2022年3单片机基础课程设计指导书.docx

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1、精品学习资源华北水利水电学院课程设计指导书课程名称：单片机应用基础专业：机械设计制造及其自动化指导老师：雷冀南设计期限： 2021 年 04 月 14 日开头2021 年 04 月 25 日终止华北水利水电学院机械学院2021 年 4 月欢迎下载精品学习资源一、课程设计目的单片机应用基础课程设计是学好本门课程的又一重要实践性教案环节，课程设计的目的就是协作本课程的教案和平常试验，以达到巩固消化课程的内容，进一步加强综合应用才能及单片机应用系统开发和设计才能的训练，启示创新思维，使之具有独立单片机产品和科研的基本技能，是以培育同学综合运用所学学问的过程，是学问转化为才能和才能转化为工程素养的重要

2、阶段；二、课程设计任务依据给定的任务要求挑选合适的单片机和其他电子元器件，进行系统硬件电路设计和软件编程，依据系统制作并调试系统电路板，使之实现任务要求；有关参数挑选要求符合国家标准；具体设计内容如下：1. 模拟步进电机、模拟交通灯模块、模拟键盘输入及显示模块；2. 设计系统工作原理图，利用 PROTEUS 软件绘制系统工作原理图；3. 系统掌握程序设计、调试及实现：1 ）依据要求，写出完整的程序流程图；2）将设计程序输入、汇编，排除语法错误，生成*.OBJ文件； 3 ）按所设计的原理图，在试验平台上连线，检查无误；4 ）将目标文件传送到试验系统，执行并运行调试该程序，最终实现掌握要求4. 写

3、出设计说明书，说明书格式见附录，3000 字左右三、 单片机应用系统的设计步骤单片机的应用系统随着用途不同，它们的硬件和软件结构差别很大，但系统设计的方法和步骤基本上是相同的；一般包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、固化程序、应用系统独立运行等步骤；课程设计由于时间支配、同学水平、试验条件等诸方面的限制，仅要求同学完成仿真调试即可；一）总体设计1、明确任务依据课题的要求确定系统的工作原理；如电脑时钟的工作原理为：每百分之一秒对计数一次，满 100 次秒加一，秒满 60 次分加一 ；并在数码管上显示时、分秒当前值；假如需要仍要提出相应的技术指标；如电脑时钟要求显示的最小单位为秒，仍是百分

4、之一秒；温度测量系统要求测量多少路？测量精度是多少；收银机运算金额的范畴多大，最小单位是否计分；交通灯掌握系统测量车流量的最大频率是多少等；欢迎下载精品学习资源2、 硬件和软件功能的划分系统的硬件配置和软件设计是紧密地联系在一起的，且硬件和软件具有肯定的互换 性；多用硬件完成一些功能，可以提高工作速度，但降低了系统的柔性；如用软件替代某些硬件功能，可增加系统的柔性，但降低系统的工作速度；因此，总体设计时，应综合考虑，合理划分硬件和软件的功能；在课程设计中，应充分利用仿真系统的硬件资源；如单个脉冲可以通过程序CPL P1.0 得到，也可利用试验仿真系统的硬件资源获得；二）硬件设计依据总体设计要求

5、，确定系统扩展与功能接口，设计出系统的电路原理图；1、 系统扩展试验仿真系统的CPU 是 8031 ，因此，必需第一组成最小系统，即由8031、地址锁存器和程序储备器组成；依据课题要求，在此基础上进行扩展；包括程序储备器扩展、数据储备器扩展、 I/O 口扩展 8155、8255、74LS164 ）、定时器 /计数器扩展 8253 ）和中断控制器扩展 8259）等；如交通灯掌握系统中要求掌握四个方向的红、绿、黄灯共 12 个，因此，需扩展 I/O 口，可选用 8255 ，也可利用串入并出移位寄存器 74LS164 扩展 2 个 8 位输出口的接口电路；2、 功能接口所谓接口是 CPU 与外界的连

