东北大学秦皇岛分校开题报告

一 概述 随着单片机的不断发展，应用于生活当中屡见不鲜。以其简单、便捷、低成本及低功 耗的特点逐渐取代了以往中、小规模的集成电路产品。只要写入不同的程序，同一片单片 机能够完成不同的工作。单片机极高的可靠性、微型性和智能性、需编写不同的程序后就 能够完成不同的控制工作。单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已 经深深地渗入到日常生活当中。 1.1 单片机的发展历史和发展方向 单片机的历史并不长，然而发展却十分迅猛。自 1971 年美国 Intel 公司首先研制出 4 位单片机 4004 以来它的发展可粗略划分为 4 个阶段。 第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以 Intel 公司的 MCS-48 为代表。MCS- 48 的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有 Motorola 、Zilog 等，都取得了 满意的效果。这就是 SCM 的诞生年代， “单片机”一词即由此而来。 第二阶段（1978-1982）：单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS48 基础上推出了完 善的、典型的单片机系列 MCS51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体 系结构。 完善的外部总线。MCS-51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构，包括 8 位数据总 线、16 位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 CPU 外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 第三阶段（1982-1990：8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段，也是单片 机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的 MCS96 系列单片机，将一些用于测控系统的 模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。 随着 MCS51 系列的广应用，许多电气厂商竞相使用 80C51 为内核，将许多测控系统中使 用的电路技术、接口技术、多通道 A/D 转换部件、可靠性技术等应用到单片机中增强了 外围电路功能，强化了智能控制的特征。 第四阶段（1990 至今）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面、 深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8 位/16 位/32 位通用型单片 机以及小型廉价的专用型单片机。 纵观各个系列的单片机产品的特性，可以看出单片机正朝两个方向发展。 一方面，单片机的性能不断提高，功能越来越强。该类产品可以满足各种复杂应用系 列的要求。如 INTEL 公司的 MCS-96 系列、MO68HC11 系列等。 另一方面，在中小型只能产品中，单片机则朝小型、超低功耗、多品种等发展方向。 从工业角度看，随着大规模继承电路技术的改进。单片机经历了 PMOS、NMOS、CMOS 等各阶段，现在正朝着改进型 CMOS 工艺的方向发展。 低电压化、低噪声与高可靠性 、大容量化及高性能化逐渐成为主导。 低电压化 ：几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。允许使用的电压 范围越来越宽，一般在 36V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达 12V。目 前 0.8V 供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性 ：为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境， 满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术 措施。 大容量化：以往单片机内的 ROM 为 1KB4KB，RAM 为 64128B。但在需要复杂控 制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内 ROM 最大可达 64KB，RAM 最大为 2KB。 高性能化：主要是指进一步改进 CPU 的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制 的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指 令速度最高者已达 100MIPS（Million Instruction Per Seconds）即兆指令每秒，并加强了位 处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10 倍以上。 由于这类单片机有极高的指令速度就可以用软件模拟其 I/O 功能由此引入了虚拟外设的 新概念。 单片机的控制性能和可靠性高，体积小，价格低，易于产品化。在现代的各种电子器 件中，单片机具有良好的性能价格比。正是单片机得到广泛应用的重要原因。 1.2 单片机的应用 在说单片机应用之前，首选来谈谈我们使用的电脑。我们使用的电脑属于通用计算机。 现在普通 PC 机的运行速度就已经达到了 3GB 以上，拥有海量的硬盘空间，80GB、160GB 甚至 200G 都很常见，内存普通的都有 256M、512M 甚至有 1G 内存，使用 19“大屏幕液晶 显示器等等。正是这些电脑的高性能，为我们海量数值计算、信息处理、多媒体和网络应 用、办公、家用等的实现成为可能。 相比之下，单片机的硬件配置就没有通用计算机那么高，单片机运算速度一般只有几 兆至几十兆，如 51 单片机常用的晶振频率有 6MHZ、11.0592MHZ 和 24MHZ 等。单片机 内部程序空间也比较小，一般在几 KB 到几十 KB，单片机内存 RAM 一般几百字节到几 KB。虽然单片机微型计算机的性能无法和电脑相比。但是单片机具有高可靠性、体积小、 智能性、实时性、可塑性强等诸多特点，而且价格低廉，如一片 89S51 单片机才几块钱。 正是这些特点使单片机成为工程师们开发嵌入式应用系统和小型智能化产品的首选 单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入到我们的 日常生活当中-小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业 过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天 等领域都可见到单片机的身影。