单片机原理与接口技术实验指导书-学生

1、单片机原理与接口技术实验实验指导书适用专业： 电信工程 通信工程 信息工程 自动化 信息与通信工程学院2011年5月前 言一、课程性质本课程是电子信息工程、通信工程、信息工程和自动化专业必修的专业实验课程，独立开课。通过本课程的教学，使学生深刻体会到单片机原理与接口技术的应用，掌握汇编或C51语言的语法和技巧，熟悉电子系统的设计和调试过程，使其具备研究和开发以单片机为核心的电子系统的能力。二、项目设置本课程总学时为16，开设的具体实验项目如下：l 实验1 跑马灯控制（2学时，必修）l 实验2 模拟交通灯控制系统设计（2学时，选修）l 实验3 数码管动态扫描显示算法设计（3学时，必修）l 实验4

2、 矩阵式键盘显示设计（3学时，必修）l 实验5 LED点阵显示设计（3学时，选修）l 实验6 液晶显示设计（3学时，选修）l 实验7 篮球比赛倒计时器设计（3学时，选修）l 实验8 乐曲演奏设计（3学时，选修）l 实验9 电机调速控制设计（3学时，选修）l 实验10 串行数据存储设计（3学时，选修）l 实验11 电子钟设计（3学时，选修）l 实验12 数字电压表设计（4学时，选修）l 实验13 数字温度计设计（4学时，选修）l 实验14 万年历时钟设计（4学时，选修）l 实验15 信号发生器设计（4学时，选修）其中，实验1为验证性实验；实验2实验10为设计性实验；实验11实验15为综合性实验。

3、三、专业安排电子信息工程专业可选修全部实验；通信工程、信息工程和自动化专业选修实验1实验11。四、本书特点本指导书的特点是引入工程项目机制来管理实验项目，着重培养学生的方案设计、算法分析和现场调试能力，为将来成为卓越工程师打下坚实的基础。目 录第一章 实验系统11.1 整体架构11.2 核心板11.3 主要模块2第二章 开发平台32.1 Keil C51简介32.2 uVision开发流程3第三章 实验项目7实验1 跑马灯控制7实验2 模拟交通灯控制系统设计9实验3 数码管动态扫描显示算法设计12实验4 矩阵式键盘显示设计16实验5 LED点阵显示设计19实验6 液晶显示设计23实验7 篮球比

4、赛倒计时器设计27实验8 乐曲演奏设计30实验9 电机调速控制设计34实验10 串行数据存储设计38实验11 电子钟设计43实验12 数字电压表设计46实验13 数字温度计设计50实验14 万年历时钟设计54实验15 信号发生器设计59附录 实验报告基本要求65III第一章 实验系统1.1 整体架构HNIST型单片机实验系统分为多个模块，各模块之间相对独立。图1.1 HNIST型单片机实验系统整体1.2 核心板图1.2 HNIST型单片机实验系统核心板1.3 主要模块1、流水灯对流水灯的操作可能是初学者最先体会到成就感的一个项目，该实验板的流水灯由四个发光二极管组成，流水灯的旁边设有四个针头的

5、排针，这样可以用连接线接入单片机的任意I/O口来控制流水灯。我们可以用这几个发光二极管实现跑马灯、交通灯等功能。2、数码管数码管是该实验板上最能验证程序功能的输出器件。数码管旁边有四个跳线帽，分别用来控制四个数码管工作状态。当然这种控制只是在硬件上的控制，在软件上的控制则可以通过对74SL573锁存器的编程实现。数码管可用于静态显示和动态扫描。3、4×4矩阵键盘我们可以通过键盘来控制流水灯的亮灭，也可用它来控制数码管上数字或字母的显示。键盘和数码管结合可以通过编写程序来实现计算器功能、日历等。4、EEPROMAT24C02在单片机应用中，作为EEPROM储存器用，与单片机通过I2C通

