單片機應用與開發實訓指導書前言MCS-51系列單片機是目前市面上相當流行的單片機，我校部分專業（如自動化、電氣工程及其自動化、機制等）在大學三年級時候普遍開設單片機控制技術課程。學生在課程學習過程中，通過單片機實驗室接收專業實驗的訓練，但還沒有接受單片機產品系統的、完整的工程訓練，需通過后續的單片機應用實踐來強化單片機開發的工程技術能力。結合我校實驗實訓室具體情況，特編寫本實訓指導書指導學生訓練單片機產品的規劃協作能力、設計開發調試能力以及必需的工程實踐能力。編者通過多年的單片機教學和設計開發經驗，認為我校學生在單片機開發上面應該具有以下基本專業素養：單片機應用知識、產品規劃設計、文獻檢索分析、電器元件（集成芯片）識別應用、電路分析設計、EDA軟件應用分析、單元電路焊接調試、Protel軟件繪制電氣原理圖、PCB圖繪制開發、開發所需的硬件工具（諸如電源、示波器、信號發生器、面包板、萬用板、萬用表、邏輯筆等）和軟件（如Uvision、ISP下載軟件等）綜合應用調試、技術文檔整理等。該指導書中包含常用元器件的識別、電子元器件的焊接技術以及交通燈控制系統、數顯電壓表、電機轉速表三個應用實例，在書中每個部分都給出了詳細的介紹，學生可以根據該指導書有目的、有計劃的進行針對性訓練。指導書中所提供的三個實例都是經過指導教師調試完成的，在所提供的PCB板上能夠實際運行，但都是作為在校學生工程訓練使用，存在著很多不足。另外指導書編寫也比較匆忙，歡迎同學們在使用過程中指出。 單片機應用與開發實訓須知為使實驗實訓正確、順利地進行，并保證實驗實訓設備、儀器儀表和人身的安全，在進行具體的實訓項目時，須知以下內容。1實訓預習每一個實訓項目進行前，學生必須進行認真的閱讀并解讀實訓任務書，掌握該次實訓的目標、內容、所用到的芯片有哪些、實訓設備和儀器儀表、工具，測量和記錄項目等，做到心中有數，減少實訓設計的盲目性，提高實訓效率，盡可能的減少元器件的浪費。2電源（1）電子工藝實訓室的工作臺上設有單相（或三相）交流電源開關和直流電源開關，由實訓室統一供電，實訓前應弄清各輸出端點間的電壓數值和具體的開關位置。（2）在實訓過程中，嚴禁將超過規定電壓數值的電源接入線路運行。（3）在進行實訓線路的接線、改線或拆線之前，必須斷開電源開關，嚴禁帶電操作，避免在接線或拆線過程中，造成電源設備或部分實訓線路短路而損壞設備或實驗實訓線路元器件。3儀表與工具（1）認真掌握每次實驗實訓所用儀表與工具的使用方法、放置方式（水平或垂直），并要清楚儀表的型號規格和精度等級等。（2）儀表與工具與實訓中用到的電路板、元器件的位置應合理布置，以方便實訓操作和測量。（3）儀表上的旋鈕有起止位置的，旋轉時用力要適度，到頭時嚴禁強制用力旋轉，以免損壞旋鈕內部的軸及其連接部分；要注意儀表接線端子的極性，防止接反損壞儀表，影響實訓進行。（4）測試前應根據估算的物理量數值先選擇好儀表的量限，然后將儀表接入線路測試點。（5）實訓用到的工具要合理擺放，使用時不要用力過度，以免損壞工具，使用的電烙鐵嚴禁放置在工作臺上！4對實訓中異常現象的處理在實訓過程中，如發現異常火花、異聲、異味、冒煙、過熱等現象，應立刻斷開電源開關，保持現場，并請指導教師一起檢查原因。5實驗實訓結束整理（1）實訓結束后，應先斷開電源開關，然后才能拆線。（2）將實訓工作臺上的儀表與工具和焊接好的實訓線路板擺放整齊，將連接導線歸攏整齊并放入實訓桌抽屜內，等待老師檢查。（3）實訓結束后自覺將凳子整齊地放到實驗實訓臺下面。6實訓報告書寫要點實訓報告是對實訓過程的總結，它是對設計任務、設計內容和設計結果的具體詮釋，是反映學生實訓成果的具體體現形式之一。每個學生都應在實訓完成后及時寫出體現自己設計思想，符合格式規范的實訓報告書。這不僅能深化理論學習的內容，而且能培養正確總結設計工作和進行科學實驗的能力。提交實訓報告書的具體要求為：字數：5000字10000字，內容：（1）封面（2）中英文摘要（3）目錄（4）正文 概述所作題目的意義、本人所做的工作及系統的主要功能 硬件電路設計及描述； 軟件設計流程及描述； 源程序代碼（要有注釋）（5）設計總結（6）所用芯片的資料。 目錄前言I單片機應用與開發實訓須知II常用電子元器件識別1電子元器件焊接技術8實訓一 交通燈控制系統設計11實訓二 數顯電壓表設計32實訓三 電機測速與調速設計57參考文獻8184常用電子元器件識別電子電路中常用的器件包括：電阻、電容、 二極管、三極管、可控硅、輕觸開關、液晶、 發光二極管、蜂鳴器、各種傳感器、芯片、繼電器、變壓器、壓敏電阻、保險絲、光耦、濾 波器、接插件、電機、天線等。同學們在日常中應注意積累相關知識。