以下是一些应用举例 1、智能产品：单片机微处理器与传统的机械产品相结合，使传统机械产品结构简化、 控制智能化，构成新一代的机电一体化的产品。例如传真打字机采用单片机，可以取代近 千个机械器件，缝纫机采用单片机控制，可执行多功能自动操作、自动调速、控制缝纫花 样的选择。 2、智能仪表：用单片机微处理器改良原有的测量、控制仪表，能使仪表数字化、智能 化、多功能化、综合化。而测量仪器中的误差修正、线性化等问题也可迎刃而解。 3、测控系统：用单片机微处理器可以设计各种工业控制系统、环境控制系统、数据控 制系统，例如温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节 系统等。 4、数控型控制机：在目前数字控制系统的简易控制机中，采用单片机可提高可靠性 增强其功能、降低成本。例如在两坐标的连续控制系统中，用 805l 单片机微处理器组成的 系统代替 Z-80 组台系统。在完成同样功能的条件下，其程序长度可减少 50，提高了执行 速度。 5、智能接口，微电脑系统：特别是较大型的工业测控系统中，除外围装置(打印机、 键盘、磁盘、CRT)外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。如果 采用单片机进行接口的控制与管理，单片机微处理器与主机可并行上作，大大地提高了系 统的执行速度。 1.3 LED 的定义和特点 Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化 为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一 端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分 是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位。另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但 这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个 P-N 结。当电流通过导线作用于这个 晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发 出能量，这就是 LED 发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成 P-N 结的材料 决定的。 1、 LED 特点和优点 ： LED 的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。 2、 体积小： LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。 3、 耗电量低： LED 耗电非常低，一般来说 LED 的工作电压是 2-3.6V。工作电流是 0.02-0.03A。这就是说， 它消耗的电不超过 0.1W。 4、 使用寿命长： 在恰当的电流和电压下，LED 的使用寿命可达 10 万小时。 5、 高亮度、低热量 6、 环保： LED 是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时 LED 也可以回收再利用。7、坚固耐用 ： LED 是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的 部分，这些特点使得 LED 可以说是不易损坏的。 LED 发光技术的原理是某些半导体材料在通以电流的情况下会发出特定波长的光，这 种电到光的转换效率非常高，对所用材料进行不同的化学处理，就可以得到各种亮度和视 角。 LED 散发出电磁波，当这些波达到 380nm 以上及在 780nm 以下，在这中间的波长是 可见光。LED 是一种非常有用及有效率的光源，它的光学构造体实在已将发出的光几无损 失的集合起来，经狭小的结构投射出来，它的颜色是根据它使用的半导体成份造成，目前 大约有红、黄、绿及白光等等。 1.4 LED 简介 LED 电子显示屏是由几万-几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不 同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素点。 目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到了。LED 显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像，不仅可以用于室内环境还可以用于室外环 境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。 LED 显示屏显示画面色彩鲜艳、立体感强、静如油画、动如电影，广泛应用于车站、 码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和 其它公共场所。在我国改革开放之后，特别是进入 90 年代国民经济高速增长，对公众场合 发布信息的需求日益强烈，LED 显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在 LED 显 示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高，生产也得到了迅速的发展，并逐 步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。LED 显示屏经历了从单色、双色图文显示 屏，到图像显示屏的发展过程。 和很多应用术语一样，LED 图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，一般把显示图 形和/或文字的 LED 显示屏称为图文屏。这里所说的图形，是指由单一亮度线条组成的任意图形，以便于不同亮度、灰度、点阵组成的图像相区别。图文显示屏的主要特征是只控 制 LED 点阵中各发光器件的通断、发光或熄灭，而不控制 LED 的发光强弱。LED 图文显 示屏的外观可以做成条形，叫做条形图文显示屏，简称条屏。也可以按一定高度比例做成 矩形的平面图文显示屏。其实条屏只不过是其宽度远大于高度的平面显示屏，在显示与控 制的原理上并无区别。 从理论上说，不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在 位置相对应的 LED 器件发光。通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，再按照显 示控制的要求以一定的格式形成显示数据。对于只控制通断的图文显示屏来说，每个 LED 发光器件占据数据中的 1bit 在需要该 LED 器件发光的数据中相应的位填 1，否则填 0。当 然，根据控制电路的安排，相反的定义同样是可行的。这样依照所需显示的图形文字，按 显示屏的各行各列