【文章內(nèi)容簡介】 制對象等優(yōu)點，單片機(jī)越來越成為電子工程師設(shè)計產(chǎn)品時的首選器件之一。因此擁有一塊單片機(jī)開發(fā)板對單片機(jī)學(xué)習(xí)具有著極其重要的意義。但是單片機(jī)學(xué)習(xí)效果的優(yōu)劣直接取決于單片機(jī)的選擇， C51 系列單片機(jī)內(nèi)部具有 128 字節(jié) RAM、 5 個中斷源、 32 條 I/O 口線、 2 個 16 位定時器、 4KB 的程序存儲器、一個全雙工異步串行口。本開發(fā)板選擇具有 ISP 在線編程功能的 S51 單片機(jī)，該單片機(jī)不需要燒寫器，可在開發(fā)板上 ISP 在線編程，具有廣泛的應(yīng)用前景。 S51 單片機(jī)除兼容 C51 單片機(jī)外，還具有工作頻率 0 至 33MHz 的高工作頻率；可以滿足絕大多數(shù)的實際應(yīng)用開發(fā)需求，在開發(fā)板上使用十分方便。 本課題設(shè)計的 S51 單片機(jī)開發(fā)板，具有一般開發(fā)板通用結(jié)構(gòu)，并基于硬件進(jìn)行相關(guān)軟件設(shè)計。利用程序開發(fā)語言開發(fā)程序并實現(xiàn) ISP 在線下載到單片機(jī)，無需配置單獨的下載器 。單片機(jī)使用 ISP 在線下載程序，加快了程序設(shè)計者調(diào)試的進(jìn)度，使設(shè)計者所設(shè)計的程序盡快得到驗證。通過對開發(fā)板上的模塊進(jìn)行實驗，可以提高針對不同硬件進(jìn)行編程的能力，同時通過實驗現(xiàn)象對所用的硬件也有了更深一步的認(rèn)識，因此該開發(fā)板具有一定的實用價值和現(xiàn)實意義。 S51開發(fā)板的設(shè)計 2 2 系統(tǒng)方案 總體設(shè)計方案 本開發(fā)板共分為十四個模塊，分別是： S51 單片機(jī)主控制器模塊、鍵盤模塊、 AD模塊、 DA 模塊、 DS1302 時鐘模塊、測溫模塊、 MAX232 模塊、 MAX485 模塊、數(shù)碼管模塊、 LCD1602 模塊、 LCD12864 模塊、下載器模塊、流水燈模塊、蜂鳴器模塊。其中以 S51 單片機(jī)作為核心控制器；鍵盤模塊用來向單片機(jī)輸入特定編碼的信息；AD 模塊用來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換； DA 模塊用來實現(xiàn) DA 轉(zhuǎn)換； DS1302 時鐘模塊用來實現(xiàn)實時時鐘；測溫模塊用來測量環(huán)境溫度； RS232 模塊和 RS485 模塊通過電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)通信；數(shù)碼管模塊用來顯示簡單的數(shù)字、字母； LCD1602 模塊用來顯示字母、數(shù)字、符號； LCD12864 模塊用來顯示圖像、符號、漢字；下載器模塊用來實現(xiàn) S51 單片機(jī)的 ISP 在線編程；流水燈模塊用來顯示單片機(jī) I/O 口電平的變 化；蜂鳴器模塊用來發(fā)出聲音。 設(shè)計原則 開發(fā)板系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下設(shè)計原則： (1)盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)； (2)系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開發(fā)； (3)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時間比硬件實現(xiàn)長，且占用 CPU時間； (4)系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用 CMOS 芯片單片機(jī)構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品； (5)可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件設(shè)計必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等； (6)單片機(jī)外圍電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動器增強(qiáng)驅(qū)動能力或減少芯片功耗來降低總線負(fù)載； (7)盡量朝“單片”方向設(shè)計硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 S51開發(fā)板的設(shè)計 3 3 硬件部分 硬件結(jié)構(gòu)框圖 總體硬件結(jié)構(gòu)主要包括： S51 單片機(jī)主控制器模塊、鍵盤模塊、 AD 模塊、 DA模塊、 DS1302 時鐘模塊、測溫模塊、 MAX232 模塊、 MAX485 模塊、數(shù)碼管模塊、LCD1602 模塊、 LCD12864 模塊、下載器模塊、流水燈模塊、蜂鳴器模塊。