单片机原理与应用综合训练指导书下载 -

标题: 单片机原理与应用综合训练指导书下载 [打印本页]

作者: 2369562408 时间: 2017-7-28 20:22
标题: 单片机原理与应用综合训练指导书下载
单片机技术及应用综合训练指导书
电气信息工程学院2017 年2月

目录
一、绪论1
二、模拟智能传送装置4
三、模拟智能灌溉系统7
四、简易温度控制器11
五、自动窗帘14
六、简易计算器17
七、门禁系统19
八、出租车计费器23
九、简易电度表26
十、自动售水机29
十一、信号源的频率、周期和脉宽的测量32
十二、附录电路原理图35

一、绪论
1 综合训练的目的
单片机技术及应用综合训练作为独立的教学环节，是自动化及相关专业集中实践性环节系列之一，是学习完《单片机原理及应用》课程后，并在进行相关课程设计基础上进行的一次综合练习。
其目的在于加深对 MCS-51 单片机的理解，掌握单片机应用系统的设计方法；掌握常用接口芯片的正确使用方法；强化单片机应用电路的设计与分析能力；提高学生在单片机应用方面的实践技能和科学作风；培育学生综合运用理论知识解决问题的能力，力求实现理论结合实际，学以至用的原则。
学生通过查阅资料、接口设计、程序设计、安装调试、整理资料等环节，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能；熟悉开展科学实践的程序和办法，为今后从事生产技术工作打下必要的基础；学会灵活运用已经学过的知识，并能不断接受新的知识，大胆发明创造的设计理念。
2 综合训练的要求
课程设计应充分体现“教师指导下的以学生为中心”的教学模式，以学生为认知主体，充分调动学生的积极性和能动性，重视学生自学能力的培养。根据课程设计具体课题安排时间，确定课题的设计、编程和调试内容，分小组进行。根据合理的进度安排，一步一步、踏踏实实地开展课程设计活动，按时完成每部分工作。课程设计集中在教室、机房进行，每天由班长负责考勤，指导教师抽查。在课程设计过程中，坚持独立完成，实现课题规定的各项指标，并写出设计报告。

3 综合训练教学内容
课程设计集中在二周（10 天）进行。为保证达到预计的教学任务及目的，以小组为单位分别进行资料的收集、方案论证、电路设计、编程、调试、实验及改进。具体进度及要求安排如下：

时间	内容
第 1 天	布置课题，落实任务，确定课题及组织形式，收集课题相关的技术资料。
第 2 天	方案论证、分析、讨论
第 3-4 天	电路设计、设计各模块程序框图
第 5 天	软件设计
第 6 天	软件设计、调试
第 7 天	调试
第 8 天	调试，整理资料、写课程设计报告
第 9 天	写课程设计报告
第 10 天	递交课程设计报告、总结

4. 综合训练报告要求

设计报告应该包括以下主要内容：(1)课程设计目的。 (2)课程设计器材设备。包括软件（操作系统，工具软件等）和硬件。

(3)课程设计内容。包括系统功能、工作原理、设计思想和设计框图等。这部分内容请写详细，不要太简单化。

(4)硬件设计。需绘出完整电路图并对电路进行说明

(5)软件流程图和算法。

(6)软件调试过程包括如何调试程序，出现什么问题，如何解决的，理论根据是什么。

(7)源程序代码。 (8)实验结果分析和总结。对实验结果进行分析，对实验过程进行总结。 (9)附录（参考资料及参考书列表）。提交所查阅的有关资料附件（参考书仅提

供列表即可），在网上查到的资料请注明网址。

二、模拟智能传送装置

训练要求

“传送装置”可实现货物重量检测，改变装置的传输方向，超重记录及超重报警功能，并通过霍尔传感器实现物品计数功能。“传送装置”的硬件电路主要由单片机控制电路、数码管显示电路、模数转换电路、EEPROM 存储电路、按键控制电路、霍尔传感器电路、蜂鸣器及继电器电路组成。

具体要求如下：

1. 重量测量及显示单元

通过 A/D 检测电路，检测电位器 Rb2 输入的电压信号，模拟“货物”的重量；假定 Rb2 输入的电压信号与“货物”重量具有线性关系，电压为 2.5V 时，货物重量为 500kg；电压为 0V时，“传送装置”空载。通过 4 位共阳数码管显示当前“货

