【文章內(nèi)容簡介】 ，如北京啟東達(dá)愛思電子有限公司生產(chǎn)的達(dá)愛思系列微機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，可以做單片機(jī)、微機(jī)、控制等課程的實(shí)驗(yàn)。上海埃威航空電子有限公司（原上海航虹高科技有限公司）生產(chǎn)的 AEDK51系列單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括 AEDK51W（ AEDK320W）型仿真機(jī)和 EXP51 實(shí)驗(yàn)板，可以做傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，如基本 I/O 口實(shí)驗(yàn)、定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)、 A/D和 D/A 轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、電動(dòng)機(jī)、電子琴、打印機(jī)以及并行擴(kuò)展接口實(shí)驗(yàn)等。南京偉福實(shí)業(yè)有限公司開發(fā)的偉福單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由板上 仿真器、實(shí)驗(yàn)儀、偉福仿真軟件、開關(guān)電源構(gòu)成。其不僅能做傳統(tǒng)的 51 系列單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，還提供了強(qiáng)大的邏輯分析、波形輸出和程序跟蹤功能，可以讓學(xué)生直觀地觀察到單片機(jī)內(nèi)部及外部電路工作的波形。 上述幾個(gè) 公司生產(chǎn) 的 仿真器大都價(jià)格昂貴，憑學(xué)生個(gè)人的能力是不可能買到的，因而需要設(shè)計(jì)出功能完全，價(jià)格便宜，便于攜帶的實(shí)驗(yàn)板。本文就是論述簡單實(shí)用實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)與開發(fā)。 本文主要的研究工作 本文的主要工作包括單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。鑒于單片機(jī)串行擴(kuò)展總線技術(shù)的發(fā)展，本文的主要研究工作就是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)硬 件仿真系統(tǒng)部分的 實(shí)驗(yàn)板 和根據(jù)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容給出典型的實(shí)驗(yàn)例程。因此，硬件設(shè)計(jì)部分需要完成的工作主要有 實(shí)驗(yàn)板原理圖 ， PCB 電路板的繪制設(shè)計(jì)和制作，這也是軟件部分設(shè)計(jì)、調(diào)試和正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。其中硬件畢業(yè)論文 3 設(shè)計(jì)需要做的主要工作如下： ⑴ 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng) ⑵ 單片機(jī)基本實(shí)驗(yàn)電路部分； ⑶ 擴(kuò)展多樣化接口 軟件部分主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作： ⑴ 使用匯編或 C51 語言編寫單片機(jī)控制通用實(shí)驗(yàn)電路的實(shí)驗(yàn)程序。程序檢查無誤后可通過仿真功能實(shí)現(xiàn)對各部分實(shí)驗(yàn)電路的控制。 ⑵ 深入理解實(shí)驗(yàn)板程序，從原理上理解清楚實(shí)驗(yàn)板的工作原理 及 PC 機(jī)傳送的各項(xiàng)操作指令的執(zhí)行情況。 ⑶ PC 機(jī)調(diào)試、仿真、實(shí)驗(yàn)板程序。在此使用德國 KEIL 公司的 Keil C51 集成開發(fā)環(huán)境 uVision3，深入理解該實(shí)驗(yàn)板的應(yīng)用。 畢業(yè)論文 4 第二章 實(shí)驗(yàn)板硬件電路設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)板的 MCU 選型 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界微處理器的品種和數(shù)量已超過 1000 多種，流行的體系結(jié)構(gòu)達(dá) 30 多種。其中， 8051 體系占一多半。生產(chǎn) 8051 單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有 20 多家，共 350 多種衍生品。一個(gè)好的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)必須有與之適合的 MCU，文中選用了 ATEMEL 公司生產(chǎn)的單片機(jī) AT89S51。 單片機(jī)選型原則 對于 MCU 的選擇，主要基于以下幾個(gè)原則： ⑴ 應(yīng)用典型 MCS51 單片機(jī)是美國 INTEL公司于 1980 年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有 8031（內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）、 8051（芯片采用 HMOS，功耗是 630mW，是 89C51 的 5 倍，實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場淘汰）和 8751 等通用產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在， MCS51 內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品（比如目前流行的 SST89E564RD、 AT89S51 等），各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MCS51 單機(jī)作為代 表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。 ⑵ 兼容性強(qiáng) 8051 是早期的最典型的代表作，由于 MCS51 單片機(jī)影響極深遠(yuǎn)，許多公司都推出了兼容系列單片機(jī)，就是說 MCS51 內(nèi)核實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè) 8 位單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。其他公司的 51 單片機(jī)產(chǎn)品都是和 MCS51 內(nèi)核兼容的產(chǎn)品而已。同樣的一段程序，在各個(gè)單片機(jī)廠家的硬件上運(yùn)行的結(jié)果都是一樣的。 ⑶ 性價(jià)比高 任何系統(tǒng)中對微控制器的選擇都要考慮成本的因素，若忽略成本的因素，使產(chǎn)品的價(jià)格過高，在市場上將沒有競爭力。為節(jié)省成本，本單片機(jī)實(shí)驗(yàn) 板外圍電路多、接口多 ，所以要求 MCU 功能強(qiáng)大 。 根據(jù)以上原則，我們選用了 市場上普遍應(yīng)用的 ATMEL 公司的 89S51 系列單片機(jī)，其應(yīng)用廣泛、兼容性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉。 畢業(yè)論文 5 AT89S51 單片機(jī)簡介 ⑴ 單片機(jī)的特點(diǎn) 單片機(jī)芯片的集成度很高，它將微型計(jì)算機(jī)的主要部件都集成在一塊芯片上，具有以下特點(diǎn)： ① 體積小、重量輕、價(jià)格便宜、耗電少； ② 根據(jù)工控環(huán)境要求設(shè)計(jì)，且許多功能部件集成在芯片內(nèi)部，其信號(hào)通道 受外界影響小，故可靠性高，抗干擾性能優(yōu)于采用一般的 CPU； ③ 控制功能強(qiáng)，運(yùn)行速度快。其結(jié)構(gòu)組成與指令系統(tǒng)都著重滿足工控要求。有豐 富的條件分支轉(zhuǎn)移指令和很強(qiáng)的位處理功能及 I/O 口邏輯操作功能； ④ 片內(nèi)存儲(chǔ)器的容量不可能很大；引腳也嫌少， I/O 引腳常不夠用，且兼 第二功能以至第三功能 ， 但存儲(chǔ)器和 I/O 接口都易于擴(kuò)展 。 ⑵ 單片機(jī)引腳及參數(shù)簡介 AT89S51 單片機(jī)是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的核心部分， 以下是 AT89S51 單片機(jī)的主要參數(shù)及簡介。 ① 主要性能參數(shù)： 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作： 0Hhz24Mhz 1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個(gè)可編程 I/O 口 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 6 個(gè)中斷源 畢業(yè)論文 6 圖 21 單片機(jī)引腳圖 ② 引腳功能說明： Vcc：電源電壓 GND：地 P0 口： P0 是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口使用時(shí)，每位 以 吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對端口寫 ―1‖可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間 P0 口接受低 8 位地址。 P1 口： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電阻） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫 ―1‖，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 P2 口： P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電阻） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR 指令）時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。 P3 口 ： P3 口是一組帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電阻） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 21 所示： 畢業(yè)論文 7 表 21 P3 口第二功能說明 端口引腳 第二功能 RXD9（串行輸入口） TXD（串行輸出口） 0INT （外中斷 0） 1INT （外中斷 1） T0（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1） WR （外部存儲(chǔ)器寫選通） RD （外部存儲(chǔ)器讀選通） RST：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/ PROG ： 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存器允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)，即使不訪問外部存儲(chǔ)器， ALE 仍以時(shí)鐘頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可以對外輸 出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖。對 Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG ）。 PSEN ：程序儲(chǔ)存允許（ PSEN ）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89S51由外部存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在次期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的 PSEN 信號(hào) 不出現(xiàn)。 EA /Vpp：外部訪問允許。