單片機控制課程設(shè)計

摘要：單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把-+0算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括地講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜，為學(xué)習、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。

關(guān)鍵詞：單片機；硬件結(jié)構(gòu)；課程設(shè)計

中圖分類號：R857.3 文獻標識碼：A

文章編號：1672—0407(201 1)09—040—05

緒論

1.1 單片機簡介

1.1.1 單片機的應(yīng)用

單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括地講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜，為學(xué)習、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。

可以說，20世紀跨越了3個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。現(xiàn)在，這種單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機等。現(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其他業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。

在計算機出現(xiàn)以前，有不少能工巧匠做出了許多精巧的機械。進入電器時代后，人們借助電氣技術(shù)實現(xiàn)了自動控制機械，自動生產(chǎn)線甚至自動工廠，并且大大地發(fā)展了控制理論。然而，在一些大中型系統(tǒng)中自動化結(jié)果均不理想。只有在計算機出現(xiàn)后，人們才見到了希望的曙光。如今借助計算機逐漸實現(xiàn)了人類的夢想。但是，計算機出現(xiàn)后的相當長的時間里，計算機作為科學(xué)武器，在科學(xué)的神圣殿堂里默默地工作，而工業(yè)現(xiàn)場的測控領(lǐng)域并沒有得到真正的應(yīng)用。只有在單片機(Microcontrollerl出現(xiàn)后，計算機才真正地從科學(xué)的神圣殿堂走入尋常百姓家，成為廣大工程技術(shù)人員現(xiàn)代化技術(shù)革新，技術(shù)革命的有利武器。目前，單片機在民用和工業(yè)測控領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用。彩電、冰箱、空調(diào)、錄像機、VCD、遙控器、游戲機、電飯煲等無處不見單片機的影子，單片機早已深深地溶入我們每個人的生活之中。

單片機能大大地提高這些產(chǎn)品的智能性，易用性及節(jié)能性等主要性能指標，給我們的生活帶來舒適和方便的同時，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

單片機按用途大體上可分為兩大類：

1——通用型單片機

2——專用型單片機

專用型單片機是指用途比較專一，出廠時程序已經(jīng)一次性固化好，不能再修改的單片機。例如電子表里的單片機就是其中的一種，其生產(chǎn)成本很低。

通用型單片機的用途很廣泛，使用不同的接口電路及編制不同的應(yīng)用程序就可完成不同的功能。小到家用電器儀器儀表，大到機器設(shè)備和整套生產(chǎn)線都可用單片機來實現(xiàn)自動化控制。

1.1.2 單片機的特點

(1)優(yōu)異的性價比

(2)集成度高、體積小、可靠性高

(3)控制功能強

(4)低功耗、低電壓

(5)結(jié)構(gòu)簡化

(6)易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)

1.2 LED電子顯示屏概述

1.2.1 LED介紹及其特點

LED(Light Emitting Diode)，即發(fā)光二極管，是一種可將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體發(fā)光器件，屬于固態(tài)光源。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是自由電子。這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。

LED的內(nèi)在特征決定了它可以作為最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，并有著廣泛的用途。

2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計

2.1 基本要求

設(shè)計內(nèi)容：在單片機開發(fā)板上完成以下幾點。

[1]了解SPI總線工作原理和74HC595的工作時序，并能夠用程序控制74HC595輸出。

[2]學(xué)會點陣LED的動態(tài)掃描過程。

[3]能夠顯示靜止的漢字或英文或圖像。

[4]能夠讓屏幕或上或下或左或右動起來。

2.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

一個40×14漢字的示例電路，系統(tǒng)由CPU、數(shù)據(jù)鎖存器和掃描電路構(gòu)成。由于使用的40×14點陣的漢字，51系列為8位機，每次只能處理8位二進制數(shù)，因此利用五片74H595輸出字模的第一行并加以鎖存，然后通過對列的變換逐行顯示，讓人看到幾個完整的字，再通過CPU發(fā)出移位的指令實現(xiàn)字符的移動，在不更改任何硬件電路的情況下，實現(xiàn)漢字的左移和右移。這種模塊化的掃描電路設(shè)計非常簡單，并且通過簡單的級聯(lián)就可以形成多個漢字的掃描電路，可以大大降低電路板的制作成本。

