【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)硬件電路設計 主控模塊主控模塊模塊在整個系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測鍵盤等各種參數(shù)，同時驅(qū)動液晶顯示相關參數(shù)，在這里我們選用了 51 系列單片機中的 STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。51 系列單片機最初是由 Intel 公司開發(fā)設計的，但后來 Intel 公司把 51 核的設計方案賣給了幾家大的電子設計生產(chǎn)商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大公司。因此市面上出現(xiàn)了各式各樣的均以 51 為內(nèi)核的單片機 [6]。這些各大電子生產(chǎn)商推出的單片機都兼容 51 指令、并在 51 的基礎上擴展一些功能而內(nèi)部結(jié)構(gòu)是與 51 一致的。STC89C52 有 40 個引腳，4 個 8 位并行 I/O 口，1 個全雙工異步串行口，同時內(nèi)含 5 個中斷源，2 個優(yōu)先級，2 個 16 位定時/計數(shù)器。 STC89C52 的存儲器系統(tǒng)由 4K 的程序存儲器(掩膜 ROM)，和 128B 的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)組成。STC89C52 單片機的基本組成框圖見圖 所示。時鐘電路R O M / E P R O M / F l a s h 4 K BR A M 1 2 8 BS F R 2 1 個定時個 / 計數(shù)器 2C P U總線控制中斷系統(tǒng)5 個中斷源2 個優(yōu)先級串行口全雙工 1 個4 個并行口X T A L 2 X T A L 1R S TE AA L EP S E NP 0 P 1 P 2P 3V s sV c c圖 STC89C52 單片機結(jié)構(gòu)圖 STC89C52 單片機主要特性1. 一個 8 位的微處理器(CPU)。2. 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM(128B)，用以存放可以讀／寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等，SST89 系列單片機最多提供 1K 的RAM。8 3. 片內(nèi)程序存儲器 ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。但也有一些單片機內(nèi)部不帶 ROM/EPROM，如 8031，8032，80C31 等。目前單片機的發(fā)展趨勢是將 RAM 和 ROM 都集成在單片機里面，這樣既方便了用戶進行設計又提高了系統(tǒng)的抗干擾性。SST 公司推出的 89 系列單片機分別集成了16K、32K、64K Flash 存儲器，可供用戶根據(jù)需要選用。4. 四個 8 位并行 I／O 接口 P0~P3，每個口既可以用作輸入，也可以用作輸出。5. 兩個定時器／計數(shù)器，每個定時器／計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制。為方便設計串行通信，目前的 52 系列單片機都會提供 3 個16 位定時器/計數(shù)器。6. 五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在新推出的單片機都不只 5 個中斷源，例如 SST89E58RD 就有 9 個中斷源。7. 一個全雙工 UART(通用異步接收發(fā)送器 )的串行 I／O 口，用于實現(xiàn)單片機之間或單機與微機之間的串行通信。8. 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率為 12MHz。SST89V58RD 最高允許振蕩頻率達 40MHz，因而大大的提高了指令的執(zhí)行速度。 圖 STC89C52 單片機管腳圖9 STC89C52 單片機管腳如圖 所示，部分引腳說明：1．時鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2：XTAL2(18 腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。要檢查振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看 XTAL2 端是否有脈沖信號輸出。XTAL1(19 腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地 [7]。2．控制信號引腳 RST,ALE,PSEN 和 EA：RST/VPD(9 腳)：RST 是復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持備用電源的輸入端。當主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時，將＋5V 電源自動兩個機器周期(24 個時鐘振蕩周期)的高電平時，就可以完成復位操作。RST 引腳的第二功能是 VPD,即接入 RST 端，為 RAM 提供備用電源，以保證存儲在 RAM 中的信息不丟失，從而合復位后能繼續(xù)正常運行。ALE/PROG(30 腳)：地址鎖存允許信號端。當 8051 上電正常工作后，ALE 引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率 fOSC 的 1/6。CPU 訪問片外存儲器時，ALE 輸出信號作為鎖存低 8 位地址的控制信號。平時不訪問片外存儲器時，ALE 端也以振蕩頻率的 1/6 固定輸出正脈沖，因而 ALE 信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。如果想確定 8051/8031 芯片的好壞，可用示波器查看 ALE 端是否有脈沖信號輸出。如有脈沖信號輸出，則8051/8031 基本上是好的。ALE 端的負載驅(qū)動能力為 8 個 LS 型 TTL(低功耗甚高速 TTL)負載。此引腳的第二功能 PROG 在對片內(nèi)帶有 4KB EPROM 的 8751 編程寫入(固化程序) 時，作為編程脈沖輸入端。PSEN(29 腳)：程序存儲允許輸出信號端。在訪問片外程序存儲器時，此端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此引肢接 EPROM 的 OE 端(見后面幾章任何一個小系統(tǒng)硬件圖)。PSEN 端有效，即允許讀出EPROM／ROM 中的指令碼。 PSEN 端同樣可驅(qū)動 8 個 LS 型 TTL 負載。要檢查一個 8051/8031 小系統(tǒng)上電后 CPU 能否正常到 EPROM／ROM 中讀取指10 令碼，也可用示波器看 PSEN 端有無脈沖輸出。如有則說明基本上工作正常。EA/Vpp(31 腳)：外部程序存儲器地址允許輸入端/ 固化編程電壓輸入端。當EA 引腳接高電平時，CPU 只訪問片內(nèi) EPROM/ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但當 PC(程序計數(shù)器 )的值超過 0FFFH(對 8751/8051 為 4K)時，將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi)的程序。