一、電阻作為電路中最常用的器件，電阻器，通常簡稱為電阻（以下簡稱為電阻）。電阻幾乎是任何一個 電子線路中不可缺少的一種器件，顧名思義，電阻的作用是阻礙電子的作用。在電路中主要的作用是：緩沖、負載、分壓分流、保護等作用。1碳膜電阻器是目前電子、電器、資訊產品中使用量最大，價格最便宜，品質穩定性、信賴度最高的碳膜固定電阻器。優點 :制作簡單，成本低； 缺點: 穩定性差，噪音大、誤差大。2金屬氧化皮膜電阻器隨著電子設備的發展其構成的零件亦趨向小 型化、輕型化及耐用化等趨勢。在真空中加熱合 金，合金蒸發，使瓷棒表面形成一層導電金屬 膜。刻槽和改變金屬膜厚度可以控制阻值。 優點：體積小、精度高、穩定性好、噪音小、電感 量小； 缺點：成本高。3繞線電阻器 、無感性繞線電阻器這種電阻成本低，阻值范圍寬，但性能差，很少采用。優點:功率大； 缺點：有電感，體積大，不宜作阻值較大的電阻。4水泥型繞線電阻器將電阻線繞於無咸性耐熱瓷件上或用氧化膜 電阻等固定電阻器，外面加上耐熱，耐濕及耐腐 蝕的材料保護固定而成。水泥型電阻是把電阻體 放入方形瓷器框內，用特殊不燃性耐熱水泥充填 密封而成。具有耐高功率、散熱容易、穩定性高等特點 ,額定功率一般在1瓦以上。 優點：功率大； 缺點：有電感，體積大，不宜作阻值較大的電阻。5電位器有機實芯電位器：該電位器的特點是結構簡單、耐高溫、體 積小、壽命長、可靠性高，廣泛用于焊接在電 板上作微調使用；缺點是耐壓低、噪聲大。線繞電位器：線繞電位器用途廣泛，可制成普通型、精密型和微 調型電位器，且額定功率做的比較大、電阻的溫度系數小、噪聲 低、耐壓高。合成膜電位器：這類電位器的阻值變化連續、分辨率高、 阻值范圍寬、成本低。但對溫度和濕度的適應性差，使用壽命短。多圈電位器：多圈電位器屬于精密電位器。它分有帶指針、不帶指針等形式，調整圈數有5圈、10圈等數種。該電位器除具有線繞電位器的相同特點外，還具有線性優良，能進行精細調整等優點，可廣泛應用于對電阻實行精密調整的場合。7電阻的參數電阻最主要的參數是阻值和額定功率。額定功率為電阻在電路中允許消耗的最大功率（PUI）。電阻的額定功率也有標稱值，常用的有 1/8 、1/4 、1/2 、1、2、3、5、10 、20 瓦等。選用電阻的時候，要留一定的余量，選標稱功率比實際消耗的功率大一些的電阻。比如實際負荷 1/4 瓦，可以選用 1/2 瓦的電阻，實際負荷3瓦，可以選用 5瓦的電阻。8阻值標示方法直接法：用數字和單位直接標示阻值的方法，通常可省略。如 4.7K 。文字符號法：用數字與特殊符號組合，常見符號有M、K、R。如 4K7 4K7，1R9 1R9。數字表示法：常見于貼片電阻，用34位整數表示阻值，單位為 。（前23位表示有效值，末位表示倍率）如102 1021000，1001 10011000。色環表示法：用不同顏色的色環在電阻表面上標志出電阻主要參數的方法。9電阻值在電路圖中的標注在電路圖中電阻器和電位器的單位標注規則。阻值在兆歐以上，標注單位M，比如1兆歐，標注1M，2.7 兆歐，標注 2.7M。阻值在1千歐到100千歐之間，標注單位k，比如 5.1千歐，標注5.1k ，68 千歐，標注 68k 。阻值在100千歐到1兆歐之間，可以標注單位M，也可以標注單位K。比如360千歐，可以標注360k ，也可以標注0.36M。阻值在1千歐以下，可以標注單位，也可以不標注。 比如5.1歐，可以標注5.1或者5.1， 680歐，可以標注680或者680 。10電阻的使用常識。要根據電路的要求，選用電阻的種類和誤差。在一般的電路中，采用誤差10% ，甚至20%的碳膜電阻就可以了。 電阻的額定功率要選用等于實際承受功率1.52 倍的， 才能保證電阻耐用。 電阻在裝入電路之前，要用萬用表 歐姆檔核實它的阻值。安裝的時候，要使電阻的類別、阻值等符號容易看到，以便核實。二、電容1電容的種類根據介質的不同，分為陶瓷、云母、紙質、薄膜、電解電容幾種。陶瓷電容：以高介電常數、低損耗的陶瓷材料為介質，體積小，自體電感小。云母電容：以云母片作介質的電容器。性能優良，高穩定，高精密。紙質電容：紙介電容器的電極用鋁箔或錫箔做成，絕緣介質是浸蠟的紙，相疊后卷成圓柱體，外包防潮物質，有時外殼采用密封的鐵殼以提高防潮性。價格低，容量大。薄膜電容：用聚苯乙烯、聚四氟乙烯或滌綸等有機薄膜代替紙介質，做成的各種電容器。體積小，但損耗大，不穩定。電解電容：以鋁、擔、鋸、鈦等金屬氧化膜作介質的電容器。容量大、體積小，耐壓高（但耐壓越高，體積也就越 大），一般在 500V 以下。常用于交流旁路和濾波。缺點 是容量誤差大，且隨頻率而變動，絕緣電阻低。