《工业信号的检查与控制》电子教案.docx

《工业信号的检查与控制》电子教案.docx

《《工业信号的检查与控制》电子教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《工业信号的检查与控制》电子教案.docx（85页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

《工业信号的检查与控制》电子教案

第一次课（4课时）：

【课程引入】

1、课程定位：

（重要）

本门课程是电气自动化专业针对电气设备维护能力进行培养的一门专业学习领域核心课程。

主要培养学生的各类传感器的使用与维护能力、信号的采集与处理能力、电子线路的安装与调试能力以及单片机控制与工程应用能力。

2、单片机和传感器的应用：

（广泛）

1）现代生活生产中单片机和传感器的应用：

（视频“我机器人”）

2）大学生创新中单片机和传感器的应用：

（创新的相关视频）

3）电子设计竞赛中单片机和传感器的应用：

（2011年电子设计大赛题）

3、单片机与传感器技术的就业前景：

（前途）

4、学习资源：

（条件）

1）实验实训室等硬件环境：

单片机实训室、传感器实训室，测控网络实验室

2）虚拟的软件仿真平台：

keil汇编语言环境、proteus仿真环境。

3）网络平台：

传感器网站，各种公开的单片机学习网站。

【课程要求】

1、课程教学的主要形式：

分组教学，讲、学、练、评一体，实物与虚拟交替进行。

2、达到的教学目标：

1）每个团队能够独立的设计一个小型的测控系统（单物理量测量）、包括硬件、软件及最终的调试。

2）每个团队具有总结汇报团队所作工作，让人全面了解的能力。

同时每个团队也必须达到作为一个专业团队全面认识，公正认识其他团队成果的能力。

3）每位同学能够达到利用汇编语言进行程序编写的能力、能够掌握检测常见物理量的一般方法。

4）每个人能够达到利用网络和资源查询自己需要的测控相关知识的能力，可以实现自身的持续发展。

3、课程考核：

1）主动学习能力考核：

主要采用实践考评和卷面考评相结合，各占总成绩的20%。

2）团队合作能力考核：

包括任务的接受、任务的分工、任务的完成、任务的总结及呈现，主要采用过程考核的方式，根据每次任务完成的情况给予评价，占总成绩的50%。

3）良好的职业素养的考核：

主要包括出勤，卫生等个人素质表现，占总成绩的10%

4、课程内容：

为了达到本课程的目标，本课程分七个小的项目和一个综合设计项目来开展，其中前六个项目主要是老师在带领同学学习单片机和传感器的基础知识的同时由简到难递进式锻炼同学对给定的项目和任务的设计、实践、调试、总结的能力。

每个项目占大约三次到两次课的内容。

第七个小的项目主要由学生主导，教师为辅共同来进行设计的演练。

最后一个综合设计项目基本以学生为主，教师只提供技术指导和参与最终评价。

【分组】

2人一小组，4到6人一大组

【本次课程开始】

项目一：

设计单片机最小系统

本项目要求在学习单片机基本硬件、软件知识的基础上首先在PROTEUS软件中完成单片机最小系统的绘制与最小软件系统的联调，最终根据仿真实验的结果分组利用实物搭建出实际的单片机最小控制电路，并进行程序加载和调试，从而达到初步实现单片机控制电路的能力。

