Transcript 4.Proteus仿真

课程设计题目
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目录----课程设计题目
题目1
智能电子钟（LCD显示）
题目2
电子时钟（LCD显示）
题目3
秒表
题目4
定时闹钟
题目5
音乐倒数计数器
题目6
基于数字温度传感器的数字温度计
题目7
基于热敏电阻的数字温度计
题目8
十字路口交通灯控制
题目9
波形发生器设计
题目10
电容、电阻参数单片机测试系统的设计
2
题目11
数字频率计
题目12
8位竞赛抢答器的设计
题目13
单词记忆测试器程序设计
题目14
数字电压表设计
题目15
可编程作息时间控制器设计
题目16
节日彩灯控制器的设计
题目17
双机之间的串行通信设计
题目18
电子琴设计
题目19
数字音乐盒的设计
题目20
单片机控制步进电机
题目21
单片机控制直流电动机
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题目1
智能电子钟（LCD显示）
1. 设计要求
以AT89C51单片机为核心，制作一个LCD显示的智能电子钟：
(1) 计时：秒、分、时、天、周、月、年。
(2) 闰年自动判别。
(3) 五路定时输出，可任意关断（最大可到16路）。
(4) 时间、月、日交替显示。
(5) 自定任意时刻自动开/关屏。
(6) 计时精度：误差≤1秒/月（具有微调设置）。
4
(7) 键盘采用动态扫描方式查询。所有的查询、设置功能均
由功能键K1、K2完成。
2. 工作原理
本设计采用市场上流行的时钟芯片DS1302进行制作。DS1302
是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时
时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与计算
机进行通信，使得管脚数量减少。实时时钟/日历电路能
够计算2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的
，具有闰年调整的能力。
DS1302时钟芯片的主要功能特性：
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(1) 能计算2100年之前的年、月、日、星期、时、分、秒的
信息；每月的天数和闰年的天数可自动调整；时钟可设置
为24或12小时格式。
(2) 31B的8位暂存数据存储RAM。
(3) 串行I/O口方式使得引脚数量最少。
(4) DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行
通信，仅需3根线。
(5) 宽范围工作电压2.0-5.5V。
(6) 工作电流为2.0A时，小于300nA。
(7) 功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
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3. 电路设计（Proteus软件仿真通过）
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4. Proteus仿真
打开元器件单片机属性窗口，在“Program File”栏中添加上
面编译好的目标代码文件“keil-1.hex”；在“Clock
Frequency”栏中输入晶振频率为11.0592MHz。
仿真如下页图所示，其中，浮动窗口中显示的为DS1302当前时
钟状态:
8
图
智能电子钟仿真效果
9
题目2
电子时钟（LCD显示）
1. 设计要求
以AT89C51单片机为核心的时钟，在LCD显示器上显示当前的时
间：
使用字符型LCD显示器显示当前时间。
显示格式为“时时：分分：秒秒”。
用4个功能键操作来设置当前时间。功能键K1～K4功能如下。