電解電 容有正、負極之分（外殼為負端，另一接頭為正端）。 一般，電容器外殼上都標有 “”、“”記號，如無標記則引線長的為“” 端，引線短的為“”端，使用時必須注意不要接反，若接反，電解作用會反向進行，氧化膜 很快變薄，漏電流急劇增加，如果所加的直流電壓過大，則電容器很快發熱，甚至會引起爆炸。2電容的參數識別和選用主要參數是容量和耐壓值。常用的容量單位有F（10-6 F）、nF（10- 9 F）PF（10-12F），標注方法與電阻相同。 電容的選用應考慮使用頻率、耐壓。電解電容還應注意極性，使正極接到直流高電位，還應考慮使用溫度。3電容大小的表示方法標有單位的直接表示法：有的電容的表面上直接標志了其特性參數，如在電解電容上經常按如下的方法進行標志：4.7u/16V，表示此電容的標稱容量為4.7uF，耐壓16V 。不標單位的數字表示法：許多電容受體積的限制，其表面經常不標注單位。但都遵循一定的識別規則。當數字小于 1時，默認單位為微法，當數字大于等于1時，默認單位為皮法 。用24位數字和一個字母表示標稱容量法：其中數字表示有效數值，字母表示數值的量級。字母為 m、u、n、p。字母 m表示毫法（ 10 -3F）u表示微法（ 10 -6F）n表示毫微法（10 -9F）P表示微法（ 10-12F）。字母有時也表示小數點。如33m表示 33000 u F ；47n表示0.047 u F 047 F；3 u 3表示 33 u F； 5n9表示 5900pF； 2P2 表示2.2pF。另外也有些是在數字前面加R，則表示為零點幾微法，即R表示小數點，如 R22 表示 0.22pF。色環 (點)表示法：該法同電阻的色環表示法，沿著電容器引線方向，第一、二種色環代表電容量的有效數字，第三種色環表示有效數字后面零的個數，其單位為 pF。 三、二極管半導體二極管由一個PN結，再加上電極、引線，封裝而成。晶體二極管接材料分有鍺二極管、硅二極管、砷化鎵二極管。按結構不同可分為點接觸型二極管和面接觸型二極管。按用途分有整流二極管、檢波二極管、變容二極管、穩壓二極管、開關二極管、發光二極管等。 （1）整流二極管整流二極管主要用于整流電路，即把交流電變換成脈動的直流電。整流二極管都是面結型，因此結電容較大，使其工作頻率較低。一般為3kHZ以下。（2）檢波二極管檢波二極管的主要作用是把高頻信號中的低頻信號檢出。它們的結構為點接觸型。其結電容較小、工作頻率較高，一般都采用鍺材料制成。（3）穩壓二極管這種管子是利用二極管的反向擊穿特性制成的。在電路中其兩端的電壓保持基本不變，起到穩定電壓的作用。常用的穩壓管有2CW55 、2CW56等。（4）阻尼二極管阻尼二極管多用在高頻電壓電路中，能承受較高的反向擊穿電壓和較大的峰值電流。一般用在電視機電路中。常用的阻尼二極管有2CN1、2CN2、BS4等。（5）光電二極管（光敏二極管）光電二極管跟普通二極管一樣，也是由一個PN結構成。但是它的PN 結面積較大，是專為接收入射光而設計的。它是利用PN結在施加反向電壓時，在光線照射下反向電阻由大變小的原理來工作的。就是說，當沒有光照射時反向電流很小，而反向電阻很大。當有光照射時，反向電阻減小，反向電流增大。（6）發光二極管發光二極管是一種把電能變成光能的半導體器件。它具有一個PN 結，與普通二極管一樣，具有單向導電的特性。當給發光二極管加上正向電壓，有一定的電流流過時就會發光。四、三極管晶體三極管按結構分，有點接觸型和面接觸型；按工作頻率分有高頻三極管和低頻三極管、開關管。按功率大小可分為大功率、中功率、小功率三極管。從封裝形式分，有金屬封裝和塑料封裝等形式。由于三極管的品種多，在每類當中又有若干具體型號，因此在使用時務必分清，不能疏忽，否則將損壞三極管 。 五、其它常用元器件1可控硅2三端穩壓器：由輸入、輸出和地三個外接端口組成，具有一定負載能力并能穩 定輸出的直流電壓調節器。3電磁繼電器： 利用輸入電路內電流在電磁鐵鐵心與銜鐵間產生的吸力作用而工作的一種電氣繼電器。4變壓器 指為安全特低電壓（不超過 50V 50V）電路提供電源的隔離變壓器。5接插件電子元器件焊接技術一、印制電路板的焊接 印制電路板在焊接之前要仔細檢查，看其有無斷路、短路、孔金屬化不良以及是否涂有助焊劑或阻焊劑等。大批量生產印制板，出廠前，必須按檢查標準與項目進行嚴格檢測，只有這樣，其質量都能保證。但是，一般研制品或非正規投產的少量印制板，焊前必須仔細檢查，否則在整機調試中，會帶來很大麻煩的。 焊接前，將印制板上所有的元器件作好焊前準備工作（整形、鍍錫）。焊接時，一般工序應先焊較低的元件，后焊較高的和要求比較高的元件等。