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智能电子产品设计与制作1pdf

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  项目1 单片机最小系统的设计与制作 项目2 霹雳灯的设计与制作 项目3 自动计数报警器的设计与制作 项目4 自动演奏简易电子琴的设计与制作 项目5 单片机双机通信的设计与制作 附 录 项目1 项目1 单片机最小系统的设计 单片机最小系统的设计 与制作 与制作 wzy2000@ 电子工程系 项目1 单片机最小系统的设计与制作 任务1 最小系统主板的设计与制作 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 相关知识1 项目1 单片机最小系统的设计与制作 表格 任务1 最小系统主板的设计与制作 1)了解几种典型的单片机产品。 2) 了解8051CPU的基本结构。 3)知道8051CPU的引脚及其封装方式。 4)知道8051CPU各引脚的作用。 5)知道时钟电路振荡方式及其作用。 6) 了解单片机复位后的状态。 7)掌握单片机最小系统的设计方法。 8)熟悉PROTUES仿线)能选出适合本项目的CPU芯片。 2)能根据设计要求设计时钟电路、复位电路、电源电路及接口电路。 3)能焊接、制作电路板。 任务1 最小系统主板的设计与制作 4)会用万用表检测元器件,会调试电路。 5)能独立解决在设计与制作中遇到的问题。 6)能使用PROTUES仿真软件对设计产品进行仿线 分析任务并写出设计方案 一、分析任务 二、设计方案 1.单片机芯片的选择 2.时钟振荡电路的设计 图1-1 时钟振荡电路 任务1 最小系统主板的设计与制作 3.复位电路的设计 图1-2 复位电路 4. 电源电路的设计 任务1 最小系统主板的设计与制作 图1-3 电源电路 5.输入/输出端口接线.为什么要用上面的方案设计项目? 2.还有没有其他的设计方案? 任务1 最小系统主板的设计与制作 1.要想探讨上面的问题,先读一读本项目“相关知识1”的内容。 2.用单片机学习网搜索相关知识。 任务1-2 设计原理图并画出焊接图 1.设计最小系统原理图 2.画出焊接图 1)元器件布局合理,接线端口要便于与外部控制连接。 2)不要有过多的跨接线)所有电源端要接在一起,所有地端要接在一起。 图1-4 最小系统仿线 最小系统主板的设计与制作 任务1-3 制作最小系统主板 1.填表 表1-1 元器件表 2.工具 1)万用表20块(每小组2人一块) 。 2)直流稳压电源20 台。 3)芯片烧录器20个。 4) 电烙铁40个、焊锡丝若干。 任务1 最小系统主板的设计与制作 3.制作工艺要求 1)输出模块电路布局要合理、美观。 2)控制板I/O接线端口的位置要方便与主板接口电路连接。 3)焊点要均匀。 4)在设计电路板焊接图时,要考虑尽量避免出现跨接线)所有接地线都连接在一起,所有电源线)焊接时,每一步都要按焊接工艺要求去做。 4.制作主板 1)选择、测试元器件。 2)安装元器件并焊接。 5.测试电路板 任务1 最小系统主板的设计与制作 图1-5 工具及元器件 任务1 最小系统主板的设计与制作 图1-6 主板电路布局参考图 任务1 最小系统主板的设计与制作 表1-2 测试记录表 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 1)了解PROTUES仿线)熟悉用PROTUES仿真软件设计仿线)熟悉在PROTUES环境下仿线)熟悉电路板的调试方法。 1)能使用PROTUES仿线)能在PROTUES环境下进行仿线)能利用适当的测试工具调试主板,完成最小系统主板的设计与制 作。 任务2-1 在PROTUES环境下设计仿线.仿线 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 图1-7 简单的仿线)启动PROTUES仿真软件,进入仿线 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 2)根据表1-3,在PROTUES元器件库中选择元器件:单击工具栏中的 按钮,然后单击“对象选择器”窗口中的对象选择按钮“P”,在“Keyw ords”框中输入要选的元器件,如输入元器件名称“LED”,在“Results” 中找到元器件,然后单击“OK”按钮,如图1-9所示。 