单片机原理与接口技术

朱向庆、鄢磊、林厚健、张强志、黄杰贤、杨冬涛、陈志雄

目录

  • 1 概述
    • 1.1 课程简介
    • 1.2 单片机的结构组成、特点和指标
    • 1.3 单片机的发展历史和产品类型
    • 1.4 计算机进制数、有符号二进制数、二进制编码
    • 1.5 在线测验
  • 2 MCS-51单片机硬件结构和原理
    • 2.1 MCS-51单片机的分类
    • 2.2 单片机硬件结构
    • 2.3 中央处理器(CPU)
    • 2.4 存储器
    • 2.5 并行I/O接口
    • 2.6 时钟电路和时序
    • 2.7 单片机的工作方式
    • 2.8 在线测验
    • 2.9 在线测验(物理师范)
  • 3 MCS-51指令系统及汇编程序设计
    • 3.1 指令系统简介
    • 3.2 指令系统
    • 3.3 汇编语言程序设计
    • 3.4 在线测验
  • 4 MCS-51的C程序设计
    • 4.1 C51概述
    • 4.2 C51语法基础
    • 4.3 C51对MCS-51单片机的访问
    • 4.4 C51程序设计实例
    • 4.5 在线测验
    • 4.6 在线测验(物理师范)
  • 5 MCS-51中断、定时计数器及串行接口
    • 5.1 中断系统
    • 5.2 定时/计数器
    • 5.3 串行口
    • 5.4 在线测验
    • 5.5 在线测验(物理师范)
  • 6 单片机系统基本并行扩展技术
    • 6.1 外部总线、存储器和并行口的扩展
    • 6.2 显示器的扩展
      • 6.2.1 LED数码管
      • 6.2.2 LED点阵
      • 6.2.3 LCD液晶
      • 6.2.4 OLED有机发光二极管
      • 6.2.5 USART HMI串口触摸屏
      • 6.2.6 电子纸
    • 6.3 键盘的扩展
    • 6.4 A/D转换器扩展
    • 6.5 D/A转换器扩展
    • 6.6 在线测验
  • 7 单片机系统开发工具
    • 7.1 Keil C51开发工具及仿真调试
    • 7.2 Proteus仿真软件及调试方法
    • 7.3 51单片机仿真器、编程器及EEPROM擦除器
    • 7.4 图形化开发工具及思路
    • 7.5 国产软件工具
    • 7.6 在线测验
    • 7.7 在线测验(物理师范)
  • 8 STM32单片机
    • 8.1 电子课件
    • 8.2 电子图书
    • 8.3 文档资料
    • 8.4 教学视频
    • 8.5 软件安装
  • 9 实验教学
    • 9.1 多功能微控制器实验箱简介
      • 9.1.1 实验箱布局
      • 9.1.2 各功能模块连接关系
      • 9.1.3 可以完成的实验项目
      • 9.1.4 单片机核心板
      • 9.1.5 仿真实验
      • 9.1.6 下载实验
    • 9.2 实验一 Proteus与Keil的使用
    • 9.3 实验二 LED流水灯与自锁开关
    • 9.4 实验三 定时器实现的循环彩灯
    • 9.5 实验四 单片机与计算机串行通信
    • 9.6 实验五 数码管显示的电子钟
    • 9.7 实验六 1×4独立按键与8×8点阵
    • 9.8 实验七 ICL7109、ADC0809模数转换
    • 9.9 实验八 基于STM32单片机的LED灯控制系统
    • 9.10 单片机与CPLD实验系统
    • 9.11 存在问题的实验报告
  • 10 STC单片机口袋实验板
    • 10.1 预备知识
      • 10.1.1 焊接注意事项
      • 10.1.2 综合测试程序的功能
      • 10.1.3 整体布局与各功能模块
      • 10.1.4 整机电路介绍
    • 10.2 单片机最小系统及实验板的使用
    • 10.3 LED流水灯
    • 10.4 三色LED灯
    • 10.5 数码管
    • 10.6 串行通信
    • 10.7 独立按键
    • 10.8 模数转换(含光照度检测)
    • 10.9 DAC5571数模转换
    • 10.10 PWM-DAC
    • 10.11 DS18B20温度检测
    • 10.12 DS1302实时时钟
    • 10.13 EEPROM存储器
    • 10.14 看门狗
    • 10.15 低功耗运行方式
  • 11 学生参加竞赛获奖作品
    • 11.1 一等奖
    • 11.2 二等奖
    • 11.3 三等奖
    • 11.4 成功参赛奖
    • 11.5 赛前练习作品
一等奖

一、三子棋游戏装置

2024年第十届广东省大学生电子设计竞赛一等奖,参赛学生:练茂灼、付云锦、陈俊彬。

摘要:三子棋游戏装置是集成图像识别与自动控制技术设计的互动娱乐设备。本设备利用丝杆滑台和步进电机构建三维运动平台,采用STM32F407VET6作为核心处理器,负责接收来自视觉系统的指令并精确控制电机动作实现自动落子。视觉系统基于OpenMV摄像头,实时采集棋盘图像,并通过图像处理算法(包括二值化、轮廓检测、特征点提取等)准确识别棋盘上的布局状态。装置采用PID控制算法来确保滑台精确移动目标位置。经过实验,本装置能够准确识别并执行下一步最佳落子策略,同时具备良好的稳定性与重复定位精度。


