单片机课程设计报告
题目：对可调光LED灯发光强度进行控制 学院： 机电工程学院 班级： 自09A-1 姓名： 学号： 0910101011 指导教师：
一、设计任务：
1、单片机可选用飞思卡尔型。
2、按键及显示方案可采用CH451芯片或其他方案。 3、设计并制作可调光LED灯，并对发光强度进行控制。
二、设计方案：
硬件选择：飞思卡尔MC9S12S128系类单片机，驱动模块，LED 模块，CH4541模块；
工作原理：通过调节PWM为1KHz至10KHz TTL方波，调节其占空比，从而调节电压，决定了发光强度。
MC9S12S128部分管脚图：
MC9S12S128主要系统参数：
S12X CPU， 最高总线速度 40MHz
64KB、128KB和256KB 闪存选项，均带有错误校正功能（ECC）
带有ECC的、4KB至8KB DataFlash，用于实现数据或程序存储 配置8 、10或12位模数转换器（ADC），转换时间3μ s 支持控制区域网（CAN）、本地互联网（LIN）和串行外设接口（SPI）协 议模块
带有16-位计数器的、8-通道定时器 出色的EMC，及运行和停止省电模式
1、由于MC9S12S128自带有AD以及PWM 功能，所以对软件的要求交简单。 2、键盘输入采用CH451整体模块 3、通信端口为PA口，与中断端口
三、硬件结构： CH451硬件电路结构
驱动模块设计
四、软件设计
4.1 HCS12控制软件主要理论
智能车开发环境采用了飞思卡尔HCS12系列单片机开发软件CodeWarrior。该软件具有支持多种语言、开发环境界面统一、交叉平台开发以及支持插件工具等特点。在CodeWarrior界面完成编译后，通过BDM FOR S12工具，在CodeWarrior环境下向MC9S12模块下载程序。BDM FOR S12工具使用简单，十分方便。 在整个系统设计中，用到了4个单片机基本功能模块：时钟模块、PWM输出模块、AD转换模块、。通过编写程序先对所用到的模块进行初始化，并通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现期望的功能。为实现所期望的功能所需芯片资源如表4.1所示。
表4.1 系统所用到的芯片资源
AD模块 PWM 模块 IO 端口模块 PAD PWM01 PA0 电阻调值 PWM CH451 系统通过在主函数中循环调用CH451读写函数、计算、、控制PWM等功能子模块，对LED进行控制；程序执行前先对各个模块初始化，然后执行主函数的功能；初始化流程图如图10所示：
图10 程序初始化流程图
4.2各模块设计
时钟初始化 PWM初始化
PWM 的主要特点有：
1、它有 8 个独立的输出通道，并且通过编程可控制其输出波形的周期。 2、每一个输出通道都有一个精确的计数器。
3、每一个通道的 PWM 输出使能都可以由编程来控制。 4、PWM 输出波形的翻转控制可以通过编程来实现。
5、周期和脉宽可以被双缓冲。当通道关闭或 PWM 计数器为 0 时，改变周期和脉宽才起作用。
6、8 字节或 16 字节的通道协议。
7、有 4 个时钟源可供选择（A、SA、B、SB） ，他们提供了一个宽范围的时 钟频率。
8、通过编程可以实现希望的时钟周期。 9、具有遇到紧急情况关闭程序的功能。
10、每一个通道都可以通过编程实现左对齐输出还是居中对齐输出。
4.3.1 设定单片机总线频率
时钟基本脉冲是CPU工作的基础。MC9S12XS128微控制器的系统时钟信号，由时钟振荡电路或专用时序脉冲信号提供。MCU内部的所有时钟信号都来源于EXTAL引脚，也为MUC与其他外接芯片之间的通信提供了可靠的同步时钟信号。 对于S12，可以利用寄存器SYNR、REFDV来改变晶振频率，从而产生由锁相环倍频后的时钟频率fPLLCLK，可以选用8MHz或16MHz外部晶体振荡器作外时钟。在本车的设计中，外部晶体振荡器为16MHz，即fOSCCLK=16MHz。而锁相环产生的时钟频率fPLLCLK=2*fOSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1)，设计中我们将SYNR设为4，REFDV设为1，故fPLLCLK=80MHz。
S12的总线时钟是整个MCU系统的定时基准和工作同步脉冲，其频率固定为晶体频率fPLLCLK的1/2。故可以得到fPLLCLK/2=40MHz的总线频率，接近MC9S12XS128单片机的上限内部总线频率45MHz。以下是总线频率子程序： //-----------------------设置总线
------------------------------
void SET_PLL() { CLKSEL=0X00; SYNR=4; REFDV=1;
PLLCTL=0x60;
while ((CRGFLG&0x08)==0); //时钟校正同步
CLKSEL=0x80;//使用PLLCLK 执行后busclock=pllclk/2 }
频
率
4.3.2 PWM输出模块
MC9S12XS128集成了8路8位独立PWM通道，通过相应设置可变成4个16位PWM通道，每个通道都有专用的计数器，PWM输出极性和对齐方式可选择，8个通道分成两组，共有4个时钟源控制。PWM0、PWM1、PWM4、PWM5为一组，使用时钟源ClockA和ClockSA；PWM2、PWM3、PWM6、PWM7构成另一组，使用时钟源ClockB和ClockSB。ClockA和ClockB均是由总线时钟经过分频后得到，分频范围1~128，通过寄存器PWMPRCLK来设置，ClockSA和ClockSB是分别通过ClockA和ClockB进一步分频后得到的，分频范围为1~512，分别通过寄存器PWMSCLA和PWMSCLB来设置，计算公式为：
ClockSA=ClockA/（2*PWMSCLA） ClockSB=ClockB/（2*PWMSCLB）
通过寄存器PWME来控制PWM0~PWM7的启动或关闭。