物”重量、2 位共阳极数码管显示当前“货物”数量。如图 2-1 所示。

0	5	5	0			7	8
重量				熄灭		计数值

图 2-1 工作显示界面

2. 按键控制单元

独立按键 S7 为模式切换按键，具体模式为：工作模式、设定模式、读取模式。

2.1 工作模式

独立按键 S4 设定为启动/停止按键；当 S4 按下后，继电器接通，“传送装置”
启动；再次按下“传送装置”停止，继电器关断。同时保存计件数值到 EEPROM
中。

独立按键 S5 设定为正向/反向传送控制按键；S5 在“传送装置”启动后才被使能，当 S5 按下后，发光二极管从 L1 到 L8 以 0.5 秒为间隔依次循环点亮，“传送装置”开始正向传送“货物”；再次按下发光二极管从 L8 到 L1 以 0.5 秒为间隔依次循环点亮，“传送装置”开始反向传送“货物”；

2.2 读取数据模式

独立按键 S6 用于读取存放于 EEPROM中记录的下一个超重数据。共计 20 个数据循环显示，显示格式如图 2-2所示。

独立按键 S5 用于对货物计数值进行清零。

	0	5	5	0		0	5
熄灭	超重数据				熄灭	记录的序号

图 2-2 工作显示界面

2.3 重量阀值设定模式

独立按键S4 为“+1”键位，S5 为“-1”键，S6 为确认键。如图 2-3所示，按下确认键后，返回到工作模式。

					7	5	0
熄灭					重量阀值

图 2-3 阀值设定界面

3. 超重报警单元

设定“传送装置”额定载重为 750kg，若“货物”重量超出此额定值，传送装置自动停止（继电器断开、所有发光二极管熄灭），蜂鸣器开始报警；“货物”重量小于额定载重后，传送装置自动恢复到工作状态（继电器接通、发光二极管重新循环点亮），同时关闭蜂鸣器报警。

4. 超重记录单元

当“传送装置”载重超过额定载重后，自动将 A/D 转换后的结果保存 EEPROM 中（20 个数据），若“货物”重量未发生变化，仅存储一次测量结果。数据存储格式如图 2-4 所示：

地址	0x00	0x01	0x02	„„	0xFF
数据	记录 1	记录 2	记录 3	„„

图 2-4 数据存储格式

5. 计数单元

正向传送时，检测到货物，则计数值加1；反向传送时，检测到货物，则计数值减 1；其他情况维持计数值不变。

6. 系统初始状态说明系统上电后，自动检测当前“货物”重量，并通过数码管显示；“传送装置”处
于停止状态（继电器断开），此时系统不能够自动恢复到工作状态（继电器接通）。

注：系统通过 EEPROM 存储重量阈值和计件值。掉电重启后，数据维持上次设定值和计件值不变。

三、模拟智能灌溉系统

训练要求

要求“模拟智能灌溉系统”能够实现土壤湿度测量、土壤湿度和时间显示、湿度阈值设定及存储等基本功能。通过电位器Rb2 输出电压信号，模拟湿度传感器输出信号，再通过 A/D 采集完成湿度测量功能；通过 DS1302 芯片提供时间信息；通过按键完成灌溉系统控制和湿度阈值调整功能，通过 LED 完成系统工作状态指示功能。系统硬件电路主要由单片机控制电路、显示单元、ADC 采集单元、RTC 单元、EEPROM 存储单元、继电器控制电路及报警输出电路组成，具体要求如下：

1. 系统工作及初始化状态说明

1.1 自动工作状态，根据湿度数据自动控制打开或关闭灌溉设备，以 L1 点亮指示；

1.2 手动工作状态，通过按键控制打开或关闭灌溉设备，以 L2 点亮指示；

1.3 定时工作状态，根据设定时间自动控制打开或关闭灌溉设备，以 L3 点亮指示；

1.4 系统上电后处于自动工作状态，系统初始湿度阈值为 EEPROM 中的保存值，此时若湿度低于设定阀值，灌溉设备自动打开，达到设定阀值后，灌溉设备自动关闭；

1.5 灌溉设备打开或关闭通过继电器工作状态模拟。

2. 数码管单元当前时间及湿度数据显示格式如下图所示：

0	8．	3	0	—	0	5
时（8 时）		分（30 分）		分隔符	湿度(5%)