次序是：電阻電容二極管三極管其他元件等。但根據印制板上的元器件特點，有時也可先焊高的元件后焊低的元件（如晶體管收音機），使所有元器件的高度不超過最高元件的高度，保證焊好元件的印制電路板元器件比較整齊，并占有最小的空間位置。不論那種焊接工序，印制板上的元器件都要排列整齊，同類元器件要保持高度一致。 晶體管裝焊一般在其他元件焊好后進行，要特別注意的是每個管子的焊接時間不要超過5s10s，并使用鉗子或鑷子夾持管腳散熱，防止燙壞管子。 涂過焊油或氯化鋅的焊點，要用酒精擦洗干凈，以免腐蝕，用松香作助焊劑的，需清理干凈。 焊接結束后，須檢查有無漏焊、虛焊現象。檢查時，可用鑷子將每個元件腳輕輕提一提，看是否搖動，若發現搖動，應重新焊好。二、集成電路的焊接 MOS電路特別是絕緣柵型，由于輸入阻抗很高，稍不慎即可能使內部擊穿而失效。 雙極型集成電路不像MOS集成電路那樣嬌氣，但由于內部集成度高，通常管子隔離層都很薄，一旦受到過量的熱也容易損壞。無論哪種電路，都不能承受高于200的溫度，因此，焊接時必須非常小心。 集成電路的安裝焊接有兩種方式，一種是將集成塊直接與印制板焊接，另一種是通過專用插座(IC插座)在印制板上焊接，然后將集成塊直接插入IC插座上。 在焊接集成電路時，應注意下列事項： 1、集成電路引線如果是鍍金銀處理的，不要用刀刮，只需用酒精擦洗或繪圖橡皮擦干凈就可以了。 2、對CMOS電路，如果事先已將各引線短路，焊前不要拿掉短路線。3、焊接時間在保證浸潤的前提下，盡可能短，每個焊點最好用3s時間焊好，最多不超過4s，連續焊接時間不要超過10s。4、使用烙鐵最好是20W內熱式，接地線應保證接觸良好。若用外熱式，最好采用烙鐵斷電用余熱焊接，必要時還要采取人體接地的措施。 5、使用低熔點焊劑，一般不要高于150C。 6、工作臺上如果鋪有橡皮、塑料等易于積累靜電的材料，電路片子及印制板等不宜放在臺面上。 7、集成電路若不使用插座，直接焊到印制板上，安全焊接順序為；地端輸出端電源端輸入端。 8、焊接集成電路插座時，必須按集成塊的引線排列圖焊好每一個點。 三、導線焊接技術 導線同接線端子、導線同導線之間的焊接有三種基本形式：繞焊、鉤焊、搭焊。 1導線同接線端子的焊接 繞焊 把經過鍍錫的導線端頭在接線端子上纏一圈，用鉗子拉緊纏牢后進行焊接。注意導線一定要緊貼端子表面，絕緣層不接觸端子，一般L=（13）mm為宜。這種連接可靠性最好（L為導線絕緣皮與焊面之間的距離）。 鉤焊 將導線端子彎成鉤形，鉤在接線端子上并用鉗子夾緊后施焊，如圖（c）所示，端頭處理與繞焊相同。這種方法強度低于繞焊，但操作簡便。 搭焊 把經過鍍錫的導線搭到接線端子上施焊，如圖23（d）所示。這種連接最方便，但強度可靠性最差，僅用于臨時連接或不便于纏、鉤的地方以及某些接插件上。 2導線與導線的焊接 導線之間的焊接以繞焊為主，操作步驟如下： 去掉一定長度絕緣皮。 端頭上錫，并穿上合適套管。 絞合，施焊。 趁熱套上套管，冷卻后套管固定在接頭處。四、拆 焊調試和維修中常須更換一些元器件，如果方法不得當，就會破壞印制電路板，也會使換下而并沒失效的元器件無法重新使用。 一般電阻、電容、晶體管等管腳不多，且每個引線能相對活動的元器件可用烙鐵直接拆焊。將印制板豎起來夾住，一邊用烙鐵加熱待拆元件的焊點，一邊用鑷子或尖嘴鉗夾住元器件引線輕輕拉出。 重新焊接時，需先用錐子將焊孔在加熱熔化焊錫的情況下扎通，需要指出的是，這種方法不宜在一個焊點上多次用，因為印制導線和焊盤經反復加熱后很容易脫落，造成印制板損壞。 五、焊點的質量檢查1外觀檢查 外形以焊接導線為中心，勻稱、成裙形拉開。 焊料的連接呈半弓形凹面，焊料與焊件交界處平滑，接觸角盡可能小。表面有光澤且平滑。無裂紋、針孔、夾渣。外觀檢查，除用目測（或借助放大鏡、顯微鏡觀測）焊點是否合乎上述標準，還包括檢查以下各點：漏焊；焊料拉尖；焊料引起導線間短路（即所謂“橋接”）；導線及元器件絕緣的損傷；布線整形；焊料飛濺。檢查時滁目測外，還要用指觸、鑷子撥動、拉線等，檢查有無導線斷線、焊盤剝離等缺陷。2通電檢查通電檢查必須是在外觀檢查及連接檢查無誤后才可進行的工作，也是檢驗電路性能的關鍵步驟。如果不經過嚴格的外觀檢查，通電檢查不僅困難較多，而且有損壞設備儀器、造成安全事故的危險。例如，電源連線虛焊，那么通電時，就會發現設備中不上電，當然無法檢查。3常見焊點的缺陷及分析造成焊接缺陷的原因很多，但主要可從四要素中尋找。在材料（焊料與焊劑）與工具（烙鐵、夾具）一定的情況下，采用什么方式方法以及操作者是否有責任心，就是決定性的因素了。 