单片机仿真器终端学习板的设计与制作

2019-12-3114:21:49 发表评论
摘要单片机仿真器终端学习板的设计与制作rn目录__第一章绪论1__11研究背景1__12研究内容与目标2__121研究内容2__122研究目标2__13研究意义2__14研究方法2__15论文框架2__第二章相关研究及文献分析3__21国内外相关研究介绍3__22文献分析综述5__23小结5__第三章系统设计6__31功能介绍6__32工具介绍6__321Protel99SE6__322KeiluVision3介绍:8__323芯片介绍8__324如何下载单片机程序9__33总体设计10__34详细设计14__35小结24__第四章系统实现25__41硬件焊接25__411焊接工具25__412焊锡和助焊剂26__413辅助工具26__414焊前处理26__415焊接技术26__42程序开发28__43程序测试30__44系统评估30__45小结30__第五章:研究结论与未来研究31__51研究内容的总结31__52主要创新点31__53存在的不足点及今后的研究方向31__附录:器件介绍32__参考文献34__致谢35____第一章绪论__11研究背景__目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。__单片机广泛应用主要集中在以下几个领域:__在智能仪器仪表上的应用__单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。在工业控制中的应用__用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。__在家用电器中的应用__可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。__在计算机网络和通信领域中的应用__现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。__单片机在医用设备领域中的应用__单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。__单片机在教学上的应用__单片机及仿真器是目前教学或科研中的重要工具,为了在满足实验教学的同时也能满足科研工作需要,方便科研工作中相关硬件电路调试,需要设计和制作单片机仿真器终端学习板。__此外,单片机在工商,金融,科研、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。__12研究内容与目标__121研究内容__设计的研究内容是如何使LED和七段数码管根据程序的设置而出现相应的显示效果,另外研究内容还涉及制版的一些过程。__122研究目标__制作一个单片机学习板,使板子上的LED灯和七段数码管根据单片机中的烧写的程序而出现相应的显示效果。是单片机学习板可以运用在实验中。__13研究意义__设计研究的意义主要是体会整个设计流程,因为此设计是属于该领域中非常简单的一块板,加上自己的硬件道路也是从零开始,这个设计如果真的要说有什么意义,那最大的意义就是让我迈进了硬件的大门,使我对硬件有了一个整体上的认识。__14研究方法__设计主要运用的研究方法是以下三种:__经验总结法__功能分析法__文献研究法__15论文框架__论文的总体框架遵循“先整体后个体,先了解后应用”的原则编排,第一章重点是讲研究的背景,__第二章是国内外相关研究及文献的分析,第三章是系统设计,先对设计中要用到的工具进行简单的介绍,然后再运用这个工具进行设计。第三章是论文中最最重要的一章,所有的设计中涉及到的问题在第三章基本全部出现。第四章是系统实现,这一部分就是讲解如何把程序烧写到单片机当中并进行仿真以及实际演示。第五章就是研究结论和未来研究。该章重点讲解设计中的创新点以及此次设计的一些不到位的地方。最后是文献综述和致谢。__第二章相关研究及文献分析__21国内外相关研究介绍__单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:CPU、内存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。__单片机也被称为微控制器(Microcontroler),是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。__早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大的提高。随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位,并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百倍。目前,高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价格跌落至1美元,最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。__单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合,甚至比人类的数量还要多。__单片机介绍__单片机又称单片微控制器_它不是完成某一个逻辑功能的芯片_而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。__单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也是低的,一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影!它主要是作为控制部分的核心部件。__它是一种在线式实时控制计算机,在线式就是现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机的(比如家用PC)的主要区别。__单片机是靠程序的,并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列,或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话,电路一定是一块大PCB板!但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天壤之别!只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性!__由于单片机对成本是敏感的,所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言,它是除了二进制机器码以上最低级的语言了,既然这么低级为什么还要用呢?很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢?原因很简单,就是单片机没有家用计算机那样的CPU,也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮,也会达到几十K的尺寸!对于家用PC的硬盘来讲没什么,可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行,所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理,如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行,家用PC的也是承受不了的。__可以说,二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了毛病,整个装置就瘫痪了。