自動檢測教學(xué)教案

1、- 64 -預(yù)備項目如果同學(xué)們從來沒有做過小項目，是很難下手開展應(yīng)用項目的設(shè)計的。為此設(shè)計了幾個預(yù)備項目，用于提高同學(xué)們單片機設(shè)計的基本動手能力，為實施自動檢測技術(shù)的應(yīng)用項目設(shè)計打好基礎(chǔ)。 如果單片機課程中開展過同類項目教學(xué)的，可以跳過預(yù)備項目或者選作部分項目。預(yù)備項目1用單片機設(shè)計一個簡易的自動檢測系統(tǒng)0 任務(wù)和要求請用單片機設(shè)計一個自動檢測系統(tǒng)，具體要求如下：1) 有2個傳感器輸入接口 一個用于輸入電壓，包括ADC、VCC和GND三個引腳。 一個用于輸入頻率，包括Freq、VCC和GND三個引腳。Freq可以接單片機的T1。2) 具有4位獨立式按鍵接口，包括四根IO線和一根GND。用于插接

2、四個按鍵的小鍵盤。3) 兩個LED數(shù)碼管接口，用于驅(qū)動一個四聯(lián)LED數(shù)碼管。兩個接口包括12根線，分別是8根段碼，4根位碼。通過修改程序，可以顯示時鐘、電壓、溫度、速度、距離等。4) 電路板上帶一個LED電源指示燈5) 具有一個串口通訊接口，包括VCC、RXD、TXD、GND四根線。下載程序時可用作ISP下載端口，正常工作時，可用于單片機與單片機、單片機與PC機的通訊，接上無線模塊還可以實現(xiàn)無線通訊。1 基本原理分析1.1單片機簡介單片機又叫單片微型計算機 ，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把CPU、RAM、ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型

3、計算機系統(tǒng)。常見的單片機有很多型號，外觀如下圖所示。 圖1 各種單片機的外觀芯片的顯微圖如下所示。為了理解單片機的工作原理，我們繪制單片機的內(nèi)部方框圖如下: 圖2 單片機的顯微圖 圖3 單片機的內(nèi)部方框圖胡老師提示：教材上花費大量的篇幅去講解單片機的結(jié)構(gòu)和原理，我們不設(shè)計芯片，也不需要對芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作過多了解，其實太詳細地學(xué)習(xí)冗長的工作原理也沒有用，反而讓同學(xué)們產(chǎn)生疲勞。重要的是如何快速學(xué)會用單片機設(shè)計電子產(chǎn)品。1.2單片機的特點單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點。 因此廣泛地應(yīng)用于家用電器、工農(nóng)業(yè)自動化控制、導(dǎo)彈自動跟蹤、電子儀表等領(lǐng)域。1.3.單片機的

4、廣泛應(yīng)用現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機。 汽車上一般配備40多部單片機。飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物、機器人、智能儀表、醫(yī)療器械等等，這些都離不開單片機。 舉例如下：單片機在電子儀表中的應(yīng)用。結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物

5、理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。單片機在自動化控制中的應(yīng)用。用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機器人等應(yīng)用控制系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。單片機在家用電器中的應(yīng)用。現(xiàn)在的家用電器廣泛采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材。2.方案論證單片機選型：常用的單片機有 8051 、 STC 、 AVR 、C8051F 和凌陽單片機等。我們選擇 STC12C5A ，是因為

6、它與8051單片機完全兼容，還提供了 ISP下載 ，無需編程器；同時具有8路ADC模擬電壓采集電路， 。鍵盤選型：單片機常用的鍵盤有 獨立式 、 矩陣式 、 ADC鍵盤 。因為按鍵較少，我們選擇 獨立式 。顯示器選型：單片機常用的顯示器有 LED數(shù)碼管 、 LCD1602 、 LCD128*64 ，為了降低成本，我們選擇LED數(shù)碼管作為數(shù)字顯示。3.電路設(shè)計書上講的單片機最小系統(tǒng)是指 剛剛能使單片機工作 的系統(tǒng)。一般包括 單片機 、 時鐘振蕩電路 、 復(fù)位電路 三部分，但是這樣的系統(tǒng)什么用也沒有。我們一般講的最小系統(tǒng)是指 最小應(yīng)用系統(tǒng) ，要增加一些別的接口，如圖所示：如 鍵盤接口 、 顯示接口

7、 、 傳感器接口、 PWM 和 通訊 接口等。3.1 STC單片機設(shè)計單片機電路都是以單片機為核心的，我們可以不了解單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是一定要了解單片機的引腳分布。不同單片機引腳都有差異，一般來說8051系列單片機有40個引腳。我們選用的STC12C5A單片機與8051兼容，引腳如下圖所示。圖4 STC單片機的引腳分布從圖中看出，包括2個電源腳（Vcc，GND）、2個時鐘腳（XTAL1，XTAL2）和32個通用IO腳。我們選用的STC單片機內(nèi)部集成了復(fù)位電路，所以沒有復(fù)位腳。32個通用IO腳又分成4組，分別叫做P0、P1、P2和P3。因為四個口都可以當(dāng)做普通的輸入輸出端，所以英文叫Port，國

8、人簡稱為P口。P3還有一些特殊功能。如P3.0和P3.1又是 通訊口 ，P3.2和P3.3同時是 外中斷 ，P3.4和P3.5又是 定時器 。特別地，STC單片機的P1口還可以當(dāng)做 ADC 用來測量端口的直流電壓。3.2 時鐘振蕩電路設(shè)計因為單片機18和19腳內(nèi)部有一個振蕩放大電路，所以在18和19腳之間外接一個石英晶體就可以產(chǎn)生時鐘振蕩。振蕩頻率由石英晶體的額定頻率決定，一般采用12MH。但是，為了設(shè)置精確的通訊波特率，我們選擇 11.0592 MHZ的晶振。為了確?？煽繂⒄?，再外加兩個 33 pf的接地電容。圖5 晶體振蕩電路3.3 復(fù)位電路一般的單片機需要外接電阻和電容構(gòu)成復(fù)位電路，但是

