单片机及智能仪器实验指导书

1、单片机及智能仪器实 验 指 导 书杨明亮 梁应选 编适应专业：测控技术与仪器陕西理工学院机械工程学院2012年4月前 言单片机及智能仪器是一门实践性很强的课程。为了使学生更好的理解和掌握这些知识，灵活应用单片机，使学生熟悉单片机实用技术的开发过程，提高汇编语言的编写能力，提高对汇编语言的编辑、汇编、调试运行等技能，设置了软件类、硬件类和综合应用类实验，通过上机及接口实验，熟练地掌握单片机的编程结构、工作模式、指令系统；学会汇编语言程序设计；掌握微机输入/输出接口的基本概念，主要模式和基本工作方法，掌握并行和串行接口的原理，学会并行输入/输出口的扩展，并能够进行基本的接口设计，提高其实践能力；并

2、培养学生实事求是、严谨的科学作风和良好的实验习惯，为今后课程学习以及开发应用打下基础。开设“单片机综合实验”的目的，是总结几年来单片机教学中，用购买的实验箱，虽然功能很齐全，但基本上是黑箱结构，对初学者，不是从最简单的最小系统开始，一步步深入，做完实验后，效果很差，大部分学生对单片机的系统没有感性认识，最后在课程设计和毕业设计中，连最简单的单片机最小系统都不清楚。因此该实验就是想让学生从最简单的系统开始，自己搭建，编程，调试和固化程序，循序渐进，逐步深入。本实验指导书是针对测仪专业单片机与智能仪器课程实验设置的，两个2学时的验证实验和一个6学时的综合实验。 实验一：led显示实验实验学时：2实

3、验类型：验证 实验要求：必做一、实验目的：1、了解mcs51系列单片机汇编语言的设计和调试方法；2、掌握8032单片机通过8155扩展i/o接口时，led显示的连接方法和编程方法。3、了解led动态显示原理及汇编语言编程。二、实验内容：1、观察单片机实验系统（实验箱）结构与原理；2、看懂附录1中的程序，将程序输入并调试；编译、调试、运行该程序，显示结果应为“123456”；3、修改该程序，让led交替显示“123456”和“654321”，注意交替变化中间要有明显的保持时间；也可以显示任意两个六位数字或字符（用七断数码管可以显示的字符，如“h”、“l”等）。三、实验原理：本次实验采用启东计算机

4、总厂生产的“dice系列单片机实验系统”，该系统运行的基本原理与一般的单片机系统是一样的，但作为实验系统，它的程序存储器里面存储的是监控管理程序，实验所编写的程序，在计算机中进行调试，编译，生成可执行文件，然后将实验程序存入实验系统中的扩展数据存储区。所以实验程序在断电后就从实验箱中消失了。在dice系列单片机实验系统中，用8155芯片扩展i/o口，显示用led数码管，系统分配给显示部分的端口：8155a口，连led显示的字位口，地址为ff21h； 8155b口，连led显示的字形口，地址为ff22h。四、实验组织运行：采用集中授课形式，分组进行实验。五、实验条件：1、单片机实验系统一套；2、

5、计算机一台；3、win51仿真软件一套六、实验步骤：1、打开实验箱，查看单片机以及其它芯片的铭牌，记录相关芯片的型号；2、参照教材和实验指导书，找出上述芯片的型号，记录各芯片的作用和引脚功能；3、打开计算机，进入win51仿真软件（执行dice51.exe文件），打开其工作界面；4、检查计算机与单片机是否连接就绪。即查看win51工作界面底边状态栏由“脱机就绪”变成“联机就绪”，说明联机成功。否则对话框提示“单片机未连上”，要检查硬件实际连接情况，在设置菜单下设定com1或com2。5、将自己编写的程序或提供的参考程序输入，然后进行调试，编译，改正错误。一直调到没有错误为止，然后让程序单步运行

6、、连续运行，查看程序运行结果。七、思考题：1、led显示分为动态显示与静态显示，本次实验采用动态还是静态显示，显示的原理是什么？八、实验报告：实验报告内容应包括实验目的、原理和内容以及结果，特别是修改程序的结果，做详细记录。应对实验过程，程序调试中出现的问题及解决方法进行记录，对实验中出现的问题应进行分析。必须对程序全部进行注释。八、附录附录1.1：led显示源程序说明：在led上实现字符显示的方法，是将待显示的字形码，送入8155的字形口（b口）地址ff22h,显示位置送入8155的字位口（a口）地址ff21h。附录2给出了本实验中的字形、字位表。一个字长为8位的二进制，要在两个led上显示

