调工作。复位电路为单片机提供复位功能。单片机作为 单片机系统开发与应用工程实习报告 8 主控制器，根据输入信号对系统进行相应的控制。数码管显示选手当前的得分。按键 设置模块用来刷新选手的得分，当选手得分或者失分时可以通过这两个按钮对选手分 数重新设置。蜂鸣器用作按键提示，当有按键按下时蜂鸣器发出声音，按键释放时停 止发声。 图 3-1 比赛记分牌的原理图 3.2 硬件连线硬件连线 系统板硬件连线如图 3-1 所示： (1) 单片机的 p0 口和 p2 口通过 74ls06 反相缓冲器依次接到数码管的 ag 端； (2) 18 和 19 引脚接外部晶振的时钟电路； (3) 9、12 和 13 引脚接按键电路； (4) 17 引脚接蜂鸣器电路。 4 软件设计软件设计 4.1 软件流程图软件流程图 单片机开始运行时显示选手 10 分，数码管显示 10，主程序循环调用显示选手得分， 当遇到中断时，调用中断程序，如果是 p1 则显示数字加 1，如果是 p2 则显示数字减 1。加 1 处理流程图如图 4-1 所示，减 1 处理流程图如图 4-2 所示。 单片机系统开发与应用工程实习报告 9 中断开始 中断返回 显示数码加 1 声音提示 按键释放？ 图 4-1 加 1 处理流程图图 4-2 减 1 处理流程图 4.2 程序代码程序代码 基于 at89s52 单片机的比赛记分牌设计程序如下： org 0000h ljmp main org0003h ljmpjiayi org0013h ljmpjianyi org0040h count equ30h ;初始化 main:movsp,#40h movcount,#10h setbex0 setbex1 setbit0 setbit1 setbea 中断开始 中断返回 显示数码减 1 声音提示 按键释放？ 单片机系统开发与应用工程实习报告 10 movdptr,#smbiao xshi:mova,count;显示得分 swapa anla,#0fh movca,a+dptr movp0,a mova,count anla,#0fh movca,a+dptr movp2,a ljmpxshi smbiao: db 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh ;显示数码表 org 0200h jiayi:lcall delay:加一中断处理程序 jb p3.2,e1 mova,count; adda,#01h lcall delay da a movcount,a;蜂鸣器发声，表示有按键按下 shying:cplp3.7; lcall delay jnb p3.2,shying e1:reti org0300h jianyi:;减一中断处理程序 lcall delay jb p3.3,e2 clrc; mova,#9ah 单片机系统开发与应用工程实习报告 11 subba,#01h lcall delay adda,count da a movcount,a shying1:cplp3.7 lcall delay jnb p3.3,shying1 e2: reti;利用延时实现按键去抖动 delay: mov r5,#100 d0: mov r6,#100 d1: djnz r6,d1 djnz r5,d0 ret end 5 系统仿真与调试系统仿真与调试 应用系统设计完成后，就要进行硬件调试和软件调试。 5.1 硬件调试硬件调试 硬件的调试主要是把电路各种参数调整到符合设计要求。先排除硬件故障，包括 设计性错误和工艺性障碍。一般原则是先静态后动态。 利用万用表或逻辑测试仪器，检查电路中的各器件以及引脚是否连接正确，是否 有短路障碍。 先要将单片机芯片取下，对电路板进行检查，通过观察看是否有异常，是否有虚 焊的情况，然后用万用表测试各电源电压，若这些都没问题，则可上电调试。 5.2 软件调试软件调试 调试方法: 通常一个程序应至少具备四种性能：跟踪、断点、查看变量、更改数值。本实验 模块分明，可按模块分别调试，通过后再整体调试，正确无误后用在系统编程器将程 单片机系统开发与应用工程实习报告 12 序固化到 at89s52 的 flash rom 中，接上电源脱机运行。 单片机系统开发与应用工程实习报告 13 总总结结 通过一周的努力，本次课程设计任务圆满完成，系统部分功能已实现。将程序烧 入芯片调试成功后，可实现比赛计分功能。该设计通过制作记分牌，将几个模块有机 融合起来，对使用单片机设计记分牌进行了分析设计，并介绍了基于单片机比赛记分 牌的硬件组成，功能模块清晰，编程时，根据硬件来分模块编程。当然这中间也还是 有许多不足之处，一开始电路不是很稳定，尤其是数码管部分，按设计要求应是每次 加一或减一，有时也会出现加二或三的情况，后来请教戴老师，才知道是键盘抖动问 题，于是加了一段键盘去抖程序方始电路显示稳定。 这次的单片机课程设计使我收益颇丰，从硬件原理图到焊接电路板到编程软硬件 调试，中间遇到了很多问题，这促使我通过各种途径来解决问题：到图书馆查阅资料， 上网搜索以及请教指导老师等等，克服了一个个的难题，最终做成了这个简易的比赛 记分牌，对整个的过程