6、接部件，以实现CPU 与外部设备的正确耦合和匹配；包括键盘、显示、 A/D转换、 D/A转换和打印机等；依据课题要求，选用外设，并选用合适 的外围接口芯片；3、 系统的组成及统一编址I/O 端口是 CPU 与 I/O 设备直接通信的地址；单片机系统对I/O 端口是采纳端口地址与储备器地址统一编址的方式，即储备器映射方式；而编址技术又分线选法和译码法；由于试验仿真系统的地址总线没有开放，如8155 、8255、0809 、0832 等芯片地址均已定义， 但同学在设计硬件时，仍应自行编址；三）软件设计一个优秀的的系统的软件应具有以下特点：软件结构清楚、简捷、流程合理；各功能程序实现模块化、子程序化

7、；这样，既便于调试、链接，又便利移植、修改；程序储备区、数据储备区分协作理；运行状态实现标志化治理；各个功能程序运行状态、运行结果以及运行要求都设置状态欢迎下载精品学习资源标志 一般用位寻址区的位）以便查询，程序的转移、运行、掌握都可以通过状态标志条件来掌握；实现全面软件抗干扰设计；由于条件有限，课程设计中不考虑；）软件设计一般步骤如下：1、 系统定义系统定义是在软件设计前，把软件承担的任务明确出来；1.1 、各种数据类型的定义；是定点数仍是浮点数；是有符号数仍是无符号数； 是十六进制数仍是BCD 码；假如一个参数的变化范畴有限，就可以用定点数来表示，以简化程序设计和加快运行速度；当参数的变化

8、范畴太宽时，只好采纳浮点数来表示，如智能电桥中被测对象的变化范畴达 10个数量级 l l0 000F），定点数是无法胜任的；如要求数据的正负之分，就考虑定义有符号数；对于自然数列，为显示便利，可以采纳BCD 码，如电脑时钟的时、分、秒；1.2 、合理定义和安排储备空间、定义标志位；资源安排的主要工作是RAM 资源的安排；片外RAM 的容量要比片内 RAM 大，通常用来存放批量大的数据，如采样数据系列；主要考虑片内RAM的安排；系统上电复位 时，自动定义 0 区为工作寄存器， 1 区为堆栈，并向2 区、 3 区延长；假如系统前台程序要用 1 区、 2 区作为工作寄存器，就应将堆栈空间重新规划，常

9、将堆栈安放在片内RAM 的高端，如 60H7FH ；在工作寄存器的8 个单元中， R0 和 R1 具有指针功能，是编程的重要角色，应充分发挥其作用，尽量防止用来做其他事情；20H 2FH 这 16 个字节具有位寻址功能，用来存放各种软件标志、规律变量、位输入信息、位输出信息副本、状态变量、规律运算的中间结果等；当这些工程全部支配好后，保留一两个字节备用，剩下的单元才可改作其他用途；30H7FH 为一般通用寄存器，只能存入整字节信息；通常用来存放各种参数、指针、中间结果，或用作数据缓冲区；RAM 资源规划好后，应列出一张RAM资源的具体安排清单，作为编程依据；为了增加可读性，便于修改，一般对安排

10、的储备单元取名；如储存当前时间的时、分、秒取HOUR 、MINI 、SEC，编程时用变量名，编译时只需在前面加HOUR EQU 24H即可 20H为安排给小时的储备单元的地址）；欢迎下载精品学习资源2、 软件结构设计软件设计有两种方法：一种是自上而下，逐步细化；另一种是自下而上，先设计出每一个具体的模块 和各个输出变量的存放地址 出口条件 ；例如输入量是经A/D 转换后的 8 个数字量，存入在以30H 为首的数据块中，输出量是这8 个数字量的平均值，存放在40H 中；为便利起见，用R0 存放输入量数据块首地址，用 R1 存放输出量地址；就入口条件为R0，出口条件为 R1；3.2 、绘制程序框图

