1.緒論在2013年1月1日到2013年1月19日，在老師帶領指導下，我們進行了為期兩周的課程設計。在課程設計期間，指導老師與同學們交流溝通，答辯解疑，同學們積極提出疑問與設想，老師給出提示，同學們之間進行討論，現(xiàn)場氣氛活躍，這對我們的成功完成課程設計具有巨大指導意義。課程設計是根據(jù)教學計劃規(guī)定，在學生完成必要的專業(yè)課之后，安排的實踐環(huán)節(jié)。是理論聯(lián)系實際，應用和鞏固所學專業(yè)的一項重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)我們能力和技能的一個重要手段，激發(fā)我們對專業(yè)課的興趣，增強我們學習專業(yè)知識的興趣，使我們在專業(yè)課學習時能與認識實習所見聯(lián)系起來，為專業(yè)知識的總結(jié)奠定基礎。課程設計還可使我們加深了解本專業(yè)的學習內(nèi)容，專業(yè)范圍，對將來的崗位也有一定的認識。通過實踐，增強對社會的適應性，將自己所學融入到實際生活中去，培養(yǎng)自己的實踐和設計能力，為我們畢業(yè)后夢更好融入社會打下堅實的基礎。本報告對課程設計內(nèi)容進行說明解釋，包括設計過程，主要元件的結(jié)構、性能和工作原理，并有相關的編程和電氣原理圖，并對本次課程設計的收獲與體會做了總結(jié)。2.單片機概述2.1什么是單片機單片機是把中央處理器CPU(CentralProcessingUnit)，隨機存取存儲器RAM(RandomAccessMemrty)，只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory),定時器/計數(shù)器以及I/O接口電路等主要計算部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。單片機的應用導致了控制領域的一場革命，是微控制技術逐步取代傳統(tǒng)的硬件控制。近十幾年來，單片機在生產(chǎn)過程控制、自動檢測、數(shù)據(jù)采集與處理、科技計算、商業(yè)管理和辦公室自動化等方面獲得了廣泛的應用。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應用于衛(wèi)星定向、汽車火花控制、交通自動管理和微波爐等專用控制上。近幾年來，單片機的發(fā)展更為迅速，它己滲透到諸多學科的領域，以及人們生活的各個方面。2.2單片機發(fā)展史單片機出現(xiàn)的歷史并不長，它的產(chǎn)生與發(fā)展與微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體上同步，也經(jīng)歷了四個階段：第一階段:1971?1974年，1971年11月美國Inter公司設計成集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel4004，并配有隨機存取存儲器RAM，只讀存儲器RAM和移位寄存器等芯片，構成第一臺MCS-4微型計算機。隨后又研制成了8位微處理器Intel8008。這些微處理器雖說還不是單片機，但從此拉開了研制單片機的序幕。第二階段：1974?1978年，初級單片機階段，以Intel公司的MCS-48為代表，這個階段的單片機內(nèi)集成有8位單片機，并行I/O口，8位定時器/計數(shù)器，尋址范圍不大于4K，且無串行口。第三階段：1978?1983年，高性能單片機階段。這一階段單片機和前階段相比，不僅存儲容量和尋址范圍大，而且中斷源、并行I/O口和定時器種類有了增加，集成了全雙工串行通信接口。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設了乘除法和比較指令。MCS-51系列產(chǎn)品由于其優(yōu)良的性能價格比，在相當一段時間處于主流產(chǎn)品地位。第四階段：1983年至今。8位單片機鞏固發(fā)展及16位單片機推出階段。16位單片機工藝先進、集成度高、內(nèi)部功能強，而且允許用戶采用面向工業(yè)控制的專用語言?，F(xiàn)階段：32位單片微機系列。繼16位單片機出現(xiàn)后不久，幾大公司先后推出了代表當前最高性能和技術水平的32位單片微機系列。32位單片機具有極高的集成度，內(nèi)部采用新穎的RISC（精減指令系統(tǒng)計算機）結(jié)構，CPU可與其他微控制器兼容，主頻頻率可達33MH2以上，指令系統(tǒng)進一步優(yōu)化，運算速度可動態(tài)改變，沒有高級語言編譯器，具有性能強大的中斷控制系統(tǒng)、定時/事件控制系統(tǒng)、同勿異步通信控制系統(tǒng)。這類單片機主要應用于汽車、航空航天、高級機器人、軍事裝備等方面。它代表著單片機發(fā)展中的高、新技術水平。2.3單片機的性能特點單片機芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，除了具備通用微機CPU的數(shù)值計算功能外，還必須具有靈活、強大的控制功能，以便實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸入量、控制系統(tǒng)的輸出量，實現(xiàn)自動控制的目的。