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学位论文-—虚拟单片机实验系统的开发附录程序正文.doc
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1、 毕 业 设 计学生姓名: XXXX 学 号: 09XXXXXXXXX 专 业: 电子科学与技术 题 目: 虚拟单片机实验系统的开发 指导教师: 王保柱(副教授) 张秀清(讲师) 评阅教师: 武瑞红(副教授) 2013 年 6 月河北科技大学毕业设计成绩评定表姓 名XXX学 号09XXXXXXXX成 绩专 业电子科学与技术题 目虚拟单片机实验系统的开发指导教师评语及成绩 指导教师: 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师: 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长: 年 月 日答辩委员会意见 答辩委员会主任: 年 月 日 毕 业 设 计 中 文 摘 要基于C51的单片机在现实生活中有着广泛的应
2、用,课题基于PROTEUS软件,简单设计了一个单片机虚拟硬件环境的实验系统,以便做一些简单的单片机实验。本课题针对PROTEUS软件和编译软件KEIL做了一下简单的介绍。本文重点对单片机虚拟硬件环境各部分电路进行详细介绍,包括键盘、显示、6位共阳数码管、A/D、D/A等。重点介绍了4X4键盘的显示功能、8位发光二极管以流水灯的方式显示、LCD的显示以及A/D和D/A转换器的功能。最后作者还介绍了一下PROTEUS和KEIL的联调设置以用各电路的仿真结果。关键词:proteus软件;单片机 ;仿真; 虚拟实验毕 业 设 计 外 文 摘 要Title Based on the virtual ex
3、periment system PROTEUS chip designAbstractWidespread application based on the C51 monolithic integrated circuit in the real life. This article based on PROTEUS software, simply designed a monolithic integrated circuit hypothesized hardware environment experiment system. In order to make some simple
4、 MCU experiment.This subject gives a brief introduction to KEIL and PROTEUS.This article main introduce the detail to various part of electric circuits. Include keyboard, display, 6 digit 7 segment anode display,A/D, D/A, the 4X4 keyboards demonstration function, 8 light emitter diodes by class lant
5、ern floated down rivers way demonstration, LCD displayed as well as A/D and D/A switchs function. At last, writer also introduced the simulation result by KEIL and PROTEUS in different circuits with the jointing setting.Key Words: Proteus software, SCM, Simulation, Virtual experiment第 I 页 共 II 页本 科
6、毕 业 设 计目 录1 绪论11.1 课题背景分析11.2课题概况及发展趋势21.3课题的目的和意义22 系统设计32.1电路整体设计32.2课题解决的问题32.3课题研究的方法42.4 电路仿真部分63 硬件电路设计73.1整体框图设计73.2主芯片AT89C5283.3 LED显示模块143.4 LCD显示模块163.5 数码管显示173.6 键盘显示193.7 A/D转换模块223.8 D/A转换模块243.9 温度传感器模块253.10 蜂鸣器模块264 软件联调配置284.1 软件语言的选择284.2 软件运行环境284.3 proteus和keil的配置285 电路的仿真与测试32
7、5.1 LED流水灯325.2 LCD字符显示335.3 数码管动态扫描345.4 键盘测试355.5 A/D转换实验365.6 D/A转换实验375.7计时器 385.8 1602液晶显示时钟385.9 DS18B20温度按传感器395.10 交通灯设计395.11 整体电路测试40结论44致谢45参考文献46附录48第 92 页 共 43 页本 科 毕 业 设 计 1.绪论1.1课题的背景分析针对传统的单片机,需采购大量的、比较贵的的硬件设备,而且设备维护和工作量也非常大,传统的单片机实验采用硬件仿真器,实验箱或实验板,由于单片机应用技术涉及的范围比较广,它涉及到到计算机、须硬件和软件结合