11、依据问题的定义 ,确定算法，并绘制程序框图；留意必需确保程序框图的正确性；比如在电脑时钟中，考虑输入“分”的数据的合理性，数据必需小于60，程序框图中就不能忽视等于 60 如何处理；这是初学者常犯的错误；3.3 、编写程序在确保程序框图的正确性的前提下，才能编写程序；在编程时必需留意以下几点：肯定要严格依据框图编程；肯定要写注释；通过编译后，只说明语法没错，并不说明规律正确，肯定要用不同的数据对模块进行测试；完全符合预定结果，方可确认通过；将该模块加到主控模块进行测试，假如与预定结果不符，必需查找缘由，进行修改、调试；必需留意随时储存调试通过的副本；以便当新程序显现故障时，随时可返回前面的正确

12、点重新开头；4、 编写设计说明书欢迎下载精品学习资源设计说明书的格式见附录；由于设计时间紧迫，要求同学尽量不要在完成全部设计后再编写设计说明书；而应在设计过程中逐步完成；一开头不行能设计出中意的主程序框图；因此，总体设计部分在完成全部设计任务后再写；而硬件部分和软件部分可以在设计过程同步完成；四、步进电机掌握系统设计一）步进电机工作原理步进电机是工业过程掌握及外表中常用的掌握元件之一，例如在机械装置中可以用丝杠把角度变为直线位移，也可以用步进电机带螺旋电位器，调剂电压或电流，从而实现对执行机构的掌握；步进电机可以直接接收数字信号，不必进行数模转换，用起来特别方 便；步进电机仍具有快速启停、精确

13、步进和定位等特点，因而在数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中得到广泛的应用；步进电机实际上是一个数字/角度转换器，三相步进电机的结构原理如下列图；从图中可以看出，电机的定子上有六个等分磁极，A 、A、 B、 B、C、 C ，相邻的两个磁极之间夹角为 60，相对的两个磁极组成一相A- A， B-B， C-C），当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成N 极和 S 极，每个磁极上各有五个匀称分布矩形小齿，电机的转子上有 40 个矩形小齿匀称地分布的圆周上，相邻两个齿之间夹角为9；当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路，假如这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，就在磁场的

14、作用下，转子将转动肯定的角度，使转子和定子的齿相互对齐；由此可见，错齿是促使步进电机旋转的缘由；三相步进电机结构示意图例如在三相三拍掌握方式中，如A 相通电， B 、C 相都不通电，在磁场作用下使转子齿和 A 相的定子齿对齐，我们以此作为初始状态；设与A 相磁极中心线对齐的转子的齿为0 号齿，由于 B 相磁极与A 相磁极相差 120 ，不是 9的整数倍 120 9=40/3 ），所以此时转子齿没有与B 相定子的齿对应，只是第13 号小齿靠近 B 相磁极的中心线，与中心线相欢迎下载精品学习资源差 3，假如此时突然变为B 相通电， A 、C 相不通电，就 B 相磁极迫使 13 号转子齿与之对齐，转

15、子就转动3，这样使电机转了一步；假如依据ABC 的次序轮番通电一周，就转子将动 9；步进电机的运转是由脉冲信号掌握的，传统方法是采纳数字规律电路 环形脉冲安排器掌握步进电机的步进；下图为环形脉搏冲安排器的简化框图；三相六拍环形脉搏冲安排器 运 转 方 向 控 制 ； 如 图 所 示 ， 步 进 电 机 以 三 相 六 拍 方 式 工 作 ， 如 按A AB B BC C CAA次序通电为正转，就当按A AC C CB B BAA 次序通电为反转；运转速度的掌握；图中可以看出，当转变CP 脉冲的周期时， ABC 三相绕组高低电平的宽度将发生变化，这就导至通电和断电时速率发生了变化，使电机转速转变

