【正文】 武漢理工大學(xué)《單片機(jī)應(yīng)用實(shí)習(xí)》報(bào)告書單片微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用課程實(shí)習(xí)報(bào)告實(shí)習(xí)任務(wù)說明（1）利用上述材料完成單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試；（2）完成ISP下載電路的設(shè)計(jì)、焊接；（3）完成應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展電路部分的設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試，應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展電路的具體要求如下：1)鍵盤、顯示電路利用單片機(jī)最小系統(tǒng)、6個7段LED數(shù)碼管、12個按鍵，設(shè)計(jì)制作一個鍵盤、顯示電路?？梢允褂?279鍵盤顯示接口電路，也可以使用單片機(jī)的并行接口作為鍵盤顯示接口。2) 數(shù)字時鐘在鍵盤、顯示電路的基礎(chǔ)上完成一個數(shù)字時鐘的設(shè)計(jì)，完成以下功能：要求以24小時計(jì)時方式顯示時、分、秒；時、分、秒可以通過按鍵分別調(diào)整。3) 數(shù)字溫度計(jì)在上題的硬基礎(chǔ)上，制作一個數(shù)字溫度計(jì)。完成以下功能：利用DS18B20可編程1Wire數(shù)字溫度傳感器芯片，或利用AD590溫度傳感器芯片和A/D轉(zhuǎn)換器芯片采集溫度溫度信號；當(dāng)按下鍵盤上的溫度顯示按鍵時將實(shí)時溫度信息顯示在LED顯示器上，當(dāng)按下鍵盤上的時鐘顯示按鍵時，恢復(fù)時鐘的正常顯示；通過串行通信的方式，將采集到的實(shí)時溫度信息送至第二個單片機(jī)系統(tǒng)，并在二個單片機(jī)系統(tǒng)顯示實(shí)時溫度。4) 數(shù)字頻率計(jì)在上題的硬基礎(chǔ)上，制作一個數(shù)字頻率計(jì)。完成以下功能：利用MCU設(shè)計(jì)一個數(shù)字頻率計(jì)，用于檢測0～500kHz周期信號的頻率，輸入信號幅度范圍：～10V；當(dāng)按下鍵盤上的頻率顯示按鍵時將測量的頻率信息顯示在LED顯示器上，當(dāng)按下鍵盤上的時鐘顯示按鍵時，恢復(fù)時鐘的正常顯示；（4）利用仿真軟件完成系統(tǒng)仿真工作；（5）完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，包括程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流程圖繪制、程序設(shè)計(jì)。1 基本原理簡介 STC89C52結(jié)構(gòu)功能介紹STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能COMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。STC89C52具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)配置：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16 位 定時器/計(jì)數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選，即機(jī)器周期可為時鐘周期的6或12分頻。STC89C52引腳圖如下：圖11 STC89C52引腳圖STC89C52芯片共40引腳，各引腳功能如下：1～8腳：通用I/～。9腳：RST復(fù)位端。10，11腳：RXD串口輸入，TXD串口輸出。12～19腳：I/～(12,13腳分別為INT0中斷0和INT1中斷1)。14，15腳：外部計(jì)數(shù)脈沖T0、T1輸入端。16，17腳：WR寫控制和RD讀控制輸出端。18，19腳：晶振諧振器20地線。21～28腳：P2接口，高8位地址總線。29腳：片外ROM選通端PSEN，單片機(jī)對片外ROM操作時（PSEN）輸出低電平。30腳：ALE/PROG，ALE為地址鎖存允許端，PORG為編程脈沖的輸入端。31腳：EA ,ROM取指令控制端，高電平片內(nèi)取，低電平片外取。32～39腳：I/～，這八位I/O需外接上拉電阻。40腳：電源+5V輸入端。STC89C52主要功能如下表：表1 STC89C52的主要功能兼容MCS51指令系統(tǒng)8K可反復(fù)擦寫Flash ROM32個雙向I/O口256x8bit內(nèi)部RAM3個16位可編程定時/計(jì)數(shù)器中斷時鐘頻率024MHz2個串行中斷可編程UART串行通道2個外部中斷源共6個中斷源2個讀寫中斷口線3級加密位低功耗空閑和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)基本原理本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來做為數(shù)字頻率計(jì)的核心控制電路，輔之于少數(shù)的外部控制電路。