本项目的完成分三个小的任务来完成。

本次课我们完成第一个任务即可：

任务1-1绘制单片机硬件最小系统

1、任务要求：

在熟悉单片机硬件基本结构及单片机仿真软件PROTEUS的基础上，设计并绘制出单片机硬件最小系统图。

2、任务资讯：

1、什么是单片机：

2、AT89S51单片机内部结构包含哪几个部分？

其引脚共有多少，各具有什么功能？

3、单片机硬件系统包含哪些部分？

每部分有什么功能？

4、PROTEUS仿真软件中常用元件的名称？

如何绘制单片机控制电路图？

三、任务实施

1、写出单片机最小系统中使用到的元件在PROTEUS软件中的元件名称。

项目1认识单片机

任务1.1开发软件的应用

1、PROTUES软件的应用

二、单片机仿真实例

运行PROTUES软件进入下界面：

1、放置元件

单击“P”按钮，出现挑选元件对话框

在对话框的KEYWORDS中输入要挑选的元件，如输入“AT89C51”则出现如下界面，选择该单片机，点击“OK”关闭对话框即可。

任务1.2让单片机动起来

理论知识：

1.2.1微型计算机中数的表示方法

本次课要点：

原码、反码、补码的求法

数制之间的转换原则

〖新课内容：

〗

一、计算机中数的表示

计算机只识别和处理数字信息，数字是以二进制数表示的；它易于物理实现，同时，资料存储、传送和处理简单可靠；运算规则简单，使逻辑电路的设计、分析、综合、方便，使计算器具有逻辑性。

（一）数制及数制之间的转换

1、各种进位计数及其表示方法

数字符号：

0、1、2、……9——数码。

数码的个数——基数。

进位规则：

逢十进一

例如，十进制数，10个数码；采用“逢十进一”

30681=3×104+0×103+6×102+8×101+1×100

例如，二进制数，2个数码，采用“逢二进一”

（11010100）2=1×27+1×26+0×25+1×24+0×23+1×22+0×21+0×20

总之，N进制数，N个数码，“逢N进一”

二进制数与十六进制数的相互转换

a）二进制转换十六进制：

规律是：

以小数点为界限，分别往前往后每四位二进制数一组进行分组，（整数部分不够的位直接在高位补0，小数部分不够的位在往其低位补0），之后把每一组转换成对应得到十六进制数码即可。

b）十六进制转换二进制：

规律是：

上述转换的“逆”，即把每位十六进制数码都转换成对应四位二进制数，按照十六进制数正常的顺序排列即可。

c）十进制转换十六进制：

方法：

可以先转换成二进制数，在转换成十六进制数（较简单些）。

（二）有符号数表示方法

1、机器数与真值

机器只认识二进制数：

0、1。

这是因为，电路状态常有两个，如通、断；高电平、低电平；…可用0、1表示。

这种0、1、0、1…1在机器中的表现形式——机器数。

一般为8位。

机器数有：

无符号数：

00000000B、……11111111B即00H~FFH

带符号数：

+1010110B、-1101001真值

符号位和数值位：

计算机中通常都是用最高位来表示一个数的符号。

并且分别用“0”

