【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 置應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)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(mǎn)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(kāi)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(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時(shí)間比硬件實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)，且占用 CPU 時(shí)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(shí)，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(jì)是硬件設(shè)計(jì)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(xiàn)、通道隔離等；(6)單片機(jī)外圍電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，可通過(guò)增設(shè)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力或減少芯片功耗來(lái)降低總線(xiàn)負(fù)載； (7)盡量朝“單片 ”方向設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)33 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(pán)模塊、AD 模塊、DA模塊、DS1302 時(shí)鐘模塊、測(cè)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： 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(pán)模塊DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊測(cè)溫模塊圖 31 總體硬件結(jié)構(gòu)框圖S51 開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)4 硬件電路設(shè)計(jì) 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(pán)模塊在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，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(pán)模塊原理圖S51 開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)5JP7 用來(lái)連接 P2 口與矩陣鍵盤(pán)模塊，在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線(xiàn)和垂直線(xiàn)在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如 P2 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個(gè)按鍵，比之直接將端口線(xiàn)用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線(xiàn)數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線(xiàn)就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤(pán)，而直接用端口線(xiàn)則只能多出一鍵（9 鍵） ，在需要的按鍵數(shù)較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)是合理的。 AD 模塊a ADC0832 簡(jiǎn)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?xún)r(jià)比較高、芯片引腳少等特點(diǎn)。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(guò)三線(xiàn)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(hào)電壓范圍為 0～5V ；輸入和輸出電平與TTL 和 CMOS 兼容；在 250kHz 時(shí)鐘頻率時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 32us；具有兩個(gè)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(shuō)明如下：CS—片選端，低電平有效；CH0，CH1 —兩路模擬信號(hào)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(shí)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(shí)，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S51 開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)6入時(shí)序的配置位。當(dāng)差分輸入時(shí)，要分配輸入通道的極性，兩個(gè)輸入通道的任何一個(gè)通道都可作為正極或負(fù)極。b 硬件實(shí)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(guò) 、 、 相連，分別為時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)、數(shù)據(jù)輸出信號(hào)線(xiàn)、片選信號(hào)線(xiàn)。開(kāi)發(fā)板可外接模擬信號(hào)，也可由電位器 RR8 將+5V 分壓后提供兩路模擬信號(hào)。 DA 模塊a TLC5615 簡(jiǎn)介 TLC5615 為美國(guó)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(jià)格比高，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)很方便購(gòu)買(mǎi)。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(xiàn)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(shí)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： S51 開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)7圖 36 TLC5615 引腳排列圖引腳功能說(shuō)明如下： DIN—串行數(shù)據(jù)輸入端； SCLK—串行時(shí)鐘輸入端； CS—芯片選用通端，低電平有效； DOUT—用于級(jí)聯(lián)時(shí)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(shí)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(guò) 、 相連，分別為片選信號(hào)線(xiàn)、時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)、數(shù)據(jù)輸入信號(hào)線(xiàn)。TLC5615 轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)通過(guò) OUT 端輸出。 DS1302 時(shí)鐘模塊a DS1302 簡(jiǎn)介DS1302 是美國(guó) DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓寬達(dá) ～。采用三線(xiàn)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(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或 RAM 數(shù)據(jù)。DS1302 內(nèi)部有一個(gè) 31*8 的用于臨時(shí)S51 開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)8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(chǔ)；串行 I/O 口，管腳數(shù)量少；寬范圍工作電壓：～；工作電壓 時(shí)，電流小于 300nA；讀/寫(xiě)時(shí)鐘或 RAM 數(shù)據(jù)時(shí)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(jiǎn)單的 3 線(xiàn)接口；與 TTL 兼容(Vcc = 5V)；可選工業(yè)級(jí)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(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。