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哈尔滨理工大学学士学位论文单片机实验系统开发与设计摘要目前单片机应用已渗透到各个领域，单片机技术的发展也因此日新月异。作为实践性很强的应用型学科，单片机研发及教学离不开实验。传统的单片机实验系统，需要频繁拔插烧写单片机芯片来编程，依赖于仿真机调试，实验成本高且效率低，已不适应现代科技开发需求。如何充分合理利用单片机的性能，方便用户高效学习与开发产品成为当前的研究热点。本实验系统采用具有 ISP 下载功能的AT89S52单片机作为核心, 利用了当前最流行的一些新器件构成最小系统。所谓ISP，即在线系统编程，一种无需将存储芯片从嵌入式设备上取出就能对其进行编程的过程。即使器件焊接在电路板上，仍可对其进行编程。在系统可编程是Flash存储器的固有特性。用户在PC机上完成软件（直接兼容当前最流行的Keil软件和Wave仿真软件）的编辑、编译、连接，通过ISP下载线将目标程序下载到开发板中，无需再购买任何仿真器或编程器等开发工具，只要有一台计算机，就可以实践学习单片机的知识。整个实验板系统体现了结构简洁明了, 功能新颖实用的优点。与市面上流行的实验板相比, 又有性价比高、 简单易用的优点。整个实验系统包含了模拟量输入、 开关量输入、 人机交互、 ISP 下载、 开关量输出、 模拟量输出、串行通信和I2C总线等模块, 可以完成单片机的大部分功能。关键词单片机; 在线系统编程; 实验系统Development and Design of the Single-Chip Microcomputer Experimental SystemAbstractAt present the monolithic integrated circuit (Microcontroller Unit, MCU) applications have penetrated into all fields，Therefore the monolithic integrated circuit technology development also changes with each, new day. Practical application-as a strong academic, monolithic integrated circuit research and teaching can not leave the experiment. The traditional monolithic integrated circuit experiment system, needs frequently to pull out inserts the fever to write the monolithic integrated circuit chip to program, relies on to the simulation machine debugging, The experimental cost high also the efficiency is low, already unsuitable modern science and technology development demand. How to make rational use of monolithic integrated circuit performance, user-friendly and efficient product development has become the current study hot spot.This experiment plank adoption has Single-Chip Microcomputer conduct and actions core in AT89S52 that ISP download function. ISP is in-system programmings abbreviation, which is one kind of process do not need the memory chip to take out from the embedded equipment, it can carry on to it programs. Its merit is even if the component welding on the circuit, it can still carry on the programming to it. In-system programming is the Flash memorys intrinsic property. Users accomplish software (compatible with current most popular Keil software and Wave simulation software) programming, compiling and linking on the PC and through the ISP port download target program to the experimental plate, you do not need to purchase any programmer and simulator. If you have a computer, you can study SCMs knowledge with practice.Whole experimental system now construction roughly understands, novel and practical advantage in function. Ascend with the market the experiment plank that spread compare, the function price ratio is high, in brief and easily the advantage that use. Whole experimental system plank included the Analog input, Switch input , Person and machine interactive, ISP downloads, Power supply mold, Switch out- put , Analog output, Serial communication and I2C-Bus. A big and parts of functions for, can completing Single- Chip Microcomputer. Keywords Single-Chip Microcomputer; ISP; experimental system不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 单片机概述11.2.1 单片机的发展史11.2.2 单片机在我国的发展状况21.2.3 单片机在国外的研究动态及发展趋势21.2.4 单片机的特点31.2.5 单片机的应用41.3 AT89S52单片机介绍41.3.1 单片机选型41.3.2 AT89S52单片机的主要性能51.3.3 AT89S52单片机的功能特征描述51.3.4 AT89S52单片机的引脚结构及功能51.3.5 特殊功能寄存器81.3.6 存储器结构91.3.7 看门狗定时器101.3.8 Flash编程并行运行101.4 课题研究意义11第2章 系统设计122.1 实验系统结构122.2 实验系统功能模块介绍132.3 本章小结14第3章 实验系统单元电路设计153.1 单片机最小系统电路的设计153.1.1 单片机电路说明153.1.2 电源电路说明153.1.3 晶振和复位电路说明153.2 实验系统人机交互电路的设计173.2.1 独立按键电路设计173.2.2 44矩阵键盘电路设计173.2.1 数码管显示电路设计173.2.2 液晶显示电路设计203.3 实验系统模拟量输入电路设计213.3.1 AD0804原理图说明223.3.2 AD0804芯片资料223.4 实验系统开关量输出电路设计243.4.1 发光二极管组成的八路流水灯电路设计243.4.2 开关信号输出控制蜂鸣器电路设计243.5 实验系统串口电路设计253.5.1 串口通行基本知识253.5.2 串口原理图说明253.6 I2C总线电路说明263.6.1 I2C总线基础263.6.2 24C02原理图说明283.6.3 24C02芯片资料283.7 本章小结29第4章 编程软件的说明及下载程序以304.1 Keil软件的介绍304.2 Keil C51开发系统基本知识304.2.1 系统概述304.2.2 Keil C51单片机软件开发系统的整体结构304.3 Keil软件的使用314.4 下载程序详细说明324.4.1 运用Microcontroller ISP Software 实现在线编程324.5 本章小结33第5章 实验系统实验开发345.1 I/O口控制实验345.2 流水灯实验345.3 蜂鸣器发声实验345.4 多位数码管动态显示实验355.5 AD0804实验355.6 1602液晶实验365.7 本章小结36结论37致谢38参考文献39附录A40附录B52附录C57千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- V -第1章 绪论1.1 课题背景单片机技术的发展源于计算机产业的发展。