2.3 設(shè)計方案比較

從理論上講，不論顯示圖形還是文字，只要控制與組成這些圖形的或文字的各個點所在位置相對的LED器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果，這種同時控制各個發(fā)光電亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動顯示方式。5×7LED的點陣共有35個發(fā)光二極管，顯然單片機沒有這么多端口，因此在實際應(yīng)用中的顯示屏幾乎都不采用這種設(shè)計，而采用另一種稱為動態(tài)掃描的顯示方式。

動態(tài)掃描的意思簡單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)多行(比如14行)的同名列共用一套列驅(qū)動器。具體就5×7的點陣來說，把所有同1行的發(fā)光管點亮熄滅的數(shù)據(jù)鎖存，然后選通第一行使其燃亮一定的時間，然后熄滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第二行使其燃亮的同時，然后燃滅……第16行之后，又從新燃亮第一行，反復(fù)輪回。當這樣輪回的速度足夠快(每秒24次以上)，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。

采用掃描方式進行顯示時，每秒有一個行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個列驅(qū)動器，顯示數(shù)據(jù)通常存儲在單片機的存儲器中，按8位一個字節(jié)的形式順序排放。顯示時要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應(yīng)的列驅(qū)動器上去，這就存在一個顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。從控制電路到列驅(qū)動電路的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并行方式或串行方式。顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅(qū)動器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多。當列數(shù)很多時，并行傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹?/p>

采用串行傳輸方式，控制電路可以只用一根信號線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟的。

2.4 漢字字模的生成

由于需要顯示的內(nèi)容千差萬別，如果完全依靠用戶自己構(gòu)建漢字字模，將是一件非常艱巨甚至是不可能的工作。并且在漢字的顯示過程中，又經(jīng)常需要實現(xiàn)漢字的水平移動、垂直移動或?qū)蔷€移動。如果完全依靠單片機完成字模的創(chuàng)建和顯示控制，則由于單片機的運算能力有限，基本上無法實現(xiàn)漢字的實時顯示。為此可以利用Pc機的強大運算功能，預(yù)先生成顯示漢字的所需的字模。

行字模的生成通常可以利用字模軟件構(gòu)造需要顯示的字模的位置。而字模的長度則是由用于顯示的LED點陣長度決定的，由于采用的是40×14點陣，一個漢字字模需要16×14／8=28個字節(jié)。因此從字模的開始依次讀取28個字節(jié)就可以得到該漢字16×14的字模(行字模)。

2.5 漢字顯示的控制

通常字模的移動主要包括按行平移，按列平移和按對角線移動3種，其他的移動形式都可以在這3種運動的基礎(chǔ)上改造而成。下面以按列向左平移為例介紹字模移動的控制思想。由于點陣屏只能按列進行動態(tài)顯示，且每次只能顯示一列，同時為了保證所顯示的內(nèi)容不出現(xiàn)閃爍，還需要對屏幕顯示的內(nèi)容進行多次刷新，因此字模顯示的控制可以分為移動和刷新的控制。所謂的字模平移其實質(zhì)就是相鄰的兩屏顯示內(nèi)容在位置上平行移動了一列，而原先處于顯示邊緣的顯示內(nèi)容(第一列或最后一列)則被移出顯示屏。據(jù)此原理稍加修改就可以實現(xiàn)任意形式的平移。為了保證顯示內(nèi)容不出現(xiàn)閃爍，還需要進行屏幕的刷新，每次刷屏操作所顯示的內(nèi)容是相同的。因此可以預(yù)先保存好本屏顯示字模的首地址，當完成一次刷屏操作后，恢復(fù)顯示字模的首地址，重復(fù)字模按列輸出操作即可。

