测控技术与仪器课程设计Word文档下载推荐.doc
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1概论
1.1绪论
近年来，计算机技术迅速发展，计算机在工业、农业、国防、科研及日常生活的各个领域均发挥着极其重要的作用，成为各国工业发展水平的重要标志之一。
自从世界上公认的第一台电子计算机问世以来，计算机的发展日新月异。
短短的几十年间，以有电子管数字计算机发展到今天的超大规模集成电路计算机，运算速度由每秒5000次提高到今天的每秒上白亿次。
近年来，计算机一方面向着高速、智能化的超级巨型机方向发展，另一方面向着微型机的方向发展。
在微机的大家族中，单片微型计算机（以下简称单片机）异军突起，发展迅速。
从美国仙童（Fairchild）公司1974年生产出第一块单片机（F8）开始，在短短的几十年中，单片机如雨后春笋一般，大量涌现出来。
GI公司、Rockwell公司、Intel公司、Zilong公司Motorola公司、NEC公司等世界上几大计算机公司都纷纷推出自己的单片机系列。
目前，已经出现了4位、8位和16位的单片机，甚至32位的超大规模集成电路单片机（如T414）也以面试，同时性能也在不断提高。
如Intel公司的8096，其数据总线为16位，ROM为8K字节，RAM有232位字节，中断源8级，时钟频率为12MHz，可进行加、减、乘、除运算，具有8个模拟通道，10位A/D变换，全双工异步通信接口，5个8位并行接口和4个16位可编程定时器。
据统计，90年代世界每6人就有一片单片机，美国及西欧已达到人均4片。
目前单片机已经成为工控领域、军事领域及日常生活中最为广泛应用的计算机。
1.2单片机简介
单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），简称单片机。
它在一块芯片上集成了中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口、可编程定时器/计数器等，有的甚至包含A/D转换器。
总而言之，一块单片机芯片，就相当于一台计算机。
1单片机的特点
⑴集成度高、功能强
微型计算机通常有中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）以及I/O接口组成，其各部分分别集成在不同的芯片上。
例如，大家熟悉Z80微型计算机就是由Z80-CPU、存储器（RAM、ROM）、PIO、CTC等芯片组成的，其原理如图1.1所示：
图1.1Z80型微机结构
和微型计算机进行比较，单片机不仅体积大大减小，而且功能大为增强。
MCS-51系列单片机内的定时/计数器为16位，而Z80微型计算机只有8位；
MCS-51系列单片机中不但有4个I/O接口，而且还有串行接口，且时钟频率可达12MHz。
⑵结构合理
目前单片机大多采用Harvard结构。
这是数据存储器与程序存储器相互独立的一种结构。
而在许多微型计算机中（如Z80、Intel8085、M8000等）中，大都采用两类存储器合二为一（及统一编址）的方式。
单片机采用上述结构主要有以下两点好处：
a:
存储容量大。
例如：
采用16位地址总线锝位单片机可寻址外部64KBROM（包括内部ROM）。
此外还有内部RAM（通常为128字节）和内部ROM（一般为2～4KB）。
正因为如此，使用单片机不仅可以进行控制，而且能够进行数据处理。
单片机不仅设有监控程序，还可同时汇编、反汇编，具有高级语言以及各种函数库、子程序及图表。
因此单片机的功能大为增强，用户使用起来十分方便。
b:
速度快。
单片机由于主要用于工业控制方面，一般都需要较大的程序存储器，用以固化已调好的控制程序；
而数据存储器的容量相对较小，主要用来存放少量的随机数据。
小容量随机存储器直接装在单片机内部，可使数据船送速度快。
⑶抗干扰性强
由于单片机的各种功能部件都集中在一个芯片上，特别是存储器也集成在芯片内部，部线短，数据大都在芯片内部传送，不易受到外部干扰，增强了抗干扰能力，使系统运行更可靠。
⑷指令丰富
单片机一般都有传送指令逻辑运算指令，转移指令，加、减运算指令等。
有些单片机还具有乘法及除法运算指令，特别是位操作指令十分丰富。
例如在MCS-51系列单片机中，专门设有布尔处理器，并且有一个专用的处理布尔变量的指令集。
指令集中包括布尔变量的传送、逻辑运算、控制转移、置位等指令。
因而单片机能在逻辑控制、开关变量控制以及顺序控制中得以广泛应用。
2单片机的组成及工作过程
单片机是由中央处理器（CPU）和适当容量的存储器、输入/输出接口电路三大基本部分组成，它通过接口电路再与输入/输出外部设备连接。
以下简单叙述各部件的作用：
⑴中央处理器（CPU）
CPU是整个单片机系统的核心，它是有算术逻辑运算单元和控制器组成的。
它的功能是进行数据处理，并且控制数据和指令在单片机中的运行，即控制单片机根据给定的要求进行操作。
⑵存储器
存储器是单片机存放程序和数据的部件，它是有许多存储信息的单元组成。
存储单元越多，存储器容量越大，可存放的信息量就越多。
⑶输入/输出借口电路（I/O）接口
接口电路CPU和外部设备之间不可缺少的连接纽带。
人们要控制单片机的运行，可通过键盘送入指令，也可用开关送入信号，键盘和开关都是输入设备。
单片机要运行的结果输出，可通过显示器、打印机告诉人们，也可通过接口电路输出信号，操作各种电器设备进行动作，显示器、打印机和电器设备都是输出设备。
因为外部设备与CPU之间的逻辑电平、速度、时序、驱动能力的有很大的差别，所以必须通过I/O接口电路解决它们之间的匹配问题。
⑷单片机的工作过程
单片机在工作前，首先必须在程序存储器内装入程序。