當(dāng) Vcc2 高于 Vcc1 + 0. 2V 時(shí)，Vcc2 給 DS1302 供電。當(dāng) Vcc2 低于 Vcc1 時(shí)，DS1302 由 Vcc1 供電。XX2 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(shí)鐘輸入端。RST 是復(fù)位片選線(xiàn)，通過(guò)把 RST 輸入驅(qū)動(dòng)置為高電平來(lái)啟動(dòng)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(shí)，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(guò)程中置 RST 為低電平，則會(huì)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(yùn)行時(shí)，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(shí)，才能將 RST 置為高電平。b 硬件實(shí)現(xiàn)DS1302 時(shí)鐘模塊的原理圖如圖 39 所示：S51 開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)9圖 39 DS1302 時(shí)鐘原理圖單片機(jī)與 DS1302 通過(guò) 、 相連，分別為時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)、輸入輸出線(xiàn)、復(fù)位信號(hào)線(xiàn)。DS1302 的晶振引腳連接 32768HZ 的晶振。 測(cè)溫模塊a DS18B20 簡(jiǎn)介DS18B20 是DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，是一種單總線(xiàn)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(diǎn)：采用了單總線(xiàn)技術(shù)，傳感器直接以二進(jìn)制輸出被測(cè)溫度，可通過(guò)串行口線(xiàn)，也可與單機(jī)通過(guò)I/O 口連接；測(cè)量溫度范圍為： 55℃～+125℃，測(cè)量精度高達(dá)+℃；內(nèi)含寄生電源，在兩線(xiàn)方式下可通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)提供寄生電源，而不需要再單獨(dú)供電；轉(zhuǎn)換時(shí)間在分辨率為12位（℃）時(shí)最大為750ms；用戶(hù)可分別對(duì)每個(gè)器件設(shè)定溫度上下限；DS18B20 在使用時(shí)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(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；每個(gè)DSl8B20 器件對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的 64 位長(zhǎng)的序號(hào)，該序號(hào)值存放 ROM中，可通過(guò)序號(hào)匹配實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)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(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)10b 硬件實(shí)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(guò) 相連，作為數(shù)據(jù)/控制信號(hào)線(xiàn)。 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(huì) (Electronic Industries Association，EIA) 所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線(xiàn)就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線(xiàn)、一條接收線(xiàn)及一條地線(xiàn)。RS232 與 TTL 電路之間需要進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。MAX232 芯片可完成TTL←→ RS232 雙向電平轉(zhuǎn)換。MAX232 芯片是 RS232 標(biāo)準(zhǔn)接口芯片，使用+5v 單電源供電。是 PC 機(jī)與單片機(jī)串口進(jìn)行通訊的電平轉(zhuǎn)換芯片。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分：第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v 和12v 兩個(gè)電源，提供給 RS232 串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 11114 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中 13 腳（R1IN） 、12 腳（R1OUT） 、11 腳（T1IN） 、14 腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（R2IN） 、9 腳（ R2OUT） 、10 腳（T2IN） 、7 腳（T2OUT ）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成RS232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、T2OUT 送到電腦 DP9 插頭； DP9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、R2OUT 輸出。第三部分是供電。15 腳 DNG、16 腳 VCC（+5V） 。MAX232 模塊的原理圖如圖 312 所示：S51 開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)11圖 312 MAX232 模塊的原理圖單片機(jī)與 MAX232 通過(guò) 、 相連，分別為發(fā)送線(xiàn)、接收線(xiàn)，另外單片機(jī)要與 MAX232 共地。b RS485 串行通信模塊RS232 由于傳輸速率慢，傳輸距離短，傳輸信號(hào)易受外界的干擾等缺點(diǎn)。新的串行通訊接口標(biāo)準(zhǔn) RS449 被制定出來(lái)，與之相對(duì)應(yīng)的是 RS485 的電氣標(biāo)準(zhǔn)。RS485 是美國(guó)電氣工業(yè)聯(lián)合會(huì)(EIA) 制定的利用平衡雙絞線(xiàn)作傳輸線(xiàn)的多點(diǎn)通訊標(biāo)準(zhǔn)。它采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸；最大傳輸距離可以達(dá)到 km；最大可連接 32 個(gè)驅(qū)動(dòng)器和收發(fā)器；接收器最小靈敏度可達(dá)177。200 mV；最大傳輸速率可達(dá) Mb/s。由此可見(jiàn)， RS485 協(xié)議正是針對(duì)遠(yuǎn)距離、高靈敏度、多點(diǎn)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)。MAX485 的引腳和結(jié)構(gòu)如下圖 313 所示：圖 313 MAX485 的引腳和結(jié)構(gòu)該芯片采用單一電源+5 V 工作，額定電流為 300 μA，采用半雙工通訊方式。它完成將 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS485 電平的功能。MAX485 芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO 和 DI 端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的 RXD 和 TXD 相連即可；/RE 和 DE 端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE 為邏輯 0 時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng) DE 為邏輯 1 時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)?MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，S51 開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)12所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng) A 引腳的電平高于 B 時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1；當(dāng) A 的