1、桂林 电子科技大学 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第 1 页， 共 25 页 - 1 - 引言 人类社会已经进入信息化时代，信息社会的发展离不开电子产品的进步。单片机的出现使人类实现利用编程来代替复杂的硬件搭建电路，它靠程序运行，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
2、！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！ 单片机应用的主要领域非常广，智能化家用电器、办公自动化设备商业营销设备、工业自动化控制、智能化仪表、智能化通信产品、汽车电子产品、航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域。 单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。以前自动控制中的 PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制 和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微
3、控技术。随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。 电路的集成化不仅对硬件电路的设计相关，与电路的布局同样相关。印刷版的出现使得电路产品更加规范，体积更小。 Protel99se 是一款专业的绘制电路及印刷版的软件，近年来的不断升级使得其功能更加完善，出现了 Altium Designer 、 Protel DXP 等升级版本。 桂林 电子科技大学 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第 2 页， 共 25 页 - 2 - 1 设计内容及要求 1.1 功能 要求 (1)下位机选用 89S51 或 89S52 单片机； (2)下位机接收 上位机的数据并显示在 LED 或 LCD 上； (3)
4、下位机显示 数据可以显示固定数据、位移数据、 循环 位移； 1.2 硬件 要求 制作 串口线 和 下位机及外围电路； 1.3 软件 要求 Keil C或 汇编编程设计，串口调试助手或 Labview 串口通信编程。 2 设计原理及单元硬件模块 2.1 上位机设计 2.1.1 RS232 串口 介绍 经过多年的发展，现今已经形成了许多串行通信接口的标准。其中本次课程设计用到的 RS-232 标准是美国 EIA（电子工业联合会）与 BELL 公司一起开发的通信协议。它适合于 数据传输速率在 0 20000bit/s 的范围内通信。 目前比较常用的串口有 9 针串口（ DB9）和 25 针串口（ D
5、B25），近距离通信可以直接将通信接口用相应的线缆直接相连。 2.1.2 串口调试 助手介绍 串口调试助手是串口调试相关工具，有多个版本。如：友善串口调试助手，支持 9600，19200 等常用各种波特率及自定义波特率，可以自动识别串口，能设置校验、数据位和停止位，能以 ASCII 码或十六进制接收或发送任何数据或字符，可以任意设定自动发送周期 ,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。 可实现 功能如 下 所示： （ 1） 自动搜索串口，并打开串口； （ 2） 支持多串口； （ 3） 支持自定义波特率，支持非标准波特率； （ 4） 支持发送历史记录； （ 5） 接收数据可以进
6、行十六进制和 ASCII 切换； （ 6） 接收数据时，光标可定位在指定行或在最后一行； （ 7） 可以以十六进制或 ASCII 格式，向指定串口发送数据； （ 8） 定时发送数据； （ 9） 接收数据可以保存为文件，也可打开已保存数据文件； （ 10） 串口打开过程中，可修改通讯参数 ,如波特率； （ 11） 自动记录上次操作参数，如串口号、波特率等。 桂林 电子科技大学 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第 3 页， 共 25 页 - 3 - 2.2 下位机 硬件 设计 2.2.1 设计原理及方法 下位机 设计可分为单片机最小系统、 RS232 电平 转换部 分 、 数据 显示部分。其系统
7、框图大致 图 2-1 所示。 图 2-1 系统框图 本次设计采用 LCD 显示由 上位机发送的数据，并完成 固定数据、位移数据、 循环 位移 的 数据显示 。由 上位机 经 RS232串口发送 数据 ， 经 电平 转换 ， 转换 成 单片 机可以接收的信号电压， 通过单片机内烧制的程序逻辑运算 得出 上位机所发送的数据 ，并在数据 显示部分 依次 显示 固定数据、位移数据、 循环 位移 数据 。 电平转换 由 MAX232AEPE 芯片 完成，单片机最小系统使用 的 是 AT89S52芯片， 数据 显示部分则由 1602LCD液晶显示器 完成。 2.2.2 单片机 最小系统 图 2-2 最小系
8、统电路 RS232 电平转换 部分 单片机 最小系统 数据显示 部分 桂林 电子科技大学 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第 4 页， 共 25 页 - 4 - 单片机采用 AT89S52，最小系统包括复位电路和时钟电路两部分，其中复位电路采用按键手动复位和上电自动复位组合，电路如图 2-2左下 部分 所示：其中 REST 为单片机复位端，电容C3按键 S1 构成上电复位和手动复位电路。时钟电路如图 2-2 右 下部分 所示：晶振 Y1 频率 采用的是 11.0592MHZ， C1、 C2 为 33p 瓷片电容， X1和 X2 分别为单片机 18 和 19脚。 （ 1） 单片机各引脚功能说明
9、 ： AT89S52 管脚 图如图 2-3所示 。 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O口，每脚可吸收 8TTL门流。当 P1口的管脚 第 一 次写 1时，被定义为高阻输入 。 P0 能够用于外部 图 2-3 AT89S52 管脚图 程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行。校验时， P0 输出原码，此时 P0外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流 。 P1 口管脚写入 1