7、，因此程序中有如何将一个字拆分成两个字。输入程序时可以不输注释语句。org 0500hse15: mov sp,#53hled: mov r0,#79h ；将字形存在ram的79h-7ehmov r6,#65h ；输入待显示的字符mov r5,#43hmov r4,#21hmov a,r6 ；调用拆分程序将3个字节拆成6个字节lcall ptdsmov a,r5lcall ptdsmov a,r4lcall ptdslcall sseesjmp led ；循环显示；字节拆分程序ptds: mov r1,a acall ptds1 mov a,r1 swap aptds1: anl a,#0fh

8、mov r0,ainc r0ret；字节显示程序ssee: setb rs1 ；换工作寄存器第三组 mov r5,#05h ；每个字显示5次sse2: mov 30h,#20h ；字位码初值mov 31h,#7eh ；字形码初地址mov r7,#06h ；显示位数sse1: mov r1,#21h ；输入字位码mov a,30hmovx r1,amov r0,31h ；查表、输入字形码mov a,r0mov dptr,#ddffmovc a,a+dptrmov r1,#22h movx r1,a ；字形送入地址22hmov a,30h ；改变字位rr amov 30h,adec 31h ；转换

9、为下一个字形mov a,#0ffh movx r1,a ；关显示djnz r7,sse1 ；6位显示完了吗？djnz r5,sse2 ；5次显示完了吗？clr rs1ret；以下为字形表，见表2。ddff: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90hdb 88h,83h,0c6h,0a1h,86h,8eh,0ffh,0ch,89h,0dehend附录1.2：字形、字位表字位表g5g4g3g2g1g0未用未用201008040201字形表代码d7d6d5d4d3d2d1d0字形hhgfedcbac0110000000f9111110011a41

10、01001002b0101100003991001100149210010010582100000106f811111000780100000008901001000098810001000a8310000011bc611000110ca110100001d8610000110e8e10001110fff111111110c00001100p.8910001001h7f01111111.bf10111111-注：低电位亮。实验二 单片机资源应用实验学时：课内 6学时，课外6学时。实验类型：综合实验要求：必做一、实验目的 1、掌握单片机最小系统的设计。 2、了解51系列单片机并行口输出/输入方式

11、的工作原理及编程方法。3、掌握51系列单片机中断的设置方法及编程实现。4、掌握定时器/计数器的设置方法及编程。5、掌握设计简单的单片机系统并在面包板上搭建单片机系统，或在单片机实验板上组建单片机系统。6、用七段数码管进行数据显示。二、实验内容 实验内容按要求分a、b、c、三部分，其中a是必做内容，b是选做内容，c是提高内容。内容a：按实验指导书给出的单片机最小系统和4位七段led数码管动态显示电路，在面包板上搭接，然后用汇编语言编写显示程序，在数码管的任何一位显示要求的数字。该部分主要是熟悉并掌握单片机的最小系统，振荡电路、复位电路，端口的应用，动态显示的电路及编程，程序的调试及固化，掌握用k

12、eil软件调试汇编程序。由于显示是人机交流的窗口，是以后其它功能实验的基础。必须在内容a中很好的掌握。实验电路见附图，还给出数码管引脚图，元器件清单等。电路说明：该电路是一个在单片机最小系统上接了4个数码管，由于at89c51片内有4k的flash memory存储器，故在软件不是很大的情况下，一般不需要扩展片外程序存储器，故单片引脚ea接高电平；复位采用上电复位和人工按钮复位；显示采用七段共阳极数码管，位码采用三极管9014驱动，因为led数码管的电压在1.5-3v，电流在2-20ma,故要加限流电阻。注意该电路图中的总线画法。 内容b：在以下两个内容中选做1个 1、用定时器定时，（定时器t

13、0或t1任选），每过20ms计数1次，并将计数值在led上显示。提示：该部分的主要内容是定时器和中断的性能和编程，要知道晶振的频率，然后根据要求的时间，确定定时器的工作方式，计算定时器的初值，设定定时器与中断，在ram中设定两个单元，永远计数，每中断一次该计数单元的值加1，程序启动后，一直处于动态显示中，直到中断时才处理加1程序。要注意中断程序的地址，定时器不同该地址也不同，具体请查中断服务程序服务入口地址。由于几个中断程序入口地址仅相隔8个单元，如果中断程序较长，一般要转移到后面的单元中。2、由定时器t0计时，对t1口在一定时间内输入的脉冲进行计数并显示。脉冲的产生可以用点动开关，也可以用信

