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单片机课程设计报告（内含三个题目，附程序）.docx

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.32M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    中原工学院单片机课程设计 目录 一、前言……………………………………………………………2 二、设计内容………………………………………………………5 三、相关技术………………………………………………………7 四、硬件设计………………………………………………………16 五、软件设计………………………………………………………20 六、心得体会………………………………………………………22 七、参考文献………………………………………………………23 八、附录……………………………………………………………24 1
    中原工学院单片机课程设计 一、前言 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器 （Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU 表示单片 机，它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域 的广泛应用，为使更多的业内人士、学生、爱好者，产品开发人 员掌握单片机这门技术，于是产生单片机开发板，比较有名的例 如电子人 DZR-01A 单片机开发板。单片机由芯片内仅有 CPU 的专 用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂 的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照 这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发 展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统 直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出 现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。 90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。 随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用，32 位 单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。 而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯 片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型 的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲： 一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、 为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是 了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、MCU、SoC 三 大阶段。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广， 发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机 种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，其发展趋势 将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、 低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 （一）单片机发展历程： 1、SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer） 2
    中原工学院单片机课程设计 阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。 “创新模式”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发 展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可 没。 Controller 2、MCU 即微控制器（Micro Unit）阶段，主 要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时对象系统要求 的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它 所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避 免地落在电气、电子技术厂家。 3、单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展 的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此， 专用单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展，基于 SoC 的单片机应用系统设计会有较 大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片 微控制器延伸到单片应用系统。 （二）单片机的发展趋势： 1、CMOS 化：近年，由于 CHMOS 技术的进小，大大地促进了 单片机的 CMOS 化。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗 的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后 以 80C51 取代 8051 为标准 MCU 芯片的原因。 2、低功耗化：单片机的功耗已从 mA 级将至 uA 级，甚至 1uA 以下；使用电压在 3~6V 之间，完全适应电池工作。低功耗化的 效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力 以及产品的便携化。 3、低电压化：几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运 行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在 3~6V 范围内工 作。低电压供电的单片机电源下限已可达 1~2V。目前 0.8V 供电 的单片机已经问世。 4、低噪声与高可靠性：为提高单片机的抗电磁干扰能力， 使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的 要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。 5、大容量化：以往单片机内的 ROM 为 1KB~4KB，RAM 为 64~128B。 但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接 扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储 器大容量化。目前，单片机内 ROM 最大可达 64KB，RAM 最大为 2KB。 6、高性能化：主要是指进一步改进 CPU 的性能，加快指令 运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC） 3
