单片机原理与应用实验指导书2015年

《单片机原理与程序设计》实验指导书课程编号：ME3121034课程名称：单片机原理与程序设计适应专业：测控与仪器课程类别：实验教学种类：实验课程总学时：46实验学时：12执笔人：赵建、白小平西安电子科技大学机电工程学院2015年9月第一章概论第一节单片机应用技术全系列教学/开发实验系统概述随着计算机技术和测控技术的发展和进步，智能化应用技术在各行业领域中得到了广泛地应用，同时也迫切需要具有智能化应用技术方面的专业人才。在以往的教学和实践环节中发现，由于多方面的原因，目前学生的动手能力普遍较差，尤其是设计能力和实践能力远远达不到应有的水平，软硬件设计和调试能力差已不是个别现象，这对于今后从事智能化应用技术工作的学生来说是十分严重的问题，如果再不加以重视和改进实践教学，将会严重影响人才培养的质量和社会对人才的需求。为了加强对学生专业意识和实践能力的培养，不但要进一步加大专业基础教学实验的力度，而且还要大幅度地增加专业教学实验的内容和深度，使高年级学生能有更多的实践机会，能够接触到与社会需求较接近的研究和实践课题，必须在实践教学手段和方式方法上跟上社会发展的步伐，必须尽量采用先进的教学实践设备和具有针对性的指导方法，才能使学生全面发展，具备科学研究和产品开发的能力。针对目前专业实践教学中存在的设备水平较低，设计和调试方法落后的现状，有必要采用新的实验教学设备和新的教学实验方法提高教学质量，提高系统设计和实现的基本能力。在以前的专业教学实践中，大多利用的是单板机形式的教学实验系统，这种类型的实验设备可利用自身的监控程序通过手工汇编，键盘输入进行较短程序的设计与调试。对于专业基础性和简单的应用性实践还是可以接受的实验设备。但是，如果对于能够体现单片机应用技术特点的教学实验和科技实践来说，上述的实验系统就有着很大的局限性，存在着资源有限，调试方法落后，实验效率低等诸多问题。为了提高学生对单片机应用技术设计方法和调试技术的理解及运用能力，尤其是在课程设计和毕业设计阶段能够直接接触到与今后工作性质相类似的课题内容和设备条件，掌握较先进的软件、硬件设计和调试工具，经过多方面的调查和论证，认为应该为在校学生尽可能地提供既可以用来进行高水平的实践教学，又可以用来进行产品开发的“单片机应用技术教学/开发实验系统”。使学生能够在校学习期间就能系统地掌握较高水平的单片机应用技术设计技术，增强专业实践能力，特别是总体方案设计和项目组织实施能力，为培养出高质量的专业人才打下良好的基础。“单片机应用技术全系列教学/开发实验系统”考虑到目前国内智能化应用技术发展状况以及实践性教学环节的实际需要，在设计上采用以８０３１/80C552单片机为核心的单处理机系统结构，与以往的教学实验设备的不同之处在于，该系统完全是按照实用智能化应用系统的要求进行设计的，在使用时需要得到仿真器和ＰＣ机的支持。其主要特点是：⑴该实验系统针对不同学校和不同专业对单片机应用技术教学和实践的不同需要，分别设计了三种不同系统性能和技术指标的实验子系统，即单片机基础型教学实验系统、单片机应用型教学实验系统、单片机实用型教学实验系统。可以满足专科生、本科生、硕士生以及社会上需要学习和掌握单片机应用技术的专业技术人员等不同层次人员的实验要求。⑵实验方法先进，与实际工作下的实验过程类似，可以使学生在进行教学实验时就能学习和掌握实际工作条件下的实验与调试技术，对于提高学生的动手能力，加强学生今后的适应能力，缩短课堂教学与社会需要之间距离有着很好的帮助作用。⑶选用技术成熟的多种实用型外围接口电路，可用来实现各种不同类型的智能化测控设备；各接口电路采用系统控制下的模块式结构单元电路形式，可以根据课题的需要灵活组合与配置，有利于培养学生的系统设计能力。⑷监控程序均设计成模块式结构，并部分附有详细的程序注释和流程图，便于在应用时选择，加快程序设计进程，使学生能够尽快地进入程序调试阶段，便于更好地掌握有关的软硬件调试技术。