單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

明鑫　盧丹萍

【摘 要】針對(duì)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)這門課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的不足之處，設(shè)計(jì)了一種新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；圍繞“單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法”這一主線，從計(jì)算器系統(tǒng)電路的構(gòu)成、仿真圖的繪制、程序的編寫、印制電路板的設(shè)計(jì)等方面對(duì)新項(xiàng)目的實(shí)施做了詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 計(jì)算器系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)課

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2016）01C-0163-03

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)作為單片機(jī)原理課程的延伸，是一門以學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為主的實(shí)驗(yàn)課。本課程在傳統(tǒng)的教學(xué)中一般會(huì)以單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱作為操作的平臺(tái)。教師設(shè)計(jì)一個(gè)綜合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱上完成線路的連接程序的調(diào)試運(yùn)行等操作，之后學(xué)生完成設(shè)計(jì)報(bào)告。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)模塊眾多、接線雜亂，與實(shí)際應(yīng)用不符，不利于學(xué)生理解和掌握單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程及調(diào)試方法。因此在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中有必要引入一種新的實(shí)驗(yàn)形式。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，既要做到有別于單片機(jī)原理課程的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，又要做到理論聯(lián)系實(shí)際，具有一定的實(shí)用價(jià)值，還要能夠體現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的流程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

鑒于此，開(kāi)發(fā)了一個(gè)“計(jì)算器的設(shè)計(jì)”項(xiàng)目作為單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容。本項(xiàng)目的要求如下：設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易計(jì)算器，能實(shí)現(xiàn)8位數(shù)之內(nèi)的加減乘除運(yùn)算，并要求學(xué)生按照單片機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，完成電路的仿真、程序的編寫、電路圖繪制、PCB板制作、焊接調(diào)試等工作。

一、計(jì)算器項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算器的功能，本系統(tǒng)應(yīng)由單片機(jī)、輸入模塊、顯示模塊、聲光提示模塊和電源模塊幾部分構(gòu)成，其組成框圖如圖1所示。

（一）控制器的選擇

本項(xiàng)目中選取STC90C58RD+單片機(jī)作為控制器。STC90C58RD+與AT89C51完全兼容，可直接替換。前者具備高達(dá)1280Btye的SRAM，32K字節(jié)flash存儲(chǔ)器，29K字節(jié)EEPROM，更高的可靠性及更低的功耗，使得它被越來(lái)越多的單片機(jī)開(kāi)發(fā)者選用。

（二）顯示模塊的設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)的輸出顯示部分，可以選用液晶屏或者數(shù)碼管。液晶屏價(jià)格相對(duì)較貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫較復(fù)雜，而數(shù)碼管具有價(jià)格低廉、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、控制程序容易編寫等特點(diǎn)。而且本設(shè)計(jì)要求完成8位數(shù)范圍內(nèi)的計(jì)算，因此使用8位數(shù)碼管作為顯示器件。

（三）輸入模塊的設(shè)計(jì)

按鍵作為單片機(jī)系統(tǒng)人機(jī)交互的輸入部分，有獨(dú)立式按鍵和行列式按鍵之分。獨(dú)立式按鍵占用單片機(jī)的IO口資源較多，不選用。本計(jì)算器項(xiàng)目中，需要輸入0-9的數(shù)字鍵以及代表各種運(yùn)算操作的按鍵，需要按鍵數(shù)量多，因此選用行列式鍵盤。行列式鍵盤通過(guò)對(duì)行線和列線的電平狀態(tài)的組合來(lái)判斷哪個(gè)鍵被按下，可以用較少的IO口得到較多的按鍵。在本設(shè)計(jì)中采用4×4的行列式按鍵。

（四）聲光提示模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中需要在按鍵按下時(shí)發(fā)出“嘀”提示音，而且在運(yùn)算結(jié)果溢出的時(shí)候發(fā)出聲光提示。溢出選用最常用的蜂鳴器和發(fā)光二極管作為聲光提示模塊。

二、計(jì)算器項(xiàng)目的仿真

在電路實(shí)際制作之前的仿真是單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)仿真能夠驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否可行。本設(shè)計(jì)是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，既有電路的仿真又有程序的仿真，因此選用Proteus軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

仿真軟件Proteus是英國(guó)Lab Center Electronics公司研制的EDA軟件。它不但和普通仿真軟件一樣能夠仿真模擬電路，最大的特色是能夠仿真單片機(jī)及外圍器件，能進(jìn)行代碼調(diào)試。