由于單片機主要面向工業(yè)控制，工作環(huán)境比較惡劣，加高溫、強電磁干擾，甚至合有腐蝕性氣體；在太空小工作的單片機控制系統(tǒng)，還必須具有抗輻射能力。因而，決定了單片機CPU與通用微機CPU具有小同的技術特征和發(fā)展方向：抗干擾性強.工作溫度范圍寬。通用微機CPU一般要求在室溫下工作.抗干擾能力也較低?？煽啃愿?。控制功能往往很強，數(shù)值計算能力較差。通用微機CPU具有很強的數(shù)值運算能力控制能力相對較弱。將通用微機用于工業(yè)控制時，一般需要增加一些專用的接口電路。指令系統(tǒng)比通用微機系統(tǒng)簡單。2.4AT89S51單片機簡介AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4KBytesISP(In-SystemProgramming)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS.51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和IspFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4KBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128Bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗(wdt)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時計數(shù)器、串行口、外部中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外部中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。3.應用系統(tǒng)開發(fā)平臺設計方案3.1開發(fā)平臺的功能設計微控制器應用系統(tǒng)開發(fā)平臺的目的是在設備開發(fā)初期，利用該平臺進行開發(fā)，加快開發(fā)速度，進行各項系統(tǒng)功能的實驗驗證工作。該平臺是電氣控制開發(fā)人員的重要輔助工具。所設計為控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，以單片機為控制核心，要求設計控制器最小系統(tǒng)，LED顯示，數(shù)碼管顯示，獨立按鍵，矩陣式鍵盤，蜂鳴器電路，繼電器控制，1602液晶顯示，實時時鐘，AD/DA電路，串口通訊，溫度傳感。其典型應用系統(tǒng)框圖如下圖所示：3.2硬件部分3.2.1控制器最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)，是指用最少的元件組成以單片機為核心元件的可以正常工作具有特定功能的單片機系統(tǒng)，是單片機產(chǎn)品開發(fā)的核心電路。下面我們設計單片機最小系統(tǒng)，同時應具有上電復位和手動復位功能，并且使用單片機片內(nèi)程序存儲器存放用戶程序，如圖3.2所示：圖3.2最小系統(tǒng)3.2.2時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時鐘信號，時序是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關系。單片機本身就如同一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。在AT89S51單片機內(nèi)部帶有時鐘電路，因此，只需要在片外通過XTALl和XTAL2引腳接入定時控制元件（品體振蕩器和電容），即可構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。在AT89S51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTALl和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容。AT89S51的時鐘電路如圖3.3所示：FT圖3.3時鐘電路用晶振和電容構成諧振電路。電容C5、C6容量為15-40pF之間，大小與晶振頻率和工作電壓有關。但電容的大小影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性，為了提高精度，本實驗板采用20pF的電容作為微調(diào)電容。在設計電路板時，晶振、電容等均應盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。3.2.3復位電路復位是單片機的初始化操作，其主要功能是使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化以外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境也需按復位鍵以重新啟動。