欲使 MCU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地 0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相器的輸出端。 AT89S51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外時(shí)應(yīng)晶體或陶瓷諧振 器，在本實(shí)驗(yàn)板中采用的是內(nèi)部晶振電路。振蕩電路參見畢業(yè)論文 8 下圖： X T A L 1X T A L 2G N DC 2C 1石 英 晶 體 時(shí) ： C 1 ， C 2 = 3 0 p F 177。 1 0 p F陶 瓷 諧 振 器 ： C 1 ， C 2 = 4 0 p F 177。 1 0 p F外 部 振 蕩 信 號(hào) 輸 入N C X T A L 1X T A L 2G N D晶 振 圖 22 內(nèi)部晶振電路 圖 23 外部晶振電路 實(shí)驗(yàn)板總體簡介 本文設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)性能穩(wěn)定，綜合功能極強(qiáng)。它集仿真、編程、實(shí)驗(yàn)于一體，可以進(jìn)行系統(tǒng)全面的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和應(yīng)用開發(fā)。 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能 該系統(tǒng)提供了豐富的硬件資源和接口，以方便更好的進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)以及學(xué)生更快更好地學(xué)習(xí) 單片機(jī)供了匯編語言或 C51 的源代碼，是教師進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)、學(xué)生提高電子技能的好幫手。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下實(shí)驗(yàn)功能： ⑴ 單片機(jī) I/O 口控制實(shí)驗(yàn) ⑵ 按鍵中斷實(shí)驗(yàn) ⑶ 定時(shí)器實(shí)驗(yàn) ⑷ 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn) ⑸ 4 4 矩陣鍵盤識(shí)別實(shí)驗(yàn) ⑹ 電子時(shí)鐘實(shí)驗(yàn) ⑺ LCD1602 液晶顯示控制實(shí)驗(yàn) ⑻ RS232 串行通信實(shí)驗(yàn) ⑼ 擴(kuò)展存儲(chǔ)器讀寫實(shí)驗(yàn) ⑽ 8255 并口擴(kuò)展實(shí)驗(yàn) 畢業(yè)論文 9 ⑾ A/D0809 轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn) ⑿ D/A0832 轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn) ⒀ DS18B20 數(shù)字溫度采集實(shí)驗(yàn) ⒁ 8 路發(fā)光二極 硬件總體邏輯結(jié)構(gòu) A T 8 9 S 5 1I I C 存 儲(chǔ) 模 塊L C D 1 6 0 2 液 晶 顯 示八 路 發(fā) 光 二 極 管六 位 L E D 數(shù) 碼 管 顯 示R S 2 3 2 串 行 通 信 接 口8 2 5 5 并 行 接 口D / A 轉(zhuǎn) 換 接 口A / D 轉(zhuǎn) 換 接 口鍵 盤 人 機(jī) 接 口D S 1 8 2 0 溫 度 傳 感 器蜂 鳴 器 驅(qū) 動(dòng) 電 路電 源 電 路晶 振 電 路復(fù) 位 電 路開 關(guān) 模 塊 圖 24 系統(tǒng)主板硬件總體邏輯結(jié)構(gòu)圖 如上圖所示，這是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的總體結(jié)構(gòu)圖，它大致說明了實(shí)驗(yàn)板所包含的主要功能及擴(kuò)展接口。 單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路說明 (1)時(shí)鐘電路 系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C6 和 C7 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器 圖 25 單片機(jī)晶振電路 畢業(yè)論文 10 的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的 選石英 晶體振蕩器的值為 ，電容應(yīng)盡可能的選擇 陶瓷 ，電容值約為 25pf。在焊接刷電路板時(shí)， 石英 晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 (2)復(fù)位電路 復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。由于 51 單片機(jī)是高電平復(fù)位并且高電平的持續(xù)時(shí)間要大于 2 個(gè)機(jī)器周期，圖26 是單片機(jī)上電復(fù)位與手動(dòng) 復(fù)位電路圖，其中二極管的作用是：掉電后給電容提供了放電通路，保證再上電是 RES引腳為高電平， 使 CPU 可靠復(fù)位。正常工作是二極管反偏，而斷電后 Vcc 逐漸下降，當(dāng) Vcc=0 時(shí)， Vcc 與地等電位，電容通過二極管迅速放電，放電通路為 C5 正極 → 電源 Vcc端（與地等電位） → 二極管正極 → 二極管負(fù)極 →C5 負(fù)極。按下手動(dòng)復(fù)位按鈕時(shí)，電容 C 通過 R46 放電，當(dāng)電容 C 放 圖 26 單片機(jī)復(fù)位電路 電結(jié)束后， RES 引腳電位由 R5 R46 分壓比決定。由于 R55R46，因此 RES引腳為高電平， CPU 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。松開復(fù)位按鈕，電容 C 充電， RST 引腳電位下降，是 CPU 脫離復(fù)位狀態(tài) R2 的作用在于限制復(fù)位按鈕按下瞬間電容 C5 的放電電流，避免產(chǎn)生火花，以保護(hù)按鈕的觸點(diǎn)。 (