9、STC單片機內(nèi)部已經(jīng)集成了復(fù)位電路，可以不用。為了增強可靠性，在芯片外加一個RC電路構(gòu)成復(fù)位電路也可以。3.4 鍵盤電路設(shè)計 采用獨立式按鍵設(shè)計四個按鈕，都各自獨占一根IO線，但是采用插接件與最小系統(tǒng)連接。 圖6 鍵盤電路3.5 顯示接口設(shè)計本系統(tǒng)打算采用四聯(lián)共陽LED數(shù)碼管。3.5.1 四聯(lián)LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)特征 四聯(lián)共陽LED數(shù)碼管包含四個數(shù)碼管，每個數(shù)碼管包括7段數(shù)字，加小數(shù)點共8段，簡稱8段數(shù)碼管。 其內(nèi)部電路如圖7所示，每個數(shù)碼管都有8個LED發(fā)光二極管管，每個二極管的N極作為1個段，8個二極管的P極連在一起，作為公共端。四個數(shù)碼管的所有相同的段都并接在一起，每個數(shù)字的公共端單獨引出

10、，共8個段和4個位，引出12根線。圖7 四聯(lián)數(shù)碼管及其內(nèi)部電路3.5.2 四聯(lián)LED數(shù)碼管的引腳測量采用數(shù)字萬用表的二極管測量檔，任意測量2個腳，看到燈亮為一個LED發(fā)光管，此時紅表筆所接的為陽極，黑表筆為陰極。紅表筆測量的陽極固定不動，用黑表筆探索出所有的陰極，并在草圖上記下8個段的名稱（a、b、c、d、e、f、g、h）；然后再固定黑表筆在任何一個陰極不動，用紅表筆探索剩下的四個陽極，同時觀測陽極所代表的位數(shù)（分別是個、十、百、千）。測量結(jié)果如圖8所示。 圖8 3.6.3 LED數(shù)碼管的驅(qū)動電路根據(jù)LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)分析，可以采用一個P口的8個輸出端驅(qū)動段碼，我們選擇P0。另外選擇P2口的低

11、四位控制數(shù)碼管的4個位選。為了便于大家理解，教材上按照8+4的方式設(shè)計電路，如下圖所示:上圖用P0口驅(qū)動段碼，P2口的低四位驅(qū)動位碼。其顯示規(guī)律非常容易推導(dǎo)。可是，實際上LED插頭是6+6的，為了方便插頭，并簡化PCB電路設(shè)計，按照就近原則設(shè)計電路圖如下：由于沒有按照教材的規(guī)律，數(shù)字碼表必須重新計算。3.7 傳感器接口設(shè)計 有許多傳感器輸出的信號為05V的直流電壓，所以需要與ADC端口連接，因為STC單片機的P1口同時具備ADC的功能，所以設(shè)計傳感器測量接口如下。 有部分傳感器輸出的是脈沖信號，我們需測量脈沖信號的頻率，為此需將信號接入T0或T1。圖中Freq表示頻率，采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽的方式接到單

12、片機的T0口。 3.8 通訊接口兼ISP下載端口 STC單片機是采用通訊接口來下載程序的，無論項目是否需要通訊功能，都要設(shè)計通訊接口。按芯片資料得知，P3.0和P3.1的特殊功能就是通訊，分別為RX和TX，加上GND和供電的Vcc，設(shè)計通訊接口如下：上圖中的通訊接口包括Vcc、Rxd、Txd和GND四根線。注意，Vcc是為了利用USB對單片機供電。4 項目實施 41繪制原理圖和PCB圖根據(jù)上述分析，某同學(xué)設(shè)計的最小系統(tǒng)電路原理圖和PCB如下圖所示。 注意：1）標(biāo)注作品名和作者名，2）盡量采用貼片元件或者改進的貼片，3）插座盡量靠近邊沿 另一位同學(xué)采用更加簡易的單片機系統(tǒng)設(shè)計了一個自動檢測系統(tǒng)如

13、下圖所示，該電路省略了電源電路，可以采用USB供電；因為省略了三極管驅(qū)動，數(shù)碼管亮度有限，需要設(shè)置強上拉。 4.2電路焊接和安裝實際制作時，考慮到小元件難以焊接，一般是先焊接小元件，然后安裝體積大的元件，順序如下： 先焊接貼片電阻、電容、三極管、指示燈和晶振； 后焊接DIP40和輸入輸出插座； 最后安裝芯片。4.3硬件調(diào)試 焊接好的電路可能會有短路和虛焊，首先要排除短路和虛焊，然后再通電測試，可按以下幾步開展調(diào)試： 短路測試。先測量 Vcc 與 GND 之間是否有顯著的短路，如有短路就必須排除短路，才能插電源。 否則容易導(dǎo)致電腦的USB供電燒壞；然后還要測量 線 與 線 之間是否短路。 通路測

14、試。參照原理圖測量 芯片引腳 與 插接件 之間是否通電，如果有斷路，可能導(dǎo)致電路 不能正常工作，但是一般不會燒壞芯片。 電源測試。先不插芯片，插上電源、測量所有的Vcc是否為+5V。如果電源不正常或者反接，可能會燒壞單片機芯片。要檢查 單片機的Vcc 與 GND 下載測試。插上芯片和ISP后通電，下載一個LED測試程序，看能否正常下載。如果不能正常下載，首先需要檢查 下載線接口 ，然后檢查 時鐘和復(fù)位 電路。如果電路沒有發(fā)現(xiàn)問題，還是不能下載，則需要考慮是否 更換芯片 。 數(shù)碼測試。如果能下載程序，說明單片機能正常工作，接上LED數(shù)碼管，看能否正常顯示。如果顯示不正常，說明 顯示接口 或 數(shù)碼