    中原工学院单片机课程设计 结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高 者已达 100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令 每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。 7、小容量、低价格化：与上述相反，以 4 位、8 位机为中心 的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把 以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家 电产品。 8、外围电路内装化：这也是单片机发展的主要方向。随着 集成度的不断提高，有可能把众多的各种外围功能器件集成在片 内。除了一般必须具有的 CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外， 片内集成的部件还有模/数转换器、DMA 控制器、声音发生器、监 视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路 等。 （三）单片机的应用： 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航 天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几 个范畴： 1、在智能仪器仪表上的应用：单片机具有体积小、功耗低、 控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于 仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、 频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元 素、压力等物理量的测量。 2、在工业控制中的应用：用单片机可以构成形式多样的控 制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智 能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3、在家用电器中的应用：可以这样说，现在的家用电器基 本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、 彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所 不在。 4、在计算机网络和通信领域中的应用：现代的单片机普遍 具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算 机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信 设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程 控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信等。 5、单片机在医用设备领域中的应用：单片机在医用设备中 的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超 声诊断设备及病床呼叫系统等等。 4
    中原工学院单片机课程设计 二、设计内容 （一）数据采集系统 从键盘中任意选出 6 个键作为系统的功能键和 LED 数码 显示一起组成一个单片机键盘显示系统（小的监控程序），并 通过实验箱上的接口芯片实现相应的功能（注：这些硬件电 路全在实验箱上，但自己要能设计）。要求设计相应的硬件电 路，并画出实现题目要求功能的流程图，编写、调试相应的 程序。 编程要求： 开机后显示班级号（4 位），学号（2 位）（复位状态）， 然后通过功能键设置参数，而后运行主程序。6 个功能键为： 设 定 加 一 减 一 换 位 确 定 运 行 设置参数步骤：复位状态下，按下“设定”键后 6 位显 示的状态为： 显示设定值 8 8 8 8 0 1 显示参数行号 四位设定值中的某一位小数点亮（或者整个值闪烁），表 示对该位进行设置。 用“加一”、“减一”键改变该位的值， 用“换位”键改变设置位（由左到右）， 用“确定”键保存设定的值。 本次设计要求能设置四行（路）参数即可，每行（路）参数 在 0－9999 之间，当连续按“确定”键时，对应的行（路）号（上 图）从 01－04 循环变化。按下“运行”键，执行不同的程序， 共有三种要求，每位同学只需完成其中一种要求即可或自愿全做： 1、执行数据采集程序（参考硬件实验十四，但要求不同），采集 模拟量 0－5V，显示对应的物理量在 0000－1000 之间变化。 5V 对应的显示值是多少可以在设定时通过参数设置选择（选 择其中一路作为 5V 对应值）。 2、执行数据采集程序，采集模拟量 0－5V，显示对应的物理量在 000－500 变化，当采集值大于设定值的 10%时，声光报警（自 5
    中原工学院单片机课程设计 定方式），设定值在 200－400 之间任意确定，运行前通过键 盘给定，采集值恢复正常时，报警自动解除。 执行温度采集程序，显示温度值（参考实验二十三），当温度 大于设定值（25℃－35℃之间）时，让直流电机转动，温度越高， 转速越快，转速不做具体要求，只要能用肉眼看出变化即可。温 度设定值通过键盘给定。 （二）直流电机转速控制系统 控制原理图如下图所示： +5V 虚框内为单片机系统实现的功能 转速 给定 — 比例 系数 DAC 直流电机 光电 传感器 图 2-1 电机转速控制原理示意图 要求：直流电机按照给定的转速运行，当给定值变化时，电 机转速随之变化。同时在 LED 显示（6 位八段码）给定转速值和 实际转速值，显示格式如下： 给定转速值 实际转速值 6
    中原工学院单片机课程设计 三、相关技术 （一）开发环境 本次课设的开发环境为南京伟福的伟福 6000 编译器。伟福 编译器是一款专门用于对汇编语言进行编译的软件，好用的单片 机代码编译器、仿真器，支持多种型号单片机，能够生成 BIN 和 HEX 文件，最大的好处是直接同时生成 BIN 和 HEX 文件。其软件 如图 3-1。 （二）硬件环境 图 3-1 伟福 6000 软件 伟福 LAB8000 系列仿真实验系统如图 3-2 是一套单片机/微 机接口/嵌入式实验室综合解决方案，支持 MCS-51、MCS-96、8086、 ARM、PIC16C5X，一套系统具备创建多个实验室的功能。其具有 以下特点： 自带高性能仿真器，在板仿真器不占用任何用户资源，P0/P2 口可作为 I/O 口使用，支持 MCS51、MCS96、8086、32 位 ARM、 PIC16C5X 以及其他种类的 MCU。 双向开放，在板仿真器可开放给其他用户板使用，作为课程 设计、课题研究、科研、电子竞赛使用；同时实验、总线也可开 放给 51、96、8086、32 位 ARM、PIC16C5X 以及其他种类的 MCU。 7
    中原工学院单片机课程设计 含逻辑分析仪功能，最高采样频率 100MHz 可以清晰再现单 片机内部时序，教师结合书本可以更容易讲解以往很难让学生理 解的时序章节，学生也更容易的理解实际工作时序。 真正的 USB 接口，而非 USB-RS232 转接方式，不存在串口兼 容性问题； 用户模块可以扩展，实验系统预留扩展槽，可以设计、安排 各种多样化、趣味性的实验； 采用集成度高、运行速度极高的 FPGA 器件作为主控芯片， 最高仿真频率极高； 调试软件中可以设置实验向导，教师可以自行安排特定实验 并设置相应的实验向导；一部分实验任务可以搬到实验室以外完 成，从而提高实验室中的实验、设计效率； 实验系统电路模块整齐、清晰，实验用元器件符号、结构直 观明了。 印制电路板采用金属喷漆镀膜降低环境噪声；上层连线较少， 防止尖状物损坏电路板上层连线； 印制板生产全部采用波峰焊＋贴片焊接技术，焊点可靠、整 齐美观； 实验插孔采用叠式自锁镀金大孔，接触可靠，便于维护； 外壳采用防火/抗震材料，转角采用铝合金加固，结构结实、 经久耐磨。 （三）涉及芯片 图 3-2 LAB8000 实验箱 8
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