6、信。优点是掉电后仍可以保存数据。比如单片机运行时，手动设置了一些参数，可以用它保存起来。即可对其进行读操作又可进行写操作，并且在断电后可保存数据。5、实时时钟芯片本实验板含有1片DS1302芯片，内含有1个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信。另外该芯片含备份电源接口，掉电后时钟仍然能够正确的运行。第二章 开发平台2.1 Keil C51简介Keil C5

7、1是德国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机开发工具。它集编辑、编译、仿真与调试于一体，支持C语言与汇编语言开发。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，生成的目标代码效率非常高。C51工具包目前的集成开发环境uVision将项目管理，源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中。2.2 uVision开发流程为项目建立文件夹，把相关的源程序和头文件等都保存到此文件夹。1、启动uVision首先双击桌面uVision图标，启动uVision。图2.1 uVision启动界面2、建立工程单击Project菜单，在下拉菜单选中New Project选

8、项。图2.2 建立工程菜单3、保存工程选择之前建立的文件夹，输入工程文件的名字，然后单击保存。图2.3 保存工程文件4、选择器件keil C51几乎支持所有的51核的单片机，以Atmel公司的AT89S52来说明，如下图所示，展开Atmel。图2.4 器件选择然后选择AT89S52，单击“确定”。5、加载标准启动文件单击“是（Y）”。6、编辑源程序单击File菜单，在下拉菜单单击New。图2.5 新建源程序单击File菜单，在下拉菜单选中Save As，注意必须键入正确的扩展名。用C语言编写程序，扩展名为(.c)；用汇编语言编写程序，扩展名必须为(.asm)。图2.6 保存源程序7、添加源程序

9、到工程在编辑界面，单击Target 1前“”号，在Source Group 1上单击右键，再单击Add File to Group Source Group 1，选择源程序。图2.7 添加源程序到工程8、设置目标文件属性单击Project菜单，在下拉菜单单击“Options for Target Target 1”。在下图中，单击Output标签，选中Create HEX File选项，使程序编译后产生HEX代码。图2.8 设置目标文件属性9、编译工程单击Project菜单，在下拉菜单单击Built Target。如果有错误，应重新修改源程序，直至通过编译。10、下载目标程序运行progisp

10、，弹出对话框如下图2.9所示。图2.9 下载程序首先单击“select chip”下拉列表，选择AT89S52芯片；然后单击“调入Flash”按钮，找到工程编译后生成的hex文件；最后选中“芯片檫除”、“编程FLASH”、“数据自动重载”和“校验FLASH”选项，单击“自动”按钮。第三章 实验项目实验1 跑马灯控制实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的通过本实验的学习，掌握单片机通用I/O口的功能，熟悉Keil平台的操作流程，学会延时程序的编写。二、实验内容单片机控制4个发光二极管，设计跑马灯效果。各灯首先从左到右依次点亮，再从右到左依次点亮；然后全部点亮，再全部熄灭。以上过程循

11、环出现。三、实验原理、方法和手段1、系统方案利用单片机的P2口作为输出端口，使4个发光二极管按照一定的花样亮灭，循环变化。图3.1 跑马灯驱动电路2、软件算法图3.2 跑马灯控制流程图延时函数的编写，如用汇编语言编程，可考虑用多个寄存器嵌套计数实现；如用C51语言编程，可通过多重循环语句实现，但应注意循环变量的取值范围，避免陷入死循环。四、实验条件PC机，HNIST型单片机实验系统。五、实验步骤1、用排线将P2口相应端口连接到发光二极管；2、启动Keil平台，编写程序；3、编译和下载程序，观察发光二极管的变化。六、实验报告要求应提供硬件电路和源程序，并回答思考题。七、思考题1、单片机的I/O口