为了提高精度，我们将PWM0和PWM1，PWM2和PWM3，PWM4和PWM5级联，构成16位的PWM通道，级联时，2个通道的常数寄存器和计数器均连接成16位的寄存器， 3个16位通道的输出分别使用通道1、3、5的输出引脚，时钟源分别由通道1、3、5的时钟选择控制位决定。级联时，通道1、3、5的引脚变成PWM输出引脚，通道0、2、4的时钟选择没有意义。
通过寄存器PWMPRCLK、PWMSCLA、PWMSCLB、PWMCLK对各通道的时钟源进行设
置。
PWM模块初始化过程如下：
************************************************/ void pwm_init(void) {
PWMPOL=0xff; //对应通道的极性，及联通到首先输出高电平 PWMCLK=0xff; //clock sa做时钟源 PWMPRCLK=0x00; //令时钟A为总线频 PWMCAE=0x00; //左对齐输出模式 PWMCTL=0xF0; //01,23,45,67级联
PWMSCLA=0x01; //clockSA=ClockA/(2*PWMSCLA)=20Mhz PWMSCLB=0x01; //clockSB=ClockB/(2*PWMSCLB)=20Mh
PWMPER01=0xc8; //设定周期 ,周期是：时钟源周期*（PWMPER) 10khz PWMDTY01=0x64;
PWME=0xFF;
}注：开关PWM操作通过写PWME寄存器完成，如图11所示，开相应通道则相应Bit置1，关相应通道则相应Bit置0，那么开1，3，5通道，则PWME=0x2a。
4.3.4 AD转换模块
AD转换模块由模拟量前端的8选1多路转换开关，采样缓冲器及放大器，逐次逼近式模拟量转换、控制部分及转换结果存储部分等组成。
AD转换所需要的时间周期是固定不变的，但采样时间和时钟频率可以通过寄存器ATDxCTL4（x为0或1）在一定范围内选择，其公式为：
ATDClock=BusClock*0.5/(PRS+1)
AD转换模块的初始化程序如下所示：
//---------------------AD初始化------------------------------- void AD_Init() {
ATD0CTL1=0x00; //7:1-外部触发,65:00-8位精度,4:放电,3210:ch ATD0CTL2=0x40; //AFFC=1,对结果寄存器的访问将自动清除转换完成
标志位
ATD0CTL3=0x80; //右对齐无符号,4个ad通道采样, No FIFO, Freeze模式下继续转
ATD0CTL4=0x01; //765:采样时间为4个AD时钟周期,ATDClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1]
ATD0CTL5=0x30; //6:0特殊通道禁止,5:1连续转换 ,4:1多通道轮流采样
ATD0DIEN=0x00; //禁止数字输入 }
AD转换结果存放在寄存器ATD0DRxL，通过这些寄存器将结果传送到数组CAIJItable []，用来检测道路信息。
CH451：算法
/functhion:CH451 INIT
************************************************/ void ch451_init(void) { DDRJ_DDRJ6=0;
DDRA=0x0f; //循环计数位 wr_ch451(0x0201); //ch451内部复位
wr_ch451(0x0402); //ch451键盘开启，显示关闭
wr_ch451(0x0507); //ch451工作在mode1，扫描极限为8，亮度占空比为7 }
4.4 程序调试
S12系列微控制器具有一个由片内仿真、触发和跟踪硬件构成的单线背景调试模式(BDM)，因此它可以通过使用两种开发工具：简单串行电缆或低成本的BDM，来完成调试功能。在本次比赛中，我们所采用的赛车软件开发工具为清华大学开发的专门面向于Motorola S12系列微控制器的BDM调试工具以及由Metrowerk公司开发的CodeWarrior编译器。
Code Warrior是面向以HC12和S12为CPU的单片机嵌入式应用开发的软件包，包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器等。在CodeWarrior软件中可以使用汇编语言或C语言，以及两种语言的混合编程。
用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中，工程文件一旦生成就是一个最小系统，用户无需再进行繁琐的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代码。
如图13 所示，利用BDM和CodeWarrior自带的hiwave.exe用户可以进行一系列的调试工作，如监视寄存器状态、修改PC指针、设置断点等，这样能快速的找到软件问题
图13 Hiwave 程序调试环境
4.4.2软件调试
在软件设计中，要用到 ATD 模块、PWM 模块、电源模块等。在编写主程序前，要先对各个模块分别进行调试，并编写各部分的子程序。
根据系统电路板的资源，本设计方案中，使用PAD00对电阻值进行AD转化，PWM0和PWM1口级联后控制PWM输出
调试ATD模块时，先使用BDM模块将子程序下载到芯片内，然后分别在ATD的输入端利用稳压源产生0-+5V的电压，观察CodeWarrior 的Memory窗口中各个输入的电压值在误差允许范围内相等，说明该子程序正确。
为检验PWM模块子程序，可以编写输出一定占空比的 PWM 波形子程序，从PWM端口接入示波器，通过示波器观察输出波形是否与设定值相同，若相同则程序正确。
在每一部分子程序调试通过后，结合外围电路对所有子程序进行整合，根据LED工作原理，编写出完整的主程序。在CodeWarrior 界面完成程序编译后，通过BDM工具，将程序下载到MC9S12XS128微处理器中，然后进行PWM的调试。