14、号发生器或单片机实验箱中的分频信号，也可以给出分频器，自己设计电路，对单片机ea口输出信号进行分频。该实验较上一个实验难度大，用了两个定时器/计数器。涉及到计数器的设计，由t0定时中断，然后读t1的计数值。内容c：该部分内容属提高内容，供学有余力且感兴趣的学生选做，其他学生不作要求。因此该部分的主导思想是只提要求，提供元件，由学生自己设计电路，编写软件。教师仅作指导。这样可以更好的锻炼学生的能力。1、 串行eprom存储器及按键的电路设计及编程。在智能仪器中，不可避免的要有按键进行功能转换和控制，经常将标定的系数和测量的数据存储起来，希望下一次开机、甚至断电的情况下该数据能长期保留，用at24

15、c02等串行eprom芯片就可以实现该该功能。这个实验的要求，就是用按键进行控制，将一批数据存储在at24c02芯片中，然后又用另一个功能键将该数据取出并进行显示。下面只给出该芯片的资料，自己设计电路，编写软件。2、 rs232串行通信实验。因为串行通信是智能仪器中经常应用的功能，本实验提供max232芯片和电容，由两组同学一起，用串行口实行远距离（5-10m）通信。也可以和计算机进行通信。3、 模拟信号的数据采集实验，该实验提供adc0809芯片，由学生自己完成电路设计，搭建。并进行编程，将一个0-5v的电压信号通过a/d转换后在显示器中显示。 三、实验组织运行要求：采用学生自主训练为主的开

16、放模式组织教学。每4个人一组，共同完成电路设计，搭建，软件编写，调试。四、实验条件：1、实验面包板一块（或单片机实验板）；2、at89c51（或相近型号）单片机 1个；3、稳压电源1台；4、电源插座 1只；5、计算机1台；6、其它芯片见下表：（注意：实验未用的元件报告中不能出现）序号名 称型 号1单片机at89c522rs-232收发器max232c3三极管90144模数转换器adc08095晶振24mhz6译码器74ls1387采样保持器lf398n8led数码管sm4205（共阳极）9电阻需要的规格10电容需要的规格11面包板12轻触开关kfc_a06_05说明：其他元件，电路设计后和指导

17、教师商量解决。五、实验步骤：1、实验前先进行实验内容的预习，在课外设计好实验接线图，编写实验要求的汇编程序，并在计算机上进行编译和调试，将调试好的程序转换成*.hex格式存入移动u盘。2、实验时按电路图接好线后，将*.hex程序写入单片机中，进行程序调试。3、观察实验过程，详细记录实验中出现的问题，并分析其原因以及程序的修改过程。六、思考题：1、如何设置定时器和中断？2、显示器的地址如何确定，如何将一个数据进行动态显示。怎样查询要显示的数字。 七、实验报告：1、实验的目的、要求；2、实验电路图的设计，所用元件性能的简单介绍；3、实验程序的编写与调试，并对程序加以详细注释；4、调试过程与调试结果

18、，并对调试中出现的问题进行分析；5、回答本实验相关问题。6、实验的体会与总结。附2.1：单片机最小系统实验原理图附2.2 设计编程注意事项一、 硬件设计1、单片机选用本次实验，单片机采用的是at89c系列或at89s系列，该系列单片机片内都含有闪速程序存储器，可以根据所编写程序代码大小选择有不同片内程序存储器的单片机，一般情况下，课程设计中的程序代码都不是太大，2k或4k的程序存储器都可以满足。数据存储器一般都较小，不进行大量的数据处理，或数组变量中成员不是太多的情况下，片内ram是够用的。2、端口资源分配接口是cpu与外界的连接部件，以实现cpu与外部设备的最佳耦合和匹配。包括键盘、显示、a

19、/d转换、d/a转换和打印机等。根据实验要求，选用外设，并选用合适的外围接口芯片。i/o端口是cpu与i/o设备直接通信的地址。单片机系统对i/o端口是采用端口地址与存储器地址统一编址的方式，即存储器映射方式。而编址技术又分线选法和译码法。在设计单片机系统时，对地址必须有一个清楚的认识，一但硬件确定，则相应的扩展地址也就确定了。3、数据采集单元设计要针对不同的要求，不同的情况设计数据采集电路。设计时要考虑测量范围，显示精度，信号的情况，信号变化缓慢的还是变化很快，信号的质量，确定是否需要放大、滤波、采样保持电路；对于数字信号，也要考虑信号的大小和质量，考虑是否用比较电路、驱动电路和光电隔离等。