单片机开始工作后，即按地址先从存储器中取出指令，然后把指令译码，以确定该指令执行的是什么操作和操作数的存放地址，再根据这3个地址取操作数，接着CPU对操作数进行操作，操作结果送入存储器或经接口电路送入显示器、打印机等外部设备。
3单片机的应用
（1）工业过程控制中的应用
由于单片机的I/O接口线多，位操作指令丰富，逻辑操作功能强，因此，特别适用于工业过程控制。
它既可以作为主机控制，也可作为分布式控制系统的前端机。
在作为主机使用的系统中，单片机为核心控制器件，用来完成模拟量和开关量的采集、处理和控制计算（包括逻辑运算），然后输出控制信号。
（2）生活中的应用
由于单片机价格低廉、体积小、逻辑判断及控制功能强，因此广泛地应用于人类生活的各个方面。
如：
洗衣机、电冰箱、电子玩具及电梯控制等。
（3）计算机网络及通信技术中的应用
单片机集成了通信接口，因而使其在计算机网络及通信设备中得以广泛应用，例如Intel公司的8044，它由8051单片机及SDLC通信接口组合而成，用性能高的串行接口单元SIU代替传统的UART，其传送距离可达1200m，传送速率为2.4Mbit/s。
2设计思路
2.1电路的设计
定时闹钟的控制电路分为以下几部分：
u单片机8051。
uLCD。
内部总线接点说明：
总线是用于传送信息的公共途径。
总线可分为数据总线、地址总线、控制总线。
单片机内的CPU、存储器、I/O接口等单元部件都是通过总线连接到一起的。
采用总线结构可以减少信息传输线的根数，提高系统可靠性，增强系统灵活性。
中断控制系统是指CPU暂停正在执行的原程序转而为中断服务（执行中断服务程序），在执行完中断服务程序后再回到原程序继续执行。
中断系统是指能够处理上述中断过程的部分电路。
MCS—51单片机设有5个中断源（外中断2个，定时/记数中断2个，串行中断2个），二级优先级，可实现两极中断嵌套。
输入/输出借口电路（I/O）接口：
而本设计中应用到的主要是显示器，通过显示器我们就可以看到此设计的显示效果和计时时间。
2.28051单片机的结构组成
MCS—51系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别。
图2.1是8051单片机的内部结构框图。
它包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，各功能部件通过片内机单一总线连成一个整体，集成在一块芯片上。
MCS—51单片机是在一块芯片中集成了CPU、存储器（包括RAM和ROM）、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。
主要包括1个8位CPU、1个片内振荡器及时钟电路、128RAM、4KBROM、2个16位定时器/计数器、32条可编程的I/O线和一个可编程的全双工串行口、5个中断源、2个中断优先级嵌套中断结构。
图2.1单片机的内部结构图
2.3LCD1602液晶显示简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。
一般1602字符型液晶显示器实物如图2.2
图2.21602字符型液晶显示器实物图
1602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图2-3所示：
图2.31602LCD尺寸图
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×
2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×
4.35（W×
H）mm
引脚功能说明：
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-1所示:
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
4
RS
数据/命令选择
12
D5
5
R/W
读/写选择
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
表2-1：
引脚接口说明表
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
3系统硬件设计与系统软件设计
3.1系统硬件设计
（1）时钟芯片选择选用89C51时钟芯片。
（2）单片机的选择
选用8051单片机，并配备11.0592MHz晶振，复位电路采用上电复位。
其最小系统如图3.1所示：
图3.1at89c51单片机的最小系统原理图
（3）电源选择
采用直流5V电源供电。
（4）复位电路
MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
上电复位：
上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。
上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。
电路图如下：
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
（5）时钟电路
时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式：
一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。
本文用的是内部时钟方式。
MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。
3.2系统软件设计
系统软件实现的流程框图：
图3.1系统框图
LCD显示程序流程框图：
图3.2LCD显示程序框图
3.3.11602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3-1所示：