五、设计收获与结果
通过多天的艰苦努力，实现所预想功能。虽然说没有做到最好，但是通过大家的合作与努力，我们会做到更好。比赛结果可能不能如愿以偿，但是我们在这几天中收获的是知识与经验。
程序代码：
#include #include \"derivative.h\" /* derivative-specific definitions */ #include \"led.h\" //head file of program #include #pragma LINK_INFO DERIVATIVE \"MC9S12XS128\" #define DIN PORTA_PA0 #define DCLK PORTA_PA1 #define DOUT PTIJ_PTIJ7 #define LOAD PORTA_PA3 uchar open; uchar set=0; uchar AD_set; uchar keynum; uchar led0_f[16]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}; uint ch451_led[8]={0x0800,0x0900,0x0a00,0x0b00,0x0c00,0x0d00,0x0e00,0x0f00}; uint twinkle=0x0680; uint AD_wValue; /*************************************/ void main(void) { /* put your own code here */ DisableInterrupts; pll_set(); pwm_init(); ad_init(); ch451_init(); interrupt_init(); EnableInterrupts; //允许可屏蔽中断 for(;;) { while(!ATD0STAT0_SCF); // 等待转换结束 AD_wValue=ATD0DR0; if(AD_set==1){ display(); delay(0xffff); PIEJ_PIEJ7=1; /***************************************************/ _FEED_COP(); /* feeds the dog */ } /* loop forever */ /* please make sure that you never leave main */ } /*********************************************** functhion:IPLLCLK Init ************************************************/ void pll_set(void){ CLKSEL=0X00; PLLCTL=0xE1; SYNR=0x04; //设置总线频率为(SYNR+1)*8MHz,即40MHz REFDV=0x01; PLLCTL=0x60; asm NOP; ;//空操作，进行简单的延时，等待锁相环的响应 asm NOP; asm NOP; while ((CRGFLG&0x08)==0); //时钟校正同步 CLKSEL=0xA0;//使用PLLCLK } /************************************************/ void interrupt_init(void){ PIEJ_PIEJ7=1; } /*********************************************** functhion:PWM INIT ************************************************/ void pwm_init(void) { PWMPOL=0xff; //对应通道的极性，及联通到首先输出高电平 PWMCLK=0xff; //clock sa做时钟源 PWMPRCLK=0x00; //令时钟A为总线频 PWMCAE=0x00; //左对齐输出模式 PWMCTL=0xF0; //01,23,45,67级联 PWMSCLA=0x01; //clockSA=ClockA/(2*PWMSCLA)=20Mhz PWMSCLB=0x01; //clockSB=ClockB/(2*PWMSCLB)=20Mh PWMPER01=0xc8; //设定周期 ,周期是：时钟源周期*（PWMPER) 10khz // PWMPER23=0x00c8; // PWMPER45=0x00c8; //通道级联的周期,10khz // PWMPER67=0x00c8; //通道级联的周期,10khz PWMDTY01=0x64; PWME=0xFF; } /*********************************************** functhion:CH451 INIT ************************************************/ void ch451_init(void) { DDRJ_DDRJ6=0; DDRA=0x0f; //循环计数位 wr_ch451(0x0201); //ch451内部复位 wr_ch451(0x0402); //ch451键盘开启，显示关闭 wr_ch451(0x0507); //ch451工作在mode1，扫描极限为8，亮度占空比为7 } /**************************************************** AD 初始化 ************************************************/ void ad_init(void) { ATD0CTL2=0xC0; // 