3.硬件設(shè)計

3.1 設(shè)計目的

[1]學(xué)會使用點陣LED管。

[2]掌握漢字字模軟件的使用。

[3]掌握用點陣LED顯示漢字的控制方法。

3.2 各元器件的功能介紹

3.2.1 ULN2003

概述與特點

ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管組成。

該電路的特點如下：

ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。

ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。

ULN2003采用DIP-16或SOP-16塑料封裝。

該電路的特點如下：

ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。

3.2.2 74HC595

1.描述74HC595是硅結(jié)構(gòu)的CMOS器件，兼容低電壓TTL電路，遵守JEDEC標準。74HC595是具有8位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。數(shù)據(jù)在SCHep的上升沿輸入，在STep的上升沿進入的存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。移位寄存器有一個串行移位輸入(DS)，和一個串行輸出(Q7’)，和一個異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當使能OE時(為低電平)，存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。

2.特點：8位串行輸入／8位串行或并行輸出存儲狀態(tài)寄存器，三種狀態(tài)輸出寄存器可以直接清除100MHz的移位頻率。

3.輸出能力：并行輸出，總線驅(qū)動；串行輸出；標準中等規(guī)模集成電路595移位寄存器有一個串行移位輸入(Ds)，和一個串行輸出(Q7’)，和一個異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當使能OE時(為低電平)，存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。

4.功能表

輸入輸出功能

SHCPSTCPOE MRDSQ7’Qn

××L↓×L NC MR為低電平時僅僅影響移位寄存器。

×↑ LL×LL空移位寄存器到輸出寄存器

××HL×LZ清空移位寄存器，并行輸出為高阻狀態(tài)。

↑×L H H Q6 NC邏輯高電平移入移位寄存器狀態(tài)0，包含所有的移位寄存器狀態(tài)移入，例如，以前的狀態(tài)6(內(nèi)部Q6’)出現(xiàn)在串行輸出位。

×↑ LH×NC Qn’移位寄存器的內(nèi)容到達保持寄存器并從并口輸出。

↑ ↑ L H×Q6’Qn’移位寄存器內(nèi)容移入，先前的移位寄存器的內(nèi)容到達保持寄存器并出。

5.引腳說明

符號引腳描述

Q0……Q7 15，1，7并行數(shù)據(jù)輸出

GND 8地

Q7’9串行數(shù)據(jù)輸出

MR 10主復(fù)位(低電平)

SHCP 11移位寄存器時鐘輸入

STCP 12存儲寄存器時鐘輸入

OE 13輸出有效(低電平)

DS 14串行數(shù)據(jù)輸入

VCC 16電源

3.2.3 STC89C51芯片介紹

STC89C51單片機的特點：

1.增強型6時鐘／機器周期，12時鐘／機器周期8051 CPU。

2.工作電壓：5.5V－3.4V(5V單片機)／3.8V－2.0V(3V單片機)。

3.工作頻率范圍：0－40 MHz，相當于普通8051的0－80MHz，實際工作頻率可達48MHz，

4.用戶直再程序空間4K／8K／13K／16K／20K／32K／64K字節(jié)。

5.片上集成1280字節(jié)／512字節(jié)RAM。

6.通用I／O口(32／36個)，復(fù)位后為：P1／P2／P3／P4是準雙向口／弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I／O口)。

P0口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I／O口用時，需加上拉電阻。

7.ISP(在系統(tǒng)可編程)／IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器／仿真器可通過串口(P3.0／P3.1)直接下載用戶程序，8K程序3秒即可完成一片。

8.EEPROM功能

9.看門狗

10.內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(D版本才有)，外部晶體20M以下時，可省外部復(fù)位電路。

11.共3個16位定時器／計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用。

12.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。

13.通用異步串行口(UART)，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。

14.212作溫度范圍：0℃－75℃／-40~C～+85℃。

15.封裝：PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。

3.3 單片機外圍電路的設(shè)計

LED漢字顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用低成本的單片機系統(tǒng)實現(xiàn)漢字的固定顯示水平移動、垂直移動。顯示模塊采用模塊化設(shè)計，在負載范圍內(nèi)，只需通過簡單的級聯(lián)就可以對顯示屏進行擴展，是一種成本低廉的漢字顯示方案。同時也使用過的模塊有再利用的價值。

