脈搏測量儀設計.doc
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鄭大自考畢業(yè)設計（論文） 題目：脈搏測量儀設計 指導教師：職稱： 學生姓名：魏娟學號： 專業(yè)：電子信息工程技術 完成時間：2014年11月10日 摘要 近年來隨著計算機在社會領域的滲透, 單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。 單片機最小系統(tǒng)是在以STC89C52RC單片機為基礎上擴展，使其能更方便地運用于測試系統(tǒng)中。本設計主要在單片機上擴展I/O口，復位電路，晶振電路，LED顯示電路并寫好底層程序，做出能應用于循環(huán)彩燈的最小系統(tǒng)。 關鍵詞：最小系統(tǒng)，STC89C52RC, 循環(huán)彩燈燈 Abstract: With the infiltration in the social field of the computer in recent years, the application of the one-chip computer is moving towards deepening constantly, drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control at the same time. In measuring in real time and automatically controlled one-chip computer application system, the one-chip computer often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not enough, should also follow the structure of the concrete hardware , and direct against and use the software of target’s characteristic to combine concretly, in order to do perfectly. The smallest system one chip computer is in expands at the base of STC89C52RC one chip computer，make it used more convient in the test system. This design mainly expands I/O in the take on chip computer, reset circuit, crystals circuit, the LED display circuitand writes the first floor procedure.Make for scrolling minimum system. Keyword：minimum system, STC89C52RC, scrolling 目錄 1．緒論 4 2.電路設計方案及功能分析 5 2.1 設計目的 5 2.2 設計要求 5 2.3 系統(tǒng)基本方案選擇和論證 5 2.3.1、STC89C52RC介紹 6 2.3.2、時間周期 11 2.3.3、LED燈管 12 2.3.4、發(fā)光二級管 12 2.3.5、蜂鳴器 12 2.3.6、鎖存器 13 2.4 系統(tǒng)框圖 13 3.系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn) 14 3.1 電源供電模塊的實現(xiàn) 14 3.2 復位電路 15 3.3 晶振電路 16 4. 系統(tǒng)的軟件設計 19 4.1 軟件介紹 19 4.1.1 Keil C51 19 4.1.2 Protel99SE 20 4.1.3 Proteus 21 4.2程序流程圖 22 4.3 延時的計算 23 5.系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 24 6.總結(jié)和體會 24 7. 遇到問題 24 8.參考文獻 25 9.附錄 25 9.1電路原理圖： 25 9.2 元件清單 26 9.3程序 27 1．緒論 由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中MCS-52系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術及高可靠性和高性能價格比，迅速占領了工業(yè)測控和自動化工程應用的主要市場，成為國內(nèi)單片機應用領域中的主流。目前，可用于MCS-52系列單片機開發(fā)的硬件越來越多，與其配套的各類開發(fā)系統(tǒng)、各種軟件也日趨完善，因此，可以極方便地利用現(xiàn)有資源，開發(fā)出用于不同目的的各類應用系統(tǒng)。 單片機最小系統(tǒng)是在以MCS-52單片機為基礎上擴展，使其能更方便地運用于測試系統(tǒng)中，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測試的技術指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，稱為在實時檢測和自動控制領域中廣泛應用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。