11 0 000 00 启动清零, 无等待模式, 禁止外部触发, 中断禁止 ATD0CTL3=0x00; // 转换序列长度为 8, No FIFO, Freeze模式下继续转换 ATD0CTL4=0xB5; //时间为500< <2MHZ (时间不对) // 1（8位10位） 01(采样时间选择) 10101(PRS)8 位精度, 4个AD时钟, ATDClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1]=1254704Hz;PRS=5,divider=32 ATD0CTL5=0x30; // 0左对齐，0无符号，0单次转换 ，1多通道，000从0通道开始 ATD0DIEN=0x00; // 禁止数字输入 } /*********************************************** functhion:write to ch451 ************************************************/ void wr_ch451(uint data){ uchar i; DCLK=0; LOAD=0; //清零，开始准备 for(i=0;i<12;i++){ if(data%2==1) DIN=1; //最后一位为1时，送1 else DIN=0; //最后一位为0时，送0 DCLK=1; //DCLK的上升沿送数 asm nop; asm nop; DCLK=0; data=data>>1; } //循环将12位送往CH451 LOAD=1; asm nop; asm nop; asm nop; //完成 } /*********************************************** functhion:get the keynumber ************************************************/ uchar get_keynumber(void){ uchar data,i; data=0; //键值初始为0 wr_ch451(0x0700); //开始获取键值 DCLK=1; LOAD=0; for(i=0;i<7;i++){ //将七位键值循环获取 if(DOUT==1){ data=data<<1; data+=1; } else {data=data<<1;} DCLK=0; //获取下一个数 asm nop; asm nop; asm nop; DCLK=1; } return data; //返回值为键值 } /*********************************************** functhion:assingments ************************************************/ void dis_assingments(uchar data){ switch (data){ case 0x70: turn_on(); //键值70对应任务1：开始功能 break; case 0x78: turn_off(); //键值78对应任务2：关闭功能 break; case 0x50: case 0x47: data_set(); break; case 0x40: // turn_on(); up(); break; case 0x48: down(); break; case 0x58: AD_change(); break; default:break; } /*********************************************** case 0x40:turn_off;break; case 0x48:up;break; case 0x49:down;break; case 0x50:left_move;break; case 0x51:right_move;break; case 0x58:data_set;break; case 0x59:ok;break; case 0x50: left_move; break; } ****************************************************/ } /*********************************************** functhion:开启功能 ************************************************/ void turn_on(void){ open=1; //开始标志置1 wr_ch451(0x0600); wr_ch451(0x0403); //开启显示功能 wr_ch451(0x085b); //3f,06,5b,4f,66,6d,7d,07 wr_ch451(0x093f); wr_ch451(0x0a06); wr_ch451(0x0b5b); wr_ch451(0x0c3f); wr_ch451(0x0d66); wr_ch451(0x0e5B); wr_ch451(0x0f4F); } /*********************************************** functhion:关闭功能 ************************************************/ void turn_off(void){ open=0; //开始标志置1 wr_ch451(0x0402); //关闭显示功能 } /*********************************************** functhion:开始设置 ************************************************/ void data_set(void){ if(open==1){ volatile uchar