【正文】 使 MCS51 在被肢解式改造后，還能以不變的指令系統(tǒng)、基本單元的兼容性保持著 8051 內(nèi)核的生命延續(xù)，并在未來 SoC 發(fā)展中，擔(dān)任 8位 CPU 內(nèi)核的重任。早期單片機(jī)都是用 1 個時鐘控制片內(nèi)所有時序[3]。而Silabs 公司的 C8051F 則提供了一個完整而先進(jìn)的時鐘系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，片內(nèi)設(shè)置有一個可編程的時鐘振蕩器（無需外部器件） ，可提供 8 和 16 MHz 時鐘的編程設(shè)定[4] 。當(dāng)程序運(yùn)行時，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時鐘的動態(tài)切換。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的現(xiàn)狀與發(fā)展及使用對象51 單片機(jī)技術(shù)自發(fā)展以來已走過了近 20 年的發(fā)展路程 。小到遙電子玩具，大到航空航天技術(shù)等電子行業(yè)都有單片機(jī)應(yīng)用的影子。實(shí)踐表時，8 位的單片機(jī)仍然占據(jù)著市場百分之八十的份量。一類是業(yè)余的電子愛好者，想通過自學(xué)單片機(jī)來提高自己的電子技術(shù)水平，以后能夠運(yùn)用到自己熟悉的領(lǐng)域中有所作為，這類學(xué)員的動手能力一般比較好，但是理論知識一般欠缺一些。這類時需要豐富自己的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并與現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)際用例相接合。 AT89C51 在此整個實(shí)驗(yàn)板系統(tǒng)中處于核心地位。 例如電源電路中基于 AT89C51 的工作電壓 為+5V 所以穩(wěn)壓芯片選擇 7805 系列。另一方面，它也接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，處 理后傳送給顯示器件 。而目前市場上的學(xué)習(xí)套件一般功能不全，配套的軟件系統(tǒng)都是匯編語言，還沒有一個比較完善的 51 開發(fā)板供學(xué)習(xí)和研究。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文第 2 章 開發(fā)板的總體設(shè)計(jì) 開發(fā)板系統(tǒng)功能單片機(jī)開發(fā)板是一個實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)，能夠?yàn)橄嚓P(guān)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)提供支持。本論文包括硬件系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)及 C 語言程序流程圖的制作。(2)鐵電存儲器讀寫（SMBUS） 。(4)四位獨(dú)立鍵盤。 開發(fā)板的性能要求基于開發(fā)板的功能定義和各種芯片的性能參數(shù)，總結(jié)系統(tǒng)基本性能要求如下：(1)各芯片所需的+ 平穩(wěn)電壓。(3)AT89C51 單片機(jī)手動復(fù)位電路。(5)4 位獨(dú)立鍵盤。(7)與 PC 機(jī)串行通信。 硬件總體設(shè)計(jì)本人設(shè)計(jì)的單片機(jī)開發(fā)板是以 AT89C51 作為主控制芯片,串口通信芯片MAX323網(wǎng)絡(luò)芯片 CP2200、液晶顯示器、按鍵開關(guān)、AD/DA 轉(zhuǎn)換等元器件組成,通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描,液晶顯示,與 PC 機(jī)串行通信 ,I/O 口擴(kuò)展功能等。外圍電路是 AT89C51 工作的基礎(chǔ)保障——電源電路提供穩(wěn)定的+ 工作電壓，時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時鐘信號，復(fù)位電路使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。通過鍵盤掃描等程序設(shè)計(jì)把鍵盤輸入的數(shù)據(jù)在液晶顯示器上顯示或把數(shù)據(jù)發(fā)送到 PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信。串行通信電路主要是為了單片機(jī)與 PC 機(jī)之間數(shù)據(jù)傳送而設(shè)計(jì)的，AD 轉(zhuǎn)換電路是把數(shù)字信號和模擬信號相互轉(zhuǎn)換并輸入、輸出的電路。SMBus 提供了 SDA（串行數(shù)據(jù)）控制、SCL（串行時鐘）產(chǎn)生和同步、仲裁邏輯以及起始/ 停止的控制和產(chǎn)生電路。