K1—进入设置现在的时间。

K2—设置小时。
10

K3—设置分钟。

K4—确认完成设置。
程序执行后工作指示灯LED闪动，表示程序开始执行，LCD显
示“00：00：00”，然后开始计时。
2. 实验原理
题目难点在于键盘的指令输入，由于每个按键都具有相应的
一种或多种功能，程序中需要大量使用do{}while或
while{}循环结构，以检测是否有按键按下。按键检测函数
的详解如下（略）
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3. 参考电路（Proteus软件仿真通过）
12
4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-2.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频
率为11.0592MHz。
启动仿真，按下按键1后，可发现LED停止闪烁，即时钟停止
走时，时钟停在当前时刻，按下按键2和按键3后，可改变
时间，按下按键4后，时钟复位到修改后的时间，时钟重
新开始运转，如下页图所示。
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题目3
秒表
1. 设计要求
用AT89C51设计一个2位的LED数码显示作为“秒表”：显示
时间为00—99秒，每秒自动加1，另设计一个“开始”键
和一个“复位”键。
2. 实验原理
题目难点在于通过对键盘的扫描对时钟的走时/停止进行控
制，项目采用定时器T0作为计时器，每10ms发生一次中断
，每100次中断加1s。在此期间，如“开始”按键按下，
程序方将TR0置为1，从而开启中断，时钟开始走时；如“
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复位”按键按下，程序将TR0置为0，同时将存储时间的变
量清零，从而中断停止，并实现复位。
本题目采用专用数码管显示控制芯片MAX7219。MAX7219是
美国MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极显示驱动器，
该芯片最多可驱动8位7段数字LED显示器或个LED和条形
图显示器。其引脚图及引脚功能参见有关参考资料。
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MAX7219的典型应用参考电路
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3. 电路设计（Proteus软件仿真通过）
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-2.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率
为11.0592MHz。
启动仿真，按下按键1后，可发现led停止闪烁，即时钟停止
走时，时钟停在当前时刻，按下按键2和按键3后，可改变
时间，按下按键4后，时钟复位到修改后的时间，时钟重新
开始运转，如下页图所示。
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题目4
定时闹钟
1. 设计要求
使用AT89C51单片机结合字符型LCD显示器设计一个简易的定
时闹钟LCD时钟，若LCD选择有背光显示的模块，在夜晚
或黑暗的场合中也可使用。
定时闹钟的基本功能如下：

显示格式为“时时：分分”。

由LED闪动来做秒计数表示。

一旦时间到则发出声响，同时继电器启动，可以扩充控
制家电开启和关闭。
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
程序执行后工作指示灯LED闪动，表示程序开始执行，LCD
显示“00：00”，按下操作键K1～K4动作如下：
(1) K1—设置现在的时间。
(2) K2—显示闹钟设置的时间。
(3) K3—设置闹铃的时间。
(4) K4—闹铃ON/OFF的状态设置，设置为ON时连续三次发
出“哗”的一声，设置为OFF发出“哗”的一声。
设置当前时间或闹铃时间如下。
(1) K1—时调整。
(2) K2—分调整。
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(3) K3—设置完成。
(4) K4—闹铃时间到时，发出一阵声响，按下本键可以停止
声响。
本项目的难点在于4个按键每个都具有两个功能，以最终实现
菜单化的输入功能。采用通过逐层嵌套的循环扫描，实现
嵌套式的键盘输入。以对小时的设置的流程为例，其流程
如下页图。
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2. 参考电路（Proteus软件仿真通过）
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3. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-3.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频
率为12MHz。
启动仿真，下页图示为按下“开始”按键后的情况，在按下
前，数码管无显示。期间如果按下“复位”按键，则LED
显示归零，走时停止。
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题目5
音乐倒数计数器
1. 设计要求
利用AT89C51单片机结合字符型LCD显示器设计一个简易的倒数
计数器，可用来煮方便面、煮开水或小睡片刻等。做一小
段时间倒计数，当倒计数为0时，则发出一段音乐声响，通
知倒计数终了，该做应当做的事。
定时闹钟的基本功能如下。