學(xué)生熟練掌握本軟件的使用，對(duì)完成單片機(jī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有較大的促進(jìn)作用。

（一）仿真電路設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)最小系統(tǒng)仿真電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)指單片機(jī)工作的、由最少的電路構(gòu)成的系統(tǒng)，包括晶振電路和復(fù)位電路。晶振X1和兩個(gè)瓷片電容C1、C2構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘電路。手動(dòng)復(fù)位按鍵、電解電容C3和電阻R2構(gòu)成單片機(jī)的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位電路。

2.顯示模塊仿真電路設(shè)計(jì)

數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)由斷碼驅(qū)動(dòng)和位選端驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。單片機(jī)的P0口用于輸出數(shù)碼管的段碼。由于P0口是標(biāo)準(zhǔn)的雙向IO口，內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，因此P0口連了一個(gè)1K的排阻RP1。P2口的8個(gè)引腳用于控制8個(gè)數(shù)碼管的位選端，分別經(jīng)過(guò)Q2-Q9這8個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管。

3.輸入模塊仿真電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的P1口連接一個(gè)4×4的行列式鍵盤。P1口的低4位作為行列式鍵盤的4條列線，高4位作為行列式鍵盤的4條行線。

4.聲光提示模塊仿真電路設(shè)計(jì)

聲光提示電路由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成。蜂鳴器由NPN型三極管Q1驅(qū)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)P3.6引腳為高電平，三極管截止，蜂鳴器不會(huì)誤動(dòng)作。當(dāng)需要蜂鳴器發(fā)出聲音時(shí)置P3.6引腳為低電平即可。發(fā)光二極管有P3.3引腳控制，低電平有效。

綜上各個(gè)模塊，此計(jì)算器系統(tǒng)完整的仿真電路如圖2所示：

（二）計(jì)算器程序設(shè)計(jì)

計(jì)算器項(xiàng)目的控制程序在Keil C軟件中完成。Keil 是一款針對(duì)51單片機(jī)內(nèi)核的集成編譯環(huán)境，具有很高的編譯效率。

1.程序設(shè)計(jì)思路

本程序主要完成3方面的任務(wù)：掃描數(shù)碼管、掃描按鍵、處理按鍵；因此編制了兩個(gè)獨(dú)立的函數(shù)Display（ ）和KeyBoard（ ）完成掃描數(shù)碼管和掃描按鍵的功能。為了在按下不同的鍵值的時(shí)候完成不同的功能，使用了switch語(yǔ)句，這樣程序的結(jié)構(gòu)會(huì)比較清晰。

在主程序里面定義了以下幾個(gè)變量：

unsigned char Key，InputCnt，LastOpt。

unsigned long Result，InputData。

變量Key用于暫存當(dāng)前按下去的鍵值。

變量InputCnt用于存放輸入數(shù)字的個(gè)數(shù)，當(dāng)輸入數(shù)字超過(guò)8個(gè)時(shí)就不能接收這個(gè)數(shù)字，并報(bào)警提示；

變量LastOpt用于存放前一次輸入的運(yùn)算類型。因?yàn)榘聪录?、減、乘、除中某種運(yùn)算的時(shí)候，計(jì)算器做的并不是當(dāng)前的這種運(yùn)算類型，而是前一次按下的運(yùn)算類型。

變量Result用于存放運(yùn)算的結(jié)果。由于計(jì)算器可以進(jìn)行連續(xù)的多次運(yùn)算，Result的值是會(huì)在每次運(yùn)算之后改變的。

變量InputData用于保存輸入的操作數(shù)，并作按下某種運(yùn)算的按鍵后與Result的值進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，把結(jié)果保存到Result里面。

2.主程序設(shè)計(jì)

程序的流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)各個(gè)變量賦初值。然后調(diào)用按鍵函數(shù)，判斷是否有鍵按下。若無(wú)按鍵按下則掃描數(shù)碼管，接下來(lái)再次掃描按鍵。