AT89S51芯片內(nèi)部有復位電路，RST引腳是復位信號的輸入端高電平有效，復位方式有自動復位和手動復位兩種。本實驗板采用手動復位方式復位。AT89S51的復位電路如圖3.4所示：圖3.4復位電路當電源剛開始送電瞬間，電容相當于短路，RST端輸入高電平，AT89S51復位。短路瞬間之后，電容充電，RST端低電平。AT89S51需要復位時，按下手動復位鍵，電容通過電阻放電，當電容放電結(jié)束后，RST為高電平，AT89S51進入復位狀態(tài)，松手后，電容充電，RST端高電位下降，CPU脫離復位狀態(tài)。3.2.4LED顯示流水燈顯示電路主要由8只發(fā)光二極管組成，電路原理圖如圖3.5所示：圖3.5LED顯示電路8只發(fā)光二極管的正極通過限流排阻連接電源+5V，二極管的負極分別與單片機P2端口連接。3.2.5數(shù)碼管顯示數(shù)碼管是單片機控制系統(tǒng)中最常見的顯示器件之一，一般用來顯示處理結(jié)果或輸入與輸出信號的狀態(tài)。實驗板數(shù)碼管顯示電路如圖3.6所示:圖3.6數(shù)碼管顯示電路3.2.6液晶顯示器顯示器件是實驗板中普遍使用的輸出器件，較常用的是LED數(shù)碼管和LCD液晶顯示器。前者僅能顯示數(shù)據(jù)輸出，而后者能顯示更多，更復雜的字符，如漢字，甚至是圖形等。此實驗板采用LCD1602作為輸出顯示器件。LCD1602液晶是一款很常用，也很易用的字符液晶。可以顯示2行，每行16個字符，對比度可調(diào)、黃綠色背光。電源范圍4.5V-5.5V，數(shù)據(jù)總線4/8線均可。

實驗板液晶顯示電路如圖3.7所示:圖3.7液晶顯示電路V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。R/W讀寫選擇信號與P0.5連接，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。RS是數(shù)據(jù)顯示和指令數(shù)據(jù)選擇信號，與P0.4連接。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平,R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。ECLK端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。D0?D7是數(shù)據(jù)線，分別與P2.0--—p2.7連接，用于傳送CPU發(fā)送給顯示器的數(shù)據(jù)、指令等。

3.2.7獨立按鍵獨立按鍵就是每一個按鍵的狀態(tài)用一個I/O口檢測，并且每一個按鍵的狀態(tài)都不影響其他按鍵的工作，器電路圖如圖3.8所示：圖3.8獨立按鍵電路3.2.83X3矩陣式鍵盤鍵盤是人與AT89S51聯(lián)系的重要手段，用于向CPU輸入運行參數(shù)和控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。本實驗板用于學生實驗，為了減少鍵盤電路占用引腳數(shù)目，將鍵盤電路設計為3x3矩陣鍵盤形式。其中行線作為輸入引腳與P0口的PA0?PA2連接，列線作為引腳與PA3?P5連接。實驗板的鍵盤電路如圖3.4所示：圖3.9矩陣式鍵盤電路當開始掃描時，首先將列設置0電平，然后檢查各行電平是否都為高電平，若有低電平，說明有鍵被按下后，然后依次讓一列線處于低電平，其余的處于高電平，檢查行線的狀態(tài)，若為低，說明此行和此列相交的按鍵被按下。3.2.9蜂鳴器電路信號由P0.2引腳進入三極管進行放大，推動蜂鳴器SPEAK發(fā)聲。該部分只用3個元件，蜂鳴器為微型壓電式。其電路圖如圖3.10所示：圖3.10蜂鳴器電路P0.2接晶體管基極輸入端，當P0.2為高電平時，品體管導通，蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當P0.2輸出低電平時，品體管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。3.2.10繼電器控制單片機是一個弱電器件，一般情況下他們大都工作在5V甚至更低。驅(qū)動電流在mA級以下。而要把它用于一些大功率場合，比如控制電動機，顯然是不行的。所以，就要有一個環(huán)節(jié)來銜接，這個環(huán)節(jié)就是所謂的“功率驅(qū)動”。繼電器驅(qū)動就是一個典型的、的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)。在這里，繼電器驅(qū)動含有兩個意思：一是對繼電器進行驅(qū)動，因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件：還有就是繼電器去驅(qū)動其他負載，比如繼電器可以驅(qū)動中間繼電器，可以直接驅(qū)動接觸器，所以，繼電器驅(qū)動就是單片機與其他大功率負載接口。其電路圖如圖3.11所示：圖3.11繼電器控制電路3.2.11AD電路電路采用雙極性輸入接法，可對-5V?+5V或-10V?