系統(tǒng)組成包括信號放大整形電路、分頻電路、數(shù)據(jù)選擇器、單片機(jī)AT89C51和顯示電路等。被測信號經(jīng)過放大整形后，進(jìn)入單片機(jī)開始計(jì)數(shù),利用單片機(jī)內(nèi)部定時計(jì)數(shù)器定時，然后把所計(jì)的數(shù)經(jīng)過相關(guān)處理后送到顯示電路顯示。頻率計(jì)組成框圖如圖12所示。放大整形電路分頻電路多路數(shù)據(jù)選擇器單片機(jī)顯示電路待測信號按鍵圖12 頻率計(jì)組成框圖2 方案論證 數(shù)字時鐘方案方案一：同樣以STC89C52作為硬件核心，利用51單片機(jī)內(nèi)部的定時器進(jìn)行計(jì)時，同時可以通過控制按鍵實(shí)現(xiàn)時分秒的調(diào)整，最后通過6位LED數(shù)碼管顯示時分秒，該種方案雖然在時間上有一定的誤差，但成本較低。方案二：以STC89C52作為硬件核心，采用DS1302時鐘芯片實(shí)現(xiàn)時鐘，DS1302芯片是一種高性能的時鐘芯片，可自動對時、分、秒、周、年進(jìn)行計(jì)數(shù)，精度也比較高，再利用LED液晶對時鐘進(jìn)行顯示。方案一較簡單，但精度不高，完全利用單片機(jī)自身資源實(shí)現(xiàn)。方案二精度很高，而且只需要占用單片機(jī)的一個I/O，考慮到本次實(shí)習(xí)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)較龐大，為節(jié)省單片機(jī)定時器等資源，減輕處理器負(fù)擔(dān)，我采用方案二。 數(shù)字溫度計(jì)方案方案一：采用熱敏電阻103。利用熱敏電阻一類的感溫器件的感溫效應(yīng)，然后將隨被測溫度變化的電壓或者電流采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，傳到51單片機(jī)，利用51單片機(jī)對這些此采集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并最終將測量的溫度顯示在LED數(shù)碼管之上。方案二：利用DS18B20采集溫度。利用專門感應(yīng)溫度的溫度傳感器DS18B20感應(yīng)溫度，然后用51單片機(jī)的系統(tǒng)讀取該傳感器的溫度，最終將溫度顯示在LED數(shù)碼管之上，同時利用串口通信將溫度信號發(fā)送出去。方案一利用熱敏電阻的感溫特性，測量結(jié)果可能與實(shí)際值相差比較大；方案二采用了數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，使得電路的分析數(shù)字化，其調(diào)試過程變得變得簡單，更是因?yàn)椴捎昧藛纹瑱C(jī)，使得電路的大部分功能都可以由軟件來完成，這使得硬件電路非常簡單，功能卻非常完善。所以選擇方案二。 數(shù)字頻率計(jì)方案電子計(jì)數(shù)式的測頻方法主要有以下幾種：脈沖數(shù)定時測頻法(M法)，脈沖周期測頻法(T法)，以及多周期同步測頻法。分別介紹如下：（1）脈沖數(shù)定時測頻法(M法)：此法是記錄在確定時間Tc內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)Mx，則待測頻率為： Fx=Mx/Tc（2）脈沖周期測頻法(T法)：此法是在待測信號的一個周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號變化次數(shù)Mo。這種方法測出的頻率是： Fx=Mo/Tx幾種方案的優(yōu)劣討論：（1）M法：時間Tc為準(zhǔn)確值，測量的精度主要取決于計(jì)數(shù)Mx的誤差。其特點(diǎn)在于：測量方法簡單，測量精度與待測信號頻率和門控時間有關(guān)，當(dāng)待測信號頻率較低時，誤差較大。（2）T法：此法的特點(diǎn)是低頻檢測時精度高，但當(dāng)高頻檢測時誤差較大?？紤]到本設(shè)計(jì)中所測頻率范圍和對數(shù)字頻率計(jì)的精度要求不是很高，而且用第二種方法測量低頻（低于15Hz）時為不使計(jì)數(shù)器溢出需要對輸入信號進(jìn)行倍頻，這大大增加了設(shè)計(jì)開銷。所以采用第一種方法。3 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶振時鐘電路和復(fù)位電路。原理圖如圖31所示。