微控制器应用系统开发平台

1.绪论在2013年1月1日到2013年1月19日，在老师带领指导下，我们进行了为期两周的课程设计。在课程设计期间，指导老师与同学们交流沟通，答辩解疑，同学们积极提出疑问与设想，老师给出提示，同学们之间进行讨论，现场气氛活跃，这对我们的成功完成课程设计具有巨大指导意义。课程设计是根据教学计划规定，在学生完成必要的专业课之后，安排的实践环节。是理论联系实际，应用和巩固所学专业的一项重要环节，是培养我们能力和技能的一个重要手段，激发我们对专业课的兴趣，增强我们学习专业知识的兴趣，使我们在专业课学习时能与认识实习所见联系起来，为专业知识的总结奠定基础。课程设计还可使我们加深了解本专业的学习内容，专业范围，对将来的岗位也有一定的认识。通过实践，增强对社会的适应性，将自己所学融入到实际生活中去，培养自己的实践和设计能力，为我们毕业后梦更好融入社会打下坚实的基础。本报告对课程设计内容进行说明解释，包括设计过程，主要元件的结构、性能和工作原理，并有相关的编程和电气原理图，并对本次课程设计的收获与体会做了总结。2.单片机概述2.1什么是单片机单片机是把中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)，随机存取存储器RAM(RandomAccessMemrty)，只读存储器ROM(ReadOnlyMemory),定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机的应用导致了控制领域的一场革命，是微控制技术逐步取代传统的硬件控制。近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它己渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。2.2单片机发展史单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段：第一阶段:1971〜1974年，1971年11月美国Inter公司设计成集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004，并配有随机存取存储器RAM，只读存储器RAM和移位寄存器等芯片，构成第一台MCS-4微型计算机。随后又研制成了8位微处理器Intel8008。这些微处理器虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。第二阶段：1974〜1978年，初级单片机阶段，以Intel公司的MCS-48为代表，这个阶段的单片机内集成有8位单片机，并行I/O口，8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。第三阶段：1978〜1983年，高性能单片机阶段。这一阶段单片机和前阶段相比，不仅存储容量和寻址范围大，而且中断源、并行I/O口和定时器种类有了增加，集成了全双工串行通信接口。在指令系统方面，普遍增设了乘除法和比较指令。MCS-51系列产品由于其优良的性能价格比，在相当一段时间处于主流产品地位。第四阶段：1983年至今。8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。16位单片机工艺先进、集成度高、内部功能强，而且允许用户采用面向工业控制的专用语言。现阶段：32位单片微机系列。继16位单片机出现后不久，几大公司先后推出了代表当前最高性能和技术水平的32位单片微机系列。32位单片机具有极高的集成度，内部采用新颖的RISC（精减指令系统计算机）结构，CPU可与其他微控制器兼容，主频频率可达33MH2以上，指令系统进一步优化，运算速度可动态改变，没有高级语言编译器，具有性能强大的中断控制系统、定时/事件控制系统、同勿异步通信控制系统。这类单片机主要应用于汽车、航空航天、高级机器人、军事装备等方面。它代表着单片机发展中的高、新技术水平。2.3单片机的性能特点单片机芯片作为控制系统的核心部件，除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制的目的。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，加高温、强电磁干扰，甚至合有腐蚀性气体；在太空小工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力。因而，决定了单片机CPU与通用微机CPU具有小同的技术特征和发展方向：抗干扰性强.工作温度范围宽。通用微机CPU一般要求在室温下工作.抗干扰能力也较低。可靠性高。控制功能往往很强，数值计算能力较差。通用微机CPU具有很强的数值运算能力控制能力相对较弱。将通用微机用于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路。指令系统比通用微机系统简单。2.4AT89S51单片机简介AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBytesISP(In-SystemProgramming)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS.51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和IspFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4KBytesFlash片内程序存储器，128Bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级2层中断嵌套，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗(wdt)电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM、定时计数器、串行口、外部中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外部中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。3.应用系统开发平台设计方案3.1开发平台的功能设计微控制器应用系统开发平台的目的是在设备开发初期，利用该平台进行开发，加快开发速度，进行各项系统功能的实验验证工作。该平台是电气控制开发人员的重要辅助工具。所设计为控制系统开发平台，以单片机为控制核心，要求设计控制器最小系统，LED显示，数码管显示，独立按键，矩阵式键盘，蜂鸣器电路，继电器控制，1602液晶显示，实时时钟，AD/DA电路，串口通讯，温度传感。其典型应用系统框图如下图所示：3.2硬件部分3.2.1控制器最小系统单片机最小系统，是指用最少的元件组成以单片机为核心元件的可以正常工作具有特定功能的单片机系统，是单片机产品开发的核心电路。下面我们设计单片机最小系统，同时应具有上电复位和手动复位功能，并且使用单片机片内程序存储器存放用户程序，如图3.2所示：图3.2最小系统3.2.2时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。在AT89S51单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTALl和XTAL2引脚接入定时控制元件（品体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。在AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTALl和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。AT89S51的时钟电路如图3.3所示：FT图3.3时钟电路用晶振和电容构成谐振电路。电容C5、C6容量为15-40pF之间，大小与晶振频率和工作电压有关。但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，为了提高精度，本实验板采用20pF的电容作为微调电容。在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。3.2.3复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境也需按复位键以重新启动。AT89S51芯片内部有复位电路，RST引脚是复位信号的输入端高电平有效，复位方式有自动复位和手动复位两种。本实验板采用手动复位方式复位。AT89S51的复位电路如图3.4所示：图3.4复位电路当电源刚开始送电瞬间，电容相当于短路，RST端输入高电平，AT89S51复位。短路瞬间之后，电容充电，RST端低电平。AT89S51需要复位时，按下手动复位键，电容通过电阻放电，当电容放电结束后，RST为高电平，AT89S51进入复位状态，松手后，电容充电，RST端高电位下降，CPU脱离复位状态。3.2.4LED显示流水灯显示电路主要由8只发光二极管组成，电路原理图如图3.5所示：图3.5LED显示电路8只发光二极管的正极通过限流排阻连接电源+5V，二极管的负极分别与单片机P2端口连接。3.2.5数码管显示数码管是单片机控制系统中最常见的显示器件之一，一般用来显示处理结果或输入与输出信号的状态。实验板数码管显示电路如图3.6所示:图3.6数码管显示电路3.2.6液晶显示器显示器件是实验板中普遍使用的输出器件，较常用的是LED数码管和LCD液晶显示器。前者仅能显示数据输出，而后者能显示更多，更复杂的字符，如汉字，甚至是图形等。此实验板采用LCD1602作为输出显示器件。LCD1602液晶是一款很常用，也很易用的字符液晶。可以显示2行，每行16个字符，对比度可调、黄绿色背光。电源范围4.5V-5.5V，数据总线4/8线均可。

