测控技术综合实验指导书2016.1

《测控技术综合设计实验》
实验指导书
河北工业大学信息工程学院
杨帆
2016 年1 月
前言
测控技术综合实验实验，是进行单片机的设计的综合实验。

要求掌握单片机的硬件连接，软件程序的编写，调整软件程序，检查实际电路，学会用仿真器调整程序，用编程器烧写单片机芯片，最后完成两个实际的设计。

包括软件程序设计，硬件线路的连接，以及程序和电路的调整。

我们提供必要的元器件，仿真器和编程器。

提出设计要求，同学们要自己设计实际电路，自己编写程序。

完成用单片机实际电路实现的完整的实验题目。

该实验的特点是应用已学习过的电子线路，单片机工作原理，我们提出设计要求和目的，要求学生自己设计具体的方案，设计程序，设计电路。

实验要求掌握单片机的硬件连接，软件程序的编写，调整软件程序，检查实际电路，学会用仿真器调整程序，用编程器烧写单片机芯片，经过自己的调试完成总体的设计要求。

并鼓励学生自拟题目，我们尽可能提供必要的元器件。

我们对学生编写的程序，设计的电路不做统一的要求，只要最后完成实验目标即可，这样可充分发挥学生的主观能动性，提高学生的学习兴趣。

通过该课程，对所学的电子线路、单片机原理等知识进行综合训练，培养独立分析问题和解决问题的能力，提高用所学知识解决实际问题，设计及动手操作能力，对今后的学习及将来工作起到促进作用。

基本要求先掌握所需电子器件的功能，各脚的连接，用汇编语言编写程序，掌握仿真器软件的使用，下载器的使用。

考核采用撰写报告和现场验收的形式
一、实验目的
单片机实现一个具体项目，分为两大方面。

一方面是用硬件连接的具体的电子线路，包括单片机芯片、晶振器、集成电路、晶体管、数码管、发光管、开关、电阻、电容以及电源等。

这一部分要求按设计连接正确，连接可靠。

在完成项目的前提下，做到节省元器件，线路尽量简捷、实用。

另一方面是单片机的软件程序设计，根据项目的要求，用计算机语言设计出应用程序，把设计好的程序，用编程器写入单片机芯片中，最终完成项目。

软件程序设计要求正确，尽量简单，能充分开发出单片机芯片功能。

1．对所学的电子线路、微机原理等方面知识的综合训练，巩固所学知识，提高应用能力。

2. 培养独立分析问题和解决问题的能力，提高用所学知识解决实际问题的能力。

3.提高设计及动手操作能力，对今后的学习及将来工作起到促进作用。

二、实验内容
设计电路、完成电路连接、调试、设计程序、完成程序调试及软硬件综合调试，程序固化等过程，达到脱机运行目的。

（样机单独运行）
（一）、必须完成部分：
1. 交通灯控制
要求实现设一个十字路口，1、3为南北方向；2、4为东西方方向；每个方向设有红、黄、绿信号灯共12个。

单片机控制4个路口亮灭的规律：设初态为4个路口的红灯全亮，之后1、3路口的红灯灭，绿灯亮，2、4路口的红灯亮，1、3路口方向通车。

延迟一段时间后，1、3路口的绿灯灭，而黄灯开始闪烁若干次后熄灭，点亮4个路口的红灯，之后再点亮2、4路口的绿灯，红灯熄灭，2、4路口方向开始通车。

延迟一段时间后，2、4路口绿灯熄灭，黄灯开始闪烁若干次后熄灭，而红灯点亮，然后再切换到1、3路口方向。

之后重复上述过程。

2. LED显示器显示的数字“1234”循环显示等。

由端口2 P2.0～P2.3送出扫描码、低电平动作，任何时候只有1个位是低电平输出，即一次点亮一位数进行数字显示。

P0送出的数据位先经过7407的非反向放大器（跟随器）做信号电流放大，例如P0.0位必须推动4只显示器的“a”点，加上提升电阻200Ω电阻做限流电阻，显示器下方的放大器则做位扫描点控制作用，每次只点亮一位数字进行显示，延迟一小段时间后再电亮下一位数字进行显示，因
为人们视觉暂留的现象，而感觉4位数字同时被点亮，一般整体扫描频率只要高于视觉暂留频率（16Hz～20Hz）即可。

