嵌入式实验报告

1、嵌入式系统及其应用实验题目：保险柜开锁模拟姓名： 班级：学号：一 实验要求使用网络助手发送保险柜密码，单片机通过WiFi模块接收，将密码在数码管上显示，同时点亮对应数字的LED小灯。如果密码输入正确，则继电器打开，模拟开柜成功的LED小灯点亮；如果密码输入错误，则蜂鸣器报警。二 单片机工作原理图1 80C51单片机内部结构图2 80C51单片机引脚图1单片机的CPU 它可以分为运算器和控制器两部分。运算器功能部件包括算术逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存寄存器TMP1、TMP2、程序状态字寄存器PSW等。控制器功能部件包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、

2、定时控制逻辑电路CU、数据指针寄存器DPTR、堆栈指针SP及时钟电路等。（1）运算器算术逻辑运算单元ALU。ALU可以进行算术、逻辑运算。算术运算有：加、减、乘、除，逻辑运算有：与、或、异或等。累加器ACC。累加器ACC的主要功能是在运算前存放一个操作数，运算后存放一个操作结果。80C51系列单片机虽然在结构上仍然以累加器A作为重要部件。但由于内部电路采取了措施，使得累加器A在数据传送、逻辑操作等方面的核心作用有所削弱。数据可以在片内直接/间接地址的存储器之间直接传送，而不必经过累加器A。但，加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或AB寄存器对中。暂存器TMP1、TMP2。由图1

3、可知，ALU进行算术逻辑运算前的两个操作数来自暂存器TMP1、TMP2，所以暂存器TMP1、TMP2用于存放运算前的两个操作数。程序状态字寄存器PSW。程序状态字寄存器PSW用来存放运算结果的状态标志。PSW寄存器各位的含义如下，其中PSW.1未定义，其它各位说明如下：图3 PSW寄存器CY：进位标志。它是累加器A的进位位，如果操作结果在最高位有进位（加法）或借位（减法）时置1，否则清0。AC：半进位标志。它是低半字节的进位位（累加器A中A3位向A4位的进位），主要用于BCD码调整。低4位有进位（加法时）或向高4位有借位时（减法时），AC是1，否则，AC清0。F0：用户定义的状态标志位。可通过

4、软件对它置位、复位或测试，以控制程序的流向。RS1、RS0：工作寄存器区选择控制位，用于选择4组工作寄存器之一。可以用软件来置位或清零，以确定工作寄存器区。RS1、RS0与寄存器区的对应关系如下：       RS1、RS0=000区（地址00H07H）       RS1、RS0=011区（地址08H0FH）       RS1、RS0=102区（地址10H17H）       RS1、RS0=113区（地址18H1FH）OV：溢出标

5、志位，用于表示有符号数算术运算的溢出。溢出时OV为1，否则OV为0。P：奇偶标志位。每个指令周期都由硬件来置位或清零，以表示累加器A中1的个数的奇偶性。若1的个数为奇数，则P置位；若1的个数为偶数，则清零。寄存器B。在乘除指令中，用到了寄存器B。（2）控制器 控制器是控制单片机各种操作的部件，用于完成指令规定的操作。它包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时控制逻辑、数据指针寄存器DPTR、时钟发生器、复位电路、堆栈指针SP等。程序计数器 PC。程序计数器PC为16位寄存器，用于存放下一条要执行指令地址，具有自动加1功能。指令寄存器IR、指令译码器ID、定时控制逻辑电

6、路。指令寄存器IR用来暂时存放当前取出的指令，并由指令译码器ID译码，产生相应的译码信号，并传送给定时控制电路，定时控制电路发出各种控制信号控制各器件完成指令规定的操作。数据指针DPTR。DPTR为16位寄存器。由于80C51单片机采用哈佛结构，因此，其程序存储器与地址存储器是分开的，程序存储器的地址是由程序计数器PC提供，而数据存储器的地址是由数据指针DPTR提供的，所以DPTR用于存放片外数据存储器及I/O口的地址。时钟电路。时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。复位和复位电路。计算机在启动运行时都需要复位，复位就是使CPU和系统中的其它部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态

7、开始工作。堆栈指针SP。堆栈指针SP用于存放栈顶单元的地址。2单片机的存储器配置 由于80C51单片机采用哈佛结构，所以其程序存储器和数据存储器是分开的，各有自身的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器用来存放程序和表格常数；数据存储器通常用来存放程序运行所需要的给定参数和运行结果。从实际的物理存储介质来看，80C51有4种存储空间，它们是片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器（含特殊功能寄存器）和片外数据存储器。80C51的存储器配置情况如图2所示。图4 80C51的存储器配置从逻辑地址空间来看，80C51单片机可分为三部分，即：程序存储器、片外数据存储器、片内数据存储器。这