8、才能实现,也就是将外围电路和单片机程序相结合,如果用真实的实验箱则费会用高,器材又不能地发挥充分利用,加上所用实验板开发周期比较长,可行性不好。 现在使用Proteus仿真软件,实现了纯软件的虚拟单片机实验系统,既可调试单片机程序,也可以仿真单片机的外围器件的工作情况;既能充分利用计算机等硬件资源,减少硬件设备的维护工作量,还可提供丰富的实验内容。1.2技术概况及发展趋势现代科技技术的发展,促进了计算机技术在软件和硬件上的飞速发展,利用计算机软件的仿真技术,可以充分地仿真电路的工作等实际的工程问题。目前,嵌入式系统已经广泛地渗透到工程设计、科学研究、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日
9、常生活等方方面面中,由于社会对掌握嵌入式技术人才的大量需求,使得嵌入式软硬件工程师成为未来几年内最为热门的职业之一,相当一部分高校已开设嵌入式系统的相关课程。嵌入式系统是实践与理论相结合的课程,对于嵌入式处学习者来说没有足够的资金来购买开发板,所以只能选择仿真仿真来学习嵌入式系统,proteus是目前最好的仿真软件,能够虚拟出嵌入式系统开发中常用的处理器和外围器件。Proteus与其他软件不同,它不仅能仿真CPU的工作情况,而且也能仿真参与单片机仿真的外围电路和其他电路的工作情况。在调试和仿真的过程中,关心的是从工程的角度直接看程序运行的结果和电路的工作过程。不再关心的是某些程序语句执行单片机
10、寄存器和存储器内容的改变。这样的仿真弥补了工程和实验见的矛盾和脱节。1.3 课题的目的和意义单片机技术是电子专业一门重要的基础课程,它要求的对动手能力要求很高,长期以来,由于实验设备资源的限制,使得教学实验受到了限制,本设计是利用Proteus软件进行虚拟单片机试验系统的开发,所涉及到单片机及外围电路可以在没有硬件的情况下进行各种实验的仿真,从而大大地挺高了学习的兴趣。在现代教学中计算机网络和虚拟实验等技术已经逐渐成为教学的的手段和工具。通过实验可以使所学的东西更加清楚和明了,通过实验可以是学生通过实验加深对理论知识的理解和认识。尤其是那些那些难以理解的内容,虚拟实验在现代教学有很高的地位,它
11、使得很多复杂的问题变得简单化,同时也节省很多件资源,在实验中通过一些形象生动的演示,是所学的知识转化为能力,在以后的工作中实践中得以灵活地应用。传统的试验室,需要大量的实验器材,而且很多器材都得不到充分地利用,加上电子产品的更新换代,很多实验器材用不了几年就会被淘汰,再加上目前学生人数的增加,势必会给实验教学带来不小的压力和冲击,所以我们就要寻找一种新的途径解决实验教学的问题,传统的实验需要各种设备仪器,和相关的配套设施,而且对实验器材不够充分地利用,学生在试验室对各种仪器不熟悉,对实验内容准备的不够充分而到不到满意的实验结果,现在利用虚拟的实验系统可以很好地解决这一问题,所以虚拟试验室教学将
12、成为一种发展趋势,同时也提高学习者的积极性和动手能力。2.系统设计2.1电路整体设计本课题共分为几大模块,具体为LED显示、1602液晶显示、温度传感器、独立按键、数字按键、4X4键盘显示、6位数码管、蜂鸣器、8位发光二极管流水灯显示、LCD显示以及A/D和D/A转换几个模块。所有电路都是围绕主芯片AT89C52来完成的,下图为设计的电路的整体框图,如图2-1所示。图2-1 系统电路框图2.2课题解决的问题为了解决传统基于硬件的单片机实验室诸多弊端,本课题采用PC和软件建立的单片机虚拟试验系统,即在proteus上使用的各种虚拟仪器,按照试验要求和设计原理,虚拟出与现实相同的实验系统,进而完成
13、整个实验,也充分利用了proteus软件的功能,对各个电路部分进行仿真。为进行一些简单的单片机实验构建一个虚拟硬件环境。(1)4X4键盘:主要输入数据(2)显示部分:LED:LED是一种特别的二极管,当连接最电的时候就会发出光,通常被用在电子器具来显示电路是否关闭或打开的指示灯。LCD:LCD为英文Liquid Crystal Display的缩写,即液晶显示器,是一种数字显示技术,可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源,在平面面板上产生图象。(3)A/D和D/A:真实世界的模拟信号,例如温度、压力、声音或者图像等,被不断转换成更容易储存、处理和发射的数字形式,但是在很多系统中,数字信息也必须重新转
14、换成模拟信号来实现一些真实世界的功能。数模转换器(DAC)就可以做到这一点,而且它们的输出还可以用来驱动各种设备。 DAC一般被放置在数字系统中。在数字系统中,一些真实世界的信号通过模数转换器(ADC)数字化和处理过后,然后需要重新转化成模拟信号的系统中。这些系统所要求的DAC性能会受到系统其它组件的性能和要求的影响。2.3 课题研究的方法2.3.1 总体方案图2-2 总体方案分别对LED显示、独立键盘、矩阵键盘、LCD显示、蜂鸣器模块、数码管以及A/D和D/A等实验项目进行硬件电路和软件程序的设计并结合Proteus和Keil uVision3进行仿真。如图2-2所示。2.3.2 技术路线图