要求实现：开机或复位后，工作指示灯闪烁三次，四个数码管立即显示“1234”。

闪烁间隔时间和点亮时间为500ms。

数码管扫描点亮时间为10ms。

3.时钟设计
该电子时钟由89S52作为控制芯片，六段数码管作为显示部件，由延时程序和循环程序产生的一秒定时，达到时、分、秒的计时，六十秒为一分钟，六十分钟为一小时，满二十四小时为一天。

而电路中唯一的一个控制键，拥有多种不同的功能，可以实现时、分、秒的调准，对时、分、秒分别进行调节，计时误差每分钟应控制在0-3秒内（可应用Proteus的ISIS软件实现了单片机电子时钟系统的设计与仿真）。

（二）、选做部分：
1. 数字测温系统的实现
设计一款基于AT89S52单片机的温度测量系统，实现对环境的温度测量、显示。

设计要求：基于数字传感器DS18B20的性能特点，利用单片机和简单的接口电路组成一个温度测量及报警系统，通过LED显示数码管对温度进行显示，该系统超出设定的温度报警上、下限之外（如：－10℃- +30℃），可报警。

该系统的温度的测量范围在－55℃- +100℃之间，它的测量的精度为0.1℃。

2.测控系统的实现
设计一款基于AT89S52单片机的步进电机控制系统，实现对步进电机转速、方向控制。

设计要求：[1] 采用AT89S52单片机，根据数字温度传感器DS18B20的测量结果，完成对步进电机转速、方向控制的设计方案。

[2] 写出详细的设计报告。

[3] 给出电路原理图和软件程序源代码清单。

3.学生可以自拟题目
三、实验仪器、设备
计算机（每组一台），仿真器及应用软件（每组一台），万用表（两组用一块，）、稳压电源（两组用一台）、编程器（四组用一台）
主要器件有：89C51芯片，7407跟随器集成电路，共阴极LED数码管，发光二极管，按键开关，12M晶振，电阻、电容，面包板，插线等。

四、实验原理
1、89C51标准硬件设计
（工作指示灯LED）的参考电路如图1所示：
图1 89C51标准硬件设计的参考电路
在此参考电路的基础上完成交通灯控制和LED显示器显示的数字“1234”循环显示实验。

2、七段显示器介绍
七段显示器是常用的数值显示器件，通常对于多位显示器的实现，最常用的方法是扫描法，动态扫描方式控制显示器的显示可以通过译码器来完成，本实验直接由89C51输出端口来送出数字数据，直接显示在显示器上，其优点是可以显示其他字型A、B、C等字型。

显示控制电路如图2所示，此电路是以扫描方式实现四位共阴极七段显示器数据显示。

图2 显示控制电路
由端口0P0送出数据位，高电平动作各位依序对应如下：
P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0
dot g f e d c b a
由端口2P2.0～P2.3送出扫描码、低电平动作，任何时候只有1个位是低电平
输出，即一次点亮一位数进行数字显示。

P0送出的数据位先经过7407的非反向放大器做信号电流放大，例如P0.0位必须推动4只显示器的“a”点,加上提升电阻300欧姆电阻做限流电阻,显示器下方的放大器则做位扫描点控制用,每次只点亮一位数字进行显示,延迟一小段时间后再点亮下一位数字进行显示,因为人们视觉暂留的现象,而感觉4位数字同时被点亮,一般整体扫描频率只要高于视觉暂留频率（16Hz～20Hz）即可.
在面包板上设计有四位共阴极七段显示器控制电路,可以直接在板上验证其控制程序功能。

为更好地驱动数码管，使之有足够的亮度，选用7407跟随器对数码管各段。

集成电路7407如图3所示。

图3集成电路7407
3．Insight 系列仿真器ME-52HP简介
Insight 系列仿真器ME-52HP如图4所示。

用户可自行更换仿真芯片，支持仿真Philips 8xC51X2~8xC58X2, 89C60/61,89C51Rx2,89C66x及AT89、Winbond W78系列MCU 提供4种不同类型断点功能：任意地址断点、源程序行断点、单步和运行到光标断点和分组断点。