40×14的點陣模塊在許多LED同時工作的情況下需要很大的電流，89C51單片機的驅(qū)動能力不能滿足需要，在眾多的驅(qū)動芯片中既要選擇滿足實際需要而且性價要較高，抗干擾能力強，質(zhì)量穩(wěn)定，這樣才能做到經(jīng)濟實惠又不浪費。

通過對系統(tǒng)總體方案的設(shè)計我們選用逐行掃描的方式實現(xiàn)LED點陣的漢字顯示。在掃描第一行的同時，其余行都是熄滅的，在很短的一段時間內(nèi)完成每行的掃描，只要掃描的速度合適人眼是分辨不出來的，我們看到的是一個完整的字。

設(shè)計中采用的是共陰極的點陣，掃描其中一行時其余加在陰極上的電位必須為高電位，在電路中加上UN2003，可以簡化列的控制，只要CPU給出相應(yīng)列的值，CPU主要的工作就是控制行的輸出，從而實現(xiàn)單片機對點陣的控制。

3.4 SPI總線應(yīng)

SPI是一個環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，由ss(cs)、sck、sdi、sdo構(gòu)成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數(shù)據(jù)交換。

假設(shè)下面的8位寄存器裝的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)10101010，上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。那么第一個上升沿來的時候，數(shù)據(jù)將會是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到來的時候，sdi上的電平將所存到寄存器中去，那么這時寄存器=0101010sdi，這樣在8個時鐘脈沖以后，兩個寄存器的內(nèi)容互相交換一次。這樣就完成里一個spi時序。

其中ss引腳作為主機的時候，從機可以把它拉底被動選為從機，作為從機的是時候，可以作為片選腳用。根據(jù)以上分析，一個完整的傳送周期是16位，即兩個字節(jié)，因為，首先主機要發(fā)送命令過去，然后從機根據(jù)主機的名準備數(shù)據(jù)，主機在下一個8位時鐘周期才把數(shù)據(jù)讀回來!

4.總結(jié)與展望

文章給出的示例電路只能完成漢字的左右平移或上下移動，對此電路的字模輸出部分稍加修改就可以完成漢字任意形式的顯示(如上下平移、左右平移)。在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加通訊模塊，就可以實現(xiàn)PC機遠程控制顯示內(nèi)容。目前，有科學(xué)家已經(jīng)在此原理基礎(chǔ)上開發(fā)出實用的低成本大屏幕漢字顯示系統(tǒng)。

本次設(shè)計創(chuàng)新點在于提出了以成本較低的單片機控制系統(tǒng)為核心的大屏幕漢字顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)漢字平行移動、垂直移動和對角線移動，系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，可以通過簡單的級聯(lián)地對系統(tǒng)的顯示模塊和掃描模塊進行擴展。作為課程設(shè)計中應(yīng)用比較合適，同時在課程設(shè)計中要想創(chuàng)新就要從看別人的程序做起然后進行模仿，經(jīng)過自己實際動手操作以后逐步進行改進，只有不斷的通過實踐才能更好的掌握51單片機的匯編語言，才能談到創(chuàng)新。

51單片機的開發(fā)不僅需要對5 1單片機的了解更需要扎實的數(shù)電與模電知識，在設(shè)計中才會得心應(yīng)手，從這次課程設(shè)計中可以看出，平時對一些基本模塊要進行保存以便在編程時直接調(diào)用，省去不必要的時間，開發(fā)較大的項目時我們需要高級編程語言才能更加快速的完成設(shè)計。

4.1 低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出時的功耗達630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。像80C5 1就采用了HMOS f即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應(yīng)用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途徑。

4.2 微型單片化

現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(cPU)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A／D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗1、有些單片機將LCD(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。

此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小。現(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。

4.3 主流與多品種共存

現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以80C51為核心的單片機占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國臺灣的Winbond系列單片機。所以C8051為核心的單片機占據(jù)了半壁江山。而Microchip公司的PIC精簡指令集(RISC)也有著強勁的發(fā)展勢頭，中國臺灣的HOLTEK公司近年的單片機產(chǎn)量與日俱增，與其低價質(zhì)優(yōu)的優(yōu)勢，占據(jù)一定的市場分額。此外還有MOTOROLA公司的產(chǎn)品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。