图 3-1 显示界面

3. 报警输出单元

系统工作于手动工作状态下时，若当前湿度低于湿度阈值，蜂鸣器发出提示音，并可通过按键 S6 关闭提醒功能。

4. 功能按键

4.1 按键 S7 设定为系统工作模式或显示界面切换按键；具体如下：手动模式、自动模式、定时灌溉模式（设定灌溉装置启动/停止时间）、阀值设定界面，实时显示界面（时间、当前湿度）。

4.2 手动工作模式下按键 S6、S5、S4 功能设定如下：

按下 S6 关闭蜂鸣器提醒功能，再次按下S6 打开蜂鸣器提醒功能,如此循环；

S5 功能设定为打开灌溉系统；

S4 功能设定为关闭灌溉系统。

4.3 自动工作模式下按键 S6、S5、S4  功能设定如下：

S6 功能设定为湿度阈值调整按键，按下 S6  后，进入湿度阈值调整界面(如图
3-2 所示)，此时按下 S5 为湿度阈值加 1，按下 S4 湿度阈值减 1，再次按下 S6 后，系统将新的湿度阈值保存到 EEPROM  中，并退出湿度阈值设定界面，并返回图 3-1 所示界面。

8	8．	8	8	—	0	5
熄灭		熄灭		分隔符	湿度阀值(5%)

图 3-2 湿度阀值设定界面

4.4 定时灌溉模式下按键 S6、S5、S4 功能设定如下：

S6 为设置开启时间、关闭时间、确认设置三种功能的切换键；

首次按下 S6，进入图 3-3所示界面，再次按下，开始时间四个数码管以 0.5 秒间隔闪烁，此时通过按键 S5，S4 进行时间调整；第三次按下S6，开启时间数码管停止闪烁，关闭时间数码管以 0.5 秒间隔闪烁，此时通过按键 S5，S4 进行时间调整；第四次按下 S6，为确认设置，此时将设定的开机与关机时间存入 EEPROM中，并返回工作状态界面（图3-1）.

S5 为数值时+ 1 键；0-23之间循环设置；

S4 为数值分+1 键；0-59 之间循环设置。

0	8．	3	0 .	0	8.	3	5
开启时间				关闭时间

图 3-3 定时时间设定界面

5. 实时时钟

“模拟智能灌溉系统”通过读取DS1302 时钟芯片相关寄存器获得时间，DS1302

芯片时、分、秒寄存器在程序中设定为系统进行初始化设定，时间为 08 时 30 分。

6. 湿度检测单元

以电位器 Rb2 输出电压信号模拟湿度传感器输出信号，且假定电压信号与湿

度成正比例关系 H 湿度 = KV Rb2 （K 为常数），Rb2 电压输出为 5V 时对应湿
度为 99%。

7. EEPROM 存储单元

系统通过 EEPROM 存储湿度阈值、开启时间、关闭时间。掉电重启后，数据维持上次设定值不变。

四、简易温度控制器

训练要求

设备按照 1 秒时间间隔自动采集温度数据，并具有数码管实时显示时间、温度，自动调节温度等功能，系统硬件部分主要由按键电路、电源供电电路、RTC 时钟、传感器电路和显示电路，直流电机、继电器等组成。具体要求如下：

1. 数码管显示

设备上电后，自动进入时钟显示界面(图 4-1）并开始采集温度。

0	8.	3	0	—	2	2 .	3
时（8 时）		分（30 分）		分隔符	实时温度

图 4-1. 时钟显示界面

要求：时钟显示界面下，时间小数点以 0.5秒为间隔闪烁，温度值小数点一直点亮。

2. 温度检测功能

使用 DS18B20 温度传感器完成温度测量功能。

3. 温度控制功能具体要求如下：

（1）独立按键 S7切换自动工作状态（L1 点亮）、手动工作状态（L2 点亮）、定时工作状态（L3 点亮）。

（2）自动工作状态下，首次按下 S6 进入温度阀值设置界面（图 4-2），按键S5

为温度阀值+键，按键 S4 为温度阀值-键，再次按下 S6为确认键，此时进入时钟显

示界面（图 4-1），若温度低于阀值，继电器接通，直流电动机关闭，若温度高于阀
值，则直流电机启动，继电器关断。

	—	2	3
熄灭	温度阈值

图 4-2 温度阈值设定界面

（3）手动工作状态下，S6 为启动/停止直流电机按键；S5 为启动/停止继电器按键。此时界面为图 4-1.