图1-8 PROTUES仿线 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 图1-9 选择元器件 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 表1-3 元器件表 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 图1-10 选择电源(“POWER”) 3)取出电源和地的接头:单击工具栏中的按钮, 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 选择“对象选择器”窗口中的电源(“POWER”),如图1-10所示。 4)按图1-7所示电路图连线 元器件编辑窗口 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 图1-12 画图工具 5)用图1-12所示画图工具中的工具在图中添加文字。 6)所有元器件都连接好后,单击“文件” 中的“保存”,将电路图保存为 名为“指示灯” 的文件。 2.仿线)装入文件 将可执行文件“P1s2.hex”(该文件可向出版社索要)装入 AT89C51 CPU 中。 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 1)在设计好的电路图上单击AT89C51 ,弹出图1-13所示的单片机器 件编辑界面。 图1-13 单片机器件编辑界面 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 2)单击“Program File”框中的打开()按钮,进入图1-14所示的选择程序 文件界面。 图1-14 选择程序文件界面 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 3)选择“程序”文件夹中的“P1s2.hex”文件,然后单击“打开”按钮,即 可进入图1-15所示的单片机的基本配置界面。 4)单击图1-15中的“OK”按钮,即可将可执行文件“P1s2.hex”装入AT8 9C51CPU 中。 图1-15 单片机的基本配置界面 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 (2)仿线所示仿真运行界面左下方的运行按钮。 图1-16 仿线 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 2)观察指示灯的亮灭。 任务2-2 烧录程序及软硬件联调 1.烧录程序 1)将“P1.hex”文件(该文件可向出版社索要)烧录到AT89S51 CPU 中。 ①将CPU放在芯片烧录器上并锁定。 ②将芯片烧录器接上电源。 ③打开烧录器驱动程序。 ④单击“Device”→“Select”→选择“AT89S51 CPU” 。 ⑤单击“File” 中的“Load”,找到保存“P1.hex”文件的文件夹,打开该 文件。 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 ⑥单击工具栏上的“Program”按钮。这时可看到程序的写入过程,待 写入成功后单击“OK”按钮,即将程序写入CPU 。 2)关闭烧录器的电源,将写好的CPU从芯片烧录器上取出。 2.软硬件联调 1)将写好的CPU芯片装到主板的CPU插座上。 2)拿一只发光二极管,将它的正极端接5V 电源,负极端接220 Ω电阻 的一端,220 Ω电阻的另一端插入主板接线)运行程序,观察二极管的亮灭情况。 5)进行电路板测试。 6)填写调试记录表,见表1-4。 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 表1-4 调试记录表 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 表1-4 调试记录表 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 表1-4 调试记录表 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 表格 1.调试经验 1)当发光二极管不能发光时: 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 ①查看电源是否接好。 ②查看地线是否接好。 ③查看主板31脚是否接上电源。 ④查看电路控制板是否虚焊。 ⑤查看发光二极管是否焊接反向,是否已烧坏。 ⑥用万用表测量一下时钟振荡电路,看是否有振荡信号输出。 2)如果电路没有问题,就查看CPU程序烧录是否有问题。 2.焊接经验 1)发光二极管极性不得接反,一般引线较长的为正极,引线)焊接时间应尽量短,焊点不能在引脚根部。 3)严禁用有机溶液浸泡或清洗。 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 一、理论题 1.何谓单片机?