【正文】 form. Keywords: MCU； learning/development board； hardware； C program 內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 引 言 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在電訊技術(shù)、工業(yè)控制、汽車自動(dòng)化、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而 51 單片機(jī)由于其實(shí)用性好、可靠性高、便于擴(kuò)展等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)應(yīng)提供常用的移植性較好的模塊代碼（本設(shè)計(jì)選用 C 作為源代碼的編寫工具）。 本系統(tǒng)是基于 51 單片機(jī)的學(xué)習(xí) /開發(fā)板，集成了單片機(jī)應(yīng)用過程中常用到的硬件資源，如鍵盤（獨(dú)立鍵盤、矩陣鍵盤） 、 數(shù)碼管、 LCD 顯示器 、 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，外接存儲(chǔ)等。 一 設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)功能分析 硬件功能 1 輸入功能 系統(tǒng)需要有輸入數(shù)據(jù)的功能，如按鍵輸入。 2 顯示功能 系統(tǒng) 選用三種顯示方法，分別為 LED 顯示、段數(shù)碼管顯示、 LCD 液晶顯示器顯示 。 （ 1） LED 選擇 8 個(gè)紅色發(fā)光二極管，采用共陽(yáng)接法（即單片機(jī)輸出 0 時(shí)二極管亮，輸出 1 時(shí)二極管滅），用 P0 口輸出數(shù)據(jù)，來顯示端口的電平狀態(tài)。 數(shù)碼管顯示的特點(diǎn)是快速直觀。 內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 3 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī)在控制過程中 經(jīng)常要在外部采集到模擬信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)為單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)處理后再轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)輸出，控制外設(shè)的正常運(yùn)行。 4 串口及其他外圍電路 （ 1） 串口 串口是單片機(jī)應(yīng)用過程中最常用到的部件 之一，它具有通信簡(jiǎn)單，通信用線少，可級(jí)聯(lián)多個(gè)外設(shè)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)與其他外設(shè)的通信。 （ 2） 其它功能 外接存儲(chǔ) 電路 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 電路 ，報(bào)警電路等都應(yīng)該具備。因此，作為一個(gè)完整的學(xué)習(xí) /開發(fā)板，還要求有必要的源代碼， C 語(yǔ)言既具有 高級(jí)語(yǔ)言 的特點(diǎn)，又具有 匯編語(yǔ)言 的特點(diǎn)，最重要的是，它具有很好的移植性，因此，它的應(yīng)用范圍非常廣泛，所以系統(tǒng)的所有實(shí)例代碼都用 C 編寫 。這樣可以使使用者直觀的把硬件和軟件聯(lián)合起來。單片機(jī)具有體積小、功能全 、 價(jià)格低廉 等 突出優(yōu)點(diǎn) 。 AT89S52 單片機(jī)是以 MCS51 核心技術(shù)為其內(nèi)核，采用高性能、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的 8 位微控制器。 內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 AT89S52 的引腳排列圖如 圖 11 所示 。 鎖存器的選擇 鎖存器 可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。鎖存器的最主要作用是緩存，其次完成高速的控制其與慢速的外設(shè)的不同步問題，最后是解決一個(gè) I/O 口既能輸出也能輸入的問題。本設(shè)計(jì)選用八位輸入輸出的鎖存器 74HC573。 Table 11 74HC573 truth table 當(dāng)輸出使能為低電平，鎖存使能為 1 時(shí)，輸出端數(shù)據(jù)等于輸入端數(shù)據(jù) ； 當(dāng)輸出使能為低電平，鎖存使能為 0 時(shí)，輸出端保持不變； 輸出使能 鎖存使能 D（輸入） Q（輸出） L H H H L H L L L L X 不變 H X X Z 內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 當(dāng)輸出使能為高電平，無(wú)論鎖存使能和 D 為何 值 輸出端為高阻態(tài) 。 圖 12 74HC573 引腳圖 Figure 12 74HC573 pin diagram 串口電平轉(zhuǎn)換芯片的選擇 MAX232 芯片是美 信公司專門為電腦的 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 ,使用 +5V 單電源供電。 