电子系统课程设计

1、物理机电学院课程设计报告课程名称：电子系统课程设计 专业班级： 电子信息工程2班 学生姓名： 学 号： 指导教师： 王清辉、何文丰 完成时间： 2013年6月25日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 电子系统设计第1章 设计任务与要求11.1软件任务11.2硬件任务1第2章 方案的设计与论证22.1 单片机型号的选择22.2 按键的选择22.3 显示器的选择22.4 计时部分的选择32.5 发音部分的设计32.6 显示器驱动电路32.7 电源的选择32.8 函数信号发生器3第3章 硬件电路设计53.1 设计原理53.2 AT89C51单片机简介63.3 键盘电路的设计73.4 段码驱动电

2、路73.5 蜂鸣器驱动电路73.6函数信号发生器数模转换器83.7函数信号发生器键盘接口电路83.8 电子系统电路总原理图93.9 电子系统PCB图10第4章 软件设计114.1 主程序部分的设计114.2 系统初始化显示功能124.3 密码显示界面与密码输入124.4 功能选择界面124.5 键盘扫描函数124.6 时间和闹钟的设置124.7 秒表设置134.8 函数信号发生器流程图15第5章 仿真过程与仿真结果16第6章 安装与调试20结论与心得22参考文献23附 录24一、 设计任务与要求1.1软件任务设计任务1：增加系统初始化显示功能LED显示部分每1秒钟点亮1段LED，依次8秒后全亮

3、LCD显示部分控制10秒倒计时设计任务2：增加密码功能，要求正确输入密码才能进入系统设计任务3：进入系统后有相应的功能模块选择：F1,F2,F2等进入设计任务4：具有串行通讯功能，能够通过串口与PC机通讯，每1秒钟可以将本选定功能相关的数据上传。1.2 硬件任务函数信号发生器目标：掌握如何设计函数信号发生器要求：设计的函数信号发生器最起码能够产生三角波和正弦波且频率可调，幅值小于5V。通过按键可以选择产生三角波还是正弦波。二、 方案设计与论证本设计应解决的主要问题有两大方面，即硬件电路设计和软件设计两大方面。其中硬件电路部分又可分为四个模块：键盘模块、显示模块、计时模块和发声模块。硬件电路部分

4、致力于低成本、低功耗和易实现性。软件部分则应做到代码的精简、准确、易读懂。2.1单片机型号的选择通过对多种单片机性能的分析，最终认为AT89C51是最理想的电子时钟开发芯片。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，而且它与MCS-51兼容，且具有4K字节可编程序存储器和1000次擦写循环，数据保留时间为10年，是最好的选择。2.2 按键的选择方案一

5、：44矩阵式键盘。如果选择此方案，那么在修改时钟或设置闹铃时间时就可以直接从键盘输入，方便、快捷，但程序较为复杂。 方案二：独立式按键。如果设置过多按键，将会占用较多I/O口，而且会给布线带来不便，因此，此方案适用于按键较少的情况。如果选择此方案，由于按键较少，在修改时间或设置闹铃时间时就不能直接输入，只能通过加或减完成，稍为麻烦一些，但其程序简单。 由于并不需要经常修改时间和设置闹铃时间，而且方案二的程序简单，按键少、成本低，因此，选择方案二。2.3 显示器的选择方案一：液晶显示器。如果选择此方案，将会降低系统的功耗，这样就可以用电池供电，便于携带。但液晶显示器的驱动电路复杂，使用起来有一定

6、的难度。 方案二：用数码管作为显示器。数码管的驱动电路简单，使用方便，如果选择了此方案，那么在夜间看时间的时候就不需要有光源，非常方便。其缺点是功耗较大。由于数码管使用起来较为方便，在夜间看时间也很方便，因此我选择了方案二。2.4 计时部分的选择如果使用时钟芯片，系统就不怕掉电且时间精确。但这种芯片比较贵，况且，设计本系统主要是为了学习单片机程序的编写和调试以及设计硬件电路的一些方法，因此采用软件的方法来计时而没有采用价格较高的时钟芯片。2.5 发音部分的设计通过三极管放大后驱动蜂鸣器工作，再通过软件这时产生等时时间方波驱动蜂鸣器发出间断嘀声，这样就可以省去硬件振荡电路，降低成本。2.6显示器