16、， 所以调剂 CP 脉冲的周期就可以掌握步进电机的运转速度；旋转的角度掌握；由于每输入一个CP 脉冲使步进电机三相绕组状态变化一次， 并相应地旋转一个角度，所以步进电机旋转的角度由输入的CP 脉冲数确定；二）利用 P1 口进行步进电机掌握系统设计原理图举例说明： 20BY-0 型 4 相步进电机，其工作电压为4.5V,在双四拍运行方式时 ,其步距角为 18O ,相直流电阻为55,最大静电流为 80Ma ；采纳 8031 单片机掌握步进电机的 运转，按四相四拍方式在P1 口输出掌握代码，令其正转或反转；因此P1 口输出代码的变化周期 T 掌握了电机的运转速度：n=60/T.N式中： n 步进电机

17、的转速 转/分）；N 步进电机旋转一周需输出的字节数；T 代码字节的输出变化周期；设 N=360/ 18 =20 ， T=1.43ms, 就步进电机的转速为2100 转/分；掌握 P1 口输出的代码字节个数即掌握了步进电机的旋转角度；依据步进电机工作原理，使用8031 的 P1.0-P1.3 分别驱动步进电机A 、B、C、D 相，欢迎下载精品学习资源开 始清状态寄存器置正转 A 相通电步计数器 R7 置 100 步延时计数器 42H 置 20042） R6调用延时 1ms 子程序NR6） -1=0 ？Y32H） -1 32H调用步进电机子程序步计数器 R7 置 100 步NR7） -1=0 ？

18、Y42） R6调用延时 1ms子程序步计数器 R7置 100 步N42） R6R6） -1=0 ？Y调用延时 1ms 子程序调用步进电机子程序NR6） -1=0 ？Y42H）+1 42H调用步进电机子程序NR7） -1=0 ？NYR7） -1=0 ？用软件掌握 P1 口输出一脉冲序列，掌握步进电机转速、方向、步距；同时为能观看步进电机旋转状态，在 A、 B、C、D 相输出到状态指示灯；Y步进电机掌握主程序框图欢迎下载精品学习资源开 始40H） +1 40HY40H） 30 40HN正转？依据 40H）查 CTAB A依据40H）查 FTAB AA） 0 3 20H） 0 320H） P1 口返

19、回正反转步进子程序框图掌握原理图欢迎下载精品学习资源方式，也可以采纳单 四拍 ABCDA方式，或单、双八拍AABBBCCCDDDAA方式；各种工作方式的时序图如下：高电平有效）双四拍方式单四拍方式单、双八拍工作方式欢迎下载精品学习资源上图中示意的脉冲信号是高有效，但实际掌握时公共端是接在 VCC 上的，所以实际掌握脉冲是低有效； 8255 的 PA 口输出的脉冲信号经 MC1413 或 ULN2003A ）倒相驱动后， 向步进电机输出脉冲信号序列； 8051 或 80C196 单片机也可以通过 P1 口输出脉冲信号掌握步进电机的运转；五、模拟键盘输入显示系统设计一）键盘工作原理键盘是由如干按键

20、组成的开关矩阵，是嵌入式掌握系统的一种输入部件；键盘分两种：一种是独立式按键，另一种是矩阵式按键；如下列图；独立式按键用的比较少，可以直接与单片机的P1 口某一位进行连接，通过判定这一位的状态知道是否有键输入；在应用中通常需要数量较多的按键，为了削减I/O 口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如下列图；在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接；这样，一个端口如 P1 口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于 键盘多出了一倍，而且线数越多，区分越明显，比如再多加一条线就可以构成20 键的键盘，而直接用端口线就只能多出一键9 键）；由此可见，在需