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示： 圖 31 總體硬件結(jié)構(gòu)框圖 S51單片機(jī) 主控制模塊 DA模塊 流水燈模塊 蜂鳴 器模塊 AD模塊 數(shù)碼管模塊 LCD12864模塊 LCD1602模塊 MAX485模塊 MAX232模塊 下載器模塊 鍵盤模塊 DS1302實時時鐘模 塊 測溫模塊 S51開發(fā)板的設(shè)計 4 硬件電路設(shè)計 S51 單片機(jī)主控制模塊 S51 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括： MCU、復(fù)位電路、晶振電路。原理圖 如圖 32 所示： 圖 32 S51 單片機(jī)主控制模塊原理圖 采用按鍵復(fù)位方式，選取晶振為 12MHZ，系統(tǒng)機(jī)器周期為 1us。 鍵盤模塊 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖 33 所示 ： 圖 33 鍵盤模塊原理圖 JP7 用來連接 P2 口與矩陣鍵盤模塊， 在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在S51開發(fā)板的設(shè)計 5 交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如 P2 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯， 比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9 鍵） ， 在需要的 按 鍵數(shù)較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 AD 模塊 a ADC0832 簡介 A/D 轉(zhuǎn)換在單片機(jī)接口中應(yīng)用廣泛，串行 A/D 轉(zhuǎn)換器具有功耗低、性價比較高、芯片引腳少等特點。 ADC0832 是 NS(National Semiconductor) 公司生產(chǎn)的具有Microwire/Plus 串行接口的 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，通過三線接口與單片機(jī)連接，適宜在袖珍式智能儀器中使用。主要性能指標(biāo)有：功耗低，只有 15mW； 8 位分辨率， 逐次逼近型，基準(zhǔn)電壓為 5V；輸入模擬信號電壓范圍為 0～ 5V；輸入和輸出電平與 TTL和CMOS 兼容；在 250kHz 時鐘頻率時 ， 轉(zhuǎn)換時間為 32us；具有兩個可供選擇的模擬輸入通道。 ADC0832 有 DIP 和 SOIC 兩種封裝， DIP 封裝的， ADC0832 引腳排列如圖 34所示： 圖 34 ADC0832 引腳圖 各引腳說明如下： CS— 片選端，低電平有效； CH0， CH1— 兩路模擬信號輸入端； D I— 兩路模擬輸入選擇輸入端； DO— 模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端； CLK— 串行時鐘輸入端； VCC /REF— 正電源 端和基準(zhǔn)電壓輸入端； GND— 電源地。 ADC0832工作時，模擬通道的選擇及單端輸入和差分輸入的選擇，都取決于輸入時序的配置位。當(dāng)差分輸入時，要分配輸入通道的極性，兩個輸入通道的任何一個S51開發(fā)板的設(shè)計 6 通道都可作為正極或負(fù)極。 b 硬件實現(xiàn) AD 模塊的原理圖如圖 35 所示： 圖 35 AD 模塊原理圖 單片機(jī)與 ADC0832 通過 、 、 相連，分別為時鐘信號線、數(shù)據(jù)輸出信號線、片選信號線。開發(fā)板可外接模擬信號，也可由電位器 R R8 將 +5V分壓后提供兩路模擬信號。 DA 模塊 a TLC5615 簡介 TLC5615 為美國德州儀器公司 1999 年推出的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍。帶有上電復(fù)位功能，即把DAC 寄存器復(fù)位至全零。 TLC5615 性能價格比高，目前在國內(nèi)市場很方便購買 。主要性能指標(biāo)有： 10 位 CMOS 電壓輸出 ； 5V單電源供電；與 CPU 三線串行接口；最大輸出電壓可達(dá)基準(zhǔn)電壓的二倍；輸出電壓具有和基準(zhǔn)電壓相同極性；建立時間； 內(nèi)部上電復(fù)位；低功耗，最大僅 。 TLC5615 有小型和塑料 DIP 封裝， DIP 封裝的 TLC5615 芯片引腳排列如圖 36所示 ： 圖 36 TLC5615 引腳排列圖 S51開發(fā)板的設(shè)計 7 引腳功能說明如下： DIN— 串行數(shù)據(jù)輸入端； SCLK— 串行時鐘輸入端； CS— 芯片選用通端，低電平有效； DOUT— 用于級聯(lián)時的串行數(shù)據(jù)輸出端； AGND— 模擬地； REFIN— 基準(zhǔn)電壓輸入端； OUT— DAC 模擬電壓輸出端； VDD— 正電源端。 b 硬件實現(xiàn) DA 模塊的原理圖如圖 37 所示： 圖 37 DA 模塊原理圖 單 片機(jī)與 TLC5615 通過 、 、 相連，分別為片選信號線、時鐘信號線、數(shù)據(jù)輸入信號線。 