實訓一 交通燈控制系統設計一、實訓目標在理論學習的基礎和進行了必要的課程實驗之后，以生活中最常見的交通燈為設計對象，讓學生根據設計任務要求，完成任務分析、查閱資料、方案確定、設備選型、原理圖繪制、PCB板設計、元器件焊接、程序流程圖和程序的編寫、程序的調試與下載、成品運行，讓學生深刻體會進行電子產品設計的整個步驟，掌握用單片機進行產品開發的整個過程以及開發過程中應注意的事項，體會電路板設計及程序設計的的技巧，提高學生的動手能力和解決問題的能力，為今后的學習和工作打下良好的基礎。本設計中學生應當重點掌握單片機理論學習中的接口分配、定時器計數器的使用、中斷的使用，數碼管顯示的設計。二、實訓時間兩周。三、實訓任務與要求設計系統模擬真實雙干線交通燈信號管理系統。1設置兩組紅黃綠燈，完成交通信號指示，由于是在實訓項目，所以把倒計時時間定為25S，黃燈閃爍時間定為3S。2配置兩對LED顯示器，用于倒計時顯示。數碼管要求采用串行連接方式。3具有倒計時時間設定功能，用戶可以根據自己的需求或者車流量的大小，設定倒計時的時間。4設置一個緊急車輛放行按鈕。一般情況下正常顯示，有急救車到達時，兩個方向紅燈同時點亮，以便讓急救車通過，設急救車通過時間為10秒（或者設置一個緊急情況解除按鈕），急救車通過后，交通恢復正常。5系統電氣原理圖的繪制根據所選擇的電氣元器件，以及系統的要求繪制電氣原理圖。6焊制電路板將所選擇的元件焊接在PCB板上。7程序的編寫畫出程序流程圖，采用匯編語言編寫程序。8系統調試程序調試通過，并下載。9提交符合要求的實訓報告書。四、時間安排時間（10天）設計內容1講解實訓任務及指導書；讓學生查閱相關資料，進行系統設計。2讓學生根據自己設計情況，畫出電路原理圖，設計印刷電路板。2根據系統設計，焊接電路板。3設計軟件流程圖，并編寫相應程序。1系統調試。1驗收，書寫實訓報告書。五、參考設計1任務分析和方案確定根據任務要求可將本系統分為四個模塊，第一個模塊是控制模塊，主要負責整個系統工作的控制和運算，從而使各模塊正常工作；第二個模塊為顯示模塊，主要是對車輛和行人應該遵守交通規則的指導性的直觀顯示，它主要包括倒計時顯示和紅、綠、黃燈兩大部分；第三個模塊是輸入模塊，它的主要作用是輔助控制模塊，相當于輸入裝置，利用它可以對交通燈各路口通行時間的設置以及出現緊急情況時，進行不同工作方式的切換設置；第四個模塊是電源模塊，它是整個系統的“心臟”，負責給各模塊提供合適的電壓，讓各模塊能穩定工作。其系統設計結構如圖2.1所示： 單片機倒計時顯示設定電源模塊應急輸入復位電路倒計時顯示振蕩電路紅綠燈指示圖1.1 系統總體設計結構圖2交通燈倒計時時序圖 在圖1.2中，給出了南北方向和東西方向燈的時序，高電平代表燈亮。 圖1.2交通燈倒計時時序圖3電路原理圖硬件設計是整個系統的基礎，要考慮的方方面面很多，除了實現交通燈基本功能以外，主要還要考慮如下幾個因素：系統穩定度；器件的通用性或易選購性；軟件編程的易實現性；系統其它功能及性能指標；因此硬件設計至關重要。大家設計原理圖時可參考圖1.3。從圖中大家可以看出本設計以AT89S52單片機為控制核心，采用模塊化設計，共分以下幾個功能模塊：單片機控制系統、鍵盤及狀態顯示、行車方向指示、緊急處理模塊和倒計時模塊等。l 單片機作為整個硬件系統的核心，它既是協調整機工作的控制器，又是數據處理器。它由單片機、時鐘電路、復位電路、中斷電路等組成。l 行車方向指示采用紅、綠、黃LED發光管，用三種顏色指示車輛放行、暫停、禁止，形象直觀。l 行人通行指示采用兩支紅、綠LED發光管，用兩種顏色指示放行與禁止，形象直觀，簡潔明了。l 鍵盤及狀態顯示，開關鍵盤輸入交通燈初始時間，通過單片機P2口輸入到系統，電路簡潔可靠；顯示器采用七段LED數碼管，可實時顯示系統運行狀態，可供交警在室內實時監視交通狀況。通過鍵盤可設置：緊急情況發生時的交通燈狀態控制、主干道通行時間等，人機界面非常友好。系統采用雙數碼管倒計時計數功能，最大顯示數字99。圖1.3交通燈原理圖現從各功能模塊的實現逐個進行分析探討。(1) 單片機最小系統單片機最小應用系統（如圖1.4所示），是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。對52系列單片機來說，最小系統應包括單片機、晶振電路、復位電路。下面是52單片機的最小系統電路圖： 圖1.4 單片機最小系統圖 外接晶體諧振器以及電容C1和C3構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩定性、起振的快速性和溫度的穩定性。因此，此系統電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為22F。