21、要的键数比较多时，采纳矩阵法来做键盘是合理的；独立式键盘和4*4 矩阵式键盘矩阵式结构的键盘明显比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，行线通过电阻接正电源，并将列线所接的单片机的I/O 口作为输出端，而行线所接的I/O 口就作为输入；这样，当按键没有按下时，全部的输出端都是高电平，代表无键按下；行线输出是低电平，一旦有键按下，就输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了；欢迎下载精品学习资源二） LED 显示接口及原理LED 是发光二极管的英文缩写，LED 显示器是由发光二极管构成的，它在单片机中的应用特别普遍；通常所说的LED 显示器由 7 个发光二极管组成，

22、其排列外形如下列图；此外，显示器中仍有一个圆点型发光二极管以dp 表示，用于小数点表示；通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号；LED显示中的发光二极管共有两种连接方法 :共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极；使用时公共阳极接+5V ；这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的就不亮；共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极；使用时公共阴极接地；这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的就不亮；掌握数码管驱动级的掌握电路有静态式和动态式两类：静态驱动：它是指每个数码管都要用一个译码器译码驱动；动态驱动：它

23、是所的数码管使用一个特地的译码驱动器，使各位数码管逐个轮番显示，它的扫描速度极快，因此显示成效与静态驱动相同；采纳动态数码管显示，可以大幅度地降低硬件成本和电源的功耗，由于某一时刻只有一个数码管工作，就是所谓的分时显示，显示所需要的硬件电路可分时复用；共阴极共阳极符号与引脚 如表 1 为共阳极与共阴极的代码表表 1 十六进制数字形代码表欢迎下载精品学习资源字型共阳极代码共阴极代码字型共阳极代码共阴极代码0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF8EH71

24、H7F8H07H灭FFH00H880H7FH 判定键盘中有无键按下：将全部行线 P1.0 到 P1.3 置低电平，然后检测列线的状态；只要有一列的电平为低，就表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根 行 线 相 交 叉 的 4 个 按 键 之 中 ； 如 所 有 列 线 均 为 高 电 平 ， 就 键 盘 中 无 键 按 下 ；2 判定闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程；其方法是：将行线置为低电平，即在置行线为低电平常，其它线为高电平；在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态；如某列为低，就该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的

25、按键；检测的方法是P1.4-P1.7 输出全 “1”，读取 P1.0-P1.3 的状 态 ， 如P1.0-P1.3为 全 “0”， 就 无 键 闭 合 ， 否 就 有 键 闭 合 ；3 去除键抖动：当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判定；4 识别：当确定键按下时，通过软件运算键码找到相对位置的数据调用显示模块把数字或字母显示出来；六、系统工作原理图设计依据总体设计要求，确定系统扩展与功能接口，设计出系统的电路原理图，并用PROTEUS 软件绘制，然后进行模拟仿真；欢迎下载精品学习资源PROTEUS 软件具体使用说明请见相关参考资料；七、系统仿真和调试依据系统电路原理图，在Lab2

26、000 单片机仿真试验系统上正确连线，并使用WAVE 软件进行软件仿真和硬件仿真，验证电机掌握是否符合要求；Lab2000 单片机仿真试验系统和WAVE 软件使用说明请见相关参考资料；八、课程设计说明书课程设计说明书要求字数不少于3000 字，目录和格式请参考附录机械制造教研室2021 年 4 月欢迎下载精品学习资源附录 :课程设计说明书格式封面目录 以下内容仅供参考）第一章 课程设计的目的和要求11.1 课程设计的目的和要求11.2 课程设计预备学问11.3 课题设计的任务2 其次章 总体设计介绍对系统设计的总体熟悉及解决方案，并对实行的方案进行论证第三章 硬件设计介绍本系统所选用的各种芯片的功能、引脚、相应的命令掌握字格式等，画出系统工作原理图及实现方法第四章 软件设计介绍本系统的主要功能模块程序的框图，以及总体程序框图和设计思路第五章 系统调试介绍系统调试过程以及显现的问题、解决方法第六章 终止语简述课程设计的收成、体会以及对本教案环节的看法和建议参考文献附录 30正文参考文献附录 1系统工作原理图附录 2各模块程序清单，并注释说明附录 3欢迎下载