7、驱动电路由于通过数码管公共及的电流较大且避免过多地使用分立元件，采用了一片74HC573来驱动段码，用P3口作位码驱动。2.7电源的选择如果是用电池供电，就比较方便携带，但是本系统，采用了数码管作为显示器，功耗较大，需要经常更换电池。况且，本系统的体积较大，即使使用电池供电也不能随身携带，因此，用电池供电不大合适，所以用5V外部稳压电源来供电。2.8函数信号发生器方案一：采用模拟分立元件或单片函数发生器就可以产生正弦波、方波、三角波，方法简单。通过调整外部元件也可以实现输出频率的改变，但采用模拟元器件造成元件分散性太大，从而产生的频率稳定性较差、抗干扰能力低、灵活性较差、而且精度低，不能实现任

8、意波形转换和波形运算输出等方面自主控制功能。方案二：采用专业的锁相式频率合成方案，这种锁相式频率合成是一种高稳定度和高精确度的大量离散技术，他能够准确的产生波形，可以很好的解决频率稳定精确的情况下又要求频率在较大的范围内可调的问题。但是频率受VCO可变频率范围上的影响，高低频率比无法做到很高，还有其只能产生正弦波或方波，不能满足产生三角波的要求。方案三：采用AT89C51单片机和数模转换器DAC0832实现波形的产生。波形的产生方法是用AT89C51单片机执行波形程序，向DAC0832转换器的输入端输入相应的数据，从而在DA转换电路输出端再通过运放电路转换得到相应的电压波形。在AT89C51的

9、P1口接按键控制波形的种类和波形的频率，每种波形对应一种按键方式。此方案原理简单，同时适合操作，实现起来也相对较容易。经比较，方案三的设计能够更好的实现和完成题目的要求，产生的三种波形和频率可由按键控制，并通过按键改变来转换不同的波形，也能够在示波器上显示出所要求的波形。波形的频率步进也可以实现调节，具有线路简单、可行性高、符合设计要求等优点。在本设计的基础上，加上LCD显示，从而能够在LCD上显示出频率值、幅度值信息。输出的波形也较稳定，精度较高，通过滤波电路使得系统的抗干扰性增强，电路简单，性价比高。综上所述，我们选择了第三种三、 硬件电路设计 3.1设计原理系统原理图：函数信号发生器：单

10、片机89C51键盘输入LCD显示波形显示放大电路DA转换时钟复位图3-1 系统原理图3.2AT89C51单片机简介AT89C51是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合。可以满足多方面的性能要求。AT89C51采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准51单片机器件。AT89C51集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。AT89C51单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口。图3-2 AT89C51单片机3.

11、3键盘电路的设计键盘采用4个独立按键配以4个上拉电阻实现对时钟和闹钟的设定及修改。图3-3 键盘输入电路3.4段码驱动电路由于通过数码管公共及的电流较大且避免过多地使用分立元件，采用了一片74HC573来驱动段码，用P0口作位码驱动。图3-4 段码驱动器74HC5733.5蜂鸣器驱动电路发音部分是通过三极管放大驱动蜂鸣器工作，再通过软件这时产生等时时间方波驱动蜂鸣器发出间断嘀声，这样就可以省去硬件振荡电路，降低成本。图3-5 蜂鸣器驱动电路3.6函数信号发生器数模转换器由于单片机输出的是数字信号，因为要得到模拟信号的波形就必须对其进行数模换。我们采用了DAC0832 数模转换器，该芯片由8 位

12、输入锁存器、8 位DAC 寄存器、8 位D/A 转换器及转换控制电路四部分构成。由于其输出为电流输出，因为外加运算放大器OP07 使之装换为电压输出。最后通过示波器显示输出的波形。图3-6 D/A转换电路3.7 函数信号发生器键盘接口电路常用的键盘电路一般为矩阵式，但是对于此设计，为了方便程序的简单化，我们采用了一般的键盘接口输出信号。具体实现方法：P2.1用来作为波形选择，其输出正弦波、三角波、方波。P2.3、P2.4用来作为频率调节； 图3-7键盘接口电路3.8 电子系统电路总原理图图3-8 电路总原理图3.9 电子系统PCB图图3-7 PCB图四、 软件设计4.1主程序部分的设计开始始数