和“1”表示正和负。

有符号数有三种表示方法。

原码、反码和补码。

a）、原码（PrimaryCode）

正数的原码与原来的数相同。

负数的原码符号位“置1”，数值位不变。

举例（略：

+5、-5、+0、-0）；原码数的范围：

-127~+127

b）、反码（DiminishedRadixComplement）

正数的反码与原来的数相同。

负数的反码符号位“置1”，数值位按位取反得到。

举例（略：

+5、-5、+0、-0）；反码数的范围：

-127~+127

c）、补码（ComplementaryCode）

正数的补码与原来的数相同。

负数的补码由它的绝对值求反加1后得到，符号位“置1”。

举例（略：

+5、-5、0）；数的范围：

-128~+127

1.2.280C51单片机内部结构及引脚功能

本次课要点：

A、80C51内部结构有几部分

B、80C51引脚功能，主要包含几个组成部分

〖新课内容：

〗

一.80C51单片机内部结构（如图）

1．一个8位的CPU

2．一个片内振荡器及时钟电路

3．4KBROM（不同型号内容不同，看书P4）

4．128B内部RAM

5．可寻址64KB的外部ROM和外部RAM的控制电路

6．两个16位定时器/计数器（Timer/Counter）

7．21个特殊功能寄存器（Special　FunctionRegister）

8．4个8位并行（Parallel）I/O口

9．一个串行口（Series）

10．5个中断源（Interrupt）

这些我们称为单片机的资源（Souce），单片机的应用就是怎么充分合理地利用这些资源，来解决实际中的问题。

二．80C51单片机的CPU

MCS-51的CPU包括两部分：

运算部件和控制器。

1、运算部件

运算部件组成：

包括算术逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器A、寄存器B、

暂存器以及程序状态字寄存器PSW等。

累加器A：

是一个8位的累加器（也可以写为ACC），绝大部分运算和

操作都同A有关。

寄存器B：

是专为执行乘法和除法操作而设置的，一般情况下也可以作为暂存器使用。

2．控制器（Controler）

控制器是单片机的神经中枢，以振荡器的频率位基准，产生CPU时序，对指令（Command）进行译码，然后发出各种控制信号，实现各种操作。

三、80C51单片机的引脚及其功能

1．电源

（1）VCC（40）——芯片电源，接+5V；（4.5~5.5）

（2）VSS（20）——电源地。

2．时钟引脚

XTAL1（18）、XTAL2（19）——外接晶体振荡或外接脉冲。

（P42）

3．控制线

RST（9）——复位引脚。

（Reset），高电平有效。

EA——片内外ROM选择

EA=1，选择片内ROM；

EA=0，选择片外ROM。

★注意★：

控制信号线写法上的差别。

有“非”表示低电平起作用，反之是高电平起作用。

4．I/O口线

P0口：

8位双向I/O口。

在访问外部存储器时，P0口可用于分时传送低8位地址总线和8位数据总线。

能驱动8个LSTTL门。

P1口：

8位准双向I/O口（“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻）。

能驱动4个LSTTL门。

P2口：

8位准双向I/O口。

在访问外部存储器时，P2口可用于高8位地址总线。

能驱动4个LSTTL门。

P3口：

8位准双向I/O口。

能驱动4个LSTTL门。

P3口还有第二功能。

1.2.3MCS-51单片机最小应用系统

--------以AT89C51为例

〖课前复习：

〗

1、清零、取反指令的功能

2、P0~P3口作为一般的输入\输出口使用的注意事项

本次课要点：

1、学会画最小硬件系统

2、掌握最小软件系统

〖新课内容：

〗

一、最小硬件系统

1、最小硬件系统的组成

所谓最小硬件系统是指单片机能工作所必须具备的硬件条件，它包括四个部分：

1）电源

芯片接上5V电源，即40脚接5V电源的正，20脚接地。

2）时钟电路

18、19脚接晶体振荡器和电容构成时钟电路，如图所示。

3）程序存储器选择EA

89C51片内有EEPROM，EA接“正”。

4）复位电路

为保证单片机正常工作，必须有复位电路，电路复位后程序从头开始运行。