序号
指令
清显示
光标返回
*
置输入模式
I/D
S
显示开/关控制
D
C
B
光标或字符移位
S/C
R/L
置功能
DL
N
F
置字符发生存贮器地址
字符发生存贮器地址
置数据存贮器地址
显示数据存贮器地址
读忙标志或地址
BF
计数器地址
写数到CGRAM或DDRAM）
要写的数据内容
从CGRAM或DDRAM读数
读出的数据内容
表3-1：
控制命令表
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
与HD44780相兼容的芯片时序表如下：
读状态
输入
RS=L，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
无
读数据
RS=H，R/W=H，E=H
D0—D7=数据
写数据
RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
表.3-2：
基本操作时序表
读写操作时序如图3-3和3-4所示：
图3-3读操作时序
图3-4写操作时序
3.3.21602LCD的RAM地址映射及标准字库表
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图3-5是1602的内部显示地址。
图3-51602LCD内部显示地址
例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？
这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）+10000000B=11000000B.在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。
每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图3-6所示，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”
图3-6字符代码与图形对应图
3.3.31602LCD的一般初始化（复位）过程
延时15mS
写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号
写指令38H：
显示模式设置
写指令08H：
显示关闭
写指令01H：
显示清屏
写指令06H：
显示光标移动设置
写指令0CH：
显示开及光标设置
仿真结果
（1）打开KeiluVision3，新建Keil项目，选择AT89S51单片机作为CPU，新建C语言源文件，编写程序，并将其导入到“SourceGroup”中。
在“OptionforTarget”对话窗口中，选中“Output”选项卡中的“CreateHEX”选项和“Debug”选项卡中的“Use：
ProteusVSMSimulator”选项。
编译源程序，改正程序中的错误。
（2）在ProteusISIS中，选中AT89S51并单击鼠标左键，打开“EditCompoment”对话窗口，设置单片机晶振频率为12MHZ，在此窗口中的“ProgramFile”栏中，选择先前用Keil生成的.HEX文件。
在ProteusISIS的菜单栏中选择“File”->
“SaveDesign”选项，保存设计。
在ProteusISIS的菜单栏中，打开“Debug”下拉菜单，在菜单中选中“UseRemoteDebugMonitor”选项，以支持与Keil的联合调试。
（3）在Keil的菜单栏中选择“Debug”->
“Star/StopDebugSession”选项，或者直接单击工具栏的“Debug>
Star/StopDebugSession”图标，进入程序调试环境。
按“F5”键，顺序运行程序。
调出“ProteusISIS”界面，可以看到如下图的显示内容。
显示330寝室，吴、魏、马、将的英文字符：
显示和07测控技术与仪器的英文字符
总结
本设计硬件电路较简单，所用器件较少，电路中使用了AT89S52单片机、LCD1602、74ls373和一个与非门等主要芯片,实现了预计功能。
在对芯片的管脚功能和用法有充分的了解后，根据设计要求设计硬件电路，包括单片机最小系统和时钟电路通过单片机控制利用LCD1602显示字符串。
通过本设计，更加熟悉了LCD的显示控制原理。
单片机的编程环境和Protues的基本操作。
参考文献
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[3]陈立国，陈宇等.单片机原理及应用.北京.机械工业出版社,2001
[4]耿长青等.单片机应用技术.北京.化工工业出版社,2004
[5]胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京.清华大学出版社,1995
[6]王幸之,钟爱琴.AT89系列单片机原理与接口技术.北京.北京航空航天大学出版社,2004
[7]杨文龙.单片机原理及应用.陕西.西安电子科技大学出版社,1999
附件1
硬件电路原理图：
附件2
源程序：
;
LCD的字符串显示
时钟1.2MHz
LCDRegistersaddresses
LCD_CMD_WR equ 0
LCD_DATA_WR equ 1
LCD_BUSY_RD equ 2
LCD_DATA_RD equ 3
LCDCommands
LCD_CLS equ 1
LCD_HOME equ 2
LCD_SETMODE equ 4
LCD_SETVISIBLE equ 8
LCD_SHIFT equ 16
LCD_SETFUNCTION equ 32
L
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