15、管 有問題（如果程序正確的話）。5總結(jié) 采用單片機設(shè)計了一個最小應(yīng)用系統(tǒng)， 通過測試，該電路能正常下載和顯示。為后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)奠定了硬件基礎(chǔ)。預(yù)備項目2數(shù)碼管段碼測試程序設(shè)計0任務(wù)和要求已知單片機與LED數(shù)碼管的顯示電路如圖1所示。只知P0口驅(qū)動段碼，P2口驅(qū)動位碼，不知道具體連接。為此需要設(shè)計一個段碼測試程序，用于測試數(shù)碼管的段與P0口對應(yīng)的規(guī)律。具體要求如下：1） 按照從低位到高位的順序，每次只點亮數(shù)碼管的1個段，顯示1秒鐘，就關(guān)閉0.5秒鐘2） 到最高位以后，熄滅3秒鐘，從新開始下一輪循環(huán)。3） 記錄顯示規(guī)律，根據(jù)顯示規(guī)律，計算0-9的顯示碼表。 圖1.單片機與數(shù)碼管的接口電路 1.基本

16、原理1.1 程序流程經(jīng)典的單片機的程序流程圖如圖2所示。從圖中可以看出，單片機程序一般包含初始化程序、主程序和中斷程序三部分組成。根據(jù)程序所處的位置，得知：初始化程序 的特點是： 每次上電只能執(zhí)行一次 ；主 程 序 的特點是： 能夠無窮循環(huán)，多次執(zhí)行都可以。中 斷 程序 的特點是： 沒有發(fā)生條件事件不會觸發(fā)，只要滿足條件就立刻執(zhí)行的程序 。1.2 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用的數(shù)碼管為8段共陽數(shù)碼管。其內(nèi)部電路如下圖所示，每個數(shù)碼管都有8個LED發(fā)光二極管管，每個二極管的N極作為1個段，8個二極管的P極連在一起，作為公共端。四個數(shù)碼管的所有相同的段都并接在一起，每個數(shù)字的公共端單獨引出，共8個段和4

17、個位，引出12根線。圖3.數(shù)碼管的內(nèi)部電路1.3 驅(qū)動位方法 從圖1可知，由于驅(qū)動位碼的三極管為PNP，單片機輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，點亮對應(yīng)的1個數(shù)碼管。則驅(qū)動一個位的方法如表1所示。表1. 數(shù)碼管位碼驅(qū)動規(guī)律（0有效，*表示高四位為無關(guān)位，可以當(dāng)作1處理，也可以當(dāng)0）端口P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0代碼反碼更直觀個位*11100xfe十位*2百位*4千位*8從上表可以看出：點亮個位數(shù)碼管的指令為： P2 = ； 點亮十位數(shù)碼管的指令為： P2 = ； 點亮百位數(shù)碼管的指令為： P2 = ； 點亮千位數(shù)碼管的指令為： P2 = ； 根據(jù)同樣的原理可以推知

18、，4位數(shù)碼管全點亮的指令為：P2 = 0 ；4位數(shù)碼管全熄滅的指令為：P2 = 0xff ；1.4 驅(qū)動某一段的方法數(shù)碼管的8個段引出8根線，直接跟單片機P0口的8個輸出端連接。要想點亮數(shù)碼管的某1段，就通過P0口輸出1個低電平。共有8種可能，詳細規(guī)律如表2所示。表2. 共數(shù)碼管段碼驅(qū)動1個段的規(guī)律（低電平有效）P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0碼表反碼更直觀111111100xfe（<<0）11111101Oxfd（<<1）11111011Oxfb（<<2）11110111Oxf7（<<3）11101111Oxef

19、（<<4）11011111Oxdf（<<5）10111111Oxbf（<<6）01111111Ox7f（<<7）從上表可以看出，點亮最低1段的指令為：P0 = ;采用取反的方法可寫為:P0 = ；點亮最高1段的指令為：P0 = ;采用取反的方法可寫為:P0 = ；采用變量x表示任意段,則程序可以寫為: P0 = ；1.5 驅(qū)動LED顯示數(shù)字的一般規(guī)律如下圖所示，教材上的數(shù)碼管驅(qū)動電路是按從低到高的順序?qū)bcdefgh連接到P0口上的，所以可以按照表3來推導(dǎo)顯示碼表。圖4 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)碼管與單片機接口電路表3.按照教材設(shè)計的數(shù)碼管電路的顯示規(guī)律(注意

20、：共陽的數(shù)碼管0有效，共陰數(shù)碼管1有效)端口P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0碼表842184218421對應(yīng)段hGFEDCBA數(shù)字00x3c數(shù)字1數(shù)字2數(shù)字3數(shù)字4數(shù)字5數(shù)字6看起來顯示指令中的代碼與要顯示的數(shù)字毫無規(guī)律，對于這種情況，可定義1個1 維數(shù)組來檢索, unsigned char table10= 0xC0, ， ， ， ， ， ， ， ， 如果要顯示一個數(shù)，在可以采用查表法將顯示內(nèi)容送到端口，例如：如需要顯示1, 則程序為 P0= table1 ；如需要顯示x, 則程序為 P0= ；/注意x<10.備注：因為LED的引腳并不是按a-b-c的順