字符型LCD（16  2）显示器。

显示格式为“TIME 分分:秒秒”。
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用4个按键操作来设置当前想要倒计数的时间。一旦按下键
则开始倒计数，当计数为0时，发出一阵音乐声。
程序执行后工作指示灯LED闪动，表示程序开始执行，按下操
作键K1～K4动作如下。
K1—可调整倒计数的时间1～60分钟。
K2—设置倒计数的时间为5分钟，显示“0500”。
K3—设置倒计数的时间为10分钟，显示“1000”。
K4—设置倒计数的时间为20分钟，显示“2000”。
复位后LCD的画面应能显示倒计时的分钟和秒数，此时按K1键
，
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则在LCD上显示出设置画面。此时，若：
a. 按操作键K2—增加倒计数的时间1分钟。
b. 按操作键K3—减少倒计数的时间1分钟。
c. 按操作键K4—设置完成。
键盘实现菜单功能的方法，已在题目4详细说明，不再赘
述。本题目最大难点是实现音乐的播放。作者利用定时计数
器，通过载入不同的计数初值，产生频率不同的方波，输入
到蜂鸣器（SOUNER）中，使其发出频率不同的声音。本设计
中单片机晶振为1.0592MHz，通过计算各音阶频率，可得1、2、
3、4、5、6、7共7个音应赋给定时器的初值为64580、64684、
64777、64820、64898、64968、65030。
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在此基础上，可将乐曲的简谱转化为单片机可以“识别”的
“数组谱”，进一步加入对音长、休止符等的控制量后，
可以实现音乐的播放。
3.电路设计（Proteus仿真通过）
本题目制作的带有LCD显示的音乐倒数计数器电路原理图，如
下页图所示。
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-5.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率
为11.0592MHz。
启动仿真如下页图所示，当闹钟到达时，可以听见蜂鸣器演
奏的乐曲。再次提示，本题目必须选用蜂鸣器SOUNDER，否
则不能发出声音。
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题目6
基于数字温度传感器的数字温度计
1. 设计要求
利用数字温度传感器DS18B20与单片机结合来测量温度。利
用数字温度传感器DS18B20测量温度信号，计算后在LED数
码管上显示相应的温度值。其温度测量范围为−55℃～
125℃，精确到0.5℃。数字温度计所测量的温度采用数字
显示，控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用
DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据，实现
温度显示。
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2. 实验原理
从温度传感器DS18B20可以很容易直接读取被测温度值，进
行转换即满足设计要求。
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一
种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件
相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过
简单的编程实现9～12位的数字读数方式。
DS18B20的性能如下。

独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信。

多个DS18B20可以并联在串行传输的数据线上，实现多点
组网功能。无须外部器件。
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
可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V。

零待机功耗。

温度以9或12位的数字读数方式。

用户可定义报警设置。

报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件
）的器件。

负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，
但不能正常工作。

采用3引脚PR-35封装或8引脚SOIC封装。
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3.电路设计（Proteus仿真通过）
本项目制作的数字温度计电路原理图，如下所示：
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-6.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率为
11.0592MHz。
启动仿真如下页图所示，其中，DS18B20窗口显示的为
当前环境温度，若调整DS18B20旁边的箭头，可改变环境温度
，可以看到LED显示屏上的温度值发生相应的变化。
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题目7
基于热敏电阻的数字温度计
1. 设计要求
使用热敏电阻类的温度传感器件利用其感温效应，将随被测温
度变化的电压或电流用单片机采集下来，将被测温度在显示
器上显示出来：