（4）定时工作状态下，S6 为设置开启时间、关闭时间、确认设置三种功能的切换键；在设置时间内自动打开直流电机。

首次按下 S6，进入图 4-3所示界面，再次按下，开始时间四个数码管以 0.5 秒间隔闪烁，此时通过按键 S5，S4 进行开启时间调整；第三次按下S6，开启时间数码管停止闪烁，关闭时间数码管以 0.5秒间隔闪烁，此时通过按键 S5，S4 进行关闭时间调整；第四次按下 S6，为确认设置，此时将设定的开机与关机时间存入 EEPROM 中，并返回工作状态界面（图 4-1）.

S5 为数值时+1 键；0-23 之间循环设置；

S4 为数值分+1 键；0-59 之间循环设置。

0	8．	3	0 .	0	8.	3	5
开启时间				关闭时间

图 4-3  定时时间设定界面

4. RTC

使用 DS1302  时钟芯片完成 RTC  的相关功能。

5. 设备工作模式说明

（1）默认 RTC  时间：23 时 59  分 50  秒；

（2）默认温度数据采集间隔为 1  秒；

（3）设备处在不同的显示界面下，与该界面无关的按键操作无效；

6. EEPROM 存储单元

系统通过 EEPROM 存储温度阈值、开启时间、关闭时间。掉电重启后，数据维持上次设定值不变。

五、自动窗帘

训练要求

设备按照 1 秒时间间隔自动采集光线亮度数据，并具有数码管实时显示时间、亮度，打开或关闭窗帘等功能，系统硬件部分主要由按键电路、电源供电电路、传感器电路和显示电路，步进电机等组成。具体要求如下：

1. 数码管显示

设备上电后，自动进入时钟显示界面(图 5-1）并开始采集亮度。

0	8.	3	0	—	1	2	3
时（8 时）		分（30 分）		分隔符	实时亮度

图 5-1. 时钟显示界面

要求：时钟显示界面下，时间小数点以0.5 秒为间隔闪烁。

2. 亮度检测功能

使用光敏电阻结合 A/D 转换模块完成亮度测量功能。

3. 窗帘控制功能具体要求如下：

（1）独立按键 S7切换自动工作状态（L1 点亮）、手动工作状态（L2 点亮）、定时工作状态（L3 点亮）。

（2）自动工作状态下，按下按键 S5 进入日期显示界面，如图 5-2所示，再次按下回到时钟显示界面图5-1；首次按下 S6 进入亮度阀值设置界面（图 5-3），按键

S5 为亮度阀值+键，按键 S4 为亮度阀值-键，再次按下 S6 为确认键，此时将设定阈
值存入 EEPROM 中，并进入时钟显示界面（图 5-1），若亮度低于阀值，步进电机正传（窗帘打开），若亮度高于阀值，则步进电机反转（窗帘关闭）。

2 0 1 7 .	0 3 .	0 8
2017 年	3 月	8 日

图 5-2 日期显示界面

	1	2	3
熄灭	亮度阈值

图 5-3 温度阈值设定界面

（3）手动工作状态下，S6 为启动/停止步进电机正转按键；S5 为启动/停止步进电机反转按键。此时界面为图 5-1。

（4）定时工作状态下，S6 为设置开启时间、关闭时间、确认设置三种功能的切换键；在设置时间内自动打开步进电机正传（窗帘打开），其它时间步进电机反转（窗帘关闭）。

首次按下 S6，进入图 5-4所示界面，再次按下，开始时间四个数码管以 0.5 秒间隔闪烁，此时通过按键 S5，S4 进行开启时间调整；第三次按下S6，开启时间数码管停止闪烁，关闭时间数码管以 0.5秒间隔闪烁，此时通过按键 S5，S4 进行关闭时间调整；第四次按下 S6，为确认设置，此时将设定的开机与关机时间存入 EEPROM 中，并返回工作状态界面（图 5-1）。