21、序排列的。為了簡化電路板的設(shè)計，我們自己設(shè)計的LED驅(qū)動電路采取了就近接線的方法，與教材不同，所以不能參考教材上現(xiàn)成的碼表，因此需要自己寫一個程序來測試LED顯示規(guī)律。通過觀察顯示規(guī)律，再計算碼表。3程序設(shè)計步驟 要測試LED數(shù)碼管與單片機P0口的連接，可采用Keil設(shè)計一個C程序，控制單片機的P2口全打開，同時在P0口按從低到高的順序輸出低電平，就可以通過觀測數(shù)碼管的顯示規(guī)律來確定數(shù)碼管的連接。3.1 建立工程 編寫程序代碼之前一定要做好以下幾件事情。 1）新建文件夾。新建一個用于存放整個項目文件的文件夾，可以用中文 段碼測試程序 。同時在項目文件夾內(nèi)部添加三個文件夾，分別是 output

22、、 List 和 source 。然后將源程序放在 source ；將編譯器自動產(chǎn)生的列表文件放在 List ；將編譯器產(chǎn)生的目標(biāo)代碼存放在 output 。 2）創(chuàng)建工程。打開Keil，創(chuàng)建1個工程，保存在新建的“段碼測試程序”文件夾，項目名稱為 seg_test。 3）創(chuàng)建文件。新建1個文件，一般來說,第一個主文件保存時最好命名為 main .c 4) 將main.c添加到工程中。3.2繪制程序流程，構(gòu)建程序框架本程序僅用于測試P0口與數(shù)碼管的連接關(guān)系，沒有初始化，也沒有中斷程序。根據(jù)任務(wù)要求，設(shè)計主程序流程和對應(yīng)的程序代碼如下圖所示:圖5 程序流程和對應(yīng)的代碼根基單片機C語言程序設(shè)計的基

23、礎(chǔ),代碼主要包含以下內(nèi)容：1） main函數(shù)main函數(shù)就是指主函數(shù)。主函數(shù)的結(jié)構(gòu)可以與程序流程一一對應(yīng)。主函數(shù)具有以下特點：a) 每一個單片機項目中，有且只有1個主函數(shù)。b) 主函數(shù)可以調(diào)用別的程序，但是任何程序不能調(diào)用主函數(shù)。c) 主函數(shù)是沒有參數(shù)也沒有返回值，d) 主函數(shù)是所有程序的開始，也就是說，初始化程序必須在main函數(shù)中首先調(diào)用e) 主函數(shù)中必須有一個無條件的循環(huán)，也只能有一個無條件的循環(huán)。用于調(diào)用主程序。根據(jù)模塊化程序設(shè)計的基本原則，主程序只能調(diào)用子函數(shù)，不可以在主程序中直接寫代碼。要想實現(xiàn)具體的功能，可以在無窮循環(huán)內(nèi)調(diào)用相關(guān)的子函數(shù)。2） 程序標(biāo)簽。這部分代碼是給程序員自己看

24、的，沒有運行代碼，可以不寫,但是優(yōu)秀的程序員一定會認真注解,舉例如下3） 包含頭文件。頭文件詳細描述了51單片機的硬件地址，我們不需要記住，只要包含就可以。Keil中沒有STC單片機的頭文件，可以借用兼容的51單片機頭文件代替, 也可以從STC的官方網(wǎng)站下載一個STC12C5A.H。包含頭文件的代碼如下： #include <stc12c5a.h> /包含STC單片機的頭文件4） 變量定義和函數(shù)定義。（開始可以空著，什么時候需要，什么時候補充）編譯程序會發(fā)現(xiàn)，在main函數(shù)中調(diào)用了一個不存在的子函數(shù)，編譯器找不到函數(shù)原型，會發(fā)出錯誤提示： 表示： 在main函數(shù)中調(diào)用的任何子函數(shù)，

25、都需要在main函數(shù)之前定義一個子函數(shù)。5） 補充子函數(shù)定義函數(shù)定義一般在宏定義之后和main 函數(shù)之前，補充一個空白的segment_test()子函數(shù)之后，完整的代碼如下：到此為止，程序框架已經(jīng)建成?？蚣艹绦蛲瓿梢院笠幾g是否出錯，編譯測試應(yīng)該是0錯誤，0警告。但是框架程序沒有任何功能，不用下載到單片機。3.3 繪制子程序的流程，編寫相關(guān)的函數(shù)33.1 編寫segment_test函數(shù)子函數(shù)segment_test（）的作用是逐個循環(huán)點亮數(shù)碼管的段。其實就是控制P0口循環(huán)輸出低電平。為了同時測量所有的數(shù)碼管，P2口輸出低電平。其程序流程和程序代碼如下：void segment_test(v

26、oid)由于調(diào)用了一個不存在的函數(shù)，編譯時會發(fā)現(xiàn)錯誤提示： 為此還在還需要在 segment test(void) 之前要定義并編寫一個延時子函數(shù)。3.32 編寫delay函數(shù)如果單片機采用12M的晶振，則每個機器周期需要的時間是 1us 。也就是說每運行一個簡單的指令需要的時間是 1us 。為此我們可以用運行空指令的方法延時。為了延時1ms，可以設(shè)計一個1000次的循環(huán)，循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行空指令。為了使延時參數(shù)可變，可以設(shè)計一個帶形式參數(shù)的子函數(shù)。調(diào)用時加入實際參數(shù)，可以改變延時的長度。設(shè)計代碼如下：3.4 編譯和調(diào)試程序整個項目的程序代碼如下（程序前的注解略）：編譯程序，編譯器會及時提示錯誤所在

27、，雙擊第一個錯誤提示，光標(biāo)會自動定位。常見的錯誤有：表示 括號附近有語法錯誤 。4. 試驗觀測數(shù)碼管顯示規(guī)律將程序下載到單片機，觀測顯示規(guī)律，將顯示規(guī)律的代碼填入下表，按照8421碼的規(guī)律計算碼表（特別注意:低電平有效,就是0亮燈,1滅燈.）表3. 自己設(shè)計的LED驅(qū)動電路段碼表P0口P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0碼表BCD碼84218421顯示規(guī)律數(shù)字“0”數(shù)字“1”數(shù)字“2”數(shù)字“3”數(shù)字“4”數(shù)字“5”數(shù)字“6”數(shù)字“7”數(shù)字“8”數(shù)字“9”根據(jù)上表，可將碼表用C語言的數(shù)組表示為Led_table= , , , , , , , , , 6. 總結(jié)本項目分