测量温度范围−50℃～110℃。

精度误差小于0.5℃。

LED数码直读显示。
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2 . 实验原理
本题目使用铂热电阻PT100，其阻值会随着温度的变化而改变
。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它
的阻值约为138.5欧姆。厂家提供有PT100在各温度下电阻值
值的分度表，在此可以近似取电阻变化率为 0.385Ω/℃。
向PT100输入稳恒电流，再通过A/D转换后测PT100两端电压
，即得到PT100的电阻值，进而算出当前的温度值。
采用2.55mA的电流源对PT100进行供电，然后用运算放大器
LM324搭建的同相放大电路将其电压信号放大10倍后输入到
AD0804中。利用电阻变化率0.385Ω/℃的特性，计算出当前
温度值。
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3.电路设计（Proteus仿真通过）
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4. Proteus仿真
首先加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-7.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频
率为12MHz。
启动仿真如图所示，其中，PT100旁边的数字窗口显示的为
测定的环境温度，通过调整上下温度，可以实现对环境温
度的改变。值得注意的是，由于本项目使用的核心测温器
件PT100对温度存在一定的响应时间，故启动程序后一段
时间测定的温度才能稳定下来。
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本题目测温误差主要由以下几点引发：
ADC0804为8位ADC芯片，精度有限；程序假定PT100为完全线性
的器件，而即使是厂家推荐的线性值也会存在一定误差；运
放电路并非绝对线性。如使用12位ADC芯片，采用“四线制
”的PT100接法，采用查表法测定温度值，将极大提高温度
的测量精度。
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题目8
十字路口交通灯控制
1. 设计要求
设计一个十字路口交通灯控制器。用单片机控制LED灯模
拟指示。模拟东西方向的十字路口交通信号控制情况。东西
向通行时间为80s，南北向通行时间为60s，缓冲时间为3s。
2. 实验原理
本项目为典型的LED显示和中断定时电路。利用定时器T0
产生每10ms一次的中断，每100次中断为1s。对两个方向分
别显示红、绿、黄灯，已经相应的剩余时间即可。值得注意
的
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是，需要意识到，A方向红灯时间=B方向绿灯时间+黄灯缓冲
时间这一常识。
本项目使用的MAX7219芯片使用方法请参考题目3。
3.电路设计（Proteus仿真通过）
本项目制作的十字路口交通灯控制电路原理图，如下页图：
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4.Proteus仿真
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题目9
波形发生器设计
1. 设计要求
设计一个能产生正弦波、方波、三角波、梯形波、锯齿
波的波形发生器。
2. 实验原理
产生指定波形可以通过DAC来实现，不同波形产生实质
上是对输出的二进制数字量进行相应改变来实现的。本题目
中，方波信号是利用定时器中断产生的，每次中断时，将输
出的信号按位反即可；三角波信号是将输出的二进制数字信
号依次加1，达到0xff时依次减1，并实时将数字信号经D/A
转换得到；锯齿波信号是将输出的二进制数字信号依次
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加1，达到0xff时置为0x00，并实时将数字信号经D/A转换得
到的；
梯形波是将输出的二进制数字信号依次加1，达到0xff时
保持一段时间，然后依次减1直至0x00，并实时将数字信号经
D/A转换得到的；
正弦波是利用MATLAB将正弦曲线均匀取样后，得到等间隔
时刻的y方向上的二进制数值，然后依次输出后经D/A转换得
到。
3.电路设计（Proteus仿真通过）
本波形发生器的设计电路原理图，如下页图所示：
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题目10
电容、电阻参数单片机测试系统的设计
1. 设计要求
设计一个能测量电容、电阻参数的测试系统。
2 实验原理
对电阻的测量，可将待测电阻与一标准电阻串联后接在
+5V的电源上，根据串联分压原理，利用ADC测定电阻两端电
压后，即可得到其阻值。对电容的测量，可将其与已知阻值
的电阻RA和RB组成基于NE555的多谐振荡器如下页图。其产
生的方波信号频率为 ：
、
1.44
f
C(R A  2R B )
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故通过测定方波信号的频率可以比较精确的测定C的值。测定方
波信号频率的方法，请见题目11。
3. 电路设计（ Proteus仿真通过）
本题目的电容、电阻参数单片机测试系统的设计电路原理图，见
下页。
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4. Proteus仿真
测量电阻仿真如下图所示，但由于Proteus中555芯片模
型存在问题，无法实现对电容测量的仿真，且仿真时必须删
去555的电路模块。
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题目11
数字频率计
1. 设计要求
设计一个以单片机为核心的频率测量装置。使用AT89C51单
片机的定时器/计数器的定时和计数功能，外部扩展6
位LED数码管，要求累计每秒进入单片机的外部脉冲个
数，用LED数码管显示出来。