TLC5615 轉(zhuǎn)換后的模擬信號通過 OUT 端輸出。 DS1302 時鐘模塊 a DS1302 簡介 DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓寬達(dá) ～ 。采用三線接口與 MCU 進(jìn)行同步通信 ， 并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或 RAM 數(shù)據(jù)。 DS1302 內(nèi)部有一個 31*8 的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器。主要性能指標(biāo)有： 31 字節(jié)帶后備電池的 RAM 用于數(shù)據(jù)存儲；S51開發(fā)板的設(shè)計 8 串行 I/O 口 ， 管腳數(shù)量少；寬范圍工作電壓： ～ ；工作電壓 時 ， 電流小于 300nA；讀 /寫時鐘或 RAM 數(shù)據(jù)時有兩種傳送方式 — 單字節(jié)傳送和突發(fā)模式傳送；8 腳 DIP 封裝或其他可選封裝方式；簡單的 3 線接口；與 TTL 兼容 (Vcc = 5V)；可選工業(yè)級溫度范圍： 40℃～ + 85℃；與 DS1202 兼容。 DS1302 的引腳如圖 38 所示： 圖 38 DS1302引腳圖 Vcc1 為后備電源， Vcc2 為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。當(dāng) Vcc2 高于 Vcc1 + 0. 2V時， Vcc2 給 DS1302 供電。當(dāng) Vcc2 低于 Vcc1 時， DS1302 由 Vcc1 供電。 X X2為振蕩源，外接 32. 768 kHz 晶振。 I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入 /輸出端 (雙向 )， SCL K 為時鐘輸入端。 RST 是復(fù)位片選線，通過把 RST 輸入驅(qū)動置為高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。 RST 輸入 有兩種功能： RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器；RST 提供了終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng) RST 為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許 DS1302 進(jìn)行操作。如果在傳送過程中置 RST 為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，并且 I/ O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在 Vcc 高于 2. 5V之前，RST 必須保持低電平。只有在 SCL K 為低電平時，才能將 RST 置為高電平。 b 硬件實現(xiàn) DS1302 時鐘模塊的原理圖如圖 39 所示 ： 圖 39 DS1302 時鐘原理圖 S51開發(fā)板的設(shè)計 9 單片機(jī)與 DS1302 通過 、 、 相連，分別為時鐘信號線、輸入輸出線、復(fù)位信號線。 DS1302 的晶振引腳連接 32768HZ 的晶振。 測溫模塊 a DS18B20 簡介 DS18B20 是 DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，是一種單總線溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，有兩種封裝形式分別為 3腳 PR35封裝和 16腳SSOP封裝。本文采用的是 3腳 PR35封裝，其具有以下特點：采用了單總線技術(shù)，傳感器直接以二進(jìn)制輸出被測溫度，可通過串行口線，也可與單機(jī)通過 I/O 口連接；測量溫度范圍為： 55℃～ +125℃，測量精度高達(dá) +℃；內(nèi)含寄生電源，在兩線方式下可通過數(shù)據(jù)線提供寄生電源，而不需要再單獨供電；轉(zhuǎn)換時間在分辨率為 12位（即℃）時最大為 750ms；用戶可分別對每個器件設(shè)定溫度上下限； DS18B20 在使用時不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；每個 DSl8B20 器件對應(yīng)一個唯一的 64 位長的序號，該序號值存放 ROM中，可通過序號匹配實現(xiàn)多點測溫。引腳排列如圖 310所示： VDD：接電源引腳，電源供電 ～； DQ：數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳； GND：接地圖 310 DS18B20 引腳圖 S51開發(fā)板的設(shè)計 10 b 硬件實現(xiàn) DS18b20溫度傳感器模塊的原理圖如圖 311所示： 圖 311 DS18b20 溫度傳感器模塊原理圖 單片機(jī)與 DS18B20 通過 相連，作為數(shù)據(jù) /控制信號線。 串行通信模塊 a RS232 串行通信模塊 RS232 是由電子工業(yè)協(xié)會 (Electronic