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本课程设计是《计算机原理与接口技术》课程的具体应用和实践,其重点在于将理论知识应用于具体的功能实现中。学生通过课程设计,应初步学会利用微机和接口芯片设计应用系统的基本方法;初步掌握微机应用系统中硬件电路的设计方法;掌握利用汇编语言设计和编写应用程序的设计方法;提高调试综合应用程序的能力。通过理论设计和实践操作巩固和加深对理论知识的理解,增强设计微机应用系统和调试应用软件的能力,提高学生的工程素质。
通过本课程的教学,学生应初步具备以下能力:
(1)掌握微机系统的基本原理和相关硬件知识,能够设计满足实际需求的微机系统硬件电路,会搭建硬件电路;
(2)熟练掌握汇编语言的基本知识和技能,并运用于实际微机系统的软件设计中,验证设计的正确性;
(3)能够在设计出满足实际需求的微机系统的基础上,考虑系统在功能上的扩展或性能上的提升,体现创新意识。
题目 水库水位监视系统
请为某水库设计水位监视系统,系统要求始终持续监视水位的高低变化,当水位超过一定阈值时开始报警,使用扬声器播放报警音并点亮报警灯,当水位恢复正常后,系统将不再报警。
(1) 水位超过最高点90%(E6)时开始报警。可使用滑动变阻器模拟水位信号,使用ADC0809的IN0端监测水位高低。可采用查询法,持续读取水位值,并判断是否超过阈值。
(2) 报警时扬声器发出0.5s 500Hz和0.5s 1kHz交替持续变化的声音,并点亮报警灯;当水位降低而低于阈值时报警声停止并警灯熄灭。利用可编程定时器8253产生音频报警信号,地址范围为8004H-8007H。可分别产生500Hz和1kHz频率的信号,并使用0.5s时长信号去选通并控制持续时间。
(3) 利用8255控制ADC0809的A/D转换和报警控制。地址范围为8000H-8003H
(4) 设计图中应该包含CPU8086、存储器自选、地址译码器74LS138 、ADC0809,8253,8255等完整的连接线路图,图要清晰。
本系统主要包含四个部分,分别是CPU8086最小系统、水位模拟、水位数据采集、报警装置。其中,CPU8086采用74HC373作为地址锁存;使用滑动变阻器模拟水位信号;水位数据采集使用ADC0808采样(因ADC0809在Proteus中无法仿真,原理上ADC0809和ADC0808是一样的。),并将数据送到CPU中进行处理;报警装置包括了扬声器和报警灯,通过8255控制报警灯的亮/灭,通过8255控制8253产生方波信号进而驱动扬声器。各模块经74HC138地址译码,并行I/O接口8255控制,可编程计数器8253产生方波,CPU处理数据及控制外设,从而实现了一个实时水库水位监视系统。
此系统总原理图分成了八个很小的子模块,但其实主要模块是CPU8086最小系统、地址译码、水位模拟、水位数据采集、报警装置,其他模块支持将各个主模块联系到一起。
4.2.1 8086最小系统
本模块实现了8086的一个最小系统,使用了74HC373作为地址锁存器。
4.2.2 地址译码
本模块使用74HC138作为地址译码器,八个输出端口的地址范围分别是:
Y0:8000H、8002H、8004H、8006H
Y1:8001H、8003H、8005H、8007H
Y2:8008H、800AH、800CH、800EH
Y3:8009H、800BH、800DH、800FH
Y4:8010H、8012H、8014H、8016H
Y5:8011H、8013H、8015H、8017H
Y6:8018H、801AH、801CH、801EH
Y7:8019H、801BH、801DH、801FH
4.2.3 并行I/O接口
并行I/O接口采用8255A芯片,其地址范围为8000H、8002H、8004H、8006H;8000H选择A端口,8002H选择B端口,8004H选择C端口,8006H选择控制字寄存器,用于设置端口A、B、C的工作方式。本系统将A口设置为方式0输出模式,B口设置为方式0输入模式,PC74作为输出,PC03作为输入。
4.2.4 报警灯
报警灯连接到8255的PC5口,该口在8255中设置为了输出模式,当需要点亮报警灯时,设置PC5口为1即可点亮。加三极管的原因是8255芯片本身输出的电流比较小,如果直接接上发光二极管可能导致发光二极管比较暗,效果不明显,此处加上三极管起到增大电流的作用。
4.2.5 水位模拟
水位模拟使用了一个滑动变阻器,可以调控滑动变阻器的接入值模拟水位的变化。
4.2.6 水位数据采集
水位数据采集使用了ADC0808,为什么没有使用ADC0809的原因是Proteus里面无法实现ADC0809的仿真,原则上两者的工作方式是一致的。将水位模拟器的VIN端接入到ADC0808的IN0,时钟信号接入的是600KHz。软件编程时,先发出启动ADC0808的启动信号(此处对应引脚PA7置1),再撤销启动信号(PA7置0),形成一个启动脉冲,从而达到启动开始转换的目的;然后一直读取EOC引脚(此处对应PC0)观察转换是否完成,如果EOC输出为1,则转换完成,进入下一步,否则,持续读取EOC引脚的值;转换完成后就可以使能OE(输出允许即PC7),进而将转换的数据送到数据总线上以备CPU获取。
4.2.7 方波产生(8253)
使用8253产生方波输出到扬声器,从而发出警报声。8253的地址范围是8008H、800AH、800CH、800EH。8008H是计数器0地址,800AH是计数器1地址,800CH是计数器2地址,800EH是选择控制字寄存器。时钟接入的是50KHz。本系统在程序开头就将三个计数器设置为方式3,计数初值设置为计数器0:C350H、计数器1:0032H、计数器2:0064H,分别产生1Hz、1KHz、500Hz的方波。为实现8255控制的目的,将三个GATE位接到PC4,当PC4输出为1时,启动计数,产生方波;否则,停止计数,不产生方波。