28、析了單片機與4位數(shù)碼管接口電路，設(shè)計了1個用于8段LED數(shù)碼管的測試程序。該單片機程序控制P0口按從低到高的規(guī)律逐一輸出低電平，使得數(shù)碼管的段逐一點亮。觀測LED數(shù)碼管的顯示規(guī)律，并根據(jù)顯示規(guī)律按16進制，計算出出數(shù)碼管的顯示碼表。以后在應(yīng)用程序中，我們就可以采用查表的方法顯示數(shù)字了。本程序只能測試段碼，不知道位碼的規(guī)律，還需要設(shè)計一個位碼測試程序。 簡易參照本程序設(shè)計一個8子循環(huán)的程序，按從低位到高位的順序循環(huán)點亮數(shù)碼管的1位。找出顯示規(guī)律，為設(shè)計數(shù)碼管顯示程序奠定基礎(chǔ)。課堂練習(xí): 練習(xí)段碼程序的設(shè)計，要求在5分鐘內(nèi)完成。編寫程序時務(wù)必養(yǎng)成以下良好習(xí)慣：1) 程序正文之前一定要加標(biāo)簽注解。說

29、明程序名、程序功能作用、程序端口設(shè)置等。2) 變量定義放在宏定義之后，函數(shù)定義之前。3) 被調(diào)用的子程序（函數(shù)）必須在主程序(函數(shù))之前定義，這樣就可以無需額外聲明。4) 變量和函數(shù)名稱都一定要采用英文命名,最好采用兩段式命名,表達真實的目的,如 定時器初始化程序定義為 timer_init(void)；5) 每一行指令都要100%的注釋,便于多年以后你自己可以看懂程序。6) 嚴格按照程序流程編寫程序代碼，寫出的程序不能與程序流程無關(guān)。預(yù)備項目3數(shù)字碼表測試程序設(shè)計0任務(wù)和要求通過前面設(shè)計的段碼測試程序測試了數(shù)碼管的顯示規(guī)律，并根據(jù)顯示規(guī)律計算出數(shù)碼管的碼表。為了防止計算過程出錯。還需要設(shè)計一

30、個數(shù)字碼表測試程序。具體要求如下：1） 按照從0到9的順序，逐一顯示數(shù)字。2） 顯示1秒鐘，熄滅0.5秒鐘。到9以后，熄滅3秒鐘，從新開始下一輪循環(huán)。3） 觀察數(shù)字顯示是否正確，根據(jù)顯示結(jié)果修改碼表1.程序設(shè)計思路 本程序與段碼測試程序非常相似，可以采用復(fù)制前期項目再適當(dāng)修改的方法快速設(shè)計程序?？砂慈缦虏襟E： 第1步：復(fù)制項目文件夾。在我的電腦中，找到段碼測試程序的文件夾，復(fù)制整個文件夾。然后將復(fù)制的文件夾重命名為 碼表測試程序 ，項目名稱修改為 碼表測試程序 ，同時刪除所有其它文件。再打開項目，增加程序功能注解。 第2步：修改子函數(shù)的名稱首先在主函數(shù)中修改調(diào)用函數(shù)的名稱。將segment_t

31、est( )修改為digit_test( )。然后修改子函數(shù)的定義，將segment_test修改為digit_test。至此，還沒有實質(zhì)性的修改，但是也要編譯程序，看看是否有錯。 第3步：修改子函數(shù)的內(nèi)容根據(jù)程序的任務(wù)，需要循環(huán)顯示0到9的數(shù)字。首先，增加碼表定義,代碼為： unsigned char table= ；然后，修改子函數(shù)循環(huán)的長度為10，代碼為 for （ ）最后，修改送段碼這一行為查表輸出段碼。代碼為：P0 = ；修改后的數(shù)碼測試程序的子函數(shù)代碼如下： 3. 觀測顯示結(jié)果 將程序編譯后下載到單片機，觀測數(shù)字顯示是否正確。4. 總結(jié)本項目在“段碼測試程序”的基礎(chǔ)上，設(shè)計了1個用

32、于測試數(shù)碼管數(shù)字碼表的程序。該程序控制P2口將數(shù)碼管的四個位全部點亮，并按從0到9的規(guī)律逐一查表將顯示內(nèi)容送到P0口，使得數(shù)碼管顯示從0-9的數(shù)字。測試結(jié)果表明，我們計算出出數(shù)碼管的顯示碼表完全正確。課堂練習(xí) 請在“段碼測試程序”的基礎(chǔ)上，設(shè)計1個用于測試數(shù)碼管數(shù)字碼表的程序（要求3分鐘內(nèi)完成）。預(yù)備項目4單片機數(shù)字鐘程序設(shè)計0任務(wù)和要求為了練習(xí)程序設(shè)計的基本思路，特別是LED顯示程序設(shè)計。請采用現(xiàn)有的單片機硬件系統(tǒng)設(shè)計一個數(shù)字鐘，基本要求如下：1) 顯示小時和分鐘，顯示格式為HH:MM,2) 秒鐘不顯示，但是每秒小數(shù)點閃爍1程序流程圖設(shè)計單片機系統(tǒng)是一個小巧靈活的計算機系統(tǒng)，你可以根據(jù)自己的