13、码管段码检测密码输入界面密码判断正确错误功能选择界面按键选择时钟功能待定秒表功能F2F3F1按键扫描是否返回功能选择界面否是程序部分主要采用了程序结构的模块化设计，避免了一些函数的不必要的重复书写，使程序变得单间易懂。程序在执行时，主程序要须通过调用子函数就可完成相应的功能 。主程序流程图如下图4-1。图4-1 主程序流程图4.2 系统初始化显示功能LED显示部分每1秒钟点亮1段LED，依次8秒后全亮使用定时器延时，8个数码管同时点亮，定时器每延时一秒点亮一段LED，依次8秒后全亮。4.3 密码显示界面与密码输入系统初始化显示之后就进入密码显示界面，界面显示为P - - - -。通过按键S1选

14、择当前要输入的密码，通过按键S2、S3进行对值的加减，通过S4进行确认操作。密码输入完成之后会显示F，覆盖之前输入的数值，对密码进行保护。密码输入正确显示- - -ON- - -，然后进入功能选择界面密码输入错误显示- - - - - - - -，回到密码输入界面，继续输入密码。4.4 功能选择界面功能界面显示为F1-F2-F3,可以设置三个功能，目前只设置了F1、F2两个功能，F3为待定功能。在功能界面仍然是S1进行选择，S4进行确认操作。4.5键盘扫描函数这些函数主要是判断是否有按键按下，并根据相应按键按下的情况调用相关函数执行。4.6时间和闹钟的设置此部分主要是通过判断cnt在不同值时通

15、过调用加1、减1子函数对时间和闹钟的时、分、秒进行设置。在闹钟设置时，判断按键S4按下情况我，进行闹钟的开启与关闭，相关流程图如下图4-7。图4-2 时间/闹钟设置流程图4.7 秒表的设置本实验利用单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，通过采用proteus仿真软件来模拟实现。模拟利用AT89C51单片机、LED数码管以及控件来控制秒表的计数以及计数的开启/暂停/继续与复位！是否是否定时器溢出中断对定时器重新赋值进行加一操作后重新计算时间往P0口和P2口送显示时间数码管显示中断返回主函数对定时器/计数器初始化始化程序开始判断P04口是否有低电平信号开中断并启动定时器开始、暂停或者继续计数置零

16、判断P10口是否有低电平信号图4-3 秒表设置流程图4.8 函数信号发生器开始显示初始化系统按键是否按下计算相关函数送端口显示定时中断查询选择波型LCD显示波形输出图4-4 函数信号发生器流程图五、 仿真过程与仿真结果此电子系统设计是利用Proteus仿真软件进行仿真，基本上实现了课程设计要求实现的功能。硬件部分设置了的三个按键S1、S2、S3、S4。图5-1 系统初始化显示8段全亮图5-2 密码输入界面 输入密码时显示P- - - -，输入完成之后显示P F F F。图5-3 功能选择界面图5-4 电子时钟界面当按键S1第一次按下时，停止计时进入闹钟1的秒设置，当按键S1第二、第三次按下时，

17、分别进入闹钟1的分设置和时设置，当按S1第四 、第五、第六次按下时分别进入闹钟2的秒、分、时设置，当按S1第七 、第八、第九次按下时分别进入闹钟3的秒、分、时设置，当按S1第十 、第二一、第十二次按下时分别进入时间的秒、分、时设置，在S1按下的各阶段，可用按键S2、S3进行时间和闹铃时间的时、分、秒进行加减设置；当按键S1第十三次按下时恢复到时间显示功能。当显示的时间和定时设置的时间一致时，蜂鸣器发出等时间断蜂鸣声，闹铃时间设置为60秒。在各个闹钟设置阶段，如果有S4按下，则相应闹钟功能关闭或开启；如在闹铃时有S4按下则提前停止闹铃。图5-5 秒表界面 S1按清零，S2开始和暂停，可以长达9分