所有断点都有独立的64K断点空间，方便用户高效灵活调试程序。

图4 Insight 系列仿真器ME-52HP
（1）性能特点
（a）外部信号断点和地址断点计数功能
（b）最高仿真频率：每周期12时钟时30MHz，每周期6时钟时24MHz
（c）全速运行状态下，真实仿真应用程序切换12和6时钟周期功能
（d）全速运行状态下，真实仿真应用程序关闭/开启ALE信号输出功能
（e）全速运行状态下，运行轨迹和运行时间动态显示功能
（f）用户监控状态下，可设定控制ALE信号输出允许/禁止功能，提供外围器件将ALE作为时钟的应用场合（如8279等）
（g）适应任何场合应用系统时钟电路设计：无源石英晶体振荡电路及时钟输出、有源石英振荡器时钟、外围电路提供时钟信号
（h）全速运行状态下，响应应用系统复位功能以及复位后再运行功能，支持调试应用系统看门狗电路
（j）64K全空间细分到1个字节的程序存储器映像设置
（k）USB/LPT双重端口高速通讯,仿真运行和代码下载远远超过采用串行通讯方式的仿真器
（l）高稳定的仿真电路设计，采用Hooks精确时序同步技术，无需复位按键不会出现死机现象
（m）独创的仿真I/O保护，所有I/O信号端口在正负12伏输入电压范围内不会损坏
（n）MedWinV3集成开发环境支持
（o）IAR EW8051集成开发环境支持，免费提供4K版IAR C编译器
（2）仿真器软件使用方法
（a）从快捷方式打开“MedWin”出现窗口有：“项目管理器、文件管理器”“汇编程序栏”和“构件窗口”。

（b）如需要新建项目，可在“项目管理”中的“新建项目”建立新项目并起一个新名称。

（c）再选择“导入文件”，打开“文件”选择一个程序。

导入该项目中。

（d）打开“文件管理器”中，应有所导入的程序。

选该程序打开，该程序内容出现在“汇编程序栏”中，可在该栏中对程序进行修改，（注意保存）。

（e）打开“项目管理”中的“编译/汇编”，对该程序进行编译，在“构件窗口”中，如果有错误，会给指出，可进一步对程序进行修改；如程序没问题，最后显示“0 WARNING（S）0 ERROR（S）”，说明一编译成功。

（f）打开“项目管理”中的“重新产生代码并装入”，在“构件窗口”中最后显示“下载程序代码成功”。

（g）打开“调试”中的“全速运行”，如果硬件线路没有错误，应能按设计正常运行工作。

（h）如果运行不正常，打开“调试”中的“程序复位”。

再对程序进行调试。

调整后，再进行“项目管理”中的“编译/汇编”；“重新产生代码并装入”；和打开“调试”中的“全速运行”。

五、实验步骤
1．熟悉相关仪器设备，及各种元器件的工作原理和特性。

2．用汇编语言或C语言编写应用程序。

3．在面包板上搭建电子线路。

4．调试程序和电路，最终实现设计要求。

六、实验报告要求
实验报告
班级：姓名：学号：组别：同组人：
课程名称：实验室：实验时间：
（使用实验报告纸的，以上内容可按照实验报告纸格式填写）
实验项目名称：综合设计实验
一、实验目的：
二、实验内容与原理：
三、实验器材（设备、元器件、软件工具、平台）：
四、实验步骤：
五、实验数据及结果分析：
六、实验结论：
七、思考题
八、其他：实验总结、心得体会及对本实验方法、手段及过程的改进建议等。

七、实验注意事项
在使用仪器一定注意在没有了解仪器使用说明之前，不能随意乱动仪器的开关和旋钮。

在通电之前，一定仔细检查线路是否链接正确，电源电极是否正确。

集成电路器件，在从面包板取下时，一定要从电路两端，分别慢慢撬起后，再拿出来，否则会使电路引脚弯曲甚至折断。

八、思考题
1、显示“1234”有时会出现闪烁，如何消除闪烁？
2、红绿灯点亮时间如何控制？
九、附录
Progisp使用说明
一、Progisp 的特点：
最新特性
支持所有的AVR芯片的编程，支持AT89S51,AT89S52
支持自定义并口下载编程器
支持自定义串口的下载编程器
支持 USBASP编程器
支持自定义编程芯片
支持自定义编程熔丝信息提示信息
支持高压编程器
支持脱机下载器实现脱机下载
支持命令行方式，可以直接嵌入其他IDE中使用
绿色软件，无需安装，占用资源少
支持自定义汉化信息提示
支持工程管理--可以将所有的配置数据与编程数据打包为单一文件。

