便捷式单片机实验开发装置文档格式.docx
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过去的20年中，单片机市场与需求都是以8位机为主的。
最近几年来，16位、32位单片机的嵌入式应用呈迅速增长的趋势。
8位单片机以其性价比高，而使其地位难以动摇。
8位、16位、32位单片机将在相当长时期内共存已是业界的共识，而单片机教学课程内容的稳定和课程定位的准确是至关重要的。
单片机技术发展迅速，课程的特点是实践性很强，它需要教师、教材、实验器件等协调配合，特别是实验平台，需要较大的投入。
教师要有相当的科研经验和应用背景，并能将科研的所得，以及对最新技术的了解贯彻到课程的讲解上，这些都有相当的难度。
课程定位的不同，所安排实验的要求以及授课对象也不同，影响课程定位的决定因素很多，其中专业对单片机的应用需求以及学时和学生的先修课程基础是很重要的方面，譬如对电子、机械、电气、自动化等非计算机专业学生，8位单片机应该可以成为他们对单片机认识的入门课程。
在实验当中对于单片机基本工作原理、采用芯片的工作特性、以及基本的汇编程序和接口技术的理解是必须的，特别强调学生的实践操作系统的能力。
现在用于单片机教学实验系统很多，一般分为8位、16位、32位单片机实验系统。
由于16位、32位单片机市场价格偏高，而普通的8位单片机也能起到教学的目的，对于学校来说选择8位单片机作为实验系统是一个不错的选择。
2系统组成结构概述
2.1系统的组成
1.直流电源模块
2.液晶模块
3.数码管显示模块
4.4*4键盘模块
5.386低频功放模块
6.1302时钟及24C02模块
7.18B20温度测试及红外模块
8.串口通信及ISP在线下载模块
9.单片机最小系统
10.USB下载模块
11.数据光盘
2.2实验内容
1）数制转换与单片机端口的控制
2）4*4键盘应用
3）串行通信
4）计数器定时器的应用
5）1602液晶显示
6）单片机音乐播放器制作
2.3系统框图
系统结构框图
从上图中可以看到，本课题研制的“便捷式单片机实验开发装置”是由11个基本模块组成的，模块之间可以根据实验需要相互连接，同时也可以由模块的扩展端向外宽展，形成不同的系统结构，为科学研究所用。
各个模块都是针对电类专业的知识点设计的，能满足不同实验的要求。
而且每个模块都可以独立与外界系统连接，用户可以根据不同需要进行实验。
3硬件电路设计
3.18051系列单片机——AT89S52
AT89S52单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行I/O口、串行I/O口和中断系统等几大单元以及数据总线、地址总线和控制总线三大总线构成。
图3.1为单片机内部结构框图。
（1）中央处理器
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
（2）程序存储器
AT89S52共有8KB个E2PROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
（3）数据存储器（RAM）
AT89S52内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
图3.1内部结构框图
（4）并行输入输出口
AT89S52共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
（5）串行输入输出口
AT89S52内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
（6）定时/计数器
AT89S52有三个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。
（7）中断系统
AT89S52具备较完善的中断功能，有两个外中断、三个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有两级的优先级别选择。
3.1.1引脚功能
图3.2AT89S52芯片引脚图
（1）电源和晶振
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
（2）I/O口
①P0口
P0口的字节地址为80H，位地址为80H～87H。
P0口既可以作为通用I/O口使用，也可以作为单片机系统的地址/数据线使用。
当作为输出口使用时，由于输出电路是漏极开路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出。
②P1口
P1口的字节地址为90H，位地址为90H～97H。
P1口只能作为通用I/O口使用。
当作为输出口使用时，已能对外提供推拉电流负载，外电路无需再接上拉电阻；
当作为输入口使用时，应先向其锁存器写入“1”，使输出驱动电路的FET截止。
③P2口
P2口的字节地址为0A0H，位地址为0A0H～0A7H。
P2口用于为系统提供高位地址，但只作为地址线使用而不作为数据线使用。
此外，P2口也可作为通用I/O口使用。
④P3口
P3口的字节地址为0B0H，位地址为0B0H～0B7H。
P3口可以作为通用I/O口使用，但在实际应用中它的第二功能信号更为重要。
P3口引脚的第二功能，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
（3）4根控制线
①RST：
复位信号。
保持RST脚两个机器周期以上的高电平，就可以完成CPU系统复位操作，使系统的一些单元内容回到规定值。
②/PSEN：
外部程序存储器读选通信号。
在读外部ROM时，/PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。
③/EA/VPP：
访问程序存储器控制信号。
当/EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；
而当/EA为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
④ALE/PROG：
地址锁存控制信号。