S5 为数值时+1 键；0-23 之间循环设置；

S4 为数值分+1 键；0-59之间循环设置。

0	8．	3	0 .	0	8.	3	5
开启时间				关闭时间

图 5-4  定时时间设定界面

注：进入三种工作状态后，以 S4 按键模拟限位开关，用于停止步进电机。

4. 设备工作模式说明

（1）默认日期与时间为：2017 年 3 月 08日 08 时 30  分 50  秒；

（2）默认亮度度数据采集间隔为 1 秒；

（3）设备处在不同的显示界面下，与该界面无关的按键操作无效；

5. EEPROM 存储单元

系统通过 EEPROM  存储亮度阈值、当前的年月日时分、开启时间、关闭时间。掉电重启后，数据维持上次设定值不变。

六、简易计算器

训练要求

设备要求具有加、减、乘、除的 3 位数运算功能、数字钟和秒表功能。系统硬件部分主要由矩阵键盘（4*4）电路、E2PROM、蜂鸣器、电源供电电路和液晶显示
（LCD1602）电路等组成。具体要求如下：

1. 定义一个模式切换按键 K15，由 K15 切换当前模式（计算器模式、数字钟模式、秒表模式）。

1.1 计算器模式

计算器的按键由 K0--K9（0--9），K10（退格）、K11（清零）、K12（等于）和 K13（加、减、乘、除）组成，实现最高 3 位数的加、减、乘、除运算，显示格式如图 6-1所示

123*100

=12300

图 6-1. 运算显示界面

退格键用于删除当前输入的数字或者运算符，清零键用于清除运算过程中的公式和结果，等于键用于确认输入完成，进行运算并显示结果。

注：运算符按键 K13实现加、减、乘、除的输入，即当 K13按下一次为“+”，在两秒内再次按下切换为“—”，以此类推。若超过两秒即为当前的运算符。

1.2 数字钟模式要求实现年、月、日、时、分、秒的显示，能够自动计算闰年和大小月，并
具备整点报时及闹钟功能。可以通过按键设置当前时间、闹铃开关以及闹铃时间。

所有设置完成按确认键后，将设置值保存到E2PROM 中。格式如图 6-2 所示。

2017 — 03 — 28
08:30:50（当前时间） 09:30（闹铃时间）

图 6-2 时钟显示界面

注：整点报时为当前几时，则蜂鸣器响几次。闹铃时间到，则蜂鸣器以一秒为间隔发出闹铃声，持续一分钟，可用按键提前停止闹铃。要求保存当前时间及闹铃时间到 E2PROM中，每次开机后，恢复年、月、日、时、分以及闹铃时间的值。

1.3 秒表模式要求设置启动按键、记录按键、停止按键、查询按键和清零键。启动按键按下该键秒表开始计时，此时显示界面如图 6-3 所示：

时（2位）：分（2位）：秒（2 位）：千分秒（3 位）

00（记录个数）

图 6-3 秒表工作界面

记录按键  按下一次记录一个时间，秒表继续工作，再次按下记录第二个时间，以此类推，最多记录 10 个时间；

停止按键  按下该键则停止计时。

查询按键  按下该键可以查看已记录的时间。具体显示格式如图 6-4 所示。

00（第几个记录）

时（2 位）：分（2 位）：秒（2 位）：千分秒（3 位）

图 6-4 秒表查询界面

清零键按下该键则所有显示清零，即可重新进行计时。

七、门禁系统

训练要求

“门禁系统”主要有两种工作模式：

模式 1：7：00—22：00 为自动门状态，该状态下门的开和关是通过超声波测距来的测距来控制，当测到的距离小于 30mc 时门就开，门开 5 秒后自动关闭。

模式 2：22：00—7：00 密码门状态，门的开是通过输入正确的密码来起动，门开启后 5 秒后自动关闭，密码输入错误达到3 次时则通过蜂鸣器来报警 3 秒。

系统框图如下：

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