8、3部分分别使用不同的地址指针，不同的访问指令。因此，下面按逻辑结构介绍80C51的存储器结构。（1）程序存储器程序存储器以程序计数器PC作地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为0000H0FFFFH共64K(216=64K)字节，用于存放程序指令码与固定的数据表格等。80C51单片机中内部和外部共64K字节程序存储器的地址空间是统一的。对于有内部ROM的单片机，在正常运行时，应把引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行。当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。（2）片外数据存储器由图可知，片外数据存储器以DPTR作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间

9、为0000H0FFFFH共64K(216=64K)字节。用于存放数据与运算结果。（3）片内据存储器片内数据存储器的地址空间从00HFFH共256字节。其地址可由R0、R1寄存器提供。内部数据存储器是最灵活的地址空间，它分成物理上独立且性质上不同的2个区：00H7FH单元组成的128字节RAM区，地址为80HFFH的特殊功能寄存器区（简称SFR区）。1）RAM区（00H7FH）由图2-3可知，RAM区又分为3个区：工作寄存器区、位地址区与数据缓冲区。工作寄存器区（00H1FH）80C51单片机的内部RAM区结构如图2-3所示。位地址区（20H2FH）内部RAM的20H2FH为位寻址区域，见表1所

10、示。这16个单元的每一位都有一个位地址，位地址范围为00H7FH。通常把各种程序状态标志、位控制变量设在位寻址区内。位寻址区的RAM单元也可以作为一般的数据缓冲区使用。  数据缓冲区数据缓冲区的地址空间从30H7FH共80个字节单元，用于存放数据与运算结果，如加法运算时，存放加数、被加数及运算和。通常堆栈区也设置在该区内。有些单片机将显示缓冲区设置在该区内。2）特殊功能寄存器SFR（80HFFH）80C51单片机内的I/O口锁存器、状态标志寄存器、定时器、串行口、数据缓冲器以及各种控制寄存器统称为特殊功能寄存器，它们离散地分布在内部RAM地址空间（80H0FFH）内。累加器

11、ACC、寄存器B、程序状态字PSW、I/O口P0P3等均为特殊功能寄存器。380C51单片机并行输入/输出口80C51单片机含有4 个8位并行I/O口P0、P1、P2和P3。每个口有8个引脚，如图2所示，共有32个I/O引脚，每一个并行I/O口都能用作输入或输出用作输入时，均须先写入“1”， 用作输出时，P0口应外接上拉电阻。P0口的负载能力为8个LSTTL门电路，P1P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。各口的第一、第二功能如下：I/O口引脚第一功能第二功能P0口P0.0P0.7输入与输出 分时的传送地址低8位与数据线P1口P1.0P0.7输入与输出无P2口P2.0P2.7输入与

12、输出传送地址的高8位P3口P3.0P3.7输入与输出功能见下文P3.0RXD：串行口输入端P3.1TXD：串行口输出端P3.2INT0：外部中断0中断请求输入端P3.3INT1：外部中断1中断请求输入端P3.4T0：定时器/计数器0外部输入端P3.5T1：定时器/计数器1外部输入端P3.6WR：外部数据存储器写选通信号P3.7RD：外部数据存储器读选通信号四个通道口都有一种特殊的线路结构，每个口都包含一个锁存器，即特殊功能寄存器P0P3，一个输出驱动器和两个（P3口有三个）三态缓冲器。这种结构在数据输出时，可以锁存，即在重新输出新的数据之前，口上的数据一直保持不变。但对于输入信号是不锁存的，所

13、以外设欲输入的数据必须保持到取数指令执行（把数据读取后）为止。三 模块工作原理1、WiFi模块图5 WiFi模块时钟结构图WiFi模块使用的是乐鑫信息科技研制的ESP8266WiFi模块，该模块可以实现将WiFi功能嵌入其他系统，实现数据通过WiFi在不同模块之间的接收和发送。因为是商业产品，所以该模块的内部工作原理不得而知，接下来从如何实现该模块与51单片机之间的数据传输和如何实现ESP8266与网络助手的通信两方面介绍模块工作原理。（1）ESP8266与51单片机通过串口通信。我们采用8位数据异步通信方式。要实现两个具有独立CPU的模块之间的通信，则必须保证这两个模块之间的波特率一致。在信