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩定和可靠地工作。復位電路的基本功能是：系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。單片機復位電路設計的好壞,直接影響到整個系統工作的可靠性。許多用戶在設計完單片機系統,并在實驗室調試成功后,在現場卻出現了“死機”、“程序走飛”等現象,這主要是單片機的復位電路設計不可靠引起的。 本設計采用上電復位，上電復位電路如圖1.5（a）所示，只要在RST復位輸入引腳上接一電容至VCC端，下接一個電阻到地即可。對于CMOS型單片機，由于在RST端內部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至1F。上電復位的工作過程是在加電時，復位電路通過電 容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著VCC對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續時間取決于電容的充電時間。為了保證系統能夠可靠地復位，RST端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時，VCC的上升時間約為10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為10MHz，起振時間為1ms；晶振頻率為1MHz，起振時間則為10ms。在圖1.5 (a)中的復位電路中，當VCC掉電時，必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態，復位后，系統將端口置為全“l”態。如果系統在上電時得不到有效的復位，則程序計數器PC將得不到一個合適的初值，因此，CPU可能會從一個未被定義的位置開始執行程序。常用的復位電路如圖1.5（a）和 (b)所示。 （a）上電復位 (b)手動加上電復位圖1.5 復位電路（2）紅綠燈指示模塊在設計交通燈時，采用了12個高亮度的紅、黃、綠三種發光二級管。 一般發光二極管與I/O端口之間都會再連接一個電阻，其作用在于限制通過二極管的電流，從而達到減少功耗或者滿足端口對最大電流的限制。一般發光二極管的點亮電流為5mA至10mA。 具體的電路圖如圖1.6所示。在設計中選擇74HC595串行移位寄存器進行12個燈的控制，之所以選擇這個芯片，目的是幫助大家學習這個常用的串行移位芯片，希望大家通過這個實訓熟練掌握該芯片的使用方法，具體連接為：LCK連接P3.0，用于鎖存移位寄存器控制，SCK連接P3.7，用于串行數據移位寄存器控制，SDI連接P3.1,控制串行數據輸入，OE連接P3.3，寄存器數據輸出控制。圖1.6 交通燈指示電路（3） 倒計時顯示模塊顯示器普遍地用于直觀地顯示數字系統的運行狀態和工作數據，按照材料及產品工藝，單片機應用系統中常用的顯示器有： 發光二極管LED顯示器、液晶LCD顯示器、CRT顯示器等，LED顯示器是現在最常用的顯示器之一。 在設計時，采用了2個數碼管組成的數碼管組，采用共陽極接法，如圖1.7。圖1.7 雙數碼管組 倒計時顯示電路如用單片機吸收電流直接驅動，列掃描驅動使用三極管，按每段6mA電流計算，全顯示字形“8”時，每個數碼需6mA*8=48mA，由于時間顯示每個道口相同，共需要電流192mA，因此設計中也采用了中功率三極管8550，其顯示電路如圖1.8所示：圖1.8 數碼管顯示模塊（4） 倒計時顯示設定模塊為了實現倒計時顯示設定功能，利用串行口擴展了1片74LS165，從而實現了8個按鍵的輸入，利用8個按鍵輸入控制交通燈初始倒計時間，倒計時顯示設定如圖1.9所示，SH/連接P3.6，用于移位與置位控制，CLK連接P3.5，利用時鐘控制數據移位，QH連接P3.4，串行數據輸入。圖1.9 倒計時顯示設定電路(5) 應急輸入電路設計為了實現此功能，利用單片機中斷達到目的。利用一個手動按鈕開關接至單片機外部中斷0，同時在軟件設計時將其設定為最高優先級，當其按下時，四方全為紅燈，同時將中斷位置的PSW、ACC進棧保護，當緊急處理結束之后，回到原來的位置進行執行。其電路如圖1.10所示：圖1.10 緊急控制電路4PCB板圖設計好原理圖后，經過電氣檢查沒有錯誤，就可以制作PCB圖了，在PCB的制作過程中的注意事項我們在學習電子EDA時已經學過，這兒不再詳述了。具體的PCB圖如圖1.11所示。