18、钟的计时。图5-6 函数信号发生器仿真图正弦波三角波产生三角波的原理：三角波产生是通过P0口将00H送入寄存器A中，DAC0832输出A中的内容，通过A中数值的加1递升，同时延时，当A中的内容为0FF时，A中的内容减1递减，从而循环产生三角波。方波产生方波的原理：方波产生是通过P0口将00H输出给DAC0808，输出对应模拟量，然后读取P2口的状态，取反后作为延时常量，延时时间到，将FFH输出时，同样输出对应模拟量，再延时，从而得到方波。六、 安装与调试首先制作电路板：在PROTEL DXP软件上画出实训原理图，接着导入制作PCB电路板，最后经打印、热转印、腐蚀、打孔，最后做出电路板。 1、步

19、骤如下： 第一步：利用一个能生成图像的软件生成一些图像文件，这里使用版本为Altium2004组织SCH文件，再利用网络表生成相应PCB图（可自动布线，也可手工布线）,接着画PCB图，以备打印； 第二步：将PCB图打印到热转印纸上； 第三步：将打印好PCB的转印纸平铺在覆铜板上，准备转印； 第四步：用热应机加温将转印纸上黑色油墨粉压在覆铜板上形成高精度的抗腐； 第五步：热应机加温加压成功转印后的效果； 第六步：准备好三氯化铁溶液进行腐蚀； 第七步：腐蚀结束，清洗干净，晾干之后进行打孔。 第八步：将焊盘铣刀装到台钻上，清理出焊盘部分，剩下的部分用于阻焊； 第九步：安装所需预定原件并焊接好。 2、

20、硬件调试 拿到电路板后，首先要检查加工质量，在确保没任何质量问题时再安装元器件。元器件在安装前要足逐一检查，用万用表测其数值，看是否与所需相同，完成焊接后应先空载上电（芯片座不插芯片），并检查各引脚的电位是否正确。若一切正常，方可在断电的情况下将芯片插入，再次检查各引脚的电位及其逻辑关系。将万用表的探针放到单片机接电源的引脚上检测一下，看是否符合要求。 在调试时我遇到了一个问题：用STC下载器无法将程序下载到单片机中，经检查，是COM端口和波特率选的不正确，应更改STC下载器的COM端口使之与电脑的COM端口相对应，波特率改为9600115200即可下载成功。时间显示界面图6-1 时钟运行图闹

21、钟设置界面图6-2 闹钟设置图七、 结论与心得做了一周的课程设计，有很多的心得体会，有关于单片机的，也有关于模电数电等基础科目的。因为单片机已经很久没复习，刚拿到题目，不知道从哪入手，后来通过对书本的回顾，加深了对单片机的记忆。有些知识会迁移和联系模电数电。课堂教学考虑到大多数同学的需求，主要强调“基本”基本知识、基本理论、基本方法、基本技能。而这次设计正是为我们提供了一个深入学习、探索的机会，成为课堂教学的有益补充。我们正面临就业问题，这次课设给了我们一个机会去试验。单片机理论的学习是为课程的设计作准备的，但有时学习的理论也解决不了实践中的问题。实践中获得的知识能让我对单片机的知识有更好的认

22、识和理解。虽然这次的课程设计我参考了一些文献资料，没有做到创新，但在对程序的读写过程中我明白了许多。这次课程设计的最大收获是只有把理论用到实践中我们才能真正掌握好所学知识。八、 参考文献 1李全利、 迟荣强,单片机原理及接口技术M，北京：高等教育出版社，20042凌玉华，单片机原理及应用系统设计M,长沙：中南大学出版社，20063张道德，单片机接口技术（C51版）M,北京：中国水利水电出版社，20074 王幸之、钟爱琴、王雷、王闪，AT89系列单片机原理与接口技术M，北京：北京航空航天大学出版社，20045何立明，单片机应用系统设计M，北京：北京航空航天大学出版社，1990 6陈光东，单片机微