要使电路复位，只要在复位引脚上加两个机器周期以上的高电平。

2、介绍几个概念

时钟周期：

系统晶振频率的倒数

状态周期：

2倍的时钟周期

★机器周期：

12倍的时钟周期

指令周期：

指CPU执行一条指令占用的时间

指令字节：

指令占用存储空间的长度

3、MCS-51复位的条件及复位后状态

复位条件：

在9引脚上加两个机器周期以上的高电平

复位后状态

◆复位后PC值为0000，程序从头运行

◆大部分的SFR被置为0

◆P0~P3口被置为FFH

◆SP被置为07H

4、如何检查最小硬件系统

◆有无+5V电源

◆31引脚是否为+5V

◆9引脚正常工作应为低电平

◆时钟引脚电压

用数字表测量18、19引脚电压约为1.7V~2.9V之间

用模拟表测量18引脚电压约为1.7V~2.9V之间

19引脚电压只有零点几伏

习题：

1、单片机有哪些主要的内部资源？

2、绘制出单片机最小硬件电路（以AT89S51为例）

3、单片机复位条件？

4、理解时钟频率、时钟周期、机器周期、指令周期和指令字节的概念。

5、说出AT89S51单片机系统复位后片内各寄存器的状态。

1.2.4AT89S51单片机存储器空间的配置及功能

AT89S51单片机的存储器配置方式采用哈佛结构，程序存储器和数据存储器是分开

的，它们有各自的寻址系统、控制信号和功能，并且有不同的操作指令。

程序存储器主

要用来存放程序和表格常数，数据存储器主要用来存放程序运行的数据和结果。

AT89S51单片机的组织结构可以分为三个不同的存储空间：

☆64KB的程序存储器（ROM），包括片内4KBROM和片外60KBROM

☆64KB的外部数据存储器（外RAM）

☆256B内部数据存储器（内RAM）,分高128B和低128B。

这三种不同的存储器在物理结构上是相互独立的，但编址有重叠，CPU是怎么处理的?

它是通过不同的指令和控制信号来对其实现读、写功能操作的。

用MOVC指令访问ROM空

间，用MOV指令访问内部RAM，用MOVX指令访问外部RAM。

表1-1AT89S51单片机内RAM结构表

地址区域

功能名称

数据操作方式

30H~7FH

堆栈与数据缓冲区

8位整体操作

20H~2FH

位寻址区

8位整体操作或位操作

00H~1FH

18H~1FH

工作寄存器3区

8位整体操作

10H~17H

工作寄存器2区

08H~0FH

工作寄存器1区

00H~07H

工作寄存器0区

下面介绍几个常见的特殊功能寄存器，其余的在后面相关项目中再介绍。

A．累加器Acc

累加器Acc是MCS-51系列单片机中最为常见的寄存器，许多指令的操作数取自于Acc

许多运算的结果存放在Acc中。

乘除法指令必须通过Acc进行，累加器Acc的助记符为A。

在汇编语言指令中Acc简写为A。

B．寄存器B

乘除法指令都要用到寄存器B，B也可以作为一般的寄存器使用。

C．程序状态字寄存器PSW

PSW反映的是程序运行的状态，用于存放相关标志位。

对其操作时，既可字节操作也

可位操作。

各位的意义如下：

（1）Cy-----进位标志。

累加器A在执行加减运算时，如果最高位有进位或借位，单片机会自动将Cy置1，否则清0。

另外Cy还是位操作累加器，指令助记符为C。

（2）AC----辅助进位标志。

累加器A在执行加减运算时，如果低半字节Acc.3向高半字节Acc.4有进位或借位，单片机会自动将AC置1，否则清0。

（3）RS1、RS0-----工作寄存器区选择控制位。

工作寄存器区分为4个区，但每次能处于当前工作的寄存器区只能有一个。

可以通过设置RS1、RS0这两位的值来选择处于当前工

作状态的工作寄存器区。

RS1、RS0=00——0区（00H~07H）

RS1、RS0=01——1区（08H~0FH）

RS1、RS0=10——2区（10H~17H）

RS1、RS0=11——3区（18H~1FH）

（4）OV-----有符号数运算时的溢出标志

（5）P-----奇偶标志。

表示累加器A中“1”的个数的奇偶性。

如果A中“1”的个数为奇数，单片机会自动将P置1，否则清0。

（6）F0、F1-----用户标志。

与位寻址区的位地址功能相同，区别在于位寻址区内的位只有位

地址，而F0、F1有3中表示方法：

位地址D5H、D1H，位编号PSW.5、PSW.1和位定义名

F0、F1。

习题：

1、说出AT89S51单片机内部128RAM的分区及其作用.