圖1.11 PCB圖5系統軟件設計 軟件在硬件平臺上構筑，完成各部分硬件的控制和協調。系統功能是由軟件共同實現的，由于軟件的可伸縮性，最終實現的系統功能可強可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統的靈魂。軟件采用模塊化設計方法，不僅易于編程和調試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進行全面測試也是檢驗錯誤排除故障的重要手段。本系統主程序模塊主要完成的工作是對系統的初始化，發送顯示數據，同時對鍵盤進行掃描，等待外部中斷，以及根據所需要的功能進行相應的操作。其流程圖如圖1.12所示。 圖1.12 軟件總體設計流程圖主程序比較簡單，初始化完成后，調用按鍵掃描程序，取得鍵值，并根據當前系統狀態調用相應的子程序。這里有六個基本的子程序供調用，分別對應系統的各種功能狀態。分別是緊急狀態子程序、設置子程序和時鐘顯示子程序，倒計時子程序等。（1）主程序設計正常運行時主程序采用查詢方式定時，定時子程序采用定時器0方式1查詢式定時，定時器定時50ms，確定50ms循環20次，從而獲得1S的延時時間，保護現場時還需關中斷，以防止高優先級中斷（緊急車輛通過所產生的中斷）出現導致程序混亂。開中斷，由軟件查詢外中斷1，判別哪一道有車，再根據查詢情況執行相應的服務。待交通燈信號出現后，保持25S的延時，然后，關中斷，恢復現場，再開中斷返回主程序。緊急情況出現時的中斷服務程序也需要保護現場，但無須關中斷（因其為高優先級中斷），然后執行相應的服務，待交通燈信號出現后按緊急處理按鈕，確保緊急車輛通過交叉路口，然后，按東西南北處理按鈕恢復現場，返回主程序。主程序流程圖如圖1.13。圖1.13 正常運行時程序流程圖 主程序設計如下： START:MOV SP,#50H MOV P1,#0FFH MOV 60H,#00H ;存50ms計數個數 MOV 61H,#00H ;存0.5s計數個數 MOV 62H,#00H ;存1S計數個數 MOV 63H,#56 ;秒倒計時 MOV TMOD, #01H MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#3CH SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ;初始化 MAIN: MOV 68H,#0CH MOV 69H,#0F3H ACALL HC595 ;南北紅燈亮，東西綠燈點亮 ACALL ZC1 MOV A,62H CJNE A,#25,MAIN ;如果不等于25，則時間未到，轉到NE02 NE05:ACALL ZC2 MOV A,61H CJNE A,#1,NE03 MOV 68H,#0BH MOV 69H,#6DH ACALL HC595 ;南北黃燈，東西黃燈點亮 AJMP NE04NE03:MOV 68H,#0FFH MOV 69H,#0FFH ACALL HC595 ;南北黃燈，東西黃燈熄滅，即閃爍 NE04:MOV A,62H CJNE A,#28,NE05 NE06:MOV 68H,#07H MOV 69H,#9EH ACALL HC595 ;南北綠燈，東西紅燈點亮 ACALL ZC3 MOV A,62H CJNE A,#53,NE06NE09: ACALL ZC4 MOV A,61H CJNE A,#1,NE07 MOV 68H,#0BH MOV 69H,#6DH ACALL HC595 ;南北黃燈，東西黃燈點亮 AJMP NE08 NE07:MOV 68H,#0FFH MOV 69H,#0FFH ACALL HC595 ;南北黃燈，東西黃燈熄滅，即閃爍NE08:MOV A,62H CJNE A,#56,NE09 MOV 62H,#00H AJMP MAIN （2）1S中斷處理 子程序采用查詢方式定時，采用定時器1方式1查詢式定時，定時器定時50ms，確定50ms循環20次，從而獲得1S的延時時間。 定時器需定時毫秒，故工作于方式。