二、自动驾驶小车

2024年第十届广东省大学生电子设计大赛一等奖,参赛学生:肖皓峰,朱佳燊,池昱昊。

摘要:设计一种高效、精准的小车自动行驶算法,小车通过PID控制实现动态目标角度调整,在接近直线ACBD交点处,实时修正方向并回正,确保小车沿黑线精准切入并完成巡线任务。此算法结合了路径规划与闭环控制技术,有效解决了复杂轨迹下的定位与转向难题。小车按要求路径连续行驶4圈,凭借优化的PID参数与高效的计算逻辑,大幅缩短用时,展现卓越的稳定性和执行效率。


    三、基于卷积神经网络的香梨分拣系统

   2022年第九届广东省大学生电子设计竞赛一等奖,参赛学生:2020蔡榕坤、黄志雄、彭健豪

 摘要:我国是水果生产大国,传统的人工分拣方式极大地增加企业、农户的人力成本,降低工作效率,而且跟不上消费者的需求随着人工智能以及物联网的迅速发展,智慧生活的逐渐普及,针对这一系列的问题,提出一种基于卷积神经网络的香梨分拣系统,利用图像识别可实现对香梨品质的筛选,采用YOLOV2算法对香梨大小进行分级以及配合机械臂自动装箱,并且利用物联网随时查看分拣数据。本分拣系统的应用可推广到蔬果分拣中,提高生产效率。


四、远程智能售卖车

    2022年第九届广东省大学生电子设计竞赛一等奖,参赛学生:2020庄彦进、李浩昌、王家杰

 摘要:本项目基于STM32单片机,利用超声波模块、语音识别模块实现便捷购物。通过终端向MQTT服务器订阅和发布主题,实现各终端之间的物联。无人售卖可减少人们的直接接触,其体积较成本低,更灵活、更容易实现多场景的普及和使用。例如,可将售卖车停靠在无实体店的区域,驶入疫情风险地区等等;顾客能够更方便购买到商品,商家也能足不出户、减少成本。


五、水果采摘机器人

   2022年第九届广东省大学生电子设计竞赛一等奖,参赛学生:2019级蔡子颖、梁锐轩、覃新晖。

 摘要:农业自动化是提高农业生产效率的重要手段,为实现全自动采摘,设计一款以柑橘为采摘对象的采摘机器人模拟全自动抓取。本机器人结合运动学技术、自动控制技术、图像识别技术和通信技术,同时设计遥控器,可对机器人进行手动控制、自动控制和参数校正,在机械臂末端可检测光照强度并对检测视野进行自动补光,还配备用于无线图传Wi-Fi模组和摄像头。软件设计主要包括机械臂逆解算法、二维PID机械臂追踪算法、电机转速PID控制算法和目标识别定位与通信

(一)白天自动采摘


(二)夜天自动采摘


六、基于AI图像识别的人体体温检测和口罩识别安检门

   2020年第八届广东省大学生电子设计竞赛一等奖,2021年第十六届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛二等奖,参赛学生:2018级黄伟雄、胡嘉辉、罗志强,2019级钟锦杰、陈宇帆、朱恒熠。

 摘要:本系统是一种便携式人体体温检测和口罩识别安检门,用于检测安检门通行者佩戴口罩与否与体温测量的功能。系统采用STM32F407ZGT6作为主控芯片,采用图像识别芯片Kendryte K210对通行者口罩佩戴与否的识别,DCI红外测温传感器实现人体非接触测温,采用语音播报通行者的体温和口罩佩戴信息。通行者的体温信息和口罩佩戴信息可通过安检门上的HMI液晶显示屏显示出来,也可通过手机APP远程查看通行者信息,同时可通过APP进行语音输入实现对安检门和灯光开关的控制;从机可以通过语音无线实时传输,便于工作人员与通行者交流;安检门结构上设计成可移动式和可折叠式便于管理,适用于多种场合

 关键词:深度学习;口罩检测;图像识别;红外人体测温;语音无线传输;便携式


七、基于AI图像识别的视觉障碍人士背包

   2021年第十六届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛一等奖,参赛学生:2018级魏洁锋、陈德鹏、谢雄辉、胡佳林、陈德鹏、姚凯茵,2019级梁锐轩、蔡子颖、覃新晖。

 摘要:本背包是一套集障碍物检测、定位检测、光照强度检测、语音播报、防摔检测、红绿灯识别等功能于一体,能够根据模块检测结果帮助视觉障碍人士出行的设计系统。本系统以STM32F411CEU6单片机为主控芯片,由超声波测距、摄像头、语音播报等模块实现提醒视觉障碍人士前方障碍物及马路红绿灯情况的功能,光强模块检测周边环境的光强信息,姿态传感器模块检测视障人士身体姿态情况,当用户身体状态监测到不安全状态时,通信模块将发送提醒到设定用户,同时支持位置分享或拨打电话给亲人,十分方便视觉障碍人士的出
行,并且对视觉障碍人士的出行有一定的安全保障。