(1)被测频率fx＜110Hz，采用测周法，显示频率×××.
×××；fx＞110Hz，采用测频法，显示频率
××××××。
(2)利用键盘分段测量和自动分段测量。
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(3)完成单脉冲测量，输入脉冲宽度范围是100s～0.1s。
(4)显示脉冲宽度要求如下。
Tx＜1000s，显示脉冲宽度×××。
Tx＞1000s，显示脉冲宽度××××。
2. 实验原理
测量频率有测频法和测周法两种。
(1)测频法，利用外部电平变化引发的外部中断，测算1s内
的波数，从而实现对频率的测定；
(2)测周法，通过测算某两次电平变化引发的中断之间的时
间，实现对频率的测定。简而言之，测频法是直接根据定义测
定频率，测周法是通过测定周期间接测定频率。
60
理论上，测频法适用于较高频率的测量，测周法适用于较
低频 率的测量。
经过调校，在测量低频信号时，本项目中测频法精度已高
于测 周法，故舍弃测周法，全量程采用测频法。
3. 电路设计（ Proteus仿真通过）
以单片机为核心的频率计电路原理图，如下页图所示：
61
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-16.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率
为12MHz。
启动仿真如后两页图（a)和图（b)所示:
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图（a) 仿真1
64
图（b) 仿真2
65
题目12
8位竞赛抢答器的设计
1.设计要求
以单片机为核心，设计一个8位竞赛抢答器：同时供8名选手
或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0～S7表示。
设置一个系统清除和抢答控制开关S，开关由主持人控制。
抢答器具有锁存与显示功能。即选手按按钮，锁存相应的编号
，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定
（如30秒）。
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当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时，同时
扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间为0.5s左右。
参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器
停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持
到主持人将系统清除为止。
如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报
警并禁止抢答，定时显示器上显示00。
2. 实验原理
通过键盘改变抢答的时间，原理与闹钟时间的设定相同
，将定时时间的变量置为全局变量后，通过键盘扫描程序使
每按下一次按键，时间加1（超过30时置0）。同时单片机
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不断进行按键扫描，当参赛选手的按键按下时，用于产生时
钟信号的定时计数器停止计数，同时将选手编号（按键号
）和抢答时间分别显示在LED上。
3. 电路设计（Proteus仿真通过）
8位竞赛抢答器的设计电路原理图，如下页图所示：
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-19.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率
为12MHz。仿真：单击按钮，启动仿真，结果如下页图所示:
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题目13
单词记忆测试器程序设计
1. 设计要求
设计一个以单片机为核心的单词记忆测试器：
实现单词的录入（为使程序具有可演示性，单词不少于
10个）。
单词用按键控制依次在屏幕上显示，按键选择认识还是
不认识，也可以直接进入下一个或者上一个。
单词背完后给出正确率。
2. 实验原理
本题目实质上是一个具有一定复杂程度键盘扫描程序，可
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将单词存储在一个二维数组中，按“确定”键开始程序后，次
显示0行的数组，即第一个单词。之后按下“向上”按键，显
示上一行数组，即上一个单词；
按下“向下”按键，显示下一行数组，即下一个单词。当
显示的行数超过9时，程序结束，并通过按“确认”的次数，
计算出正确率。
3.电路设计（Proteus仿真通过）
本项目制作的单词记忆测试器程序设计电路如下页图所示
。
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件“keil18.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率为
11.0592MHz。
启动仿真如下页图 (a)-(c)所示:
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图（a） 单词记忆测试器程序设计启动界面仿真效果图
图（b） 单词记忆测试器程序设计测试界面仿真效果图
图（c） 单词记忆测试器程序设计正确率显示界面仿真效果
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题目14
数字电压表设计
1. 设计要求
以单片机为核心，设计一个数字电压表。采用中断方式，对
2路0～5V的模拟电压进行循环采集，采集的数据送LED显示，并
存入内存。超过界限时指示灯闪烁。
2. 实验原理
本题目本质上是以单片机为控制器，ADC0809为ADC器件的AD
转换电路，设计要求的电压显示，是对ADC采集所得信号的进一
步处理。
为得到可读的电压值，需根据ADC的原理，对采集所得的
77