本畢業(yè)設計主要在STC89C52RC單片機上擴展I/O口，復位電路，晶振電路，LED顯示電路，數(shù)碼管顯示電路，蜂鳴器電路。適合于我們學生用于單片機的學習掌握和一些各種科研立項等的需求。因此，研究單片機最小系統(tǒng)有很大的實用意義。 2.電路設計方案及功能分析 2.1 設計目的 在教師指導下運用所學課程的知識來研究、解決一些具有一定綜合性問題的專業(yè)課題。學習單片機課程以后，為了加深對理論知識的理解，加強理論知識在實際當中的運用，強化自己的動手能力，通過畢業(yè)設計（論文），提高學生綜合運用所學知識來解決實際問題、使用文獻資料、及進行科學實驗或技術設計的初步能力，為畢業(yè)設計（論文）打基礎。 2.2 設計要求 （1）采用單片機STC89C52RC做成最小系統(tǒng)來控制。 （2）利用最小系統(tǒng)做出跑馬燈，其LED燈的閃爍間隔時間采用延時程序控制,每種模式可采用不同的延時，靈活多變。 2.3 系統(tǒng)基本方案選擇和論證 單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路、按鍵輸入、顯示輸出等。單片機接口電路主要用來連接計算機和其它外部設備。各功能模塊的選擇及論證如下: 復位電路:由電容和電阻構(gòu)成,由電路圖并結(jié)合"電容電壓不能突變"的性質(zhì),可以知道,當系統(tǒng)一上電,RST腳將會出現(xiàn)高電平,并且,這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定.典型的51單片機當RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位,所以,適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位。本設計中R=10K,C=10uF。 晶振電路:典型的晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)同時也可取12MHz(產(chǎn)生精確的微秒級時歇,方便定時操作)，因設計需要，本設計采用12M晶振。 單片機:一片AT89S51/52或其他51系列兼容單片機，本設計采用STC89C52RC。 接口電路:具有人機交互接口。具有一定的可擴展性，單片機I/O口可方便地與其他電路板連接。 通過該最小系統(tǒng)，我們可以用keil軟件進行編程從而實現(xiàn)對一些外設的控制！比如一些簡單的實驗：閃爍燈、跑馬燈、數(shù)碼管和蜂鳴器的展示等等！ 2.3.1、STC89C52RC介紹 PDIP封裝的STC89C52引腳圖 STC89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中，P0 端口（32~39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能。 P0 口 P0 口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址/數(shù)據(jù)分時復用，也可作為通用I/O接口。P0口由八個相同的電路組成，每個電路分別由鎖存器（起輸出鎖存的作用，8個構(gòu)成了特殊功能寄存器P0）、場效應V1、V2組成的輸出驅(qū)動器（增大帶載能力）、三態(tài)門1（引腳輸入緩沖器）、三態(tài)門2（用于讀鎖存器端口）、與門3、倒相器4及模擬開關構(gòu)成的輸出控制電路。P0口作為地址/數(shù)據(jù)分時復用總線時，可分為兩種情況：一種是從P0口輸出地址或數(shù)據(jù)，另一種是從P0口輸入數(shù)據(jù)。 當P0口作為通用I/O接口使用，端口輸入輸出數(shù)據(jù)時需要注意：一，在輸出數(shù)據(jù)時，由于V2截止，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號正常輸出必須接上拉電阻；二，P0口作為通用I/O使用時是一準雙向口。其特點是在輸入數(shù)據(jù)時，應先口置1，此時鎖存器的Q\為0，使V1、V2截止，引腳處于懸空狀態(tài)才可高阻輸入，所以說P0口作為通用I/O使用時，是一個準雙向口。綜上所述，P0口在有外部擴展存儲器時被作為地址/數(shù)據(jù)總線口時，訪問外部存儲器期間CPU會自動向P0口的鎖存器寫入0FFH，故對用戶而言，此時是一個真正的三態(tài)雙向口。在沒有外部擴展存儲器時，P0口也可作為通用的I/O接口，但此時只是一個準雙向口。此外，P0口具有驅(qū)動8個LSTTL負載的能力，即輸出電流不小于800uA。 在本設計中，LED發(fā)光二級管為外部電源驅(qū)動，所以I/O口低電平有效，此時P0口輸出0LED發(fā)光二級管被點亮，所以不需要接上拉電阻。 P1 口 P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位標準的準雙向I/O 口，它在結(jié)構(gòu)上與P0的區(qū)別在于輸出驅(qū)動部分由場效應管V1與內(nèi)部上拉電阻組成，即有內(nèi)部上拉電阻，沒有反相器。從功能上來講，即輸入輸出I/O接口，具有輸入、輸出、端口操作三種工作方式，每1位口線能獨立地用作輸入/輸出線。當作為輸出線時 P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(TTL)。