在系统扩展时，ALE用于控制P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。
此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此也可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
3.1.2串口通信
通信主要有两种方式：
并行通信和串行通信。
并行通信是在传送数据过程中每个字节的各位同时进行传送的通信方式，而串行通信是指每个字节的各位分别进行传送的通信方式。
3.1.3串口通信方式
AT89S52串行口可设置四种工作方式，可有8位、10位和11位帧格式。
本系统中，AT89S52采用串行口工作于方式1，即每帧10位的异步通信格式：
1位起始位，8位数据位（低位在前），1位停止位。
当SM0=0，SM1=1时，串行口选择方式1。
其帧格式为：
图3.3帧格式图
3.1.4串行通信控制寄存器
（1）串行控制寄存器（SCON）
SCON的地址为98H，用于选择串行口的工作方式和指示串行口的工作状态。
各位含义如下：
①SM0、SM1：
串行口工作方式选择位。
②SM2：
多机通信选择位。
③REN：
串行口允许接收位。
‘1’时允许接收，‘0’时禁止接收。
④TI：
串行口发送中断标志位。
在方式1中，于发送停止位之前，由硬件置位。
因此TI=1，表示帧发送结束。
⑤RI：
串行口接收中断标志位。
在方式1中，当接收到停止位时，该位由硬件置位。
RI=1，表示帧接收结束。
（2）串行数据缓冲器（SBUF）
串行数据缓冲器SBUF的地址为99H，用来存放需发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器，它们占用同一地址（99H）。
当执行写SBUF指令时，数据写入到串行口发送缓冲器中，读SBUF就是读串行口接收缓冲器。
（3）电源控制寄存器（PCON）
PCON的地址为87H，该寄存器的最高位（SMOD）是串行口波特率的倍增位，当SMOD=1时，串行口波特率加倍。
系统复位时，SMOD=0。
（4）中断允许寄存器（IE）
在IE中，ES位为串行中断允许控制位。
ES=0时禁止串行中断，ES=1时允许串行中断。
3.1.5数据发送与接收
（1）数据发送
在不发送数据时，TXD端保持高电平。
当执行写SBUF的指令时，便启动一次发送过程；
发送数据时，先发送一个起始位，该位通知接收端开始接收，也使发送和接收过程同步。
接下来发送8位数据，先发送低位，最后发送的是高电平的停止位。
（2）数据接收
REN=1，CPU允许串行口接收数据，接收数据开始于检测到RXD（P3.0）端发生一个“1”到“0”的跳变。
先接收起始位，然后依次将采样RXD端并将数据移入移位寄存器中。
若满足条件RI=0且SM2=0或接收到停止位，则将前8位数据送入SBUF并置位RI；
如果上述条件不满足，则数据丢失。
（3）波特率的设定
串口方式1的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率决定：
（3-1）
则波特率计算公式为：
（3-2）
由波特率算出计数初值，以便进行定时器的初始化。
初值X确定如下：
（3-3）
3.2单片机最小系统
单片机最小系统
该系统以89S52单片机为主控芯片，兼容AVR系列单片机，例如：
ATMEGA16与ATMEGA8。
复位电路采用拨码开关可以在两种系列单片机之间进行切换。
由于AVR系列单片机管脚与51系列不同，系统采用一转换板实现转换，方便用户使用。
系统引出四组I/O口方便用户进行功能扩展。
3.3ISP在线下载模块
ISP在线下载原理图
ISP（In-SystemProgramming）在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。
ISP技术是未来发展方向。
该下载器可以兼容51系列与AVR系列单片机芯片的烧写。
3.4
USB下载模块
USB下载原理图
Usb下载采用ATMEGA8作为主控芯片，实现了计算机usb下载，能支持51系列和AVR系列单片机下载。
克服了现代笔记本电脑没有并口的特点，方便不同用户进行学习。
3.5
串口通信模块
串口通讯模原理图
51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。
进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，可以用几个三极管进行模拟转换。
单片机的P31输出的电平信号让9012导通.把信号送到232串口.从而让单片机的信号完成输入到电脑。
电脑输出的TLL电平经过3脚再经过R51.负电平信号通过4148到地.从而保护9013不扣坏。
正电平信号到达三极管。
从而完成电脑的信号送到单片机。
该模块仅使用10器件代替max232实现了电平转换，使系统成本得到最大限度的节省。
3.64*4键盘模块
4*4键盘模块原理图
1、先读取键盘的状态，得到按键的特征编码。
例如：
先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。
再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。
将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。
使用上述方法我们得到16个键的特征编码。
2、根据按键的特征编码，查表得到按键的顺序编码。
将16个键的特征编码按顺序排成一张表，然后用当前读得的特征编码来查表，当表中有该特征编码时，它的位置就是对应的顺序编码。
3、特征编码与顺序编码的对应关系
KEYTABLE:
DB
0EEH,0EDH,0EBH,0E7H,0DEH
;
0,1,2,3,4,
顺序码
0DDH,0DBH,0D7H,0BEH,0BDH
;
5,6,7,8,9,
0BBH,0B7H,07EH,07DH,07BH
A,B,C,D,E,
077H,0FFH
F,
0FF为结束码
3.7LM386低频功放及1302时钟模块
LM386低频功放模块1302时钟模块
LM386是专用低损耗电源所设计的功率放大器。