信号进行计算，并显示在LED上。本项目中ADC0809的参考电压为
+5V，根据定义，采集所得的二进制信号addata所指代的电压值
为:
addata
5 V
256
而若将其显示到小数点后两位，不考虑小数点的存在（将其乘以
100），其计算的数值为：
addata 100
 5 V  addata 1.96 V
256
。将小数点显示在第二位数码管上，即为实际的电压。
78
本示例程序将1.25 V和2.5 V作为两路输入的报警值，反映在
二进制数字上，分别为0x40和0x80。当AD结果超过这一数
值时，将会出现二极管闪烁和蜂鸣器发声。
3. 电路设计（Proteus仿真通过）
本单片机数字电压表电路原理图，如下页图所示：
79
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“xxxxx.hex"；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率为
12MHz。ADC0809的时钟信号设置为640kHz。
启动仿真，如下页图所示，当调节滑动变阻器时，可观察
到显示的电压发生变化，且两路输入电压的测算值交替显示.
。当任一路电压输入超过预设值时，LED显示器闪烁，蜂鸣器
发声。由于8位AD芯片精度有限，其误差大约在几十mV左右。
81
82
题目15
可编程作息时间控制器设计
1. 设计要求
设计一个以单片机为核心的可编程作息时间控制器：
按照给定的时间模拟控制，实现广播、上下课打铃、灯光控
制（屏幕显示）,同时具备日期和时钟显示。
2. 实验原理
本题目原理与题目4相同，程序是在题目4的基础上将定
时闹钟改造为4路可调闹钟，从而实现打铃等功能。当四路
闹钟中的任一路到时，均会点亮灯、打铃。如有需求，可对
83
程序进行调整，增加闹钟的路数，及到时后的处理方式。
题目中4个按键的功能分别为：设置限制的时间/时的调
整、显示闹钟设置的时间/分的调整、设置闹钟的时间/设置
完成、闹钟更换。
3. 电路设计（Proteus仿真通过）
本可编程作息时间控制器程序设计电路原理图，如下页
图所示：
84
85
4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-17.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率
为11.0592MHz。
启动仿真如下页图所示，当四路闹钟中的任一路到时，
均会点亮灯、打铃。
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题目16
节日彩灯控制器的设计
1. 设计要求
以单片机为核心，设计一个节日彩灯控制器：
P1.2—开始，按此键则灯开始流动（由上而下）。
P1.3—停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。
P1.4—上，按此键则灯由上向下流动。
P1.5—下，按此键则灯由下向上流动。
2. 实验原理
本题目本质上是由按键控制功能的流水灯，LED工作的方
式通过键盘的扫描实现。其中的LED采取共阳极接法，通过
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依次向连接LED的Ｉ/Ｏ口送出低电平，可实现题目要求的功
能。
3. 电路设计（Proteus仿真通过）
本节日彩灯控制器电路原理图，如下页图所示，各按键
功能与实验设计要求相同：
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件“keil1.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率为12MHz。
启动仿真如下页图所示:
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题目17
双机之间的串行通信设计
1. 设计要求
两片单片机利用串行口进行串行通信：串行通信的波特率
可从键盘进行设定，可选的波特率为1200、2400、4800和
9600bit/s。串行口工作方式为方式1的全双工串行通信。
2. 实验原理
两个单片机之间进行通讯波特率的设定，最终归结到对定
时计数器T1计数初值TH1、TL1进行设定。故本题目本质上是
通过键盘扫描得到设定的波特率，从而载入相应的T1计数初
值TH1、TL1实现的。示例程序中将0xaa从主机传输到从机，
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并显示在从机的数码管上实现串口通讯的验证。
如串口通讯线路过长，可考虑采用MAX232进行电平转换，以
延长传输距离。值得注意的是，为了减少计算载入初值时的误差
，本项目最好采取11.0592MHz的晶振。
3. 电路设计（Proteus仿真通过）
两个单片机之间的串行通信接口设计电路原理图，如下页图
所示：
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“master.hex”或"slave.hex"；在“Clock Frequency”栏中
输入晶振频率为11.0592MHz。
启动仿真如下页图所示，当二极管间隔点亮时，表明通讯
成功:
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题目18
电子琴设计
1. 设计要求
设计一个电子琴。利用所给键盘的1，2，3，4，5，6，7
，8八个键，能够发出8个不同的音调，并且要求按下按键发
声，松开延时一段时间停止，中间再按别的键则发另一音调
的声音。
2. 实验原理
当系统扫描到键盘上有键被按下，则快速检测出是哪一
个键被按下，然后单片机的定时器被启动，发出一定频率的
脉冲，该频率的脉冲输入到蜂鸣器后，就会发出相应的音调
。
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如果在前一个按下的键发声的同时有另一个键被按下，
则启用中断系统，前面键的发音停止，转到后按的键的发音
程序，发出后按的键的音调。关于发声原理，参见题目5。
3. 电路设计（Proteus仿真通过）
本电子琴设计电路原理图，如下页图所示：