圖31 單片機(jī)最小系統(tǒng)在單片機(jī)引腳XTAL1和XTAL2外接晶體整蕩器或陶瓷振蕩器，就構(gòu)成了內(nèi)部震蕩方式，由于單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反向放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器，并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖，晶振通常選擇6MHz、12MHz或24MHz。與晶振連接的電容起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。電容值一般為5～30pf。復(fù)位操作完成單片機(jī)片內(nèi)電路初始化，復(fù)位結(jié)束后，單片機(jī)從一種確定狀態(tài)開始運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位引腳RST出現(xiàn)5ms以上高電平時，單片機(jī)就完成復(fù)位操作。復(fù)位操作通常有兩種形式：上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。常用上電開關(guān)復(fù)位電路如上圖所示，上電后，由于電容C1充電，時RST持續(xù)一段時間高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行中時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間高電平，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)復(fù)位操作。通常C1=10～30uf,R1=10kΩ。 矩陣鍵盤電路鍵盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的輸入設(shè)備，當(dāng)按鍵少時可接成線性鍵盤，當(dāng)按鍵較多時，這樣的接法占用口線較多。將按鍵接成矩陣的形式，可以節(jié)省口線，例如兩個接口可按8*8的形式接64個按鍵。每個按鍵有它的行值和列值，行值和列值的組合就是識別這個按鍵的編碼。矩陣的行線和列線分別通過并行接口和CPU通信。矩陣鍵盤的行線和列線分別通過兩并行接口和CPU通信，在接鍵盤的行線和列線的兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)接地，另一個并行口輸入按鍵狀態(tài)。由行掃描和列回饋信號共同形成鍵盤碼。如圖32為4*3矩陣鍵盤。圖32 4*3矩陣鍵盤 顯示電路本次數(shù)字時鐘顯示時間需要6位，因此需要采用6個數(shù)碼管，若單獨(dú)采用數(shù)碼管連線時比較麻煩，故設(shè)計(jì)采用6位一體的共陰極數(shù)碼管，若使6個數(shù)碼管顯示正常時間，必須采用采用數(shù)碼管的動態(tài)掃描方式，即每一時刻只有一個數(shù)碼管點(diǎn)亮，采用軟件延時和人眼的視覺暫留效果，使人眼看到的數(shù)碼管是同時點(diǎn)亮的。因此需要用6個端口控制數(shù)碼管的位選，即決定哪個數(shù)碼管點(diǎn)亮。每個數(shù)碼管的8個數(shù)據(jù)口控制數(shù)碼管的段選，即決定數(shù)碼管顯示什么字符?？紤]到數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式，即循環(huán)掃描數(shù)碼管的6位，并將顯示字符送入段選位，我們采用P1口控制數(shù)碼管的8個段選位，并采用74HC573實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管驅(qū)動及數(shù)據(jù)鎖存功能，如圖33所示。 圖33 6位8段數(shù)碼管顯示電路 數(shù)字時鐘電路DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含有一個實(shí)時時鐘/日歷和31 字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)時時鐘/日歷電路提供秒分時日日期月年的信息。每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整。時鐘操作可通過AM/PM 指示決定采用24或12小時格式。DS1302與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個口線（RES）復(fù)位（I/O）數(shù)據(jù)線（SCLK）。串行時鐘的時鐘/RAM 的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達(dá)31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302 工作時功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW。本系統(tǒng)中DS1302與單片機(jī)的連接原理圖如圖34所示。圖34 DS1302與單片機(jī)的連接原理圖，作為DS1302的基準(zhǔn)時鐘源。 溫度采集電路由于采用溫度采集芯片