⑸可利用任何型号的８０３１单片机仿真器进行在线调试，在ＰＣ机的支持下能够运用成熟的调试软件（如ＭＢＵＧ等）和汇编程序设计软件（如QE.EXE、HEXOBJ.EXE等）进行程序设计和调试，为缩短程序设计和调试时间带来了方便，彻底摆脱了手工汇编，目的代码手动按键输入，代码输入及检查费时费力的落后调试方式，能够实现结构复杂的、功能种类多的程序设计与调试，使学生能够把精力集中在系统设计和功能实现上，提高学生对复杂系统的设计和开发能力。⑹为了方便使用，该实验系统为使用者提供了丰富的软件支持功能，该软件实际上就是一本内容详尽的教学实验指导书，可为使用者提供组成原理说明、实验指导教程、联机帮助手册、常用设计工具安装使用等多种功能。除了为使用者提供了Windows环境下使用的单机版软件外，还可以为使用者提供局域网版和互联网版的软件，使使用者在学习中可以通过交互式的学习、研究和交流手段，尽快掌握单片机应用技术，尤其适用于学校网络型计算机实验中心和通过互联网学习的社会上的专业技术人员。目前国内已有的大多数教学实验系统均是以单板机的形式来进行的，单板机实验系统由于受到本身资源的限制，存在着系统设计不能完全与实际应用相符合，功能扩展受到限制，调试不方便等一系列问题，从提高教学实验质量，培养高水平的专业技术人才角度来看是不理想的。单片机应用技术全系列教学/开发实验系统立足于实际应用需要，选用功能种类较多的接口类型，可根据实际需要组成多种形式的智能化测控设备，符合当今对测控专业技术人员培养和实践的需要，是一种具有实用价值和推广价值的单片机教学实验设备。第二节单片机基础型教学实验系统实验方法指南为了能更好地完成单片机基础性教学实验的要求，达到加强理论认识，掌握单片机基本内容和提高实践应用能力的目的，在实验前首先要认真、仔细地了解整个实验系统的硬件组成，从8031单片机的各个引脚出发分析系统中单片机与各个单元电路的连接关系。尤其要注意分析复位电路、数据总线、地址总线以及有关的控制信号线，如RD-、WR-、PSEN-信号等；在此基础上分析和了解程序存储器、数据存储器以及其它外围电路的寻址地址和范围，只有对各个有关的单元电路地址有了清楚的认识，才能对各外围单元电路进行正确的寻址和使用。在对实验系统的基本组成有了一定的认识后，则需要对各外围单元电路的组成方法和控制方式作进一步的了解，要正确认识实验系统所能提供的各个单元电路的作用和功能，如74LS244开关量输入单元电路、73LS374开关量输出单元电路、8255并行输入／输出单元电路、8253定时／计数器单元电路、ADC0809Ａ／Ｄ转换单元电路、DAC0832Ｄ／Ａ转换单元电路、ＬＥＤ数码管显示单元电路、8255控制的矩阵键盘单元电路等。在分析单元电路时要特别注意对各单元电路中的主要器件的功能特性和控制方法进行复习，只有在充分了解各器件的功能特性和控制方法基础上，才能很好地运用这些器件完成想要实现的各种功能。所以，通过教学实验掌握常用器件的使用方法也是我们的目的之一。对教学实验系统的了解还包括对各个接插件的了解，在系统中有多个接插件，其引脚意义各不相同，要注意了解各引脚标号的意义和性质（如开关量输出引脚、开关量输入引脚、开关量输入／输出引脚、模拟量输入引脚、模拟量输出引脚、时钟信号引脚、电源引脚、控制信号引脚等），因为通过不同的信号引脚相互之间的连接，可完成不同的系统组成，实现不同的测控功能。在每一个实验题目的准备过程中，要认真分析实验题目的要求，因为我们的实验是属于开发性实验，与验证性实验有本质上的不同。实验指导书只是提出实验要求和目的，并没有给出十分具体的实验方法和步骤，这些都需要自己去体会和认识，从而提出实验中所需的单元电路（或单元电路的组合），并确定实现方法。所以，要求在实验前必须集中精力和时间，认真准备实验方案，对实验中可能遇到的问题有一定的思想准备和技术准备，否则将达不到实验的目的，也不会得到满意的效果。