【文章內容簡介】 置應遵循以下設計原則： (1)盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎；(2)系統(tǒng)擴展與外圍設備的配置水平應充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發(fā)； (3)硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結構。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應時間比硬件實現(xiàn)長，且占用 CPU 時間；(4)系統(tǒng)中的相關器件要盡可能做到性能匹配。如選用 CMOS 芯片單片機構成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應盡可能選擇低功耗產品； (5)可靠性及抗干擾設計是硬件設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)單片機外圍電路較多時，必須考慮其驅動能力。驅動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設線驅動器增強驅動能力或減少芯片功耗來降低總線負載； (7)盡量朝“單片 ”方向設計硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強，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)板的設計33 硬件部分 硬件結構框圖總體硬件結構主要包括：S51 單片機主控制器模塊、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。硬件結構框圖如圖 31 所示： S51 單片機主控制模塊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圖 31 總體硬件結構框圖S51 開發(fā)板的設計4 硬件電路設計 S51 單片機主控制模塊S51 單片機最小系統(tǒng)包括：MCU 、復位電路、晶振電路。原理圖如圖 32 所示： 圖 32 S51 單片機主控制模塊原理圖 采用按鍵復位方式，選取晶振為 12MHZ，系統(tǒng)機器周期為 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S51 開發(fā)板的設計5JP7 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 轉換在單片機接口中應用廣泛，串行 A/D 轉換器具有功耗低、性價比較高、芯片引腳少等特點。ADC0832 是 NS(National Semiconductor)公司生產的具有Microwire/Plus 串行接口的 8 位 A/D 轉換器，通過三線接口與單片機連接，適宜在袖珍式智能儀器中使用。主要性能指標有：功耗低，只有 15mW；8 位分辨率，逐次逼近型，基準電壓為 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)轉換結果串行輸出端；CLK—串行時鐘輸入端；VCC /REF—正電源端和基準電壓輸入端；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S51 開發(fā)板的設計6入時序的配置位。當差分輸入時，要分配輸入通道的極性，兩個輸入通道的任何一個通道都可作為正極或負極。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 RR8 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 年推出的產品，是具有串行接口的數(shù)模轉換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍。帶有上電復位功能，即把 DAC 寄存器復位至全零。TLC5615 性能價格比高，目前在國內市場很方便購買。主要性能指標有：10 位 CMOS 電壓輸出；5V 單電源供電；與 CPU 三線串行接口；最大輸出電壓可達基準電壓的二倍；輸出電壓具有和基準電壓相同極性；建立時間 ；內部上電復位；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 開發(fā)板的設計7圖 36 TLC5615 引腳排列圖引腳功能說明如下： 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、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓寬達 ～。采用三線接口與 MCU 進行同步通信，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 內部有一個 31*8 的用于臨時S51 開發(fā)板的設計8性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器。主要性能指標有：31 字節(jié)帶后備電池的 RAM 用于數(shù)據(jù)存儲；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 Vcc2 高于 Vcc1 + 0. 2V 時，Vcc2 給 DS1302 供電。當 Vcc2 低于 Vcc1 時，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 為時鐘輸入端。RST 是復位片選線，通過把 RST 輸入驅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 RST 為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許 DS1302 進行操作。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：S51 開發(fā)板的設計9圖 39 DS1302 時鐘原理圖單片機與 DS1302 通過 、 相連，分別為時鐘信號線、輸入輸出線、復位信號線。DS1302 的晶振引腳連接 32768HZ 的晶振。 測溫模塊a DS18B20 簡介DS18B20 是DALLAS 半導體公司生產的，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，傳感器直接以二進制輸出被測溫度，可通過串行口線，也可與單機通過I/O 口連接；測量溫度范圍為： 55℃～+125℃，測量精度高達+℃；內含寄生電源，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；轉換時間在分辨率為12位（℃）時最大為750ms；用戶可分別對每個器件設定溫度上下限；DS18B20 在使用時不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內；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)板的設計10b 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 Industries Association，EIA) 所制定的異步傳輸標準接口。對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS232 與 TTL 電路之間需要進行電平和邏輯關系的變換。實現(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 雙向電平轉換。MAX232 芯片是 RS232 標準接口芯片，使用+5v 單電源供電。是 PC 機與單片機串口進行通訊的電平轉換芯片。內部結構基本可分三個部分：第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構成。功能是產生+12v 和12v 兩個電源，提供給 RS232 串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉換通道。由 11114 腳構成兩個數(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 開發(fā)板的設計11圖 312 MAX232 模塊的原理圖單片機與 MAX232 通過 、 相連，分別為發(fā)送線、接收線，另外單片機要與 MAX232 共地。b RS485 串行通信模塊RS232 由于傳輸速率慢，傳輸距離短，傳輸信號易受外界的干擾等缺點。新的串行通訊接口標準 RS449 被制定出來，與之相對應的是 RS485 的電氣標準。RS485 是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(EIA) 制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點通訊標準。它采用差分信號進行傳輸；最大傳輸距離可以達到 km；最大可連接 32 個驅動器和收發(fā)器；接收器最小靈敏度可達177。200 mV；最大傳輸速率可達 Mb/s。由此可見， RS485 協(xié)議正是針對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標準。MAX485 的引腳和結構如下圖 313 所示：圖 313 MAX485 的引腳和結構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 電平轉換為 RS485 電平的功能。MAX485 芯片的結構和引腳都非常簡單，內部含有一個驅動器和接收器。RO 和 DI 端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的 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/RE 為邏輯 0 時，器件處于接收狀態(tài)；當 DE 為邏輯 1 時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為 MAX485 工作在半雙工狀態(tài)，S51 開發(fā)板的設計12所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當 A 引腳的電平高于 B 時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 1；當 A 的