14、息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。从定义可以看出，只有波特率一致，数据发送方所发送的数据才能被接收方正确接收，不然就会出现错误。我们将ESP8266的波特率设置成了9600，利用单片机的T1定时器，通过计算，将其波特率也设置成了9600，这样就实现了两个模块间波特率一致，从而奠定了串口通信的基础。51单片机的串口通信是全双工的，可以支持同时发送和接收数据。下面分别从单片机接收数据和发送数据两方面介绍串口通信原理。ESP8266模块向单片机发送数据时，将数据分成8个一组，加上起始位和停止位，通过自己的TXD口（另一边接到了单片机的

15、RXD口）将数据逐位发送出去，单片机接收到数据后，若接收中断标志（RI）为0且结束位为1，则会将数据按顺序存入串口通信缓冲寄存器中，即SBUF，接受结束后，RI变成1，从而程序可以得知此次传输完毕，可以进行下一次传输。若RI初始为1，则不接受数据，也不改变RI。单片机向ESP8266发送数据时，同样通过自己的TXD口将数据传输到ESP8266模块。单片机需要先将发送中断（TI）置零，再将要发送的数据写入SBUF，当数据通过SBUF传输到TXD口后，TI会置1，从而告知程序本次传输完成，可以进行下次传输。其中TI和RI都需要编写程序控制其置1和置0，中断标志不会自动恢复。（2）ESP8266与网

16、络助手的通信我们这里采用将ESP8266作为服务端，将网络助手作为客户端接入的方法来实现ESP8266与网络助手的通信。它们之间的数据传输可以使用TCP或者UDP，这里我们采用TCP。首先将ESP8266设置成站模式，然后将其连入已有WiFi，ESP8266被分配得到一个IP地址，并且开启ESP8266的多连模式和服务器端及8080端口。同理将电脑接入相同WiFi，电脑也获取得到一个IP地址，然后在电脑上开启网络助手，创建一个向ESP8266的IP地址和8080端口通信的进程。当将数据写入网络助手内点击发送后，该软件和相关软硬件系统会通过TCP/IP协议和WiFi协议等一系列协议将数据封装成帧

17、，利用WiFi的2.4G UHF射频频段将数据发送出去，ESP8266接收到数据后进行解析，将数据送到指定端口，从而实现数据通信。ESP8266发送数据到网络助手的原理相同。2、流水灯模块图6 流水灯原理图从图中可以看出，8个LED灯的阳极接限流电阻后接到了VCC上，因此当其阴极接到低电平时，LED灯即点亮，接到高电平时，LED灯熄灭。在QX-MCS 51单片机开发板中，8个流水灯的引线接到了51单片机的P1口上，因此可以直接通过程序控制51单片机的P1口输出低电平来点亮小灯。3、8位共阴极数码管模块图7 8位共阴极数码管原理图如图所示，8个共阴极数码管通过两个74HC573锁存器实现分别控制

18、和数据传输。锁存器的C端接入高电平时，锁存器可以读进数据，当其接入低电平时，锁存器停止读取数据，从而实现锁存功能。通过段锁存器将8位数据输入到数码管内，通过位锁存器选通8个数码管中的一个。数码管是共阴极接法，因此段选高电平点亮8段中对应的段，位选低电平选通相应的数码管。而在模拟保险柜开锁的实验中，需要同时在多个数码管上显示字符，因此需要利用动态扫描方法。因为人眼的视觉暂留时间为1/24秒，因此只要保证在40ms以内对每个数码管实现一次扫描，即可让看到多个数码管均显示相应字符的效果。在QX-MCS 51单片机开发板中，段锁存器的选通信号口与51单片机的P2.6口的引线相连，位锁存器的选通信号口与

19、P2.7口的引线相连，锁存器的8位数据输入线与P0口的引线相连。4、蜂鸣器模块图8 蜂鸣器原理图蜂鸣器原理如上图所示，蜂鸣器一端接地，另一端接到三极管的C端，三极管E端接VCC，B端接电阻后接到了单片机的P23口。当P23输出高电平时，三极管不导通，蜂鸣器不响；当P23输出低电平时，三极管导通，有电流流过蜂鸣器，从而蜂鸣器发出声音。四 实验流程图图9 保险柜开锁模拟程序流程图五 实验程序#include <reg52.h> /包含头文件#include <string.h>#include <intrins.h>#define uint unsigned i