12、作为输入口，可以接收哪些输入设备的信号？2、单片机的I/O口作为输出口，可以驱动哪些输出设备？3、以单片机为核心控制外设，与传统模拟和数字电路相比，有哪些优势？实验2 模拟交通灯控制系统设计实验学时：2实验类型：设计实验要求：选修一、实验目的通过本次实验，掌握单片机内部定时器的工作原理和使用方法，学会中断处理程序的编写。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心，通过P2口控制4组发光二极管，每组有红绿黄三色，模拟十字路口交通灯的控制。2、交通灯图3.3 交通灯驱动电路交通灯共有4个状态，应循环执行。初始状态为南北通行：南北绿灯、东西红灯保持25秒；后转为过渡状态：南北黄灯、东西红灯保持5秒；再

13、转为东西通行：东西绿灯、南北红灯保持25秒；最后转为过渡状态：东西黄灯、南北红灯保持5秒。3、软件算法（1）主程序引入有限状态机实现交通灯多状态的变化。图3.4 主程序流程图（2）定时器中断处理子程序利用单片机内部的定时器来计时。图3.5 定时器中断处理子程序流程图三、实验要求1、功能要求交通灯共有4个状态，应循环执行。具体技术指标如下：各状态时间误差0.01秒2、预习要求在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法。四、实验条件PC机，HNIST型单片机实验系统。五、调试及结果测试表3.1 交通灯控制实验测试结果交通灯状态南北通行南北过渡东西通行东西过渡灯的亮灭运行周期时间误差六、实验报

14、告要求应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。七、思考题1、如果单片机的I/O口已经被占用一部分用于其它功能，可以引入什么类型的接口电路，来解决引脚不够分配的问题？2、如果要让救护车和警车优先通过十字路口，应怎样改进硬件电路，修改软件算法？实验3 数码管动态显示设计实验学时：3实验类型：设计实验要求：必修一、实验目的通过本次实验，掌握数码管动态显示的工作原理和驱动电路，学会动态显示程序的编写。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心，扩展三极管9013驱动数码管的位码，74573芯片驱动数码管的段码，实现数码管的动态显示。要求显示当前日期，如3月1日，则显示0301。

15、2、数码管数码管内部电路如下。图3.6 数码管内部电路表3.2 共阴极数码管编码字符编码字符编码字符编码00xfc60xbeC0x9c10x6070xe0d0x7a20xda80xfeE0x9e30xf290xf6F0x8e40x66A0xee无显示0x0050xb6B0x3e数码管有两种工作方式：静态显示和动态显示。（1）静态显示每个数码管的段码都需要独立的数据锁存器锁存，当送入字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止，显示亮度较高。（2）动态显示轮流选中多个数码管显示不同字符，由于人眼的视觉惰性，感觉是同时显示。为了减少硬件成本，通常采用动态显示。3、整体电路图3.7 数码管动态

16、显示驱动电路4、软件算法（1）主程序图3.8 主程序流程图（2）数码管动态显示子程序图3.9 数码管动态显示子程序流程图三、实验要求1、功能要求数码管显示应稳定清晰。2、预习要求在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法。四、实验条件PC机，HNIST型单片机实验系统。五、调试及结果测试表3.3 数码管动态显示实验测试结果数码管LED1LED2LED3LED4显示字符是否稳定六、实验报告要求应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。七、思考题1、数码管动态显示时，位扫描间隔时间是多长？2、如何消除前一位的编码对当前位选通瞬间的影响？3、扩展实验2，对交通灯的状态进

17、行倒计时并显示。实验4 矩阵式键盘显示设计实验学时：3实验类型：设计实验要求：必修一、实验目的通过本次实验，掌握矩阵式键盘的驱动电路和扫描方法，学会键盘消抖和扫描程序的编写。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心，通过P2口驱动矩阵式键盘，高4位接入键盘的列，低4位接入键盘的行，并进行逐行扫描，识别按键，送数码管显示。2、矩阵式键盘图3.10 矩阵式键盘驱动电路矩阵式键盘有两种扫描方法。（1）行反转法首先，将全低电平输出到行，读入列信号，确定按键所在的列；然后，将全低电平输出到列线，读入行线信号，确定按键所在的行。（2）行扫描法将低电平逐行输出到行，读入列信号，确定按键所在的行和列。3、显示