10、 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电 平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL门电流，当 P2口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2口输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写
11、时， P2 口输出其特殊 功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， P3口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为 AT89S52的一些特殊功能口， P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时桂林 电子科技大学 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第
12、 5 页， 共 25 页 - 5 - 间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时， 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程
13、序存储器的选通信号。在由外部程序 存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时， /EA将内部锁定为 RESET；当 /EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 （ 2） USBASP 下载 口说明 本次 课程设计程序
14、烧写使用 USBASP 下载 口，下载电路如图 2-2 左上部分 所示。 USBASP 是一种基于 ATMEL 公司的 AVR 系列 RISC 单片机的高性价比和一个由纯软件的 USB 通信协议栈而构成的一个可以向 51 系列 ， AVR 系列单片机下载 (烧写 )程序的下载器 。 这种下载器工作稳定 ， 速度很快 ， 而且成本相当的低 ， 是一种适合初学者的下载器 。 特点如下： （ 1） 支持 USB1.1、 USB2.0 通信；支持 WIN98、 WINME、 WIN2000、 WINXP、 VISTA、WIN7 操作系统； （ 2） 采用 USB 口供电、并带有 500mA 的自恢复保
15、险丝。保护电脑不会烧毁或损坏。 （ 3） 对目标板芯片编程时，可采用此下载线供电，也可以采用目标板本身供电，下载结果不影响目标板运行。 （ 4） 支持 AT89S51、 AT89S52 和 AVR 全系列单片机的程序下载，速度更快，更稳定。 （ 5） 支持的烧录文件格式：格式为 HEX 文件、二进制 BIN 文件。 （ 6） 使用 IDC10 接口。 桂林 电子科技大学 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第 6 页， 共 25 页 - 6 - 2.2.3 RS232 电平转换 部分 （ 1） 工作原理 本设计采用 MAX232芯片进行电平转换， MAX232芯片是美信公司专门为电脑的 RS23
16、2标准串口设计的接口电路 ,使用 +5V 单电 源供电 ，它的作用就是 完成 TTL 电平与 RS232电平的转换 。 PC 机的串行口采用的是标准的 RS 232 接口，单片机的串行口电平是 FTL 电平，而TTL 电平特性与 RS232 的电气特性不匹配，因此为了使单片机的串行口能与 RS 232 接口通信，必须将串行口的输入 /输出电平进行转换。通常用MAX232 芯片来完成电平转换。 （ 2） MAX232 芯片各 引脚功能 MAX232 各管脚如 图 2-4所示。 第一部分是电荷泵电路。由 1、 2、 3、 4、 5、6脚和 4 只电容构成。功能是产生 +12v 和 -12v 两个电
17、源，提供给 RS-232 串口电平的需 要。 第二部分是数据转换通道。由 7、 8、 9、 10、11、 12、 13、 14 脚构成两个数据通道。 图 2-4 MAX232 管脚图 其中 13 脚（ R1IN）、 12脚（ R1OUT）、 11 脚（ T1IN）、 14脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（ R2IN）、 9脚（ R2OUT）、 10 脚（ T2IN）、 7 脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 11 引脚（ T1IN）、 10 引脚 （ T2IN）输入转换成 RS-232 数据从 14 引脚 （ T1 OUT）、 7脚（ T2OUT）送到电脑
18、DB9 插头； DB9插头的 RS -232 数据从 13 引脚（ R1IN）、 8引脚（ R2IN）输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 12引脚（ R1OUT）、 9 引脚（ R2OUT）输出。 第三部分是供电。 15 脚 GND、 16 脚 VCC（ +5v）。 （ 3） MAX232 芯片用法 MAX 芯片用法 如图 2-5 所示 。 电容器应选择 1F 的电解电容。在使用过程中本人曾用过 10F 的代替。 注意，由于 RS232 电平较高，在接通时产生的瞬时电涌非常高，很有可能击毁 max232，所以在使用中应尽量避免热插拔。 图 2-5 MAX232 应用电路 桂林 电子科技大学
19、 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第 7 页， 共 25 页 - 7 - 2.2.4 数据显示 部分 （ 1） LCD1602 工作原理 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶 ， 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。 1602LCD 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字）。 （ 2） LCD1602 各 引脚功能 1602