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100
4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-23.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率
为11.0592MHz。
启动仿真如下页图所示，依次按下各按键可听见不同的
音阶:
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题目19
数字音乐盒的设计
1. 设计要求
以单片机为核心，设计一个数字音乐盒：
利用I/O口产生一定频率的方波，驱动蜂鸣器，发出不同
的音调，从而演奏乐曲（最少3首乐曲，每首不少于30s）。
采用LCD显示信息。
a.
开机时有英文欢迎提示字符，播放时显示歌曲序号
（或名称）。
b.
可通过功能键选择乐曲、暂停、播放。
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2. 电路设计（Proteus仿真通过）
本数字音乐盒的电路设计原理图，如下图所示。
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3. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-24.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率
为11.0592MHz。
启动仿真如下页图所示，其中，液晶显示器显示的为当
前乐曲等信息，同时可听见音乐的播放声
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数字音乐盒的设计仿真液晶显示效果图
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题目20
单片机控制步进电机
1. 设计要求
采用单片机控制一个三相单三拍的步进电机工作。步进
电机的旋转方向由正反转控制信号控制。步进电机的步数由
键盘输入，可输入的步数分别为3、6、9、12、15、18、21
、24和27步，且键盘具有键盘锁功能，当键盘上锁时，步进
电机不接受输入步数，也不会运转。只有当键盘锁打开并输
入步数时，步进电机才开始工作。
电机运转的时候有正转和反转指示灯指示。
电机在运转过程中，如果过热，则电机停止运转，同时
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红色指示灯亮，同时警报响。本题目的关键之处是：如何生成
控制步进电机的脉冲序列。
2. 实验原理
步进电机的不同驱动方式，都是在工作时，脉冲信号按一
定顺序轮流加到三相绕组上，从而实现不同的工作状态。由于
通电顺序不同，其运行方式有三相单三相拍、三相双三拍和三
相单、双六拍三种（注意：上面“三相单三拍”中的“三相”
指定子有三相绕组；“拍”是指定子绕组改变一次通电方式；
“三拍”表示通电三次完成一个循环。“三相双三拍”中的“
双”是指同时有两相绕组通电）。
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（1）三相单三拍运行方式：下页图所示为反应式步进电动
机工作原理图，若通过脉冲分配器输出的第一个脉冲使A相
绕组通电，B,C相绕组不通电，在A相绕组通电后产生的磁场
将使转子 上产生反应转矩，转子的1、3齿将与定子磁极对
齐，如果图（a）所示。第二个脉冲到来，使B相绕组通电，
而A、C相绕组不通电；B相绕组产生的磁场将 使转子的2、4
齿与B相磁极对齐，如图（b）所示，与图（a）相比，转子
逆时针方向转动了一个角度。第三个脉冲到来后，是C相绕
组通电，而 A、B相不通电，这时转子的1、3齿会与C组对齐
，转子的位置如图（c)所示，与图（b)比较，又逆时针转过
了一个角度。
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图
反应式步进电机工作原理图
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当脉冲不断到来时，通过分配器使定子的绕组按着A相--B
相--C相--A相……的规律不断地接通与断开，这时步进电动机
的转子就连续不停地一步步的逆时 针方向转动。如果改变步
进电动机的转动方向，只要将定子各绕组通电的顺序改为A相-C相--B相--A相，转子转动方向即改为顺时针方向。
单三拍分配方式时，步进电动机由A相通电转换到B相同点
，步进电动机的转子转过一个角度，称为一步。这时转子转过
的角度是30度。步进电动机每一步转过的角度称为步距角。
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（2）三相双三拍运行方式三相双三拍运行方式：每次都有
两个绕组通电，通电方式是AB--BC--CA--AB……，如果通电顺
序改为AB--CA--BC--AB……则步进电机反转。双三拍分配方式
时，步进电动机的步距角也是30度
（3）三相单，双六拍运行方式：三相六拍分配方式就是每
个周期内有六个通电状态。这六中通电状态的顺序可以使A-AB--B--BC--C--CA--A……或者A-- CA--C--BC--B--AB--A……
六拍通电方式中，有一个时刻两个绕组同时通电，这是转子齿
的位置将位于通电的两相的中间位置。在三相六拍分配 方式
下，转子每一步转过的角度只是三相三拍方式下的一半，步距
角是15度。
112
单三拍运行的突出问题是每次只有一相绕组通电，在转换过
程中，一相绕组断电，另一相绕组通电，容易发生失步；另外单
靠一相绕组通电吸引转子，稳定性不好，容易在平衡位置附近震
荡，故用的较少。
双三拍运行的特点是每次都有两相绕组通电，且在转换过程
中始终有一相绕组保持通电状态，因此工作稳定，且步距角与单
三拍相同。
六拍运行方式转换时始终有一相绕组通电，且步距角较小，
故工作稳定性好，但电源较复杂，实际应用较多。
3. 电路设计（Proteus仿真通过）
本单片机控制步进电机电路原理图，如下页图所示：