实验板液晶显示电路如图3.7所示:图3.7液晶显示电路V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。R/W读写选择信号与P0.5连接，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。RS是数据显示和指令数据选择信号，与P0.4连接。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平,R/W为低电平时可以写入数据。ECLK端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0〜D7是数据线，分别与P2.0--—p2.7连接，用于传送CPU发送给显示器的数据、指令等。

3.2.7独立按键独立按键就是每一个按键的状态用一个I/O口检测，并且每一个按键的状态都不影响其他按键的工作，器电路图如图3.8所示：图3.8独立按键电路3.2.83X3矩阵式键盘键盘是人与AT89S51联系的重要手段，用于向CPU输入运行参数和控制系统的运行状态。本实验板用于学生实验，为了减少键盘电路占用引脚数目，将键盘电路设计为3x3矩阵键盘形式。其中行线作为输入引脚与P0口的PA0〜PA2连接，列线作为引脚与PA3〜P5连接。实验板的键盘电路如图3.4所示：图3.9矩阵式键盘电路当开始扫描时，首先将列设置0电平，然后检查各行电平是否都为高电平，若有低电平，说明有键被按下后，然后依次让一列线处于低电平，其余的处于高电平，检查行线的状态，若为低，说明此行和此列相交的按键被按下。3.2.9蜂鸣器电路信号由P0.2引脚进入三极管进行放大，推动蜂鸣器SPEAK发声。该部分只用3个元件，蜂鸣器为微型压电式。其电路图如图3.10所示：图3.10蜂鸣器电路P0.2接晶体管基极输入端，当P0.2为高电平时，品体管导通，蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P0.2输出低电平时，品体管截止，蜂鸣器停止发声。3.2.10继电器控制单片机是一个弱电器件，一般情况下他们大都工作在5V甚至更低。驱动电流在mA级以下。而要把它用于一些大功率场合，比如控制电动机，显然是不行的。所以，就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”。继电器驱动就是一个典型的、的功率驱动环节。在这里，继电器驱动含有两个意思：一是对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件：还有就是继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器，可以直接驱动接触器，所以，继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。其电路图如图3.11所示：图3.11继电器控制电路3.2.11AD电路电路采用双极性输入接法，可对-5V〜+5V或-10V〜+10V模拟信号进行转换。转换结果的高8位从DB11〜DB4输出，低4位从DB3〜DB0输出，即A0=0时，读取结果的高8位；当A0=1时，读取结果的低4位。若遵循左对齐的原则，DB3〜DB0应接单片机的P0.7〜P0.4。STS引脚接单片机的P0.0引脚，采用查询方式读取转换结果。当单片机执行对外部数据存储器写指令，使CE=1，CS=0，R/C=0，A0=0时，启动A/D转换。当单片机查询到P0.0引脚为低电平时，转换结束，单片机使CE=1，CS=0，R/C=1，A0=0，读取结果高8位；CE=1，CE=0，R/C=1，A0=1，读取结果的低4位。AD1674接口电路全部连接完毕后，在模拟输入端输入一稳定的标准电压，启动A/D转换，12位数据亦应稳定。如果变化较大，说明电路稳定性差，则要从电源及接地布线等方面查找原因。AD1674的电源电压要有较好的稳定性和较小的噪声，噪声大的电源会产生不稳定的输出代码，所以在设计印制电路板时，要注意电源去耦、布线以及地线的布置。其电路图如图3.12所示：图3.12AD转换电路3.2.12温度传感DS18B20的性能特点：采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）测温范围为-55°C-+125°C，测量分辨率为0.0625C内含64位经过激光修正的只读存储器ROM适配各种单片机或系统机用户可分别设定各路温度的上、下限内含寄生电源。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。