20、nt#define uchar unsigned char/*端口定义*/P1.0P1.7为小灯07，分别对应数字07sbit LED0=P10;sbit LED1=P11;sbit LED2=P12;sbit LED3=P13;sbit LED4=P14;sbit LED5=P15;sbit LED6=P16;sbit LED7=P17;sbit LED8=P24;/小灯8sbit LED9=P25;/小灯9sbit BEEP=P23;/蜂鸣器，密码输入错误会报警sbit OPEN=P22;/继电器sbit DU=P26;/段选信号锁存器sbit WE=P27;/位选信号锁存器/*波特率发生

21、器相关功能寄存器的定义*/sfr AUXR=0x8E;sfr BRT=0x9C;sfr AUXR1=0xA2;/*相关变量*/uchar Receive,i; uint n;uchar Receive_table15;/用于接收wifi模块反馈到MCU上的数据uchar password10; /保险柜初始密码uchar input10;/保存输入的密码uchar display8; /保存数码管需要显示的内容uchar code lcd_num10=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F /数字09;/*名称：延时函数作用：毫秒级延

22、时，微妙级延时函数。*/void ms_delay(uint t)uint i,j;for(i=t;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-);void us_delay(uchar t)while(t-);/*名称：阴极数码管显示函数作用：根据输入类型，显示display相应的信息在数码管上。*/void Lcd_Display()uint i;for(i=0;i<6;i+)P0=0xff;WE=1;P0=_crol_(0xfe,i);WE=0;DU=1;P0=displayi;DU=0;ms_delay(1);/*名称：9600波特率发生器函数作用：通过T1定时器

23、实现，以实现异步串行通讯。*/void Uart_Init()/使用定时器1作为波特率发生器SCON=0x50;/设置为串行口以方式1工作，8位异步通讯,允许接收中断。/一帧信息为10位，1位起始位，8位数据位（低位在先），1位停止位。PCON=0x80;/SMOD波特率选择位为1，SMOD=1.TMOD=0x21;/设置定时器1为波特率发生器，工作在模式2，8位自动装载TH1=0xFA;/波特率9600 ，TH1=256-FOSC/16/12/波特率TL1=TH1;EA=1; /总中断打开ES=0; /关闭串口中断TR1=1; /启动定时器1/*名称：串口发送函数功能：MCU向其他与其连接的

24、设备发送数据（此处是无线WIFI模块ESP8266)*/void Send_Uart(uchar value)ES=0;/关闭串口中断TI=0;/清发送完毕中断请求标志位SBUF=value;/发送while(TI=0);/等待发送完毕TI=0;/清发送完毕中断请求标志位ES=1;/允许串口中断 /*名称：WIFI模块设置函数作用: 启动模块，以便可以实现无线接入和控制*/void ESP8266_Set(uchar *puf) /数组指针*puf指向字符串数组 while(*puf!='0') /遇到结束跳出循环Send_Uart(*puf); /逐位向WIFI模块发送控制指

25、令。us_delay(5);puf+;us_delay(5);Send_Uart('r');/回车us_delay(5);Send_Uart('n');/换行ms_delay(1000);/*名称：ESP8266发送数据函数功能：用于与wifi模块相连的终端发送数据*/void ESP8266_Sent(uchar *puf) / 数组指针*puf指向字符串数组 ESP8266_Set("AT+CIPSEND=0,60");while(*puf!='0') /遇到空格跳出循环Send_Uart(*puf); /向WIFI模块发

26、送控制指令。us_delay(5);puf+;us_delay(5);Send_Uart('n'); /换行ms_delay(10);/*名称：ESP8266初始化函数功能：设置ESP8266WiFi模块的工作方式*/void ESP8266_Init()ESP8266_Set("AT+RST");/重新启动wifi模块ESP8266_Set("AT+CIPMUX=1");/开启多连接模式，允许多个各客户端接入ESP8266_Set("AT+CIPSERVER=1,8080");/启动TCP/IP端口为8080，实现基

27、于网络控制/*名称：灯状态清零函数功能：熄灭所有小灯*/void led_clear()P1=0xff;LED8=0;LED9=0;/*名称：其他模块始化函数功能：初始化保险柜密码和继电器*/void Other_Init()for(i=0;i<8;i+)inputi='0'password0='8'password1='8'password2='8'password3='8'password4='8'password5='8'password6='0'OPEN

28、=1;/*名称：数码管初始化函数功能：保险柜数码管初始显示内容设置为'- - - - - - - -'*/void Lcd_Init()uint i;for(i=0;i<6;i+)displayi=0x40;/*名称：主函数作用：程序的执行入口*/void main()led_clear();/初始化LED灯Uart_Init();/初始化波特率发生器ESP8266_Init();/初始化WiFi模块Other_Init();/初始化保险柜密码和蜂蜜器等其他部件Lcd_Init();/初始化数码管显示BEEP=0;ms_delay(1000);BEEP=1;ES=1;/允