 关键词:红绿灯识别;智能避障;GSM/GPS通信;姿态检测



八、智能电子锁

   2018年第七届广东省大学生电子设计竞赛一等奖,2019年第十五届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛二等奖,参赛学生:2016级施震渺、李桂聪、陈俊杰。

 摘要:本系统是一套集人脸识别开锁、指纹识别开锁、密码开锁、IC卡感应开锁、手机近/远程开锁、电话报警等功能于一体的人工智能安防电子锁系统。系统以STM32F407单片机为控制中心,使用4.3TFT触摸屏进行人机交互;使用OV5640AS608模块分别进行人脸、指纹识别开锁;使用RC522模块感应IC卡开锁;使用RM04 Wi-Fi模块连接智能手机,通过APP开锁;使用GSM模块用于紧急电话报警及开锁。系统可根据各模块发来的数据进行处理、识别,达到既安全又方便的效果。

 关键词:人脸识别;指纹识别;密码开锁;IC卡开锁;手机开锁

 林桂聪、施震渺同学2020年毕业时考研成功,分别到广东工业大学、华南农业大学攻读硕士学位。


九、聋哑人贴身小助手

   2019年第十五届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛一等奖,2018年第七届广东省大学生电子设计竞赛三等奖,参赛学生:2015级何昌毅、朱万鸿、叶永康,2016级温锐豪、李晓俊、叶大腾,2017级江君豪。

 摘要:本系统是一款能自定义手势、语音识别与播报的聋哑人随身辅助器。它以STM32F103ZET6单片机为主控芯片,OpenMV3摄像头模块作为手势的采集与识别,可自定义手势,把识别到的手势与之匹配的中文通过串口传送到语音识别模块并播放。自定义手势时:先在OpenMV3前做出需要定义的手势,摄像头识别完成后,在HMI串口屏上输入用户自定义手势的中文意思。用GSM模块进行语音拨号通话,在手机APP端输入对应需要显示或者播放的文字,蓝牙模块无线控制主控芯片。通过预先设定手势含义,聋哑人只需做出手势,然后在HMI串口屏上选择含义,随后该手势含义就会通过语音模块播报出来,从而简化了聋哑人与普通人的交流过程。

 关键词:聋哑人辅助器;手势识别;语音识别;GSM语音通信

 李晓俊同学2020年毕业时考研成功,桂林电子科技大学攻读硕士学位。


十、基于STM32Android的智能健康家居系统

   2016年第六届广东省大学生电子设计竞赛一等奖,2017年第十四届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛二等奖,参赛学生:2013级洪志博、2014级李嘉宝、邓浩欣、徐永锋、邓小强、张子杰、赖俊桂。

  摘要本系统是一套集空气质量检测、温度气压光强检测、家用电器自动控制、远程安卓APP与短信控制等功能于一体的智能家居系统。系统以STM32F407ZGT6为控制中心,使用GP2Y1051AMQ2MQ135BMP180DS18B20和光敏电阻等模块分别完成对PM2.5、烟雾与液化气等可燃气体、硫化物与苯系等有毒气体、气压、温度和光强等数据的检测。使用4.3寸电容触摸屏幕作为家居系统控制屏幕,可完成室内人机交互。同时配备远程因特网数据转发服务器和安卓APP,可进行远程家居环境数据监测与电器控制。使用GSM模块用于紧急短信通信。系统可根据采集的空气数据进行对空调、窗户、抽风机和空气净化器等设备的自动控制和紧急控制,同时可根据采集的光强和当前时间进行对灯光的自动控制,使用者可通过触摸屏幕、安卓APP和短信进行对家居环境数据的查看和电器设备的控制。

  关键词智能家居;空气质量检测;灯光控制;自动控制;远程控制

 赖俊桂同学2018年毕业时考研成功,到华南农业大学攻读硕士学位。


十一、一种智能学生手环背包

   2014年第五届广东省大学生电子设计竞赛一等奖,参赛学生:2012级邱日錞、陆浩培、薛勇。

 摘要:本系统以STM32CC2450为主控中心,包含计步、高低肩、驼背、MP3语音播放、GSM安全检测、万年历、温度和电源显示共八个模块。一方面通过蓝牙CC2450控制OLED显示万年历、温度值、计步值和电量,另一方面通过STM32控制MP3语音播放模块和和陀螺仪实现人体语音对MP3的播放操作和对人体走路驼背、高低肩的检测。使用低功耗的蓝牙之间的无线通信,并利用OLED达到无线通信之间的信息的显示及控制。

 关键词:计步;学校GSM通知短信通知;高低肩;驼背;MP3语音播放


邱日錞同学2016年毕业时被中国电信广州分公司录用。