二、progisp 的主界面(基本配置)
Progisp 支持自定义界面的大小，可以使用鼠标根据自己的屏幕大小将主界面调整为自己喜欢的大小，再次启动progisp 会自动记住上次的设置。

三、功能使用
选择芯片
点击选择芯片的下拉框，选择要下载的芯片。

点击“黑色的箭头”可以弹出下载器与你的目标cpu的提示接线图或cpu在编程座上的摆放位置图，如果是isp下载线是10pin下载线接口与目标cpu的连线示意图（图一）。

如果是hv模式是cpu在编程座上的摆放位置图（图二）
图一
图二
注意：只有插入高压编程器方可切换到hv模式。

请点击program State 栏右边的按钮，选择你的下载器。

progisp 会自动识别出下载器的类型点击，调入flash，调入eeprom，调入要写入芯片的数据。

如果，您调入的数据大于实际芯片的空间，相应数据大小显示的会变为红色，提示您调入的数据超出你的芯片容量了。

编程选项
勾选“编程栏”相应的编程选项，点击“自动”可以完成编程。

如果出错会有对话框弹出进行提示。

如果写入成功，信息提示栏会显示出相应成功的信息。

也可以点击“擦除”擦除芯片。

【提供时钟】勾选配合下载器的XTAL引脚可以解锁部分avr 锁定芯片（ISP 模式有用）使用方法XTAL连接目标板cpu的XTAL1 引脚。

这时就可以进入编程模式（锁定芯片是进入不了编程模式的）。

【数据改变下载】指的是你调入的数据区的文件一旦改变，progisp 会自动执行“自动”执行相应的动作。

【数据自动重载】指的是你调入的数据区的文件一旦改变且您点击了”自动“按钮，progisp会重新调入您调入数据的文件，这个选项选中关闭progisp，下次启动时会自动调入您最后一次调入的文件。

所有的动作均可选择相应的主菜单来实现。

数据缓冲区
可以点选下面的flash或eeprom进行切换。

也可以直接在编辑区进行编辑
系列号的设置
在数据缓冲区栏选择放置系列号的地址点击鼠标右键弹出菜单，选择大端或小端模式输入系列号。

如果数据缓冲区在flash 状态，系列号就放在flash ，否则在eeprom 。

校正字设置
校正字放方法与系列号设置原理一样。

编程器测试
如果你的下载器或编程器支持的话可以利用此栏测试你的下载器或编程器进行测试。

对于高压编程器，你可以使用万用表，负表笔连接编程座20 脚。

正表笔连接编程座其他脚这时点击软件中对应编程座的测试条，红色，5v输出，蓝色0v，内部短的测试条除40脚出是5v，其他位置均是12.5v（这个数字式估测，12-13v之间均正确）对于 ISP下载器测试方法相同，负表笔接10脚gnd，需要注意的Nc 不起作用。

四、配置
这里可以设置你的下载器，根据你的下载器选择相应的口信号线，对于并口下载器还可以设置具体的并口地址，这样就可以使用任何pci转出的并口了。

本软件支持串口型，并口型的下载器的自定义。

注意：请不要随便升级固件，否则你的下载器或编程器会损坏，这种损坏不在保修范围。

十参考文献
1．韩建国单片机原理及应用西安：西安电子科技大学出版社
2．朱宇光单片机应用技术教程北京：电子工业出版社
3．李华 MCS-51系列单片机实用接口技术北京：航空航天大学出版社
4．何立民 MCS-51系列单片机应用系统设计，北京：航空航天大学出版社
5．李广弟单片机基础北京：航空航天大学出版社
6．张迎新等单片机初级教程北京：航空航天大学出版社
7．胡汉才单片机原理及其接口技术北京：清华大学出版社。