與AT89C51相比，STC89C52RC的不同之處是，P1.0 和P1.1 除作為通用I/O接口線外，還具有第二功能，即P1.0可作為定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可作為定時器/計數(shù)器2的外部控制輸入端T2EX。 P2 口 P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位準雙向I/O 口，它具有通用I/O接口或高8位地址總線輸出兩種功能，所以其輸出驅(qū)動結(jié)構(gòu)比P1口輸出驅(qū)動結(jié)構(gòu)多了一個輸出模擬轉(zhuǎn)換開關MUX和反相器3。當作為準雙向通用I/O接口使用時，控制信號開關接鎖存器，鎖存器Q端經(jīng)反相器3接V1，其工作原理與P1相同，也具有輸入、輸出、端口操作三種工作方式，負載能力也與P1口相同。當P2作為外部擴展存儲器的高8位地址總線使用時，控制信號使轉(zhuǎn)換開關接地址總線，由程序計數(shù)器PC來的高8位地址PCH，或數(shù)據(jù)指針DPTR來的高8位地址DPH經(jīng)反相器和V1原樣呈現(xiàn)在P2口的引腳上，輸出高8位地址A8至A15。在上述情況下，鎖存器的內(nèi)容不受影響，所以，取指或訪問外部存儲器結(jié)束后，由于轉(zhuǎn)換開關又接回鎖存器，使驅(qū)動器與鎖存器Q端相連，引腳上將恢復原來的數(shù)據(jù)。 P3 口 P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。它的輸出驅(qū)動由與非門3、V1組成，比P0、P1、P2口結(jié)構(gòu)多了一個緩沖器。它除了可作為通用準雙向I/O接口外，沒1根線還具有第二功能。當P3口作為通用I/O接口時，第二功能輸出線為高電平，使與非門3的輸出取決于鎖存器的狀態(tài)。在這種情況下，P3仍是一個準雙向口，它的工作方式、負載能力均與P1、P2口相同。當P3口作為第二功能使用時，其鎖存器Q端必須為高電平，否則V1管導通，引腳被箝位在低電平，無法輸入或輸出第二功能信號。當Q端為高電平時，P3口的狀態(tài)就取決于第二功能輸出線的狀態(tài)。同樣，P3口的每一位可獨立的定義為第一功能輸入輸出或第二功能輸入輸出。另外，在P3口的引腳信號輸入通道中有2個緩沖器，第二功能輸入信號取自緩沖器4（后加緩沖器）的輸出端，通用輸入信號仍取自緩沖器1（原有緩沖器）的輸出端。 RST/VPD（9腳） 復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。RST即RESET,VPD為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機恢復到初始狀態(tài)。當VCC發(fā)生故障、降低低電平規(guī)定值或掉電時，該引腳可接上備用電源VDP（+5+/-0.5V）為內(nèi)部RAM供電，以保證RAM中數(shù)據(jù)不丟失。 ALE/（30腳） 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）以每周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8為地址。在不訪問外部存儲器時，ALE仍以上述不變的頻率（振蕩周期的1/6），周期行地出現(xiàn)正脈沖信號，可作為對外輸出的時鐘脈沖或用于定時目的。但要注意，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間，ALE脈沖會跳過一個，此時作為時鐘輸出就不妥當了。對于片內(nèi)含有EPROM的單片機，在EPROM編程期間，該引腳為編程脈沖的輸入端。 （29腳） 片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效，當AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 有效，即輸出兩個脈沖，以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次信號，即信號不出現(xiàn)。 /VPP（31腳） 外部訪問允許，即為訪問外部程序存儲器控制信號，低電平有效。當保持高電平時，單片機訪問片內(nèi)程序存儲器的程序8KB(MCS—52子系列為8KB,MCS—51子系列為4KB)。若超出該范圍時自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部存儲器的程序。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH）， 端必須保持低電平（接地）。對于片內(nèi)含有EPROM(Erasable Programmable Read-only Memory ,可編程可擦寫只讀存儲器)的單片機，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源VPP。 XTAL1（19腳） 振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。接外部石英晶體的一端。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳接地；對于CHMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號輸入。 