TTL/COMS 數(shù)據(jù)從 T1IN、 T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS232 數(shù)據(jù)從T1OUT、 T2OUT 送到 DB9 插頭； DB9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從 R1IN、 R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/COMS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、 R2OUT 輸出。 圖 13 MAX232 芯片引腳圖 Figure 13 MAX232 chip pin diagram AD 芯片的選擇 模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC)亦稱模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換 。 常用的 有為 積分型 、 逐次比較型 等。 四 個(gè)控制端為CS（片選）、輸入輸出時(shí)鐘（ I/O CLOCK） 串行數(shù)據(jù)輸出端（ DATA OUT） 以及串行數(shù)據(jù)輸入端（ DATA INPUT）。轉(zhuǎn)換結(jié)束 EOC輸出變高。 TLC2543 引腳圖如圖 14 所示 。將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)值大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量然 后將代表各位的模擬量相加，即得到與數(shù)字量成正比的模擬量，這樣，便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)變。根據(jù)對(duì) DAC0832 的數(shù)據(jù)鎖存器和 DAC 寄存器的不同控制方式， DAC0832 有三種工作方式：直通方式、單緩沖數(shù)據(jù)方式、雙緩沖數(shù)據(jù)方式 。輸入可 有 256 個(gè)不同的二進(jìn)制組態(tài)。 內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 DAC0832 引腳圖 如圖 15 所示 。 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路維持了單片機(jī)工作所需要的時(shí)序， 因此，它是組成單片機(jī)最小系統(tǒng)必備的電路之一。 時(shí)鐘電路電路圖如圖 21 所示 。 因此，單片機(jī)上電后必須復(fù)位，以使單片機(jī)指向開始指令；當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾而使程序“跑飛”時(shí)，須手 動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)，以使系統(tǒng)重新正常運(yùn)行。 當(dāng)按下復(fù)位按鍵 S0 時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位從第一條指令重新開始執(zhí)行。 圖 22 復(fù)位電路 Figure 22 Reset Circuit 擴(kuò)展電路 考慮到開發(fā)板的可擴(kuò)展性，在單片機(jī) I/O 口輸出端增加 P0、 P P P3 擴(kuò)展口，采用 雙排接口，實(shí)際應(yīng)用中用跳線帽短接，擴(kuò)展時(shí)將跳線帽拔掉，這樣單片機(jī)端口就不會(huì)受到其 它 電路的影響。各按鍵的功能需由軟件設(shè)置，即在編寫源代碼的過程中自行定義這三個(gè)獨(dú)立按鍵分別對(duì)應(yīng)的功能。 同時(shí)它也可以作為一個(gè)普通的獨(dú)立按鍵使用，因此，其 它 獨(dú)立按鍵的設(shè)計(jì)與具有中斷功能的獨(dú)立按鍵的設(shè)計(jì)相同。 獨(dú)立按鍵圖如圖 23 所示 。因此， 在 需要 按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少 I/O 口的占用，通常 使用矩陣鍵盤，即 將按鍵排列成 矩陣 形式， M+N 個(gè) I/O端口即可設(shè)計(jì)出 M*N 個(gè)鍵盤。 按鍵的標(biāo)號(hào)為第一行第一列記為“ 0”鍵，第一行第二列為“ 1”鍵，依 此類推， 16 個(gè)按鍵分別對(duì)應(yīng)數(shù)字“ 09” ，字 符 “ af”。 軟件法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，所以采用行掃描法進(jìn)行鍵盤的識(shí)別。 以此類推，可將 16 個(gè)按鍵依次識(shí)別。 矩陣鍵盤電路圖如圖 24 所示 。系統(tǒng)采用 8 個(gè)紅色 LED，用一片 74HC573 控制 LED 燈的使用與 否 ，用 P0 口作為數(shù)據(jù)輸出， 口作為控制 74HC573 是否選通的片選信號(hào)。 圖 25 LED 電路 Figure 25 LED circuit 數(shù)碼管的設(shè)計(jì) 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光 器件 ， 按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。 共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM 接到 +5V。 軟件采用動(dòng)態(tài)掃 描法實(shí)現(xiàn)。 圖 26 數(shù) 碼管 顯示電路 Figure 26 LED display circuit 使用兩片四位八段數(shù)碼管構(gòu)成 8 位顯示，用兩片 74HC573 分別控制數(shù)碼管的段選和位選。 