33、需要設(shè)計程序，想讓它干什么它就會成為你想要的東西。設(shè)計程序一定要堅持 先繪制程序流程，后寫程序代碼 的原則。繪制程序流程的步驟如下：1.1劃分程序模塊 根據(jù)電路圖和數(shù)字鐘的要求，本程序分為以下幾個模塊 定時器初始化：設(shè)定timer0工作在定時方式1，并且50ms中斷。 拆字程序：將小時和分鐘拆開，單獨查表后送給顯示緩沖區(qū)。 顯示程序：驅(qū)動四聯(lián)數(shù)碼管掃描顯示 鍵盤程序：用于調(diào)節(jié)小時和分鐘 計時程序：每50ms計算一次時間， 20次以后算1秒鐘，每60秒加1分鐘，每60分鐘加1小時，每24小時歸零。1.2分析程序模塊的特點根據(jù)程序模塊的作用，可知定時器初始化程序只運行一次，可作為 初始化程序 ；拆

34、字程序、顯示程序和、鍵盤程序都可循環(huán)多次運行，應(yīng)放在 主程序 ；計時程序：50ms自動中斷后自動計算時間，可作為 。1.3繪制程序流程圖根據(jù)上述分析,繪制程序流程圖如下:圖4.1 數(shù)字鐘的程序流程圖 為了節(jié)約版面，中斷程序中的計算時間模塊沒有列出詳細的算法。3.2創(chuàng)建項目和C程序 第1步：創(chuàng)建新項目，項目名保存為 數(shù)字鐘 。 第2步：創(chuàng)建新文件，文件名保存為 main.c 。 第3步：將新的C程序加入新項目。 提示：如果之前有數(shù)字碼表測試程序，就復(fù)制整個項目，在原項目的基礎(chǔ)上修改，可節(jié)省很多時間哦。3.3 編寫程序構(gòu)架 根據(jù)程序流程圖，寫出初始化程序和主程序的框架代碼如下： 老師提示:每寫一段

35、程序都一定要編譯成功。達到完全沒有錯誤和警告。編譯過程可能會出現(xiàn)很多錯誤代碼，我們總是從第一個錯誤開始逐一排查。記得一定要看懂英文哦.調(diào)試成功以后一定會顯示如下代碼：3.4 編寫硬件驅(qū)動程序3.4.1定時器驅(qū)動程序定時器驅(qū)動程序包括程序主體timer.C和程序頭文件timer.h兩部分。在程序主體timer.c中應(yīng)包含定時器初始化和定時器中斷程序兩部分。 1）定時器初始化程序根據(jù)本項目的要求，可設(shè)定timer0工作在方式1，50ms中斷。根據(jù)單片機基本原理可知，需要對TMOD、THO、TL0三個寄存器初始化，還要對ET0、TR0、EA三個位進行初始化。三個寄存器的代碼可以自己手工計算，也可以采

36、用單片機小精靈自動設(shè)計程序代碼。TMOD寄存器的8個位所表示的意思一般人記不住，可上網(wǎng)查詢，, 根據(jù)計算，可寫出定時器初始化程序如下：根據(jù)下圖的含義,填寫TMOD每一個位的值:將代碼換算為16進制?？傻肨MOD= 0x01；定時器工作在方式1，溢出上限為 65535 。定時器最小單位是1uS， 因此定時器初值= 15536 換算為16進制，可知TH0= 0x3C，TL0= 0xB0 ，2）定時中斷程序定時器timer0利用單片機內(nèi)部時鐘自動計數(shù)，每到50ms就自動中斷，因此中斷程序需要累加20次才算1秒。每60秒算1分鐘，每60分鐘算1小時，每24小時循環(huán)歸零。實現(xiàn)上述算法的程序流程如下圖所示

37、。3.4.2拆字程序拆字程序的主要任務(wù)是將所有的顯示內(nèi)容拆分成獨立的四個位，并查表轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管的顯示代碼，存放在顯示緩沖區(qū)內(nèi)。等待顯示程序調(diào)用。拆字子程序的程序流程如下圖所示，右邊是C51程序代碼。3.4.3顯示程序LED數(shù)碼管的顯示要采用動態(tài)顯示。顯示程序的作用就是將顯示緩沖區(qū)中的四個內(nèi)容（其實就是數(shù)組中的四個變量）輪流輸送到LED數(shù)碼管，并同時驅(qū)動對應(yīng)的位碼。每點亮一個數(shù)碼管都延時1ms，雖然是輪流點亮4個數(shù)碼管，但是利用人的視覺暫留效應(yīng)，看起來就像同時點亮四個數(shù)碼管一樣。設(shè)計程序時可以按順序和循環(huán)兩種方法，下圖是順序結(jié)構(gòu)設(shè)計的顯示程序流程圖。課堂作業(yè)：順序結(jié)構(gòu)的程序重復(fù)代碼太多，建議換成

38、循環(huán)結(jié)構(gòu)。本程序與硬件直接有關(guān)，可將程序編譯后下載到單片機內(nèi)部，并點亮LED數(shù)碼管。4程序調(diào)試程序調(diào)試也要堅持“走一步看一步”的原則，每完成一小段程序，就要下載程序到單片機通電運行，觀測程序運行效果。千萬不能一口氣寫完所有的代碼，然后在程序的大海中去找錯誤。程序調(diào)試包括以下兩個部分。4.1 語法排錯編寫好的C語言代碼還需要通過編譯軟件轉(zhuǎn)換成機器可以識別的EXE文件或BIN文件。像Keil51等開發(fā)工具都提供了編譯的功能，按下編譯按鈕后，軟件首先會按照C語言的語法檢測程序中的錯誤，并自動定位到錯誤所在的行，同時用英文提示錯誤的原因。對錯誤逐個修改后，就可以生產(chǎn)可執(zhí)行的BIN代碼了，但是請注意：語