注：CHMOS是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）和HMOS(高密度溝道MOS工藝)的結(jié)合,除了保持HMOS高速度和高密度之外，還有CMOS低功耗的特點。兩類器件的功能是完全兼容的，區(qū)別在CHMOS器件具有低功耗的特點。(HMOS:高性能金屬氧化物半導體) XTAL2（18腳） 振蕩器反相放大器的輸出端。接外部晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端；對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。 2.3.2、時間周期 STC89C52的時間周期分為如下幾個周期：振蕩周期、狀態(tài)周期、機器周期、指令周期 1. 振蕩周期 ： （1）單片機提供定時信號源的振蕩源的周期。 （2）是計算機中最基本的時間單位。 2. 狀態(tài)周期（時鐘周期）： （1）1個狀態(tài)周期=2個振蕩周期。 （2）分為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍。P1節(jié)拍通常完成技術操作；P2節(jié)拍完成內(nèi)部 寄存器間的傳送。 3.機器周期 （1）1個機器周期=12個振蕩周期。 （2）為CPU訪問存儲器一次所需要的時間。 （3）執(zhí)行一條指令所需要的時間以機器周期為單位。 4.指令周期 （1）執(zhí)行一條指令所占用的時間。 （2）通常由1-4個機器周期組成。 在指令系統(tǒng)中，按它們的長度可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令。執(zhí)行這些指令需要的時間是不同的，也就是它們所需的機器周期是不同的，有下面幾種形式： 單字節(jié)指令單機器周期 單字節(jié)指令雙機器周期 雙字節(jié)指令單機器周期 雙字節(jié)指令雙機器周期 三字節(jié)指令雙機器周期 單字節(jié)指令四機器周期(如單字節(jié)的乘除法指令) 本次設計中MCU單片機外接晶振為12MHz時具體值為： 振蕩周期(時鐘周期)＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs 機器周期＝12*1/12μs＝1μs 指令周期＝1～4μs 說明： 1.時鐘周期即晶振的單位時間發(fā)出的脈沖數(shù)，12MHz=1210的6次方，即每秒發(fā)出12000000個脈沖信號，那么發(fā)出一個脈沖的時間就是時鐘周期，即1/12微秒。 2.一個機器周期等于12個振蕩周期，所以是1微秒。 2.3.3、LED燈管 LED具有功耗少、壽命長、光譜寬（眼睛看得舒適度好）、使用廣泛，能靈活拼裝各種需要的形狀等優(yōu)點。一般來說LED的工作電壓是2V-3.6V。工作電流是0.02-0.03A。這就是說：它消耗的電能不超過0.1W。在恰當?shù)碾娏骱碗妷合?，LED的使用壽命可達10萬小時。此外，LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕，硬件電路實現(xiàn)起來比較方便。因此本設計采用15個發(fā)光二級管，組合成三角形，從而控制其靈活變化，設計出展示的方案。 2.3.4、發(fā)光二極管 發(fā)光二極管簡稱為LED。由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成的二極管。當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光，氮化鎵二極管發(fā)藍光。因化學性質(zhì)又分有機發(fā)光二極管OLED和無機發(fā)光二極管LED。 2.3.5、蜂鳴器 蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。由于使用15個LED，P0.7閑置，再根據(jù)蜂鳴器的各種用途受到啟發(fā)，在本設計中加一個蜂鳴器，當LED九種模式展示完畢之后，蜂鳴器發(fā)出聲響，以示九種模式展示完畢，然后繼續(xù)回到一模式進行展示，直到關掉電源為止。 2.3.6、鎖存器 由于本設計中需要數(shù)碼管維持某個數(shù)據(jù)，那么往往要持續(xù)快速的刷新，為了減少對處理器處理能力的消耗，利用鎖存器對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行鎖存，直到下一個新的數(shù)據(jù)需要被鎖存為止。這樣一來，鎖存器保持數(shù)據(jù)狀態(tài)期間處理器的處理時間和I/O引腳便可以釋放。此外，鎖存器的緩存作用使快速工作的CPU與緩慢工作的鎖存器相協(xié)調(diào)，從而使數(shù)碼管中各段管子亮起時間差減小。因而本設計加用了鎖存器，使系統(tǒng)工作方便，顯示效果得到完善。 2.4 系統(tǒng)框圖 STC89C52 單片機 復位電路 LED顯示 晶振電路 電源 3.系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn) 單片機最小系統(tǒng)主要由電源、復位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。最小系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。 圖3.1 原理圖 3.1 電源供電模塊的實現(xiàn) 對于一個完整的電子設計來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎。51系列單片機雖然使用時間最早、應用范圍最廣，但是在實際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機，51系列單片機更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個重要手段就是為單片機系統(tǒng)配置一個穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。 此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計算機的USB口供給 3.2 復位電路 單片機的復位，是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機復位電路作用是把一些寄存器以及存儲設備裝入廠商預設的一個值。 單片機復位電路原理是在單片機的復位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復位。當復位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復位有效。復位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩個機器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計算出時間常數(shù)。 復位電路有按鍵復位和上電復位兩種。 （1） 上電復位：STC89C52RC系列單片機為高電平復位，通常在復位引腳RST上連接一個電容到VCC，再連接一個電阻到GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進行復位，隨后回歸到低電平進入正常工作狀態(tài)，這個電阻和電容的典型值為10K和10uF。如圖3.3.1所示。 圖3.3.1上電復位電路圖 （2） 按鍵復位：按鍵復位就是在復位電容上并聯(lián)一個開關，當開關按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復位。如圖3.3.2所示。 圖3.3.2按鍵復位電路圖 由于按鍵復位可控性稍強，比較適合樣品制作或者實驗室調(diào)試場合，本設計采用按鍵復位。如圖3.3.3所示。 圖3.3.3 復位電路圖 3.3 晶振電路 圖3.4 晶振電路圖 單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。 在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。 單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。 晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。 STC89C52RC使用12MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，外接電容的作用是對振蕩器進行頻率微調(diào)，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用，一般選用20~30pF的瓷片電容。 3.4 LED電路的實現(xiàn) (1) LED結(jié)構(gòu) (2) LED原理 LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片。 晶片的一端附在一個支架上，一端是負極負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，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。根據(jù)不同材料發(fā)光二極管的發(fā)光顏色有：紅色光、黃色光、綠色光、紅外光等。LED有共陰極和共陽極兩種。在此設計中我們采用共陽極，共陽極將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。普通發(fā)光二級管的工作電流是5-20毫安，本設計中采用的是3mm發(fā)光二級管，所以采用470Ω電阻限流，使其正常工作，工作電流約為10毫安（一般有色發(fā)光二極管工作電流約為10毫安，透明發(fā)光二極管工作電流為20毫安）。 圖3.5 LED電路圖 圖3.5中主要元件有2.2kΩ的電阻、LED。電阻為每個LED的限流電阻。此最小系統(tǒng)提供了32個獨立LED，由IO口控制，采用共陽級接法所以只有當IO口輸出低電平時LED才會點亮。 4. 系統(tǒng)的軟件設計 4.1 軟件介紹 4.1.1 Keil C51 Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。 Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細介紹Keil C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 Keil_c軟件界面如圖4-1所示 圖4-1 Keil_c軟件界面 4.1.2 Protel99SE Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件。Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以網(wǎng)設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源--地層和16個機加工層。 Protel99SE軟件的特點： (1) 可生成30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡表； (2) 強大的全局編輯功能； (3) 在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中； (4) 同時運行原理圖和PCB，在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡 (5) 既可以進行正向注釋元器件標號（由原理圖到PCB），也可以進行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設計上的一致性； (6) 滿足國際化設計要求（包括國標標題欄輸出，GB4728國標庫）； * 方便易用的數(shù)?；旌戏抡妫嫒軸PICE 3f5）； (7) 支持用CUPL語言和原理圖設計PLD，生成標準的JED下載文件； * PCB可設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層； (8) 強大的“規(guī)則驅(qū)動”設計環(huán)境，符合在線的和批處理的設計規(guī)則檢查； (9) 智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪； (10)提供大量的工業(yè)化標準電路板做為設計模版； Protel99SE的工作界面是一種標準的Windows界面，如圖所示，包括：標題欄、主菜單、標準工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、預覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。 圖4-2 Prtel99SE軟件界面 4.1.3 Proteus Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，可以仿真51 系列、AVR，PIC 等常用的MCU 及其外圍電路（如LCD，RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，AD/DA，部分SPI 器件，部分IIC 器件） Proteus 與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU 的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。 1. Proteus 的工作過程 運行proteus 的ISIS 程序后，進入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設置view 菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pick devices 窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對位置，元件參數(shù)設置，元器件間連線，編寫程序；在source 菜單的Definecode generation tools 菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴展名等項目；在source 菜單的Add/removesource files 命令下，加入單片機硬件電路的對應程序；通過debug 菜單的相應命令仿真程序和電路的運行情況。 2. Proteus 軟件所提供的元件資源Proteus 軟件所提供了30 多個元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。 3. Proteus 軟件所提供的儀表資源 對于一個仿真軟件或?qū)嶒炇?，測試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量，是衡量實驗室是否合格的一個關鍵因素。在Proteus 軟件包中，不存在同類儀表使用數(shù)量的問題。Proteus 還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多。 4. Proteus 軟件所提供的調(diào)試手段 Proteus 提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。對于單片機硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus 提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調(diào)試以看具體的執(zhí)行情況。 對于總體執(zhí)行效果的調(diào)試方法，只需要執(zhí)行debug 菜單下的execute 菜單項或F12 快捷鍵啟動執(zhí)行，用debug菜單下的pause animation 菜單項或pause 鍵暫停系統(tǒng)的運行；或用debug 菜單下的stop animation 菜單項或shift-break 組合鍵停止系統(tǒng)的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應工具進行。 