若有按鍵按下，則會(huì)出現(xiàn)3種情況。第一種情況，按下的為數(shù)字鍵“0-9”，而且輸入數(shù)字的位數(shù)InputCnt小于8的話，就把按下去的鍵值接收到變量InputData里面，更新一次顯示緩沖區(qū)，讓數(shù)碼管顯示輸入的數(shù)字。如果InputCnt大于等于8，說(shuō)明輸入數(shù)字的位數(shù)已經(jīng)達(dá)到最大不能再輸入了，并發(fā)出報(bào)警提示；第二種情況，按下的鍵為“加、減、乘、除、等于”鍵，則根據(jù)LastOpt的取值把變量Result和InputData的值進(jìn)行運(yùn)算，并把結(jié)果存放到Result里面。同時(shí)更新一次顯示緩沖區(qū)，讓數(shù)碼管顯示運(yùn)算的結(jié)果；第三種情況，按下的鍵為清零鍵“C”，則給各個(gè)變量重新賦初值，顯示緩沖區(qū)清零，準(zhǔn)備開(kāi)始下一次計(jì)算。

3.子程序分析

在程序中調(diào)用了幾個(gè)子函數(shù)，這幾個(gè)子函數(shù)的邏輯關(guān)系如圖4所示。

函數(shù)原型： void FillDispBuf（ulong a）

函數(shù)功能： 把ulong a這個(gè)數(shù)處理后存入顯示緩沖區(qū)。若a沒(méi)有超過(guò)8位十進(jìn)制數(shù)的范圍則把它拆分后直接存入顯示緩沖區(qū)即全局?jǐn)?shù)組DispBuf[8]；若a超過(guò)這個(gè)范圍則需要在數(shù)碼管顯示“Error”，因此需要把這幾個(gè)字形的段碼存入DispBuf[8]。

函數(shù)原型： uchar KeyBoard（void）

函數(shù)功能： 讀取4×4行列式鍵盤的鍵值。若有按鍵按下則返回0- 15之間的某個(gè)鍵值，若無(wú)按鍵按下則返回21。

函數(shù)原型： void Display（void）

函數(shù)功能： 掃描8位數(shù)碼管。全局?jǐn)?shù)組uchar DispBuf[8]為顯示緩沖區(qū)。本函數(shù)把數(shù)組DispBuf[8]里面的8個(gè)元素的數(shù)值在8個(gè)數(shù)碼管上顯示出來(lái)。

函數(shù)原型： void DelayMs（uint j）

函數(shù)功能： 延時(shí)N毫秒，參數(shù) j 表示需要延時(shí)的時(shí)間為j毫秒。

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，只要把幾個(gè)子函數(shù)的代碼及相應(yīng)功能告訴學(xué)生，學(xué)生就能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行頂層代碼的編寫調(diào)試。如果學(xué)生時(shí)間充裕，也可自己編寫以上幾個(gè)子函數(shù)的代碼。

三、計(jì)算器實(shí)物的制作及調(diào)試

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)內(nèi)容在仿真軟件中驗(yàn)證通過(guò)之后，就是實(shí)物電路的制作。電路圖原理圖和PCB圖的設(shè)計(jì)在PROTEL99SE中完成。

本設(shè)計(jì)所需元件清單如表1所示。實(shí)驗(yàn)室為每個(gè)學(xué)生準(zhǔn)備一套對(duì)應(yīng)的元器件。

為了更好的讓學(xué)生掌握單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的流程，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)有3種方式可以進(jìn)行，每個(gè)學(xué)生可根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇。

A：學(xué)生可根據(jù)原理圖和元件清單中的元器件，在萬(wàn)用板上自己焊接這個(gè)電路。直到電路調(diào)試成功，并下載程序運(yùn)行。

B：學(xué)生可根據(jù)電路原理圖繪制PCB電路板，并在實(shí)驗(yàn)中完成電路板的轉(zhuǎn)印、腐蝕、鉆孔等操作，然后焊接元器件并調(diào)試運(yùn)行。

C：實(shí)驗(yàn)室通過(guò)專業(yè)的電路板工廠把“計(jì)算器項(xiàng)目”的PCB板加工出來(lái)。并且把此電路板及配套的元器件分發(fā)給學(xué)生焊接調(diào)試。統(tǒng)一生產(chǎn)出來(lái)的電路板及元器件套件如圖5所示。

最終學(xué)生都能制作出一個(gè)調(diào)試成功的實(shí)物計(jì)算器。

通過(guò)對(duì)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，改變了本課程的教學(xué)組織形式，激發(fā)了學(xué)生的興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。學(xué)生在完成“計(jì)算器設(shè)計(jì)”項(xiàng)目的過(guò)程中掌握了單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以及調(diào)試技巧。實(shí)踐表明這樣的方式收到了良好的效果，具有較大推廣價(jià)值。

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