18、模块参见实验3说明。4、软件算法（1）主程序图3.11 主程序流程图（2）键盘扫描子程序键盘扫描子程序流程图见下页。三、实验要求1、功能要求准确快速识别按键。2、预习要求在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法。四、实验条件PC机，HNIST型单片机实验系统。五、调试及结果测试表3.4 数码管动态显示实验测试结果测试次数1234实际按键显示字符六、实验报告要求应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。七、思考题1、怎样消除按键的抖动？2、如何处理多个按键同时按下的情况？图3.12 键盘扫描子程序流程图实验8 乐曲演奏设计实验学时：3实验类型：设计实验要求：选修一

19、、实验目的通过本次实验，掌握蜂鸣器的工作原理和驱动电路，学会乐曲演奏程序的编写。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心，通过P1口输出方波信号，驱动蜂鸣器发声，演奏乐曲。图3.23 梁祝乐谱2、乐曲演奏图3.24 乐曲演奏电路（1）音符控制利用单片机片内的定时器来定时，取反P1口的相应端口，即可输出方波，使喇叭演奏乐曲中相应的音符。表3.8 音符频率值低音（Hz）中音（Hz）高音（Hz）1261.61 C523.311046.52293.72 D587.321174.73329.63 E659.331318.54349.24 F698.541396.953925 G784515686 A44

20、06880617607 B493.97987.871975.5（2）节拍控制取0.25秒代表1个8分音符的时长，将乐曲分割成连续的8分音符序列。用延时程序获得0.25秒，每当延时结束，即切换到下一个8分音符。3、软件算法（1）定时器中断处理子程序图3.25 定时器中断处理子程序流程图（2）主程序图3.26 主程序流程图三、实验要求1、功能要求乐曲演奏应保证音调和旋律均符合曲谱。2、预习要求在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法。四、实验条件PC机，HNIST型单片机实验系统。五、调试及结果测试表3.9 乐曲演奏实验测试结果演奏次数123音调旋律六、实验报告要求应提供电路、流程图、源程

21、序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。七、思考题1、扩展数码管，分别显示当前正在演奏的高、中、低音的音符和节拍。2、怎样扩展系统，使其可以演奏双声道乐曲？实验9 电机调速控制设计实验学时：3实验类型：设计实验要求：选修一、实验目的通过本次实验，掌握步进电机的工作原理和驱动电路，学会步进电机脉宽调制程序的编写。二、预习与参考1、系统方案以单片机为核心，通过P1口输出脉冲信号，驱动步进电机旋转。通过P2口引入键盘，实现对步进电机的启停、转向和8级转速控制。2、步进电机图3.27 步进电机驱动电路（1）转向控制步进电机以4相4拍方式工作，若按 顺序通电为正转，按 顺序通电为反转。（2）转速控制每

22、改变1次节拍，步进电机旋转7.5度。调节脉冲周期，就可以控制步进电机的转速。3、键盘模块参见实验4说明。4、软件算法（1）主程序图3.28 主程序流程图（2）步进电机驱动子程序图3.29 步进电机驱动子程序流程图（3）键盘扫描子程序图3.30 键盘扫描子程序流程图（4）键盘处理子程序图3.31 键盘处理子程序流程图三、实验要求1、功能要求马达实现启停和转向控制，转速有8级调节。2、预习要求在实验前提交设计方案，给出硬件电路，分析软件算法。四、实验条件PC机，HNIST型单片机实验系统。五、调试及结果测试表3.10 马达调速控制实验测试结果控制顺序12345678启停控制转向控制转速调节六、实验报告要求应提供电路、流程图、源程序和测试结果，总结调试过程，并回答思考题。