對于軟件的分步調(diào)試，應先執(zhí)行debug 菜單下的start/restart debugging 菜單項命令，此時可以選擇stepover 、step into 和 step out 命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵F10、F11 和ctrl+F11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。在執(zhí)行了start / restart debuging 命令后，在debug 菜單的下面要出現(xiàn)仿真中所涉及到的軟件列表和單片機的系統(tǒng)資源等，可供調(diào)試時分析和查看。 圖4-3 proteus軟件界面 4.2程序流程圖 此設計主要是采用控制系統(tǒng)的延時來完成的，此設計中是將流水燈、數(shù)碼管和蜂鳴器結(jié)合在一起來使用，且包含九種模式，每種模式中流水燈樣式和數(shù)碼管顯示一一對應，每次對P0、P1、P2、P3口賦予相應的值，即可達到預期的效果，再和不同的延時相配合，就能達到不同的流水效果了。具體程序見附錄。 在程序編寫方面，本設計采用相對簡單的C語言進行編程，采用C語言進行編程的原因是它具有簡單緊湊、靈活方便、可移植性好等特點。程序編寫過程當中采用數(shù)組、取余、循環(huán)移位、移位運算、延時等方式來達成想要的效果。編程內(nèi)容以九種模式為核心，控制LED跑馬燈和數(shù)碼管進行九種變化方式，從而達到設計方案最終預期的效果。 初始化 開始 模式九 模式一 模式二 模式八 模式三 模式七 模式四 模式六 模式五 4.3 延時的計算 在本次設計中采用的延時程序為while（count--），即延時時間為count*指令周期，所以可采用將count值在范圍內(nèi)改變，或采用多層嵌套，來更改延時時間，從而靈活應用，如改變速度等。 由于方案中采用12MHZ的晶振，一個機器周期=12個振蕩周期=1us，也就是說，一個基本操作占用時間為1us。那么當delay(50000)時，延時時間為0.5秒。 5.系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 本設計整體采用芯片較少，線路少，謹慎按照電路圖焊好元件后，檢測電路全部正常，不存在虛焊或漏焊，焊錯。 應用Keil C51根據(jù)設計要求編寫出程序后，調(diào)試中出現(xiàn)符號錯誤及無用編碼，根據(jù)提示改進后最終成功編寫出所要求的程序，并用仿真程序調(diào)用后得到預期效果。 采用STC-ISP燒寫軟件進行程序燒寫，開始不能下載，經(jīng)檢查串口出現(xiàn)問題，經(jīng)安裝驅(qū)動并檢查插口序號后，成功下載軟件到單片機。 運行結(jié)果：成功下載軟件，接通外部電源，LED燈亮起，但是有部分并未按照預期完成，經(jīng)調(diào)試程序后，與預期相同，總體效果較好。 6.總結(jié)和體會 經(jīng)過努力，我終于完成這次最小系統(tǒng)的的課程設計任務。在這次的單片機課程設計中我感覺受益匪淺，不用說我在其中學到的新知識是多么有價值，也不用說它拓寬了我多少的眼界，只是說它讓我的能力得到了提高就已足以成為我努力付出的回報。通過畢業(yè)論文設計，我增強了對單片機的理解，學會查尋資料﹑比較方案，學會單片機的設計﹑計算；進一步提高分析解決實際問題的能力，創(chuàng)造一個動腦動手﹑獨立開展電路實驗的機會，鍛煉分析﹑解決程序編寫問題的實際本領，真正實現(xiàn)由課本知識向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化；通過典型程序的設計與制作，加深對基本原理的了解，增強了實踐能力。 7. 遇到問題 1. 做畢業(yè)設計過程當中，部分材料不齊，到實驗室借用。 2. LED虛亮，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)時電源部分跳線斷了，補好后正常工作。 3. 所亮的燈不是所預想的，經(jīng)過仔細檢查發(fā)現(xiàn)程序賦值問題并解決。 8.參考文獻 【1】模擬電子技術基礎(第4版)（作者：華成英，童詩白）出版社:高等教育出版社 【2】數(shù)字電子技術基礎（第5版）（作者：閻石）出版社:高等教育出版社 【3】單片機原理與接口技術（修訂版）（作者：趙嘉蔚，張家棟，霍凱）出版社：清華大學出版社 【4】譚浩強.C程序設計.出版社:清華大學出版社（第三版），2005年7月 【5】余孟嘗.數(shù)字電子技術基礎簡明教程（第三版）.出版社:高等教育出版社，2006年7 月 【6】潘明蓮.為計算機原理（第二版）.出版社:電子工業(yè)出版社，2003年9月 【7】譚博學.集成電路原理及應用（第三版）.出版社:電子工業(yè)出版社，2001年6月 【8】單片機原理及應用.出版社:西安電子科技大學出版社 9.附錄 9.1電路原理圖： 9.2 元件清單 1) 9*15萬用板 2) STC89C51單片機 3) 40腳IC座 4) 10k電阻 5) 2.2k電阻*32 6) 5mm紅燈*32 7) 12M晶振 8) 10uf電解電容 9) 30pf電容*2 10) 自鎖開關 11) DC電源接口 12) 導線若干 13) 焊錫若干 14) USB電源線 9.3程序 #include
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- 脈搏 測量儀 設計
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