用8031单片机汇编语言编制和调试控制程序是教学实验的另一项主要的内容，在开始设计控制程序时，首先要对8031单片机的指令系统进行必要的复习，对常用的指令以及指令意义和特点要熟记。教学实验都是从简单到复杂，程序设计和调试也是同样，只要按照实验指导书中的章节顺序和要求逐个完成各个实验，其程序设计能力必然会得到提高。所以在实验中要注意总结程序设计方法，注意程序设计的质量和结构关系，在基本功能要求满足后，注意对所设计的程序进行优化，建议用不同的实现方法来进行程序设计。除此之外，为了能够更好地完成教学实验，要在实验前对所使用的仿真机的使用方法进行深入的了解和掌握，要仔细阅读实验指导书中的有关章节，在充分认识和掌握了仿真机使用方法之后再进入到具体的实验，并且在实验中要不断加深对仿真机使用方法的认识，注意如何通过仿真机来提高程序调试的速度和质量。上面主要是对“单片机基础型教学实验系统”的教学实验中的有关问题提出的一些必要的说明。在其他相关课程的教学实验和科技活动中，由于课程内容和任务性质的变化，实验要求与实验内容也发生了相应的变化。实验内容不再是以单元电路使用方法为主要内容，而是以完成某些具有测控技术特征的功能实现为主要内容。这就要求在设计和完成实验过程中有较强的专业意识，能够结合所学知识创造性地设计实验方案，灵活地运用软、硬件资源，进一步掌握汇编语言程序设计方法，注意形成一定的程序设计风格，为后面的进一步提高打下良好的基础。第二章单片机基础型教学实验系统组成说明第一节基础型教学实验系统的主要功能及技术指标基础型教学实验系统主要是面向专科生、低年级本科生及初学者进行单片机原理和技术基础性实验的系统。该实验系统组成简单，易于掌握，配置了较全的典型接口电路形式，既可以进行原理性实验，也可以完成一定难度的接口实验，可满足原理性课程的教学实验需要。其系统电路组成如图2.1所示：图2.1基础型教学实验系统组成框图单片机基础型教学实验系统的主要功能及技术指标：⑴ＣＰＵ：８０３１单片机803174LS37362642725682558253ADC0809DAC0832加电复位8位LED数码管4×4键盘开关量I/O开关量/模拟量输入、LED输出地址译码用户使用端子和实验板⑵时钟频率：６ＭＨｚ⑶内存：８Ｋ用户ＳＲＡＭ数据存储器３２Ｋ用户ＥＰＲＯＭ程序存储器⑷输入信号接口电路：①８通道数据锁存输入电路②８通道单极性转换速度为１００微秒的８位Ａ／Ｄ转换器接口电路③１６个按键的键盘输入接口电路④可编程的开关量输入接口电路⑤可编程的外部事件和脉冲输入计数器接口电路⑸输出信号接口电路：①８位Ｄ／Ａ转换器接口电路②８位ＬＥＤ数码管显示接口电路③可编程的开关量输出接口电路④可编程的定时器接口电路⑹其它单元电路：①系统复位单元电路②端口扩展地址译码电路第二节8031及其外部扩展电路一、8031总线说明1.地址和数据总线8031的P0口（P0.0～P0.7）和P2口（P2.0～P2.7）合用，分别作为低8位和高8位的地址总线；其中P0口兼作数据总线DB0～DB7。2、控制总线（主要信号）RD-和WR-信号分别与外部存储器和各端口器件的RD-和WR-相连，进行相应的读／写操作控制；PSEN-信号用于访问外部程序存储器（27256）；EA接地，外部数据和程序存储器供用户使用的地址都是从0000H开始；RESET信号接复位电路，用于对系统的复位。二、8031振荡电路8031的XTAL1和XTAL2接石英晶体振荡器，构成时钟电路，为8031提供6MHZ的时钟频率。三、8031复位电路本系统的复位电路是上电和按键复位的组合电路。在系统加电瞬间R、C电路充电过程中出现负脉冲，经74LS00反相后为正脉冲，使8031复位；当用户需要手动复位时，按下复位键，产生负脉冲，经反相后出现正脉冲（约10ms的高电平），使8031复位。图2.2复位电路四、8031译码及外部扩展接口电路8031外部译码采用3～8译码器74LS138，为存储器和各端口提供8根片选信号线（译码输入线采用地址总线高三位（AB13～AB15）和RD-