C8051F340 中的串行接口能方便地與其它計(jì)算機(jī)或串行傳送信息的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙機(jī)，多機(jī)通信，此開發(fā)板中采用電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 與 9 芯 D 插座連接方式。AT89C51 中的捕捉/比較模塊有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8 位 PWM 和 16 位 PWM，每個捕捉/比較模塊的工作方式都可以被獨(dú)立配置，此開發(fā)板采用 16 位 PWM 輸出方式。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 開發(fā)板的模塊電路設(shè)計(jì) AT89C51 單片機(jī)AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器的低電壓、高性能 CMOS 的 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器。引腳排列所示圖 31 所示。P0 口：P00～P07 統(tǒng)稱為 P0 口，在不接片外存儲器與不擴(kuò)展 I/O 接口時，作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出接口。P0 口是一個三態(tài)雙向口，由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)緩沖器、輸出驅(qū)動電路和輸出控制電路組成。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/ 地址的低八位。 P1 口：P10～P17 統(tǒng)稱為 P1 口，可作為準(zhǔn)雙向 I/O 接口使用。P1 口管腳寫入“1”后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 單片機(jī)外圍電路1．時鐘電路 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時鐘信號，時序是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系。 在本次設(shè)計(jì)中，時鐘電路設(shè)計(jì)就是采用內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。引腳 XTAL1 和XTAL2 是高增益反相放大器的輸入端和輸出端。外接晶體振蕩器以及電容 C1 和 C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中，對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會影響起振的快速和溫度的穩(wěn)定性、振蕩器的穩(wěn)定性、振蕩器頻率的高低。在焊接刷電路板時，我們應(yīng)注意晶體振蕩器和電容盡可能安裝的與單片機(jī)芯片靠近些，用以減少寄生電容，為了更好地保證振蕩器可靠地工作和穩(wěn)定行，其電路圖如圖 32 所示。電容 C1 、C2 容量在 15～40pF 之間，大小與晶振頻率和工作 電壓有關(guān)。在設(shè)計(jì)電路板時，晶振、電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片，以減 小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性。除了進(jìn) 入系統(tǒng)的正常初始化以外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫 困境也需按復(fù)位鍵以重新啟動。 計(jì)算機(jī)在啟動運(yùn)行時都需要復(fù)位，復(fù)位時使中央處理器 CPU 和內(nèi)部其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，從這個狀態(tài)開始工作。在時鐘電路工作以后，當(dāng)外部電路使得 RST 端出現(xiàn)兩個機(jī)器周期（24 個時鐘周期）以上的高電平，系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)位。在此次的設(shè)計(jì)中，我采用按鍵復(fù)位，其電路圖如圖 33 所示。復(fù)位期間，ALE 、PSEN 輸出高電平。復(fù)位后，內(nèi)容各寄存器的初始內(nèi)容如表 41 所示，當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行程序出錯或進(jìn)入死循環(huán)時，可按復(fù)位按鈕重新啟動。由四個獨(dú)立按鍵來控制兩個發(fā)光二極管的亮滅，四位獨(dú)立按鍵的操作輸入單片機(jī)，通過編程實(shí)現(xiàn)對 LED 的控制電路圖如下圖 34 示。該 ADC 工作在 200ksps 的最大采樣速率時可提供真正 10 位的線性度，INL 為177。