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4. Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-1.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率
为12MHz。
启动仿真，各按键功能如下页图所注，根据题目要求，
只有当开关合上时，步进电机才工作。
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题目21 单片机控制直流电动机
1. 设计要求
采用单片机设计一个控制直流电机并测量转速的装置。单
片机扩展有A/D转换芯片ADC0809和D/A转换芯片DAC0832。
（1）通过改变A/D输入端可变电阻来改变A/D的输入电压
，D/A输入检测量大小，进而改变直流电机的转速。
（2）手动控制。在键盘上设置两个按键—直流电动机加
速键和直流电机减速键。在手动状态下，每按一次键，电机的
转速按照约定的速率改变。
（3）键盘列扫描（4  6）。
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2. 实验原理
本题目难点是对直流电机的控制。与步进电机类似，直流
电机也可精确地控制旋转速度或转矩。
直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。其结构如下
页图所示，固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静
止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定
子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X 两根导
体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形
的铜片上，此铜片称为换向片。
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图
有刷直流电机结构示意图
119
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向
片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢
线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，由于
转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生
一个磁场。对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电
刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。通电转子绕组与定子磁
体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准
的位置。当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕
组供电，从而使转子维持旋转运动。如下页图所示。
120
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直流电机的速度与施加的电压成正比，输出转矩则与电
流成正比。由于必须在工作期间改变直流电机的速度，直流
电机的控制是一个较困难的问题。直流电机高效运行的最常
见方法是施加一个 PWM（脉宽调制）方波，其占空比对应于
所需速度。电机起到一个低通滤波器作用，将PWM信号转换为
有效直流电平。特别是对于微处理器驱动的直流电机，由于
PWM信号相对容易产生，这种驱动方式使用的更为广泛。
本项目的示例程序为了能够演示DAC0832的使用，未使用
PWM驱动方式。而是利用直流电机的速度与施加电压成正比的
原理，通过滑动变阻器向ADC0809输入控制电压信号，经AD后
，输入到AT89C51中，AT89C51将此信号转发给DAC0832，通过
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功放电路放大后，驱动直流电机。需要注意的是，本题目使用
的Proteus版本，未提供ADC0809的仿真模型，这里以引脚、功
能与之相同的ADC0808代替。同时，DAC0832也可以用引脚、功
能相同的DAC0830代替。ADC0809与DAC0832在教材中已有详细
介绍，在此不再叙述。按照其时序图，如下页图和后页图操作
即可。
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图
ADC0808时序图
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图
DAC0830时序
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3. 电路设计（Proteus仿真通过）
本项目制作的用单片机控制直流电动机并测量转速电路原理
图，如下页图所示：
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图
用单片机控制直流电动机的电路原理图
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4.
Proteus仿真
加载目标代码文件 打开元器件单片机属性窗口，在
“Program File”栏中添加上面编译好的目标代码文件
“keil-12.hex”；在“Clock Frequency”栏中输入晶振频率
为12MHz。ADC0809的时钟信号设置为640kHz。
启动仿真如下页图所示，各按键功能如图中所注，LED
中显示的为当前电压的数字信号值，即当前转速的档位（0256），通过调整从滑动变阻器输出的电压值，可以观察到
直流电机不同的转速。
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图
用单片机控制直流电动机仿真效果图
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