初值： TCMT T計數216ms/1us=15536=3CB0H 1S中斷處理流程圖（圖1.14）圖1.14 1S中斷處理流程圖 1S中斷處理子程序如下：MOV 60H,#00H ;存50ms計數個數MOV 61H,#00H ;存0.5s計數個數 T0_ZD:MOV TMOD,#01H MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#3CH INC 60H ;50MS計數 MOV A,60H CJNE A,#0AH,NE00 INC 61H;0.5S計數MOV 60H,#00H;清100MS計數 NE00:MOV A,61H CJNE A,#02H,NE01 INC 62H;1S計數 DEC 63H;1S減計數MOV 61H,#00H;清0.5S計數 NE01:RETI（3）74HC595串入并出子程序74HC595并行數據輸出口輸出信號接信號燈， 由于發光二極管為共陽極接法，輸入為低電平，則對應的二極管發光，所以可以用置位方法點亮紅，綠，黃發光二極管。 待傳輸的數據放在A內,當要向下一片級聯595芯片發送數據的話，應該先把數據右移一位，然后再傳送。下面是該芯片工作流程圖及控制程序。74HC595芯片發送數據流程圖（圖1.15）：其中68H，69H是西南東北方向燈的控制信息，R6,R7表示寄存器移位次數。圖1.15 74HC595芯片發送數據流程圖 74HC595串入并出子程序： HC595:MOV R6,#09H MOV R7,#08H CLR OE CLR SDI CLR SCK CLR LCK MOV A,68H RRC A HC01: RLC A MOV SDI,C SETB SCK NOP CLR SCK SETB LCK NOP CLR LCK DJNZ R7,HC01 MOV A,69H HC02: MOV SDI,C RLC A SETB SCK NOP CLR SCK SETB LCK NOP CLR LCK DJNZ R6,HC02 CLR OE SETB SDI SETB SCK SETB LCK CLR C RET（4） 顯示預處理程序 當定時器定時為1秒時程序跳轉到時間顯示及信號燈顯示子程序，它將依次顯示信號燈時間 ，同時一直顯示信號燈的顏色，這時在返回定時子程序定時一秒，在顯示黃燈的下一個時間，這樣依次把所有的燈色的時間顯示完后在重新給時間計數器賦初值 ，重新進入循環。顯示預處理流程圖（圖1.16）： 圖1.16顯示預處理流程圖顯示預處理子程序： ZC1:MOV A,#25 CLR C SUBB A,62H MOV R2,A ACALL CONVERT ACALL DISP RETZC2:MOV A,#28 CLR C SUBB A,62H MOV R2,A ACALL CONVERT ACALL DISP RETZC3:MOV A,#53 CLR C SUBB A,62H MOV R2,A ACALL CONVERT ACALL DISP RETZC4:MOV A,#56 CLR C SUBB A,62H MOV R2,A ACALL CONVERT ACALL DISP RET （5） 倒計時顯示以其中一個數碼管為例，其他類似，要顯示的數據在71H（十位）,70H（個位）中。倒計時顯示流程圖如圖1.17： （a） (b)圖1.17 倒計時顯示流程圖倒計時顯示子程序：DISP: CLR LED2 ;個位位選 CLR LED1;十位位選MOV A,70H MOV A,71H MOV DPTR,#TAB MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOVC A,A+DPTR MOV P2,A;段選 MOV P2,A;段選 ACALL DELAY ACALL DELAY SETB LED2 SETB LED1（6）BCD碼的轉換子程序 入口：要轉換的十六進制數在R2中 出口：轉換后的十進制BCD碼71H（十位）,70H（個位）中BCD碼的轉換流程圖（如圖1.18）： 圖1.18 BCD碼的轉換流程圖BCD碼的轉換子程序：CONVERT:PUSH ACC ;入 棧 MOV A,R2 MOV B,#0AH DIV AB MOV 70H,B ;確定要放入單元 MOV 71H,A ;同上 POP ACC RET6系統實物圖制作完電路板，焊接完元器件后，該系統運行如圖1.19所示。圖1.19 交通燈控制系統實物圖六、評分標準項目分值1原理圖的設計與繪制20分2 PCB板的設計與繪制15分3 元器件焊接15分4 程序的編寫與調試20分5 驗收與答辯10分6 實訓報告書20分實訓二 數顯電壓表設計一、實訓目標在電量的測量中，電壓、電流和頻率是最基本的三個被測量，其中電壓量的測量最為經常，而且隨著電子技術的發展，更是經常需要測量高精度的電壓，所以數字電壓表就成為一種必不可少的測量儀器。數字電壓表（Digital Voltmeter）簡稱DVM，它是采用數字化測量技術，把連續的模擬量（直流輸入電壓）轉換成不連續、離散的數字形式并加以顯示的儀表。