温度传感电路如图3.13所示:图3.13温度传感电路在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接1KQ左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法。3.2.13电源电源(Vcc)是整个实验板正常工作的动力源泉。电源电压过大会大大缩短芯片的工作寿命，严重的会烧毁芯片及其它元器件；过小将不能驱动实验板工作电路。因此设定合适的电源电压值非常重要。此实验板主要芯片工作电压均位+5V左右。C14电容对外电源输入的电压进行滤波；C13电容对整形后的电压进行滤波，确保Vcc端输入+5V直流电压，LCVV为光二级管，接通电源时，灯亮表示电源电路供电正常，否则电源电路出错。3.3软件部分3.3.1温度传感程序CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。DS18B20初始化程序：INIT_1820:SETBP0.0NOPCLRP0.0MOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR1:DJNZR0,TSR1;延时MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR1SETBP0.0NOPNOPNOPMOVR0,#25HTSR2:JNBP0.0,TSR3DJNZR0,TSR2LJMPTSR4;延时TSR3:SETB20H.1;置标志位，表示DS1820存在LJMPTSR5TSR4:CLR20H.1;清标志位，表示DS1820不存在LJMPTSR7TSR5:MOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR6:DJNZR0,TSR6;延时MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR6TSR7:SETBP0.0RET3.3.23X3矩阵按键程序矩阵按键扫描程序:SETBP0.0SETBP0.1SETBP0.2SETBP0.3SETBP0.4SETBP0.5KEY:CLRP0.0CLRP0.1CLRP0.2JNBP0.3,KEY0JNBP0.4,KEY0JNBP0.5,KEY0SJMPKEYKEY0:LCALLDELAYSETBP0.0CLRP0.1CLRP0.2JNBP0.3,KEY6JNBP0.4,KEY12JNBP0.5,KEY13CLRP0.0SETBP0.1CLRP0.2JNBP0.3,KEY14JNBP0.4,KEY10JNBP0.5,KEY11CLRP0.0CLRP0.1SETBP0.2JNBP0.3,KEY12JNBP0.4,KEY13JNBP0.5,KEY14SJMPKEYKEY6:LCALLPRO1LJMPKEYKEY12:LCALLPRO2LJMPKEYKEY13:LCALLPRO3LJMPKEYKEY14:LCALLPRO4LJMPKEYKEY10:LCALLPRO5LJMPKEYKEY11:LCALLPRO6LJMPKEYKEY12:LCALLPRO7LJMPKEYKEY13:LCALLPRO8LJMPKEYKEY14:LCALLPRO9LJMPKEYTOC\o"1-5"\h\zPRO1: .RETPRO2: .RETPRO3: .RETPRO4: .RETPRO5: .RETPRO6:.RETPRO7:.RETPRO8:.RETPRO9:.RET3.3.3LED显示LED流水灯显示，单片机P2端口接8只LED，每次点亮一只，向右移动点亮，重复循环。程序如下：

START：R0,START：A,#01111111BP2,ADELAAR0,LOOPSTARTR5,#50R6,#100R7,#100R7,$R6,DLY2R5,DLY1MOVMOVL00PMOVMOVL00P：MOVACALLRRDJNZLJMPDELAY：MOVDLYl：MOVDLY2：MOVDJNZDJNZDJNZRETEND该电路完成一次A/D转换的查询方式的程序如下:AD