2、如何区分位地址和字节地址？

实践操作：

任务要求：

在PROTUES软件中绘制出AT89S51单片机的最小硬件电路，用P1.0引脚控制一发光

二极管，调试给出的程序，使该二极管间隔亮灭，并不断循环。

（列出所需器件清单，课外

焊接该电路。

项目2单片机流水灯控制

任务2.1MCS-51的指令格式与常用符号

〖课前复习：

〗

1、内部128RAM的分区及其作用

2、如何区分位地址和字节地址

本次课要点：

1、80C51单片机的指令格式

2、内部RAM间的数据传送和位操作

〖新课内容：

〗

一、80C51单片机的指令格式

[标号：

]操作码[（目的操作数），（源操作数）][；注释]

⑴标号：

指令地址的符号表达形式。

①一般用英文字母和数字组成，但是必须以字母开头。

②系统的保留字不能作标号。

例如：

Acc、PSW，B等等

③标号必须用冒号“：

”与操作码分隔

④标号是可以选择的

⑵操作码：

表示指令的操作功能。

①操作码是表示指令功能的助记符，

它代表了指令的操作功能。

例如：

MOV数据传送指令的操作码

ADD加法运算指令的操作码

②操作码是指令的必需部分，

是指令的核心，不可缺少。

⑶操作数：

参加操作的数据或数据地址

①操作数可分为目的操作数和源操作数。

②操作数可用二进制数、十进制数或十六进制数表示。

③操作数的个数可以是0～3个。

④第1个操作数与操作码之间用空格分隔，

⑤操作数与操作数之间用逗号“，”隔开。

⑷注释：

指令功能说明。

①注释是可以选择的，是为便于阅读，对指令功能作的说明和注解。

②注释必须以“；”开始。

二、指令中部分常用的符号

Ri：

工作寄存器R0和工作寄存器R1，i=0或1

Rn：

工作寄存器R0~R7，n=0~7

@Ri：

寄存器R0和R1间接寻址8位的存储单元。

Direct：

8位直接地址，内部RAM的地址或SFR的地址。

#data8：

8位的立即数。

数的范围为0~255。

Bit：

位地址。

片内RAM和SFR中的可寻址位。

#data16：

16位立即数

addr16：

16位目的地址，用于LJMP和LCALL指令。

addr11：

11位目的地址，用于AJMP和ACALL指令。

rel：

带符号的8位偏移地址，用于SJMP和转移指令。

addr16、addr11、rel三个符号在具体的指令中都表现为标号的形式。

DPTR：

数据指针，特殊功能寄存器。

DPTR是DPH、DPL的组合，DPTR存放的是16位数据，其中的高8位就是DPH中的内容，低8位就是DPL中的内容。

任务2.1最小软件系统

汇编：

把汇编程序翻译成目标程序（机器语言）的过程叫汇编。

分类：

手动汇编和机器汇编

MOVA，#30H对应的机器语言为74H30H

伪指令：

在汇编过程中起控制作用，但自身不产生机器码，不属于

MCS-51指令系统，而仅仅是为汇编服务的指令。

1、RG（起始伪指令）（Origination）

格式：

ORG16位地址

功能：

规定它下面的程序的起始地址。

也就是在汇编时将它下面的程序翻译成

机器码时，这些机器码在程序存储器中存放的起始地址为ORG指令指定

的16位地址。

注意：

◆一个程序中可以有多个ORG伪指令

◆ORG后面的16位地址顺序是从小到大的顺序

◆两条ORG指令之间存放的指令不能超过他们之间的地址范围

2、END（结束伪指令）

格式：

END

功能：

是汇编语言程序结束标志。

在END之后的指令，汇编程序不再翻译，因此，一个源程序只有一个END指令而且必须有一个，并且放在源程序的最后。

注意：

◆END必须放在程序的最后

◆在程序中只能有一个有效的END

3、无条件转移指令

LJMPaddr16；长转移指令，可转移到64KB空间内的任意位置。

AJMPaddr11；短转移指令，转移范围是与PC值同一2KB，可以向前或向后，

超出程序汇编时将出错。

（最好不用）

SJMPrel；相对转移指令，转移范围是PC前后-128B~+127B，也不能超出