20、采用标准的 16 脚接口 ， 如图 2-6所示 ，其中： 第 1脚： VSS为电源地 。 第 2脚： VCC 接 5V 电源正极 。 第 3脚： V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生 “ 鬼影 ” ，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度）。 图 2-6 LCD1602 引脚图 第 4脚： RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 第 5脚： RW 为读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 第 6脚： E(或 EN)端为使能 (enable)端 ,高电平（ 1
21、）时读取信息，负跳变时执行指令 。 第 7 14脚： D0 D7 为 8 位双向数据端。 第 15 16 脚：空脚或背灯电源。 15 脚背光正极， 16 脚背光负极。 2.3 下位机 软件设计 2.3.1 编程方案选择 本设计单片机的编程选择 C 语言编写，因为它 简洁紧凑、灵活方便、运算符丰富、数据结构丰富、 C 是结构式语言、 C 语法限制不太严格，程序设计自由度大、 C 语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作、 C 语言程序生成代码质量高，程序执行效率高，一般只比汇编程序生成的目标代码效率低 10 20%、 C 语言适用范围大，可移植性好 C 语言有一个突出的优点就是适合于多
22、种操作系统 , 如 DOS、 UNIX,也适用于多种机型。 C 语言具有绘图能力强，可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画它是数值计算的高级语言。所以我选用 C 语言来编写此程序。 桂林 电子科技大学 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第 8 页， 共 25 页 - 8 - 2.3.2 程序 流程图 如图 2-7所示 ，为下位机程序流程图。 图 2-7 程序 流程 图 桂林 电子科技大学 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第 9 页， 共 25 页 - 9 - 为了 实现系统固定显示以及位移显示的功能要求， 在初始化 单片机和 LCD 之后 ，系统 首
23、先 判断 是否接收 到串口传来的数据。 如果 接收到 数据 ， 则关闭 串口中断，并 将 接收到 的 十六进制数据 转换 成 十进制 和二进制数据，显示在 LCD 上 5 秒 。 然后 ， 将 二进制数据 依次 向右位移 ， 并间隔一秒显示在 LCD 上 ， 共位移 8次 。 在位移 8 次 之后， 将 二进制数据 依次 向右 循环 位移 ， 并间隔一秒显示在 LCD 上 ， 共位移 8次。 完成 全部位移显示 之后 ， 打开串口中断， 继续 判断串口是否接受数据 ， 循环实现系统功能 。 2.3.3 子程序 设计 （ 1） 固定显示定义， LCD 控制 口 定义 程序 实现如下： #incl
24、ude #define uchar unsigned char /宏定义 #define uint unsigned int /*/ sbit lcden=P02; /液晶控制口 RS 和 EN sbit lcdrs=P00; sbit lcdwr=P01; /*/ uchar jieshou,number,biaozhi,xunhuan; /*/ uchar code table1=“RX: “;/液晶固定显示内容 uchar code table2=“ guding “; uchar code table3=“ weiyi “; uchar code table4=“ xunhuan we
25、iyi “; uchar code table5=“RX: READY “; /*/ （ 2） 串口接收，参数设置程序实现如下： void serial_chushihua() /串口初始化 TMOD=0x20; /定时器 1：计时，方式 2 TH1=0xfd; /定时器 1初值，波特率 9600 TL1=0xfd; TR1=1; /启动定时器 1 REN=1; /设置 SCON 串行口控制寄存器 SM0=0; /允许接收 SM1=1; /方式 1： 10 位异步收发 桂林 电子科技大学 课程设计 （ 论文 ） 报告用纸 第 10 页， 共 25页 - 10 - EA=1; /开总中断 ES=
26、1; /开串口中断 void chushihua() /初始化 lcd_chushihua(); /液晶初始化 serial_chushihua(); /串口初始化 lcd_guding(); /写入液晶 固定显示部分 3 系统硬件和软件调试 3.1 调试所需仪器 数字万用表 1个 直流稳压源 1台 数字万用表 1个 信号发生器 1台 示波器 1台 3.2 硬件调试 硬件调试主要： （ 1）在 Altium Designer 仿真 软件中进行仿真论证整个 串口 通信系统 的正确性。计算并确定各个电阻、电容大小。 （ 2） 绘制好原理图后，根据原理图去印刷制板。在这个过程中要小心焊盘的大小是否合
27、适，是否有短接或断路的线，然后进行修正工作。打孔时要对好孔，以及不要漏孔没有钻。 （ 3）在焊接电路的过程中，需要检查是否有虚焊或短路的线。这里要认真细致的检查，否则严重的影响到后续的调试。 （ 4）焊接完毕就是上电检查，看是否有短路或开路的地方。检查各 元件 否正常工作。 3.3 软件调试 在硬件没有问题的情况下，进行软件部分的调试。单片机的程序部分用 C语言 进行编写，程序稍微简单，容易调试。写好程序后，用 KEIL软件进行编译以及调试得到 “ *.HEX”文件，然后用 USBASP 进行下载。 （ 1）下载进单片机后，观察系统能否正常运行。首先运行一个简单的测试程序检测单片机最小系统能否正常运行。 （ 2）测试串转并电路能否正确运行，看 LCD 是否按照程序控制指令工作。