单片机与一般微型计算机相比,具有哪些特点? 2.除了单片机这一名称之外,单片机还可以称为什么?为什么? 3.微处理器、CPU、单片机之间有何区别? 4.计算机的基本结构由哪几部分组成?各部分的作用是什么? 5.单片机与微型计算机的区别与相似之处有哪些? 6.单片机根据其基本操作处理的位数可分为哪几种类型? 7.简述今后单片机的发展方向。 8.请列出在生产、生活各个领域中的机电设备等,哪些产品是以单 片机为核心的? 9.什么是二进制?为什么在数字系统、计算机系统中采用二进制? 10.什么是BCD 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 11.为什么要用“十六进制”呢? 12.将下列各数按权展开为多项式: (1)110110B 13.把下列十进制数转化为二进制、十六进制和8421 (1)135.625 14.单片机的时钟电路有何用途?起什么作用? 15.AT89C5l单片机的时钟周期、机器周期、指令周期是如何设置 的?当主频为12MHz时,时钟周期、机器周期和指令周期各等于多 少? 16.什么时候需要复位操作?对复位信号有何要求? 17.使单片机系统复位常见的有哪几种方法?绘出其原理图,复位后 特殊功能寄存器的初始值如何? 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 18.开机复位后,CPU 19. AT89C51单片机如何进入节电工作方式?如何退出节电工作方 式? 20.当51系列单片机运行出错或程序陷入死循环时,如何来摆脱困 境? 21.单片机在工业控制中为什么有时需要工作在低功耗方式?如何设 置AT89C51单片机的低功耗工作状态? 22.AT89C51系列单片机芯片包含哪些主要组成部分?各有什么主要 功能? 23.一个十六位二进制整数,若采用补码表示,由4 二、设计题 任务2 PROTUES仿真软件的使用与主板调试 图1-17 自动计数报警器电路图设计仿线-2 51系列单片机的外形与引脚 图1-18 51系列单片机的外形 相关知识1 图1-19 51系列单片机的引脚 1.电源引脚VCC(40脚)和GND(20脚) 相关知识1 2.时钟电路引脚XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚) 3.地址锁存允许ALE(30脚) 4.外部程序存储器读选通信号(29脚) 5.程序存储器地址允许输入端/VPP(31脚) 6.复位信号RST(9脚) 7. I/O端口引脚P0 、P1 、P2和P3 1-2 51系列单片机的系统结构及内部资源 1-2-1 51系列单片机的系统结构 图1-20 51系列单片机的系统结构框图 相关知识1 1-2-2 51系列单片机的内部资源 1. CPU (1)运算器电路 运算器电路包括ALU(算术逻辑单元) 、ACC(累加器) 、 B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件,运算器的功能 是进行算术运算和逻辑运算。 (2)控制器电路 控制器电路包括程序计数器(PC)、PC加1寄存器、 指令寄存器、指令译码器、数据指针(DPTR)、堆栈指针(SP)、缓冲 器以及定时与控制电路等。 2.定时器/计数器 3.存储器 4.并行I/O端口 5.串行接口 相关知识1 6. 中断控制系统 7.时钟电路 8.总线 单片机的工作方式和时钟 1-3-1 工作方式 1.复位电路 图1-21 上电复位电路 相关知识1 表1-5 部分专用寄存器复位状态 2.程序执行方式 3.单片机的低功耗方式 相关知识1 表1-6 PCON寄存器格式 (1)待机方式 将PCON寄存器的IDL位置“1”,单片机则进入待机方 式。 (2)掉电保护方式 将PCON寄存器的PD位置“1”,单片机则进入掉电 保护方式。 1-3-2 时钟 1.时钟方式电路 相关知识1 图1-22 时钟方式电路 2.时序 相关知识1 (1)振荡周期 振荡周期指为单片机提供定时信号的振荡源的周期或 外部输入时钟的周期。 (2)时钟周期 时钟周期又称为状态周期或状态时间S ,它是振荡周 期的两倍,它分为P1节拍和P2节拍,通常在P1节拍完成算术逻辑操 作,在P2节拍完成内部寄存器之间的传送操作。 (3)机器周期 一个机器周期由6个状态组成,每个状态由两个时相P 1和P2构成,故一个机器周期可依次表示为S1P1、S1P2、...、S6P1、 S6P2,即一个机器共有12个振荡脉冲。 (4)指令周期 指令周期即执行一条指令所占用的全部时间,通常为 1~4个机器周期。 相关知识1 图1-23 51系列单片机的典型取指、执行时序

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