15、2-3 技术路线围绕着主芯片设计LED显示、独立键盘、矩阵键盘、数字键盘、LCD显示、数码管、计数器、数字温度显示、蜂鸣器模块、交通灯设计、以及A/D和D/A等电路模块并在Porteus上画出相应的电路图并保存。用C语言编译能够完成相应模块功能的源程序。运行Proteus进行仿真调试。如果仿真没有成功则修改电路或源程序后重新进行仿真测试。2.4 电路图仿真部分Proteus与其他软件不同,它不仅能仿真CPU的工作情况,而且也能仿真参与单片机仿真的外围电路和其他电路的工作情况。因此在调试和仿真的过程中,关心的是从工程的角度直接看程序运行的结果和电路的工作过程。不再关心的是某些程序语句执行单片机寄
16、存器和存储器内容的改变。这样的仿真弥补了工程和实验见的矛盾和脱节。采用Proteus仿真软件进行虚拟单片机实验,具有比较明显的优势,如涉及到的实验实习内容全面、硬件投入少、学生可自行实验、实验过程中损耗小、与工程实践最为接近等。3. 硬件电路设计3.1 整体框图设计在proteus中由LED模块及驱动电路、1602液晶显示模块、LCD显示模块、6位数码管、AD/DA转换模块、独立按键、矩阵按键、数字按键、蜂鸣器模块、温度传感器等模块。如图3-1所示。图3-1 电路总设计图3.2 主芯片AT89C52本设计主要是围绕芯片AT89C52来设计的,下图为芯片AT89C52引脚的具体说明,如图3-2所
17、示。3.2.1 AT89C52介绍AT89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。图3-2 A89C52芯片AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照
18、常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。3.2.2 管脚说明主要管脚有:XTAL1(19 脚)和XTAL2(18 脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz 晶振。RST/Vpd(9 脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40 脚)和VSS(20 脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0 端口(3239 脚)被定义为N1 功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13 脚定义为
19、IR输入端,10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU 的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 VCC:供电电压。GND:接地。P0 口:P0口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口, 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路,对端口P0 写“1”时,可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8 位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时
20、,P0 口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。 P1 口:P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口, P1 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C52 不同之处是,P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),Flash 编程和程序校验期间,P1 接收低8 位地址。P2 口:P2 是一个带有内部上拉
21、电阻的8 位双向I/O 口,P2 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR 指令)时,P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器(如执行MOVX RI 指令)时,P2 口输出P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。 P3 口:P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口
22、。P3 口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流(IIL)。P3 口除了作为一般的I/O 口线外,更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST:复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下,ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号,因此它
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