+10V模擬信號進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位從DB11?DB4輸出，低4位從DB3?DB0輸出，即A0=0時，讀取結(jié)果的高8位；當A0=1時，讀取結(jié)果的低4位。若遵循左對齊的原則，DB3?DB0應接單片機的P0.7?P0.4。STS引腳接單片機的P0.0引腳，采用查詢方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。當單片機執(zhí)行對外部數(shù)據(jù)存儲器寫指令，使CE=1，CS=0，R/C=0，A0=0時，啟動A/D轉(zhuǎn)換。當單片機查詢到P0.0引腳為低電平時，轉(zhuǎn)換結(jié)束，單片機使CE=1，CS=0，R/C=1，A0=0，讀取結(jié)果高8位；CE=1，CE=0，R/C=1，A0=1，讀取結(jié)果的低4位。AD1674接口電路全部連接完畢后，在模擬輸入端輸入一穩(wěn)定的標準電壓，啟動A/D轉(zhuǎn)換，12位數(shù)據(jù)亦應穩(wěn)定。如果變化較大，說明電路穩(wěn)定性差，則要從電源及接地布線等方面查找原因。AD1674的電源電壓要有較好的穩(wěn)定性和較小的噪聲，噪聲大的電源會產(chǎn)生不穩(wěn)定的輸出代碼，所以在設計印制電路板時，要注意電源去耦、布線以及地線的布置。其電路圖如圖3.12所示：圖3.12AD轉(zhuǎn)換電路3.2.12溫度傳感DS18B20的性能特點：采用單總線專用技術，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數(shù)，含符號位）測溫范圍為-55°C-+125°C，測量分辨率為0.0625C內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM適配各種單片機或系統(tǒng)機用戶可分別設定各路溫度的上、下限內(nèi)含寄生電源。DS18B20內(nèi)部結(jié)構主要由四部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL,高速暫存器。

溫度傳感電路如圖3.13所示:圖3.13溫度傳感電路在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND接地，I/O接單片機I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接1KQ左右的上拉電阻.我們采用的是第一種連接方法。3.2.13電源電源(Vcc)是整個實驗板正常工作的動力源泉。電源電壓過大會大大縮短芯片的工作壽命，嚴重的會燒毀芯片及其它元器件；過小將不能驅(qū)動實驗板工作電路。因此設定合適的電源電壓值非常重要。此實驗板主要芯片工作電壓均位+5V左右。C14電容對外電源輸入的電壓進行濾波；C13電容對整形后的電壓進行濾波，確保Vcc端輸入+5V直流電壓，LCVV為光二級管，接通電源時，燈亮表示電源電路供電正常，否則電源電路出錯。3.3軟件部分3.3.1溫度傳感程序CPU對DS18B20的訪問流程是：先對DS18B20初始化，再進行ROM操作命令，最后才能對存儲器操作，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議。如主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。DS18B20初始化程序：INIT_1820:SETBP0.0NOPCLRP0.0MOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR1:DJNZR0,TSR1;延時MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR1SETBP0.0NOPNOPNOPMOVR0,#25HTSR2:JNBP0.0,TSR3DJNZR0,TSR2LJMPTSR4;延時TSR3:SETB20H.1;置標志位，表示DS1820存在LJMPTSR5TSR4:CLR20H.1;清標志位，表示DS1820不存在LJMPTSR7TSR5:MOVR0,#06BHMOVR1,#03HTSR6:DJNZR0,TSR6;延時MOVR0,#6BHDJNZR1,TSR6TSR7:SETBP0.0RET3.3.23X3矩陣按鍵程序矩陣按鍵掃描程序: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顯示LED流水燈顯示，單片機P2端口接8只LED，每次點亮一只，向右移動點亮，重復循環(huán)。程序如下：

START：R0,START：A,#01111111BP2,ADELAAR0,LOOPSTARTR5,#50R6,#100R7,#100R7,$R6,DLY2R5,DLY1MOVMOVL00PMOVMOVL00P：MOVACALLRRDJNZLJMPDELAY：MOVDLYl：MOVDLY2：MOVDJNZDJNZDJNZRETEND該電路完成一次A/D轉(zhuǎn)換的查詢方式的程序如下:AD