4.2.8 扬声器
将8253产生的方波信号接入到扬声器模块。为了扬声器发出0.5s 500Hz和0.5s 1kHz交替持续变化的声音,接入了一个2输入选通芯片74HC257;计数器0产生的1Hz的方波作为选通信号,计数器1和计数器2产生的1KHz方波和500Hz方波作为输入信号;在1Hz方波为高电平时,接通500Hz信号,在1Hz方波为低电平时,接通1KHz信号;将输出信号经过一个非门后接到三极管,根据三极管的导通与关断使得扬声器工作。
在输入到三极管时接了一个非门的原因是,如不接入,在三个计数器未工作时默认输出为高电平,高电平将会导致图中的OUT接口持续为高电平,那么三极管就会导通,扬声器就会工作,虽然鸣叫声与报警声不同但会影响工作人员的判断;所以接入一个非门,在计数器未工作时,将OUT端口强制置为0,保证扬声器在水位未溢出时不工作。
接入三极管的原因是,扬声器是一个大功率电器,如果直接接入芯片两端,芯片的输出端的电平会被拉低,导致系统无法正常工作,此处加上三极管起到驱动扬声器的作用。
STACK SEGMENT 'STACK'
DW 128 DUP(0)
STACK ENDS
DATA SEGMENT
PA EQU 8000H
PB EQU 8002H
PC EQU 8004H
PD EQU 8006H
;PD是译码后的方式字口地址,用于对8255完成的初始化
CS1 EQU 800EH ;8253地址
TIM0 EQU 8008H ;定时器0地址
TIM1 EQU 800AH ;定时器1地址
TIM2 EQU 800CH ;定时器2地址
MODE EQU 83H
;8255控制字,PA口作为输出,PB口作为输入,PC4~7作为输出,PC0~3作为输入
DATA ENDS
CODE SEGMENT
START PROC FAR
ASSUME SS:STACK,CS:CODE,DS:DATA
MOV AX,0000H
MOV DS,AX
MOV AL,MODE
MOV DX,PD
OUT DX,AL ;初始化8255
MOV DX,PA
MOV AL,00H
OUT DX,AL ;PA口输出为0
;以下是8253的初始化,8253的时钟为50Khz
MOV AL,36H
MOV DX,CS1
OUT DX,AL
;8253控制字为36H,选中定时器0,工作于方式3,先读/写低八位,后读/写高八位
MOV AL,50H
MOV DX,TIM0
OUT DX,AL
MOV AL,0C3H ;设置定时器0初值为C350H,产生1hz的方波
OUT DX,AL
MOV AL,76H
MOV DX,CS1
OUT DX,AL
;8253控制字为76H,选中定时器1,工作于方式3,先读/写低八位后读/写高八位
MOV AL,32H
MOV DX,TIM1
OUT DX,AL
MOV AL,00H
OUT DX,AL ;设置定时器1初值为0032H,产生1khz的方波
MOV AL,0B6H
MOV DX,CS1
OUT DX,AL
;8253控制字为B6H,选中定时器2,工作于方式3,先读/写低八位后读/写高八位
MOV AL,64H
MOV DX,TIM2
OUT DX,AL
MOV AL,00H
OUT DX,AL ;设置定时器2初值为0064H,产生500hz的方波
AGAIN:
MOV DX,PA
MOV AL,80H ;启动0809信号 PA7 = 1
OUT DX,AL
MOV AL,00H ;撤销启动信号
OUT DX,AL
MOV BX,0066H
CHICK:
MOV DX,PC
IN AL,DX
TEST AL,01H
JZ CHICK ;判断是否转换完成
OR AL,80H
OUT DX,AL ;输出允许信号使能
MOV DX,PB
IN AL,DX
CMP AL,BL ;比较转换值与E6H(也就是水位为90%时)的大小
JS JNOCHG ;如果标志位SF==0,说明此处结果为负值,转到JNOCHG
MOV DX,PC ;否则,将PC口输出为00H,失能蜂鸣器和报警灯
MOV AL,00H
OUT DX,AL
JMP AGAIN
JNOCHG:
JNC BEEPWORK
;如果CMP AL,BL结果为负且无进(借)位产生,那么无符号数AL>E6H,水位高于90%
;则转到BEEPWORK
JMP AGAIN
BEEPWORK:;启动蜂鸣器和报警灯
MOV DX,PC
MOV AL,30H
OUT DX,AL ;PA口输出为0
JMP AGAIN
CODE ENDS
END START
首先一步一步编辑Proteus原理图,比如先实现8086最小系统与可编程I/O口8255的功能,编辑简单程序加载到CPU里面看程序能否正常运行,调试原理图及程序至满足要求;再一步一步添加其他比如8053,蜂鸣器,报警灯等外设;各模块都要调试至满足题目要求才可,每一步都不能出差错;最后实现整个系统的电路原理图。
在上一步编辑原理图调试简单程序的基础上,将那些简单程序综合到一起,根据程序框图形成完整的代码。
在DOS下编译编写好的程序,获得.exe文件,将该文件加载到Proteus的8086CPU里面。运行仿真,观察各模块是否正常工作;如果存在未正常工作的模块,一定要重新调试该模块直到其正常工作为止;如果不存在未正常工作的模块,则观察系统的功能是否已经实现,效果如何,一直调试至系统功能实现且效果满足要求即可。