23、型计算机原理与接口技术M，武汉：华中理工大学出版社，1998附 录1/*头文件*#include #include/*宏定义*#define uchar unsigned char #define uint unsigned int/*位声明*sbit key1=P10; sbit key2=P11;sbit key3=P12;sbit key4=P13;sbit fmq=P21;/*数码管显示的数值*uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,/ 0 1 2 3 4 5 0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf,0x0ff,0x73,

24、0x71,0x80; / 6 7 8 9 - 灭 pf .table68=0x06,0x71,0x40,0x5b,0x71,0x40, 0x4f,0x71;/1 F - 2 F - 3 F uchar table75=0x40,0x40,0x40,0x40,0x73;/ - - - Puchar table88=0x40,0x40,0x40,0x37,0x3f,0x40,0x40,0x40;uchar code table10=0x01,0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x3f,0x7f; /*函数声明*void jia(); void jian(); void jia1(); voi

25、d jian1();void shijian1();void display5();void displayxz();void display6();void key_scan1();void shijian();void display7(uchar,uchar,uchar); void keyscan4(); void miaobiao(); /*数组定义，数组内含有8个数值*uchar table18,table28,table38,table48;uchar password=1,2,1,2;uchar save8;uchar table58;/*时间显示初始值*uchar shi=1

26、2,fen=0,miao=0; /*定义全局变量*uchar shi1,fen1,miao1,shi2,fen2,miao2,shi3,fen3,miao3;uchar shi4,fen4,miao4;uchar flag, flag1, wss, cnt, cnt1, alm1, alm2, alm3;/ 1秒 等时 位闪 次数 校时 闹1 闹2 闹3uint flag2;/ 蜂鸣 uchar conflag;uchar cnt2,s1,s2,s3,s4,cnt3;uchar n;uchar minute,second,second0_1,num2;uchar t=0;uchar num=0

27、;/*延时函数，用于动态扫描数码管*void delay(uchar i) uchar x,y; for(x=i;x0;x-) for(y=120;y0;y-); /*初始化函数*void init() TMOD|=0x01; /工作方式1 TH0=0x3c; /定时时间为：50ms(65536-50000)/256 TL0=0x0b0; /(65536-50000)%256 ET0=1; /打开定时器 EA=1; /开总中断 TR0=1; /启动定时器 void UART_init(void)SCON = 0x50;TMOD|= 0x20;TH1 = 0xF3;TL1 = 0xF3;TR1

28、= 1;ES = 1;EA = 1; /*显示子函数，用于显示时间数值*void display() uchar i,j; if(cnt!=10|wss=0) table10=miao%10; /分离秒的个位与十位 table11=miao/10; else table10=table11=11;if(cnt!=11|wss=0) table13=fen%10; /分离分的个位与十位 table14=fen/10; else table13=table14=11;if(cnt!=12|wss=0) table16=shi%10; /分离时的个位与十位 table17=shi/10; else

29、table16=table17=11; table12=table15=10; j=0x7f; for(i=0;i=7;i+) /从秒到时的扫描 P2=j; P0=tabletable1i; /显示数值 delay(10); j=_cror_(j,1); /循环右移 /*显示子函数，用于显示定时1时间*void display1() uchar i,j; if(alm1=0) if(cnt!=1|wss=0) table20=miao1%10; /以下含义同上 table21=miao1/10; else table20=table21=11; if(cnt!=2|wss=0) table23

30、=fen1%10; table24=fen1/10; else table23=table24=11; if(cnt!=3|wss=0) table26=shi1%10; table27=shi1/10; else table26=table27=11; else table20=table21=table23=table24=table26=table27=10; table22= table25=10; j=0x7f; for(i=0;i=7;i+) P2=j; P0=tabletable2i;delay(10); j=_cror_(j,1); /*显示子函数，用于显示定时2时间*void

31、 display2() uchar i,j; if(alm2=0) if(cnt!=4|wss=0) table30=miao2%10; /以下含义同上 table31=miao2/10; else table30=table31=11; if(cnt!=5|wss=0) table33=fen2%10; table34=fen2/10; else table33=table34=11;if(cnt!=6|wss=0) table36=shi2%10; table37=shi2/10; else table36=table37=11; else table30=table31=table33=