现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型”,如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被仿制。究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。__22文献分析综述__在做文献分析之前,先对现今存在的不同单片机做初步了解__在设计中的用到的单片机芯片是Atmel公司生产的,它属于51单片机系列中的一个型号,除了Atmel公司生产单片机外,世界许多单片机厂商都依据应用领域和功能特点推出许多不同型号的单片机,以适应不同场合的应用需要。具体如下表__表2-1__现在有很多的单片机学习板生产商,各自运用不同的单片机在设计具有各种不同功能的学习板,但是我看了很多文献和书籍之后,觉得现在的学习板有两点还是欠缺:首先,功能太过复杂,不方便测试;第二,管脚很多都是未引出,为实验测量造成不便__23小结__第二章重点讲述了国内外研究的现状和文献参考的具体结果,有助于我们了解相关的背景知识。__第三章系统设计__31功能介绍__我所做的单片机学习板主要实现两个功能,第一是LED灯的控制,第二是数码管的显示,另外要做的就是学习板上的供电端口,与计算机的串行连接端口,以及ISP(在线编程)接口。这块板可以实现程序的多次烧写,也就是可以实现对板上的LED以及数码管的不同控制,其控制方式由程序决定。__32工具介绍__本设计主要用到了设计工具Protel99SE,因本设计相对比较简单,Protel99SE完全可以胜任全部的设计工作,现把该软件简单介绍一下:__321Protel99SE__Protel99SE是澳大利亚Protel公司推出的电子线路设计和布线的软件,专门用于Windows__9x2000NT操作系统下进行印刷电路板设计,其中集成了一系列的电路设计工具,如高级设计技巧,智能布局和自动布线,全新的文件管理方式和网络设计机制,可以实现电路的真正高效并行设计。该软件可以轻松实现从原理图设计到最终电路板输出的所有工作。__Protel99SE的组成__Protel99SE主要由两大部分组成,每一部分各有几个模块。__第一部分是电路设计部分,主要有:__原理图设计系统AdvancedSCH__包括用于设计原理图的原理图编辑器Sch,用于修改和生成原理图元件的元件编辑器,以及各种报表的生成器Schlib。__印刷电路板设计系统AdvancedPCB__包括用于设计电路板的电路板编辑器PCB以及用于修改,生成元件封装的元件封装编辑器__PCBLib。__PCB自动布线系统AdvancedRoute99SE__第二部分是电路仿真与可编程逻辑器件设计,主要有:__电路仿真系统AdvancedSIM99SE__包括一个功能强大的数模混合信号电路仿真器,能在原理图基础上进行连接的模拟信号和数字信号仿真。__可编程逻辑器件设计AdvancedPLD99SE__包括一个文本编辑器,用于编译和仿真设计结果的PLD设计以及观察仿真结果的波形。__Protel99SE的主要特性__Protel99SE是基于Windows9x2000NT的32位电路设计制版系统,继承了protel98原有的特性,提供一个集成的电路设计环境,包括原理图设计和PCB布线工具,电路仿真和集成的设计文档管理,支持通过网络进行工作组协同设计。同时Protel99SE还具有以下新特性。__SmartTool智能工具:将所有的设计工具集成在一个设计环境下,可以通过设计管理器访问所有的Protel99SE工具,并且允许在设计管理器中编辑非Protel文件。__SmartDoc智能文档:将所有设计文档全部存储在一个惟一的数据库文件中以DDB为后缀,用设计管理器来统一管理。不能能包含Protel编辑器生成的文件,还能容纳任何Windows应用程序建立的设计文件。__SmartTeam智能工作组:通过使用该技术,使多少设计者可以通过网络进行同一电路板的设计,在DesignExplorer中内置了组管理功能,可以将各个设计任务拆分到不同设计者,能定义组成员的使用权限,也可以锁定文件。__改进的布线规则:自动布线系统采用最新人工智能技术,布线规则的多种复合选项和在线规则检查使电路板的设计达到专家水平。__改进的自动布局:采用组群式和基于统计方式的布局方式,增强的交互式布局和布线模式,可以设置多种布线方式。__信号完整性检查:集成了信号完整性工具,精确的模型和电路板分析,可对电路设计结果进行信号质量和干涉分析。__轻松的设计同步:加强了原理图SCH和印刷电路板PCB之间的联系,可以实现原理图SCH和电路图PCB之间的设计同步更新,支持制版输出和电路板数控加工代码文件的生成。__集成向导功能:广泛的集成向导功能可引导设计人员完成复杂的工作。__PLD逻辑器件设计:PLD99SE支持所有主要的逻辑器件生产商,可以将相同的逻辑功能做成不同的元件,以便自由选择元件制造商。__支持使用ClientBasic编程语言。__Protel99SE的运行环境__Protel99SE对系统的硬件和软件要求都比较高,而且系统运行时占据较大的内存空间,如果系统配置不足,有可能发生频繁的死机现象,导致Protel99SE运行失常,因此建议读者尽可能更好的配置计算机。__硬件配置:____322KeiluVision3介绍:__KeilSoftware公司推出的uVision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境IDE,该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外,uVision3还提供了一个配置向导功能,加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU,包括指令集、片上外围设备及外部信号等。uVision3提供逻辑分析器,可监控基于MCUIO引脚和外设状态变化下的程序变量。uVision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持,包括AnalogDevices的ADuC83x和ADuC84x,以及Infineon的XC866等。__323芯片介绍__AT89S51:__了解单片机的最好方法就是阅读单片机的技术文档,从文档中了解到,AT89S51单片机提供了容量为1288bit的片内RAM,这片内RAM就是AT89S51单片机用于存储运行时产生的数据的地方,于是也称为单片机的数据存储器。在单片机运行期间,RAM不是完全开放给用户使用的,只有其中的20H~7FH共96个字节开放区+位寻址区是全部给我们使用的,而00H~1FH一般先不去直接使用,当产生的数据比较多的时候,这96个字节的开放区+位寻址区很可能不够用,此时就可以通过扩展外数据存储器来解决。__AT89S51的工作寄存器区是地址区00H~1FH,在对AT89S51写汇编程序的时候,往往会用到R1_R2_R3_R4_R5_R6_R7。这八个工作寄存器可以用来装载1个字节长度的数据,由于许多指令都要涉及它们,所以它们在单片机程序中非常重要。__当单片机上电复位的时候,工作寄存器R0~R7映射片内数据存储器的00H~07H,除了00H~07H对应的R1~R7外,工作寄存器中其余的08H~1FH也都是对应这8个工作寄存器的,只是组别不同。AT89S51单片机上电复位时默认的组别是第0组,即R0~R7映射00H~07H。如果想改变当前程序使用的工作寄存器组别,可以通过更改程序状态字PSW中的第3位RS0和第4位RS1,程序状态字PSW这两位的状态和工作寄存器组别的关系如下表__程序状态字PSW与工作寄存器组别__单片机根据程序对这两位的设定来选定一个工作寄存器组别,用户可以通过指令改变PSW中的RS0和RS1这两位来切换工作寄存器的组别。__

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