20、4、显示单元设计显示是仪器和人交流信息的重要窗口，也是仪器的一个重要组成部分。根据题目要求，确定显示的形式（静态显示还是动态显示；led显示好事lcd显示等），显示的位数，所以必须对要显示的信息做到心中有数，设计的显示单元要满足所有要显示信息的显示要求。由于led显示的控制较为简单，本次实验室提供led指示灯和8段led数码管。5、 按键控制单元设计一个测控系统，总是有许多功能，有些功能可以根据系统的运行状态自己变化，如智能仪表中的量程自动选择；但相当多的功能需要人工控制，如交通灯控制中的各段时间的设定等，所以对于测控系统来讲，一般都要有人工控制信号的输入端口按键或键盘。设计按件或键盘，要对设

21、计对象的功能相当熟悉，才能正确确定按键的数量。如果要输入的数字较大且是随机的，要考虑设计键盘。如果不是很大，或者数字很大但变化范围不大的情况下，尽量使用按键。6、其它功能设计其他功能设计，需要根据题目要求，如串行通信，d/a转换等，因为本次实验时间所限，布置任务时，将一些功能不做要求或作为选择内容，学生可以根据实际情况取舍，进度较快的课题组，还可以自己增加相应内容。7、 硬件设计以后，要求搭建电路，在软件未编写完以前，编写测试软件，先对硬件的各部分进行测试。二、软件设计 本次软件设计必须采用汇编语言，考试考核内容是汇编语言。（在以后学习了单片机c语言以后，可以采用单片机c语言，由于单片机c语言

22、在系统开发中有明显的优越性，掌握单片机c语言对以后可能从事该工作的同学有很大的益处。鼓励同学用单片机c语言编程。）1、对编写软件的要求： 软件结构清晰、简捷、流程合理。各功能程序实现模块化、子程序化。这样，既便于调试、链接，又方便移植、修改。程序存储区、数据存储区分配合理。运行状态实现标志化管理。各个功能程序运行状态、运行结果以及运行要求都设置状态标志（一般用位寻址区的位）以便查询，程序的转移、运行、控制都可以通过状态标志条件来控制。软件抗干扰性能好。2、设计前的准备工作1）定义系统功能，画出流程图系统定义是在软件设计前，把软件承担的任务明确出来。然后对软件进行功能分块。画出流程图，特别注意有

23、中断时，中断流程图和主流程图一定是分开的。这一部分是相当重要的工作，对后面程序编写与调试是否顺利有很多影响，一定要认真对待。软件设计有两种方法：一种是自上而下，逐步细化；另一种是自下而上，先设计出每一个具体的模块（子程序），然后再慢慢扩大，最后组成一个系统。两种方法各有优缺点。自上而下的方法在前期看不到什么具体效果，对于初学者来说，心中总是不踏实。而自下而上的方法一开始就有结果，每设计并测试好一个模块，就能看到实际的效果，给人一步一个足印的感觉，能树立信心。建议两种方法结合运用。主程序采用自上而下的方法，将它分成若干个功能相对独立的较小的程序模块。然后再采用自下而上的方法，设计一个模块，调试一

24、个模块，加入主程序调试；再进行下一个模块设计和调试。所以在这一步骤就是设计主程序的框架。根据问题的定义,确定算法，并绘制程序框图。注意必须确保程序框图的正确性。比如在电脑时钟中，考虑输入“分”的数据的合理性，数据必须小于60，程序框图中就不能忽视等于60如何处理。这是初学者常犯的错误。2）合理选用数据类型数据类型选用，在用单片机c语言编程时特别重要。各种数据类型的定义。是定点数还是浮点数；是有符号数还是无符号数；是十六进制数还是bcd码。如果一个参数的变化范围有限，就可以用定点数来表示，以简化程序设计和加快运行速度。当参数的变化范围太宽时，只好采用浮点数来表示。若要求数据的正负之分，则考虑定义