ADC 系統(tǒng)包含一個可編程的模擬多路選擇器，用于選擇 ADC 的正輸入和負(fù)輸入。用戶固件可以將 ADC置于關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省功耗。這種靈活性允許用軟件事件、周期性信號（定時器溢出）或外部硬件信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后 10 位結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到 ADC 數(shù)據(jù)寄存器中。ADC 可以用后臺方式連續(xù)監(jiān)視一個關(guān)鍵電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的范圍之內(nèi)/外時才向控制器申請中斷。當(dāng) GND 被選擇為負(fù)輸入時，ADC0 工作在單端方式,在所有其它時間，ADC0 工作在差分方式。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，寄存器ADC0H 和 ADC0L 中保存 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果的高字節(jié)和低字節(jié)。當(dāng)工作在單端方式時，轉(zhuǎn)化碼為 10 位無符號整數(shù)，所測量的輸入范圍為0～VREF1023/1024 。10 位 AD 轉(zhuǎn)換電路如下圖 35 所示。電源電壓過大會大大縮短芯片的工作壽命，嚴(yán)重的會燒毀芯片及其它元器件；過小將不能驅(qū)動實(shí)驗(yàn)板工作電路。此開發(fā)板主要芯片工作電壓均+ 左右，開發(fā)板的電源電路如圖 36 所示。前者僅能顯示數(shù)據(jù)輸出，而后者能顯示更多，更復(fù)雜的字符，如漢字，甚至是圖形等。1602 液晶引腳特性：該液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)顯示容量又可以分為單行 16 字，2 行 16 字，兩行 20 字等等。這是一種通用模塊。(2)顯示內(nèi)容豐富，可顯示所有數(shù)字和大、小寫字母。 開發(fā)板液晶顯示電路如圖 37 所示。 電路原理圖設(shè)計(jì)電路原理圖設(shè)計(jì)本著連線簡潔各功能模塊清晰的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)。 PCB 電路板元件布局與走線設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)完成之后可以說最關(guān)鍵的應(yīng)該是 PCB 板的設(shè)計(jì)，因?yàn)槔碚摰臇|西無論講解的多詳細(xì)，指導(dǎo)的多全面，也不及實(shí)物擺放出來更具說服力。PCB 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：由于開關(guān)穩(wěn)壓電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，而且高頻變壓器初級側(cè)有高達(dá) 300V 的直流電壓，在功率開關(guān)管的集電極甚至有 700V 的瞬間高電壓，因此在設(shè)計(jì) PCB 板時要考慮電磁干擾問題和安全問題，主要應(yīng)該注意 PCB 引線盡量短，功率輸出部分引線盡量寬，甚至要加焊錫條，高壓元件應(yīng)該有足夠的間距保證安全，在這套電路中既有模擬電路又有數(shù)字電路，這兩部分電路地線要分開連接，最后再接到一起，防止出現(xiàn)共地干擾。最后就是要注意各個模塊電路元件盡量集中，在放置元件時應(yīng)遵守先放置單元電路中的主要元件，一般是集成電路或體積較大，對整體電路影響較大的元件，然后根據(jù)小單元電路放置外圍元件，以保證對其它電路影響盡量小，引線盡量短的原則。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 PCB 板整體設(shè)計(jì)(1)從原理圖到 PCB 的設(shè)計(jì)流程：建立組件參數(shù) →輸入原理網(wǎng)表→設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置→手動布局→手動布線→檢查錯誤→輸出。最小間距至少要能適合承受的電壓，在布線密度較低時，信號線的間距可適當(dāng)?shù)丶哟?，對高、低電平懸殊的信號線應(yīng)盡可能地短且加大間距，一般情況下將走線間距設(shè)為 8mil。當(dāng)與焊盤連接的走線較細(xì)時，要將焊盤與走線之間的連接設(shè)計(jì)成水滴狀，這樣的好處是焊盤不容易起皮，而且走線與焊盤不易斷開。例如，如果印制板兩條細(xì)并行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲；由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產(chǎn)品的性能下降，因此，在設(shè)計(jì)印制電路板的時候，應(yīng)注意采用正確的方法。印刷電路中不允許有交叉電路，