液晶顯示器的設(shè)計(jì) 液晶顯示器，或稱 LCD（ Liquid Crystal Display） ，為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白像素組成 。 LCD1602 液晶顯示器為字符、數(shù)字型顯示器， 為了豐富開發(fā)板的學(xué)習(xí)資源，本設(shè)計(jì)預(yù)留了字符型 LCD 1602 的外接接口，可 供使用者 擴(kuò)展使用。 Table21 LCD1602 control terminals pins menu 控制端 VSS VCC VEE RS R/W E 功能 描述 電源地 電源正極 液晶顯示偏壓 數(shù)據(jù) /命令選擇 讀 /寫選擇 使能信號(hào) 內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 LCD1602 擴(kuò) 展電路圖如圖 27 所示 。時(shí)鐘信號(hào)由 口提供，芯片的數(shù)據(jù)輸入口用 口控制，芯片的數(shù)據(jù)輸出至 口。 圖 28 AD 轉(zhuǎn)換電路 Figure 28 AD conversion circuit 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 數(shù)模轉(zhuǎn)換就是將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為 連續(xù) 變化的模擬量 ，通常用來控制需要模擬量工作的單片機(jī)外設(shè)。 DA 轉(zhuǎn)換電路圖如圖 29 所示 。 RS232 標(biāo)準(zhǔn) 也稱標(biāo)準(zhǔn)串口，最常用的一種串行通訊接口。 由于其 雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約 15 米，最高速率為 20kb/s。所以 RS232 適合本地設(shè)備之間的通信 。 電平轉(zhuǎn)換芯片采用 MAX232 芯片，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)、單片機(jī)與單片機(jī)之間的通信。 圖 210 串口電路 Figure 210 Serial circuit 其它電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路 為了保證系統(tǒng)每次上電都有同 步的時(shí)間顯示，設(shè)計(jì)外接一片實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302， 芯片外接 32768Hz 的晶振提供工作時(shí)鐘， + 紐扣電池維持芯片正常工作的電壓。 時(shí)鐘電路圖如圖 211 所示 。 AT24C04 支持 IIC總線協(xié)議。 外 接 ROM 電路圖如圖 212 所示 。并給每一種外接電源附加一個(gè) LED，用來顯示正在使用的電源狀態(tài)。 圖 213 電源電路 Figure 213 Power Supply Circuit 下載接口的設(shè)計(jì) 1 ISP 簡(jiǎn)介 ISP（ In System Programming） 在系統(tǒng)可編程，指電路板上的空白器件可以編內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 程寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP 方式擦除或再編程。 ISP 下載電路圖如圖 214 所示 。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的 I/O 口是無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用 放大電路 來驅(qū)動(dòng)，一般使用三極 管來放大電流就可以了 。 蜂鳴器電路圖如圖 215 所示 。 圖 216 開發(fā)板原理圖 Figure 216 Development Board Schematic 內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 開發(fā)板 PCB 圖 如圖 217 所示 。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與 4 根行線相交叉的 4 個(gè)按鍵之中。判斷閉合鍵所在的位置在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)。 行掃描法譯鍵的程序流程圖如圖 31 所示 。 圖 32 矩陣鍵盤仿真電路圖 Figure 32 Simulation circuit matrix keyboard 仿真過程中，按下與相應(yīng)標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的按鍵（ 0 af）則數(shù)碼管上顯示對(duì)應(yīng)的 數(shù)字和 字符，不按則顯示上一個(gè)字符或不顯示。 TLC2543+數(shù)碼管顯示 05V 可調(diào)直流電壓 TLC2543 工作過程簡(jiǎn)述 開始時(shí)， CS 片選為高， I/O CLOCK、 DATA INPUT 被禁止， DATA OUT 呈高阻狀， EOC 為高。 12 個(gè)時(shí)鐘信號(hào)從 I/O CLOCK 端依次加入，隨著時(shí)鐘信號(hào)的加入，控制字從 DATA INPUT 一位一位地在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)被送入 TLC25