25、有符号数。对于自然数列，为显示方便，可以采用bcd码，如电脑时钟的时、分、秒。3）合理定义和分配存储空间、定义标志位。资源分配的主要工作是ram资源的分配。片外可扩展ram的容量要比片内ram大，在数据量较大的情况下，要扩展片外ram，通常用来存放批量大的数据，如采集的大量数据的存储。用汇编语言编程，片内ram的分配，是一个相当麻烦，要有一定技巧的工作，那个变量放在那个存储单元，该变量需要长期保存还是保存到某一个阶段，在用单片机汇编语言编程时，不能象编普通的计算机程序那样，否则容易造成ram不够用或者将有用的数据覆盖。注意用单片机c语言编程不存在这个问题。系统上电复位时，自动定义0区为工作寄存

26、器，1区为堆栈，并向2区、3区延伸。如果系统前台程序要用1区、2区作为工作寄存器，就应将堆栈空间重新规划，常将堆栈安放在片内ram的高端，如60h7fh。在工作寄存器的8个单元中，r0和r1具有指针功能，是编程的重要角色，应充分发挥其作用，尽量避免用来做其他事情。20h2fh这16个字节具有位寻址功能，用来存放各种软件标志、逻辑变量、位输入信息、位输出信息副本、状态变量、逻辑运算的中间结果等。当这些项目全部安排好后，保留一两个字节备用，剩下的单元才可改作其他用途。30h7fh为一般通用寄存器，只能存入整字节信息。通常用来存放各种参数、指针、中间结果，或用作数据缓冲区。ram资源规划好后，应列出

27、一张ram资源的详细分配清单，作为编程依据。为了增加可读性，便于修改，一般对分配的存储单元取名。如保存当前时间的时、分、秒取hour、mini、sec，编程时用变量名，编译时只需在前面加hour equ 24h即可（20h为分配给小时的存储单元的地址）。3、编程时注意事项：一定要严格根据框图编程。一定要写注释。通过编译后，只表明语法没错，并不表明逻辑正确，一定要用不同的数据对模块进行测试。完全符合预定结果，方可确认通过。将该模块加到主控模块进行测试，如果与预定结果不符，必须查找原因，进行修改、调试。必须注意随时保存调试通过的副本。以便当新程序出现故障时，随时可返回前面的正确点重新开始。4、软件

28、的调试调试程序一般应经过以下几个步骤：1） 先进行人工检查，即静态检查。在写好一个程序以后，不要匆匆忙忙上机，而应对纸面上的程序进行人工检查。这一步是十分重要的，它能发现程序设计人员由于疏忽而造成的多数错误。而这一步骤往往容易被人忽视。有人总希望把一切推给计算机系统去做，但这样就会多占用机器时间，作为一个程序人员应当养成严谨的科学作风，每一步都要严格把关，不把问题留给后面的程序。2） 在人工检查无误后，才可以上机调试。通过上机发现错误称动态检查。在编译时给出语法错误的信息，可以根据提示的信息具体找出程序中出错之处并改正之。应当注意的是有时提示的出错并不是真正出错的行，如果在提示出错的行上找不到

29、错误的话应当到上一行再找。有时提示出错的类型并非绝对准确，由于出错的情况繁多，各种错误互有关联，因止要善于分析，找出真正的错误，而不要只从字面意义上找出错信息。如果系统提示的出错信息多，应当从上到下一一改正。有时显示出一大片出错信息往往使人感到问题严重，无从下手。其实可能只有一二个错误。例如，对使用的变量未定义，编译时就会对所有含该变量的语句发出出错信息；有的是少了“”或多了“”有的是书写语句时忘记写“；”或是全角的“；”了，只要加上一个变量定义，或填加“；”就所有错误都消除了。3） 在改正语法错误后，程序经过连接就得到可执行的目标程序。目标程序可以用keil软件进行仿真。对仿真结果要作认真分

30、析。看它是否符合要求。有时，数据比较复杂，难以立即判断结果是否正确。可以事先考虑好一批“试验数据”，输入这些数据可以得出容易判断正确与否的结果。可以在计算的输出结果的程序地方加入一段输出到串口的程序，利用串口窗口可以方便看到结果的。4） 运行结果不对，大多属于逻辑错误。对这类错误往往需要仔细检查和分析才能发现。可以采用以下办法：keilc51里的调试运行就很好用的，可以在命令的窗口输入程序中需要的数据和开关量、中断、i/o口的电平等来方便完成程序的运行，使用时要先打开options for targettarget1（工程菜单里的目标target1属性）-点debug-选中左边use simulatorload application at stago till main;按确定后退出到编辑画面，要先对源程序进行编译后没有错误才可以按主