3单片机基础课程设计指导书.pdf

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1、1/15 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教师：雷冀南设计期限：2018年 04月 14日开始2018 年 04 月 25 日结束华北水利水电学院机械学院2018 年 4 月2/15 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配合本课程的教案和平时实验，以达到巩固消化课程的内容，进一步加强综合应用能力及单片机应用系统开发和设计能力的训练，启发创新思维，使之具有独立单片机产品和科研的基本技能，是以培养学生综合运用所学知识的过程，是知识转化为能力和能力转化为工程素质的重要阶段。二、课程设计任

2、务根据给定的任务要求选择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，根据系统制作并调试系统电路板，使之实现任务要求。有关参数选择要求符合国家标准。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.系统控制程序设计、调试及实现：1）根据要求，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，在实验平台上连线，检查无误；4）将目标文件传送到实验系统，执行并运行调试该程序，最终实现控制要求4.写出设计说明书，说明书格式见附录，30

3、00 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。课程设计由于时间安排、学生水平、实验条件等诸方面的限制，仅要求学生完成仿真调试即可。一）总体设计1、明确任务根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。如果需要还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，还是百分之一秒；温度测量系统要求测量多少路？测量

4、精度是多少；收银机计算金额的范围多大，最小单位是否计分；交通灯控制系统测量车流量的最大频率是多少等。文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4

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11、D6 ZL4V5L8D5M23/15 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，且硬件和软件具有一定的互换性。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。若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，也可利用实验仿真系统的硬件资源获得。二）硬件设计根据总体设计要求，确定系统扩展与功能接口，设计出系统的电路原理图。1、系统扩展实验仿真系统的CPU 是 8031，因此，必须首先组成最小系统，

12、即由8031、地址锁存器和程序存储器组成。根据课题要求，在此基础上进行扩展。包括程序存储器扩展、数据存储器扩展、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。如交通灯控制系统中要求控制四个方向的红、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 与外界的连接部件，以实现CPU 与外部设备的最佳耦合和匹配。包括键盘、显示、A/D 转换、D/A 转换和打印机等。根据课题要求，选用外设，并选用合适的外围接口芯片。3

13、、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 端口是采用端口地址与存储器地址统一编址的方式，即存储器映射方式。而编址技术又分线选法和译码法。由于实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，但学生在设计硬件时，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下列特点：软件结构清晰、简捷、流程合理。各功能程序实现模块化、子程序化。这样，既便于调试、链接，又方便移植、修改。程序存储区、数据存储区分配合理。运行状态实现标志化管理。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文档编码:CS1

14、0Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS

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21、件来控制。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。是定点数还是浮点数；是有符号数还是无符号数；是十六进制数还是BCD 码。如果一个参数的变化范围有限，就可以用定点数来表示，以简化程序设计和加快运行速度。当参数的变化范围太宽时，只好采用浮点数来表示，如智能电桥中被测对象的变化范围达 10个数量级 ll0 000F），定点数是无法胜任的。若要求数据的正负之分，则考虑定义有符号数。对于自然数列，为显示方便，可以采用BCD 码，如电脑时钟的时、分、秒。1.2、合理定义和分配

22、存储空间、定义标志位。资源分配的主要工作是RAM 资源的分配。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的分配。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 区延伸。如果系统前台程序要用 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，尽量避免用来做其他事情。20H2FH 这 16 个字节具有位寻址功能，用来存放各种软件标志、逻辑变量、位输入信息、位输出信息副本、

23、状态变量、逻辑运算的中间结果等。当这些工程全部安排好后，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 资源的详细分配清单，作为编程依据。为了增加可读性，便于修改，一般对分配的存储单元取名。如保存当前时间的时、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为分配给小时的存储单元的地址）。文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10

24、Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS1

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31、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。为方便起见，用R0 存放输入量数据块首地址，用R1存放输出量地址。则入口条件为R0，出口条件为R1。3.2、绘制程序框图根据问题的定义,确定算法，并绘制程序框图。注意必须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，数据必须小于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。在编程时必须注意以下几点：一定要严格根据框图编程。一定要写注释。通过编译后，只表明语法没错，并不表明逻辑正确，一定要

32、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，如果与预定结果不符，必须查找原因，进行修改、调试。必须注意随时保存调试通过的副本。以便当新程序出现故障时，随时可返回前面的正确点重新开始。4、编写设计说明书文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:

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37、档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2

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39、2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M26/15 设计说明书的格式见附录。由于设计时间紧迫，要求学生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。一开始不可能设计出满意的主程序框图。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、步进电机控制系统设计一）步进电机工作原理步进电机是工业过程控制及仪表中常用的控制元件之一，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，调节

40、电压或电流，从而实现对执行机构的控制。步进电机可以直接接收数字信号，不必进行数模转换，用起来非常方便。步进电机还具有快速启停、精确步进和定位等特点，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图所示。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均匀分布矩形小齿，电机的转子上有40 个矩形小齿均匀地分布的圆周上，相邻两个齿之间夹角为9

41、。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，如果这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，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原因。三相步进电机结构示意图例如在三相三拍控制方式中，若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，与中心线相文档编码:CS10Q9C2

42、V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C2V7Y10 HA10X4R6W6D6 ZL4V5L8D5M2文档编码:CS10Q9C

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49、对齐，转子就转动3，这样使电机转了一步。如果按照ABC的顺序轮流通电一周，则转子将动9。步进电机的运转是由脉冲信号控制的，传统方法是采用数字逻辑电路 环形脉冲分配器控制步进电机的步进。下图为环形脉搏冲分配器的简化框图。三相六拍环形脉搏冲分配器 运 转 方 向 控 制。如 图 所 示，步 进 电 机 以 三 相 六 拍 方 式 工 作，若 按A AB B BC C CAA次序通电为正转，则当按A AC C CB B BAA次序通电为反转。运转速度的控制。图中可以看出，当改变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，使电机转速改变，所以调节

50、CP 脉冲的周期就可以控制步进电机的运转速度。旋转的角度控制。因为每输入一个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口进行步进电机控制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。采用8031 单片机控制步进电机的运转，按四相四拍方式在P1 口输出控制代码，令其正转或反转。因此P1 口输出代码的变化周期 T 控制了电机的运转速度：n=60/T.N 式中：n 步进电机的转速转/分）；N 步进电机旋转一