它的內建增益为20，通过pin1和pin8腳位间电容的搭配，增益最高可达200。
LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V~12V，无动作时仅仅消耗4mA电流，且失真低。
可以满足用户学习单片机播放器原理。
3.8
数码管显示模块
数码管显示模块原理图
编码方法如下表：
Dpgfedcba
字符编码
P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0
110000000C0H
111100111F3H
101001002A4H
101100003B0H
10011001499H
10010010592H
10000010682H
111110007F8H
10000000880H
10010000990H
10001000A88H
10001110F8EH
3.9液晶接口及24C02存储模块
液晶接口原理图24C02原理图
该装置可以进行1602字符液晶以及12864点阵型液晶的学习，装置上把液晶的控制端和数据端引出来，只要通过接插线就可以用单片机进行控制。
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。
它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：
不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。
如上图所示，通过5，6管脚与单片机相连接。
4系统开发软件环境件
4.1开发软件的使用说明
该系统使用的编程软件可以用S52编程软件WAVE6000进行编写AT89S52单片机的源程序（汇编语言和C语言），并产生.hex程序代码，利用SL软件将程序代码应用下载线下载到目标单片机AT89S52的Flash中，相应的配套软件在光盘中可找到。
当系统的单片机使用的AVR系列Mega8515时，可用AVR的C语言编程软件ICCAVR进行C语言程序编写，用AVR汇编语言编程软件进行汇编程序编写，产生.hex程序代码，利用AVR下载软件SL序代码应用下载线下载到目标单片机Mega8515的Flash中,相应的配套软件也在光盘中可找到。
在光盘中还附有软件应用的安装教程，可使单片机学习者方便快捷地掌握单片机开发软件。
4.2WAVE6000的使用
新建文件
文件——新建文件——保存文件——保存文件名为xxx.c
软件设置
Wave6000仿真器设置
编译方法
晶振
编译器设置
4.3下载软件——双龙MCU下载器的使用
双龙MCU下载器设置
如图示，通信参数设置为：
LPT1—TURBO;
该软件支持多种单片机芯片烧写，点击小三角号可以选择所需要的芯片。
设置完毕后点击“重载”开要下载的HEX文件，最后点击“编程”完成下载。
4.4progist1.67下载软的用
progist1.67设置
如图示设置好编程及接口，选择芯片，把要下载的文件调入FLASH，擦除，完成下载。
5实验指导书设计与编写
5.1数制转换与单片机端口的控制
一、实验目的
1、熟悉十进制数与二、十六进制数的相互转换
2、了解各进制数在程序中的运用
3、学习单片机的四个I/O口
4、掌握I/O口对LED的控制
二、实验设备
单片机最小系统
I/O口输出LED
按键
三、实验内容
1、对二、十、十六进制数进行转换
2、编写一段程序，用P1口作为输出端，控制八位LED轮流点亮
3、编写一段程序，P1口为输出口，P3.2为输入端口，当P3.2按下时，P1口控制的LED点亮，当P3.2没有按下时，P1口控制的LED不点亮。
四、实验步骤
任务一：
1、数码是构造一种数制所用的不同符号。
各种进制的数码为：
二进制：
0，1
十进制：
0，1，2，3，4，5，6，7，8，9
十六进制：
0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A（a）,B（b）,C（c）,D（d）,E（e）,F（f）
2、用余数法将十进制整数转换成二进制整数。
把十进制整数不断地用2去除，将所得到的余数0或1依次记为K0,K1,K2,…，直到商是0为止，将最后一次所得的余数记为Kn，则KnKn-1…K1K0即为该整数的二进制表示。
例1―1（59）10=（）2=（Kn…K1K0）2
竖式演算如下：
259余数1=K0
229余数1=K1
214余数0=K2
27余数1=K3
23余数1=K4
21余数1=K5
0
（59）10=（K5K4K3K2K1K0）2=（111011）2
例1―2把0.47转换成二进制。
用线图形式可演算如下：
0.47→0.94→0.88→0.76→0.52→0.04
×
2↓↓↓↓↓
整数01111
K-1K-2K-3K-4K-5
在取5位小数时有
（0.47）10=（K-1K-2K-3K-4K-5）2=（0.01111）2
3、将二进制转换成十进制
把二进制数按多项式展开求和即可。
（101.101）2=（1×
22+0×
21+1×
20+1×
2-1+0×
2-2+1×
2-3）10
=（1×
4+1×
1+1×
0.5+1×
0.125）10
=（5.625）10
4、二进制转十六进制
一般使用8421码进行转换
如：
（11111011）2
84218421
11111011
8+4+2+1=15=F;
8+0+2+1=11=B；
即（111110111）=（FB）16
完整源代码见附录。
5.24*4键盘应用
1、了解键盘原理；
2、掌握基本焊接；
3、掌握键盘扫描程序的编写；
4*4键盘
数码管显示
1、用接插线连接键盘以及数码管显示
2、编写一个程序，当键盘按下按钮时，数码管显示相应数值
1、4*4键盘基本结构如下：
2、键盘位显示数值（可根据需要对键盘的按键作用进行编排）；
0123
4567
891011
12131415
5.3串行通信
了解串行通信原理
编写基本通信程序
1、用接插线连接串口通信模块
2、编写一个程序，实现单片机与计算机之间通信
四、实验原理
1、串口寄存器
89s52的串行口是全双工的UART，可同时接收和发送数据
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