32、table34=table36=table37=10; table32= table35=10; j=0x7f; for(i=0;i=7;i+) P2=j; P0=tabletable3i;delay(10); j=_cror_(j,1); /*显示子函数，用于显示定时3时间数值*/void display3() uchar i,j; if(alm3=0) if(cnt!=7|wss=0) table40=miao3%10; /分离秒的个位与十位 table41=miao3/10; else table40=table41=11;if(cnt!=8|wss=0) table43=fen3%10

33、; /分离分的个位与十位 table44=fen3/10;else table43=table44=11;if(cnt!=9|wss=0) table46=shi3%10; /分离时的个位与十位 table47=shi3/10;else table46=table47=11; else table40=table41=table43=table44=table46=table47=10; table42= table45=10; j=0x7f; /从秒到时的扫描 for(i=0;i=20) /判断是否到一秒 wss=wss; flag=0; /到了，则标志位清零 if(cnt1!=0) mia

34、o4+; /秒加1 if( miao459) /判断秒是否到60s miao4=0; /到了，则清零 fen4+; /分加1 if(fen459) /以下含义同上 fen4=0; shi4+; if(shi423) shi4=0; else miao+; /秒加1 if( miao59) /判断秒是否到60s miao=0; /到了，则清零 fen+; /分加1 if(fen59) /以下含义同上 fen=0; shi+; if(shi23) shi=0; /*键盘扫描子函数*/void key_scan() if(key1=0) while(!key1) /防止掉显 if(cnt=1|cnt

35、=2|cnt=3) display1(); if(cnt=4|cnt=5|cnt=6) display2(); if(cnt=7|cnt=8|cnt=9) display3(); if(cnt=0|cnt=10|cnt=11|cnt=12|cnt=13) display(); cnt+; /记下按键key1按下的次数 if(cnt=10&cnt1=0) miao4=miao; fen4=fen;shi4=shi;cnt1+;if(cnt=13) cnt=0; if(cnt1=1) miao=miao4; fen=fen4; shi=shi4; cnt1=0; if(key2=0) /判断key

36、2是否按下 while(!key2) /防止掉显 if(cnt=1|cnt=2|cnt=3) display1(); if(cnt=4|cnt=5|cnt=6) display2(); if(cnt=7|cnt=8|cnt=9) display3(); if(cnt=0|cnt=10|cnt=11|cnt=12|cnt=13) display(); jia(); if(key3=0) /判断key3是否按下 while(!key3) /防止掉显 if(cnt=1|cnt=2|cnt=3) display1(); if(cnt=4|cnt=5|cnt=6) display2(); if(cnt=

37、7|cnt=8|cnt=9) display3(); if(cnt=0|cnt=10|cnt=11|cnt=12|cnt=13) display(); jian(); /调用减1子函数 if(key4=0) /判断key4是否按下 while(!key4) /防止掉 if(cnt=1|cnt=2|cnt=3) alm1=alm1; display1(); if(cnt=4|cnt=5|cnt=6) alm2=alm2; display2(); if(cnt=7|cnt=8|cnt=9) alm3=alm3; display3(); if(cnt=0|cnt=10|cnt=11|cnt=12|c

38、nt=13) display(); while(key4) /跳回选择菜单 if(cnt3=1|cnt3=2|cnt3=3) display6(); if(cnt3=0) displayxz(); shijian1();key_scan1(); /*加1子函数*void jia() if(cnt=1) /判断key1按下的次数是否为1 miao1+; /是，则秒加1 if(miao159) /判断秒是否大于60，是，则秒清零 miao1=0; if(cnt=2) /以下含意同上 fen1+; if(fen159) fen1=0; if(cnt=3) shi1+; if(shi123) shi1=0; if(cnt=4) miao2+; if(miao259) miao2=0; if(cnt=5) fen2+; if(fen259) fen2=0; if(cnt=6) shi2+; if(shi223) shi2=0; if(cnt=7) miao3+; if(miao359)