范围。

SJMP$=H：

SJMPH

单片机最小软件系统

单片机的最小软件系统，也称为程序的一般结构。

下面是满足最小软件系统要求的

一个典型例子：

ORG0000H；汇编程序开头

LJMPSETUP；跳过中断入口地址

．．．．．．；中断入口地址区

ORG0030H

SETUP：

．．．．．．；初始化区

MAIN：

．．．．．．；主程序区

LJMPMAIN；主程序循环执行

．．．．．．；子程序和中断服务程序区

END；程序结束

汇编语言程序的从结构上分为6个部分：

汇编程序开头、中断入口地址区、初始化区、

主程序区、子程序和中断服务程序区以及程序结束。

在我们编写程序时，只要将有关的

程序嵌入到相应的区域即可。

指令学习：

（1）起始伪指令ORG（Origination）

格式：

ORG16位地址

功能：

规定它下面的程序的起始地址。

也就是在汇编时将它下面的程序翻译成机

器码时，这些机器码在程序存储器中存放的起始地址为ORG指令指定的16位地址。

（2）结束伪指令END

格式：

END

功能：

汇编语言源程序的结束标志。

在END后面的指令，汇编程序不再处理。

（3）无条件转移指令：

LJMPaddr16

习题：

1、写出汇编语言程序的一般结构。

任务2.3内部RAM间的数据传送和位操作

操作码：

MOV（即Move的缩写）

1．以累加器A为目的字节的传送指令。

MOVA，Rn；

MOVA，direct；

MOVA，@Ri；

MOVA，#data；

2．以Rn为目的字节的传送指令

MOVRn，A；

MOVRn，direct；

MOVRn，#data；

3．以直接地址为目的字节的传送指令

MOVdirect，A；

MOVdirect，Rn；

MOVdirect，#data；

MOVdirect1，direct2；

MOVdirect，@Ri；

4．以寄存器间接地址为目的字节的传送指令

MOV@Ri，A；

MOV@Ri，direct；（direct：

直接的）

MOV@Ri，#data；

讲解例题

I/O口结构及工作原理

〖课前复习：

〗

1、80C51的指令格式、常用符号

2、对内部RAM的数据传送指令

本次课要点：

1、I/O口作为输入输出口的注意事项。

2、如何区别bit和direct？

〖新课内容：

〗

1．P0口结构及工作原理

P0口有两种功能，一个是作为通用的I/O口；另一个是作为地址/数据总线（Bus），用于扩展外部的ROM和RAM，我们以后再研究。

（1）P0口用作输出口：

控制线上信号为0，电子开关与B接通。

同时与门输出

为0，V1截止。

（2）由于V1截止，输出级处于开漏状态，用作输出口时，需外接上拉电阻。

如果没有上拉电阻，在输出高电平时，V1、V2都截止，输出引脚悬空，不

能输出高电平。

（3）用作输入口时，也就是要把引脚上的信号读进来。

我们看一下，假设V2导通，这时不管外电路施加什么电平，都被V2短路，读进来的始终是低电平。

因此要想把它作为输入口，必须保证V2截止，要使V2截止，需先向该端口写入“1”，这点要特别注意。

（4）P0口的每一位可任意作为输入或输出。

既可以用数据传送指令来整体操作，也可用位操作指令一位一位地操作。

（5）带负载能力：

8个LSTTL电平（0.36毫安/20微安）。

（6）操作举例（略）。

2．

P1口结构

（1）作为输出口时，不需外接上拉电阻。

（2）作为输入口时也要先向该端口锁存器写入“1”，然后再读。

（3）每位也可分别用作输入或输出。

（4）带负载能力：

4个LSTTL门电路。

3．P2口结构（同P1口）

4．P3口结构（同P1口）

小结：

1、P0口用作输出口时，需外接上拉电阻。

而P1~P3口不要接上拉电阻

2、P0~P3口作为输入口使用，都要先向该端口锁存器写入“1”，

3、P0~P3口每位也可分别用作输入或输出。

4、对口的操作，对字节操作用数据传送指令，对位操作用