39、法錯誤不表示邏輯沒有錯誤。程序員還需要反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)程序中邏輯錯誤4.2 程序邏輯調(diào)試調(diào)試程序的邏輯時，要清楚程序的“數(shù)據(jù)流”，故意在程序中用特殊的數(shù)據(jù)代替變量，用于觀測效果。本程序的數(shù)據(jù)流向如下圖所示：根據(jù)數(shù)據(jù)流，設(shè)計程序調(diào)試步驟如下： 1）調(diào)試顯示程序。顯示程序的作用是將顯示緩沖去的數(shù)據(jù)動態(tài)顯示到數(shù)碼管上。顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)來源于拆字程序，為了單獨調(diào)試顯示程序，可屏蔽拆字程序，給定一個固定的顯示內(nèi)容（如1234）去測試顯示程序的效果。 2）調(diào)試拆字程序。拆字程序的作用是將變量hour和minute拆開輸送到disp_buffer4。可以設(shè)定2個固定的變量，如hour=12，minute=34

40、.然后觀測顯示效果。 3）調(diào)試中斷程序。觀測程序是否進入中斷，也可以在中斷程序中，故意按自己的規(guī)律改變變量。如每中斷一次故意增加minute，或者hour。也可以在秒程序處，故意調(diào)整minute。然程序的變化更顯著。5 時鐘測試 為了檢驗時鐘程序的準(zhǔn)確度，將程序下載到單片機后，運行一天，與電腦時鐘對比，觀測時間偏差，計算絕對誤差和相對誤差。6總結(jié) 本項目采用模塊化的程序設(shè)計了一個數(shù)字鐘。首先根據(jù)功能不同劃分了程序模塊，分析了每個模塊的特點，繪制了程序流程圖。然后根據(jù)程序流程圖構(gòu)建了程序框架。第二，根據(jù)每個定時器子程序的要求，計算了定時器相關(guān)寄存器的初始值，并寫出了定時器初始化程序的C51代碼。

41、第三，根據(jù)拆字程序、顯示程序和鍵盤程序的功能，繪制了子程序的程序流程，并按程序流程寫出了對應(yīng)的C51代碼。第四，根據(jù)時鐘程序的基本計算規(guī)律，設(shè)計了定時器中斷程序的程序流程，并寫出了C51程序代碼。最后，將時鐘運行一天，測試了時鐘程序的誤差，并根據(jù)誤差修正了程序，提供了時鐘程序的精度。但是，由于單片機的定時準(zhǔn)確性較差，導(dǎo)致誤差較大，建議采用實時時鐘芯片DS1032來提高計時的精度。課堂練習(xí)：編寫本課的時鐘程序（15分鐘內(nèi)完成）。課后練習(xí)：（1） 秒更新的時候閃爍小數(shù)點。 （2） 用按鍵調(diào)節(jié)時鐘，調(diào)小時的時候，小時應(yīng)該要閃爍；調(diào)節(jié)分鐘的時候，分鐘應(yīng)該閃爍。（3） 設(shè)定鬧鐘，并且根據(jù)需要，發(fā)出不同聲

42、音。預(yù)備項目5 獨立式鍵盤設(shè)計0設(shè)計任務(wù)和要求當(dāng)前很多電子產(chǎn)品都采用單片微型計算機設(shè)計，幾乎都需要按鍵，如電磁爐需要按鍵來“開關(guān)電源”，用“+”“-”鍵來調(diào)節(jié)炒菜的溫度，用“功能鍵”來切換工作模式。請同學(xué)們設(shè)計一個4個按鍵的小鍵盤，用于人與機器對話。如“+”“-”“功能切換”“確定”。1方案論證 常用的鍵盤有以下三種方案1 獨立式鍵盤。獨立式按鍵的每一個按鍵都獨占單片機的一根通用IO線，只有當(dāng)按鍵較少的時候，采用獨立式按鍵設(shè)計鍵盤。方案2 行列掃描式鍵盤。當(dāng)按鍵較多時，單片機的IO口有限，不能采用獨立式鍵盤設(shè)計。可用行列掃描式鍵盤。如4*4的鍵盤可以有16個按鍵。8*8的掃描鍵盤可以有64個按

43、鍵。方案3 ADC鍵盤。每個按鍵配置不同的分壓電阻，采用ADC電路測量按鍵輸出的電壓來判斷按鍵。該方案只占據(jù)1根IO線。 綜上所述，當(dāng)鍵盤的按鍵比較少時，可以采用獨立式按鍵，每個按鍵接單片機的一個IO口。該方案的電路和程序設(shè)計都比較簡單。1 獨立式鍵盤原理圖 如圖1左圖所示的是四個按鈕的獨立式原理圖。圖1.獨立式按鍵及其與單片機的接口從圖中可以看出，K1、K2、K3、K4都各自獨占單片機的一根IO線。理論上按鍵開關(guān)可以選擇任何一個端口。但是最好四根線都在同一個P口。上圖中四個按鍵分別接到 、 、 、 。同一個P口的還剩余4個IO線沒有與接任線連接，空著也無妨。2 獨立式鍵盤的工作原理沒有按鍵的

44、時候，對應(yīng)的線全部為高電平；按下相應(yīng)的鍵，對應(yīng)的線就為低電平，其它的線仍為高電平。不考慮兩個按鍵同時按下的情況，鍵值計算如下表：表1 鍵值表（請同學(xué)們填充完整）端口P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0鍵值（H）BCD84218421·K10無關(guān)位無關(guān)位無關(guān)位無關(guān)位K20無關(guān)位無關(guān)位無關(guān)位無關(guān)位K30無關(guān)位無關(guān)位無關(guān)位無關(guān)位K40無關(guān)位無關(guān)位無關(guān)位無關(guān)位（提示：每個按鍵都是2進制代碼，對應(yīng)的四個IO線按8421碼組成一個16進制代碼，沒有接線的線是無關(guān)的位，可以為0，也可以為1）3 獨立式鍵盤的PCB采用altium designer 設(shè)計的PCB如圖2所示