當輸入信號 EA 引腳接低電平( 接地)時，CPU 只訪問外部 EPROM/ROM 并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。對于無片內(nèi) ROM 的 8031 或 8032,需外擴 EPROM，此時必須將 EA 引腳接地。此引腳的第二功能是 Vpp 是對 8751 片內(nèi) EPROM 固化編程時，作為施加較高編程電壓(一般 12V～21V)的輸入端 [8]。3．輸入/輸出端口 P0/P1/P2/P3：P0 口(～ ，39~32 腳) ：P0 口是一個漏極開路的 8 位準雙向 I/O 口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動 8 個 LS 型 TTL 負載。當 P0 口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器(地址 80H)寫入全 1,此時 P0 口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。作輸入口使用時要先寫 1,這就是準雙向口的含義。在 CPU 訪問片外存儲器時，P0 口分時提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的復用總線。在此期間，P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。P1 口(～ ，1~8 腳 )：P1 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向 I/O口。P1 口每位能驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。在 P1 口作為輸入口使用時，應先向 P1 口鎖存地址 (90H)寫入全 1,此時 P1 口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。P2 口(～ ，21~28 腳) ：P2 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向I/O 口。 P 口每位能驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。在訪問片外 EPROM/RAM 時，它輸出高 8 位地址。P3 口(～ ，10~17 腳) ：P3 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位準雙向I/O 口。 P3 口每位能驅(qū)動 4 個 LS 型 TTL 負載。P3 口與其它 I/O 端口有很大的區(qū)別，它的每個引腳都有第二功能，如下：：(RXD)串行數(shù)據(jù)接收。：(RXD)串行數(shù)據(jù)發(fā)送。：(INT0) 外部中斷 0 輸入。：(INT1) 外部中斷 1 輸入。：(T0) 定時/計數(shù)器 0 的外部計數(shù)輸入。11 ：(T1) 定時/計數(shù)器 1 的外部計數(shù)輸入。：(WR)外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通。：(RD)外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通。 STC89C52 單片機的中斷系統(tǒng)STC89C52 系列單片機的中斷系統(tǒng)有 5 個中斷源，2 個優(yōu)先級，可以實現(xiàn)二級中斷服務嵌套。由片內(nèi)特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器 IE 控制 CPU 是否響應中斷請求；由中斷優(yōu)先級寄存器 IP 安排各中斷源的優(yōu)先級；同一優(yōu)先級內(nèi)各中斷同時提出中斷請求時，由內(nèi)部的查詢邏輯確定其響應次序。在單片機應用系統(tǒng)中，常常會有定時控制需求，如定時輸出、定時檢測、定時掃描等；也經(jīng)常要對外部事件進行計數(shù)。STC89C52 單片機內(nèi)集成有兩個可編程的定時/計數(shù)器：T0 和 T1，它們既可以工作于定時模式，也可以工作于外部事件計數(shù)模式，此外，T1 還可以作為串行口的波特率發(fā)生器 [9]。 單片機最小系統(tǒng)設計圖 單片機最小系統(tǒng)電路圖 圖 為單片機最小系統(tǒng)電路圖，單片機最小系統(tǒng)有單片機、時鐘電路、復位電路組成，時鐘電路選用了 12MHZ 的晶振提供時鐘，作用為給單片機提供一個時間基準，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時間為一個機器周期，單片機12 的復位電路，按下復位按鍵之后可以使單片機進入剛上電的起始狀態(tài)。圖中10K 排阻為 P0 口的上拉電阻，由于 P0 口跟其他 IO 結(jié)構(gòu)不一樣為漏極開路的結(jié)構(gòu)，因此要加上拉電阻才能正常使用。 LCD 液晶顯示器簡介由于本設計中要求顯示界面顯示一些參數(shù)，因此這里選用了 LCD1602 作為界面顯示，可以把一些相關的參數(shù)進行顯示。 液晶原理介紹液晶顯示器(LCD) 英文全稱為 Liquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術來實現(xiàn)色彩的顯示器。和 CRT 顯示器相比，LCD 的優(yōu)點是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題。顯示接口用來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，命令或采集的電壓數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)顯示部分用的是 LCD 液晶模塊，采用一個 162 的字符型液晶顯示模塊。 點陣圖形式液晶由 M 行N 列個顯示單元組成，假設 LCD 顯示屏有 64行，每行有 128 列，每 8 列對應 1 個字節(jié)的 8 個位，即每行由 16 字節(jié)，共 168=128 個點組成，屏上 6416 個顯示單元和顯示 RAM 區(qū) 1024 個字節(jié)相對應，每一字節(jié)的內(nèi)容和屏上相應位置的亮暗對應。一個字符由 68 或 88點陣組成，即要找到和屏上某幾個位置對應的顯示 RAM 區(qū)的 8 個字節(jié)，并且要使每個字節(jié)的不同的位為‘1’，其它的為‘0’ ，為‘1’ 的點亮，為‘0’ 的點暗，這樣一來就組成某個字符。但對于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在 LCD 上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示 RAM 對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。 液晶模塊簡介LCD1602 液晶模塊采用 HD44780 控制器，hd44780 具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能，LM016L 與單片機 MCU 通訊可采用 8 位或 4 位并行傳輸兩種方式，hd44780 控制器由兩個 8 位寄存器，指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標志（BF ），顯示數(shù) RAM（DDRAM），字符發(fā)生器 ROMA（CGOROM ）字符發(fā)生器 RAM（CGRAM），地址計數(shù)器13 RAM(AC)。IR 用于