29、许串口中断while(1) Lcd_Display();/数码管对应位置显示对应数字if(Receive_table0='+')&&(Receive_table1='I')&&(Receive_table2='P')&&(Receive_table3='D')/MCU接收到的数据为+IPD时进入判断uint k;input0=Receive_table9;input1=Receive_table10;input2=Receive_table11;input3=Receive_tabl

30、e12;input4=Receive_table13;input5=Receive_table14;input6='0'led_clear();/熄灭所有灯for(k=0;k<6;k+)uchar ch=inputk;/获取该数字switch(ch)case '0':LED0=0;displayk=lcd_num0;break;case '1':LED1=0;displayk=lcd_num1;break;case '2':LED2=0;displayk=lcd_num2;break;case '3':LED

31、3=0;displayk=lcd_num3;break;case '4':LED4=0;displayk=lcd_num4;break;case '5':LED5=0;displayk=lcd_num5;break;case '6':LED6=0;displayk=lcd_num6;break;case '7':LED7=0;displayk=lcd_num7;break;case '8':LED8=1;displayk=lcd_num8;break;case '9':LED9=1;displayk

32、=lcd_num9;break;default:break;/输入的是非法字符，不被接收if(password0=input0)&&(password1=input1)&&(password2=input2)&& (password3=input3)&&(password4=input4)&&(password5=input5)OPEN=0;BEEP=1;elseBEEP=0;OPEN=1; /*名称：串行通讯中断作用：发送或接收结束后进入该函数，对相应的标志位软件清0，实现模块对数 据正常的收发。*/void U

33、art_Interrupt() interrupt 4 static uchar i=0;if(RI=1)/数据位接收完毕，关接收标志，保存数据位RI=0;Receive=SBUF; /MCU接收wifi模块反馈回来的数据 Receive_tablei=Receive; i+;if(Receive_tablei-1='n')i=0; /遇到换行 重新装值else TI=0;/RI不为1，那不管TI是否为0，置0就好六 实验现象开发板上电后，听见蜂鸣器长鸣一声，前六位数码管显示，即表明初始化成功。通过网络助手作为客户端接入，发送开柜密码“123456”。保险柜将密码显示在数码管上

34、，并点亮相应的LED小灯，若密码输入错误，则蜂鸣器长鸣。通过网络助手发送正确的开柜密码“888888”。密码输入正确，蜂鸣器停止，继电器打开，代表保险柜开启的小灯被点亮。注：流水灯模块的八个灯从右到左依次代表数字07，面包板上左侧的两个灯从上到下分别代表数字8,9，右侧的一个灯代表保险柜状态，熄灭则代表保险柜关闭，点亮则代表保险柜开启。七 心得与建议1.心得（1）关于ESP8266的接线实验一开始使用ESP8266和USB接口相连，利用串口助手进行调试，ESP8266与USB连接时用了4根线，即ESP8266的VCC、GND、UTXD、URXD分别接USB的V3.3、GND、URXD、UTXD

35、。接线完成后使用串口助手采用115200波特率调试，发现无数据响应。后来查阅资料得知，ESP8266有新旧两个版本，旧版本中间四根线悬空即可正常工作，新版本需要将CH_PD口接V3.3或者上拉电阻，模块才能启动进入AT指令系统。 新版（右上角比旧版多出一块） 旧版采用新的接线方法后，ESP8266可以成功响应串口助手发送的AT指令。然后我查看了一下实验室的ESP8266模块，发现里面确实有新版的也有旧版的，在使用时需要注意接线方式的不同。（2）关于实现ESP8266通过串口助手与网络助手的通信。这又是一个让人头疼的问题，根据各种资料显示，ESP8266可以作为服务器也可以作为客户端，只需要设置相应的指令即可。一开始我使用手机开的热点，然后分别测试在站模式下将ESP8266作为客户端和服务端，用网络助手与其通信，发现无法进行通信。分析原因可能是电脑所连接的WiFi与ESP8266所连接的WiFi不是同一个，所以导致电脑上的网络助手与ESP8266无法通信。后来将电脑和ESP8266模块都接入了老师的无线路由中，将它们都放在了同一个路由环境内，本想可以比较容易实现通信，但是尝试了将ESP8266作为客户端进行配置，利用网络助手当服务端，开启相应IP地址和端口号，然后通过ESP8266建立与该IP地址和端口号的TCP连接，结果返回连接