45、。 圖2. 獨立式按鍵的PCB電路繪圖時注意以下要求1) 為了方便手工制版，所有線路都布在同一層?？梢圆荚陧攲踊蛘叩讓?) 為了減少打孔的麻煩，所以元件采用貼片封裝。如果元件是直插的，也修改封裝為貼片樣式。3) 因為手工制版沒有絲印層，可以將一些字符修改到頂層。增加一些中文提示。在GND等重要線的旁邊加標(biāo)注。4) 學(xué)會拼版。這樣小的一個單元電路，不能單獨去曬感光板。為了節(jié)省材料，學(xué)會拼版。一塊感光板可以供10個人或者20人用。4.鍵盤調(diào)試方法。1）先測試按鍵的通斷。用萬用表測量按鍵輸出線與GND之間的電阻。沒有按鍵時，電阻無窮大。按鍵時，電阻應(yīng)為0。2）測量線與線之間是否短路。用萬用表測量相鄰

46、輸出線之間的電阻，應(yīng)為無窮大。3）試用。將按鍵插到單片機應(yīng)用系統(tǒng)上（如單片機設(shè)計的時鐘或曝光機等），每個按鍵的功能都能響應(yīng)，如調(diào)節(jié)分鐘和秒鐘。6 結(jié)論 采用四個微動按鈕設(shè)計了一個獨立式鍵盤，通過測試，四個按鍵都能獨立控制。預(yù)備項目6 鍵盤驅(qū)動程序設(shè)計0 任務(wù)和要求 已知獨立式按鍵電路圖如下，四個按鈕各自獨占一根IO線，采用插接件與最小系統(tǒng)連接。請設(shè)計鍵盤電路的程序。1 基本原理要在讀鍵盤的時候屏蔽無關(guān)的低4位，C51的代碼為： key_value = P3& 0xf0 ； 按鍵則對應(yīng)的IO口接地，不考慮兩個按鍵同時按下的情況，鍵值計算如下表：表1 鍵值表（每個按鍵都是2進制代碼，對應(yīng)的

47、四個IO口按8421碼組成16進制代碼）端口P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0鍵值端口值84218421·K11110*0xe0K21101*K31011*b*K40111*0x702.程序方案選擇鍵盤掃描一般采用低電平、等待釋放和按鍵響應(yīng)3種方方案低電平查詢就是看鍵盤有沒有按下，指令為:if (key1=0) do_key1( ); 由于程序運行很快，按鍵1ms程序會運行上千次， 會導(dǎo)致重復(fù)執(zhí)行按鍵程序 。如圖中的虛線所示，因此需要消除抖動。等待釋放就是按鍵時不響應(yīng)，等待鍵盤釋放再執(zhí)行鍵盤指令：While（key1=0）；/循環(huán)等待按鍵釋放Do_key

48、1( ); /釋放后執(zhí)行指令當(dāng)按鍵時間長的時候，等待時間太長，反應(yīng)太慢 按鍵響應(yīng)也叫查詢下降沿方式：程序不斷地掃描，但是記住最近的兩次鍵值。然后對比相鄰的兩次按鍵。如果是剛按下去，那么相鄰的前次就一定是沒按程序代碼復(fù)雜，但是具有 高效 、 快速 等特點，詳細代碼附在最后。對比三種方案，我們選擇查詢下降沿的按鍵響應(yīng)法方案。3.鍵盤驅(qū)動程序的模塊化設(shè)計鍵盤驅(qū)動程序可以包括程序主體keyb.c和keyb.h兩個文件。程序主體包含鍵盤掃描程序和鍵盤處理程序兩部分。鍵盤掃描程序負責(zé)判斷是否有鍵按下，鍵盤處理程序根據(jù)按鍵不同而執(zhí)行不同的功能。編寫查詢下降沿方式的鍵盤掃描程序注意以下幾點：1） 及時查詢按鍵

49、的端口，一般將按鍵程序放在主程序。但是如果主程序有太多的程序，為了保證鍵盤的實時性，可以將按鍵程序放在在定時中斷中。2） 不管按鍵是否有效，都及時保存本次按鍵 ，作為下一次按鍵的“上一次”記錄。3） 如果當(dāng)前沒有按鍵，可以及時退出，保證程序的時效性。4） 如果當(dāng)前有按鍵，還要判斷上一次按鍵。只有兩次相反，才進入按鍵處理程序。鍵盤處理可以采用if判斷語句和switch分支語句兩種方式。因為switch分支的方式程序邏輯清楚，建議采用分支方式。如果鍵盤處理程序比較簡單，可以放在一起。如果程序太長，可以單獨作一個子程序。鍵盤掃描程序流程圖如下鍵盤程序C51代碼如下：4結(jié)論： 采用掃描下降沿的方法為獨

50、立式按鍵設(shè)計了驅(qū)動程序。該程序代碼比較復(fù)雜，但是具有高效、快速等特點。下載試用，發(fā)現(xiàn)上述程序還存在以下缺點。1） 增加分鐘的時候，沒有判斷是否溢出 2） 減少分鐘的時候，沒有判斷是否為負數(shù) 3） 預(yù)備項目7 ADC驅(qū)動程序設(shè)計ADC是單片機測量輸入模擬電壓的重要方法，為此必須掌握單片機片內(nèi)ADC的應(yīng)用。教材上沒有教過如何使用STC單片機內(nèi)部集成的ADC，可以到宏晶公司網(wǎng)站下載芯片資料，在芯片資料中查找C程序源代碼，復(fù)制到項目C程序中，就可以用了。如果不想深究，后面的內(nèi)容就不用看了，仔細探究其實也很簡單。從供應(yīng)商提供的資料發(fā)現(xiàn)，ADC程序代碼分包括 常量定義 、 ADC初始化 、 ADC中斷 等3部分。分別是：第一部分：為特殊功能