i; volatile uint led; volatile uint a=0x000f; //与其相与可以得到某位的值 // led=PWMPER01; for(i=0;i<8;i++){ if(i<4){ led=PWMPER01; led>>=(4*i); led&=a; led=led0_f[led]; led+=ch451_led[7-i]; wr_ch451(led); } else{ led=PWMDTY01; led>>=(4*(i-4)); led&=a; led=led0_f[led]; led+=ch451_led[7-i]; wr_ch451(led); } } // wr_ch451(twinkle); AD_set=0; } } void up(void){ if(open==1){ volatile uchar i; volatile uint led; volatile uint a=0x000f; //// led=PWMPER01; uint dty=PWMDTY01; if(dty!=200) { dty+=1; } PWMDTY01=dty; for(i=0;i<8;i++){ if(i<4){ led=PWMPER01; led>>=(4*i); led&=a; led=led0_f[led]; led+=ch451_led[7-i]; wr_ch451(led); } else{ 与其相与可以得到某位的值 led=PWMDTY01; led>>=(4*(i-4)); led&=a; led=led0_f[led]; led+=ch451_led[7-i]; wr_ch451(led); } delay(0x00ff); } // wr_ch451(twinkle); } } /*********************************************** functhion:占空比减少 /************************************************/ void down(void){ if(open==1){ volatile uchar i; volatile uint led; volatile uint a=0x000f; //与其相与可以得到某位的值 // led=PWMPER01; uint dty=PWMDTY01; if(dty!=0) dty-=1; PWMDTY01=dty; for(i=0;i<8;i++){ if(i<4){ led=PWMPER01; led>>=(4*i); led&=a; led=led0_f[led]; led+=ch451_led[7-i]; wr_ch451(led); } else{ led=PWMDTY01; led>>=(4*(i-4)); led&=a; led=led0_f[led]; led+=ch451_led[7-i]; wr_ch451(led); } } // wr_ch451(twinkle); } delay(0xffff); delay(0xffff); delay(0xffff); delay(0xffff); delay(0xffff); delay(0xffff); delay(0xffff); delay(0xffff); delay(0xffff); delay(0xffff); } /*********************************************** functhion:开启ad功能 ************************************************/ void AD_change(void){ AD_set=1; } /*********************************************** functhion:延时 ************************************************/ void delay(uint j){ uint n,m; for(n=0;n functhion:展示************************************************/ void display(void) { volatile uchar i; volatile uint led; volatile uint a=0x000f; //与其相与可以得到某位的值 // led=PWMPER01; volatile uint p; p=(AD_wValue/256)*160; PWMDTY01=(uint)p/256; for(i=0;i<8;i++) { if(i<4){ led=PWMPER01; led>>=(4*i); led&=a; led=led0_f[led]; led+=ch451_led[7-i]; wr_ch451(led); } else{ led=PWMDTY01; led>>=(4*(i-4)); led&=a; led=led0_f[led]; led+=ch451_led[7-i]; wr_ch451(led); } } } /*********************************************** functhion:中断程序 ************************************************/ #pragma CODE_SEG __NEAR_SEG NON_BANKED void interrupt 24 keyboard(void){ PIEJ_PIEJ7=0; //关中断 keynum=get_keynumber(); dis_assingments(keynum); } #pragma CODE_SEG DEFAULT; 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容