在现代计算机技术领域中，形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。在单片机产生前，机电行业的自动化常常依赖于由复杂的电子线路组成的数控系统；或将通用计算机进行机械、电气加固后嵌入到控制对象中去，这样大型、高成本的系统难以被许多产品接受。单片机就是应嵌入式系统新的要求而出现的。目前单片机技术已经渗透到人们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，程控玩具、电子宠物，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械等等，这些都离不开单片机。对于自动化专业的学生，学好单片机原理，熟练掌握单片机应用知识有着重要的现实意义。而单片机教学及研发离不开实验，随着单片机技术的发展，传统的依赖于仿真机的单片机实验成本高且效率低，已不适应现代科技开发需求。本设计目的就是在传统实验板的基础上，开发功能较强的新型实验系统，即具有ISP在线仿真调试功能，使用Keil软件即可直接仿真调试1。1.2 单片机概述1.2.1 单片机的发展史单片微型计算机简称单片机，又称为微控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是集CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。单片机的发展十分迅速，纵观整个单片机技术发展过程，可以分为以下三个主要阶段：1 单芯片微机形成阶段1976年，Intel公司推出了MCS48系列单片机。该系列单片机早期产品在芯片内集成有：8位CPU、1K字节程序存储器（ROM）、64字节数据存储器(RAM)、27根I/O线和一个8位定时/计数器。此阶段的主要特点是：在单个芯片内完成了CPU、存储器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、时钟等不见的集成，但存储器容量较小（不大于4K），无串行口，指令系统功能不强。2 性能完善提高阶段1980年，Intel公司推出MCS-51系列单片机。该单片机在芯片内集成有：8位CPU、4K字节程序存储器（ROM）、128字节数据存储器（RAM）、4个8位并行口、1个全双工串行口和2个16位定时/计数器。，并集成有控制功能较强的布尔处理器完成位处理功能。此阶段的主要特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出，现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。3 微控制器化阶段1982年，Intel公司推出MCS-96系列单片机。该单片机在芯片内集成有：16位CPU、8K字节程序存储器（ROM）、232字节数据存储器(RAM)、5个8位并行口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围最大为64KB。片上还有8路10位ADC、1路PWM（D/A）输出及高速I/O部件等。近年来，许多半导体产商以MCS51系列单片机的8051为内核，将许多测控系统中的接口技术、可靠性技术及先进的存储器技术和工艺技术集成到单片机中，生产出了多种功能强大、使用灵活的新一代80C51系列单片机。此阶段单片机的主要特点是：片内面向测控系统的外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。因此，“微控制器”的称谓更能反映单片机的内在本质2。1.2.2 单片机在我国的发展状况单片机在中国的发展起源于20世纪80年代。目前，中国各大学及院校普遍采用MCS一51系列作为单片机教学的教材。MCS一51系列的实验仪器也得到很大发展，许多单片机实验仪生产厂家研制出具有多功能综合性的MCS一51系列的实验系统，使得在高校MCS一51系列的实验系统配备相当完善。在工业控制、消费电子产品、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等不同的领域也得到了广泛的应用。但是随着单片机技术的不断发展，MCS一51系列的应用领域已逐渐被新型单片机所代，例如AT89S52单片机采用精简指令集、哈佛总线结构、流水线取指的方式，抗干扰能力强，性能价格比高，深受电子设计专家和客户的普遍欢迎。据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已经过千，流行的结构有30多种3。1.2.3 单片机在国外的研究动态及发展趋势在全世界，利用单片机设计的嵌入式系统带来的工业年产值己超过1万亿美元。世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路4。1.2.4 单片机的特点1控制性能和可靠性高单片机是为满足工业控制而设计的，所以实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位操作能力更是其他计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。2体积小、价格低、易于产品化每片单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门进行芯片设计，使芯片功能与应用具有良好的对应关系。在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8个或更少，从而使应用系统的印制版减小接插、件减少、安装简单方便。在现代的各种电子器件中，单片机具有良好的性能价格比。这正是单片机得以广泛应用的重要原因。1.2.5 单片机的应用由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来单片机在各种领域都获得了极为广泛的应用。概要地分成以下几个方面：1智能仪能器仪表单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的实用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便的完成仪器仪表产品的升级换代，如各种智能电器测量仪表、智能传感器等。2机电一体化产品机电一体化产品是集机械技术 微电子技术 自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。3实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。4分布系统的前端模块在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。5家用电器 家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔，如空调器、 电冰箱、 洗衣机、 电饭煲、 高档洗浴设备、高档玩具等。另外，在交通领域中，汽车、 火车、 飞机、 航天器等均有单片机的广泛应用，如汽车自动驾驶系统、 航天测控系统、 黑匣子等5。1.3 AT89S52单片机介绍1.3.1 单片机选型由于80C51的系统结构合理、技术成熟，许多单片机芯片生产厂商倾力于提高80C51单片机产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品地位。目前我国各大学及院校使用的单片机教材也普遍讲授51系列。因此，本实验系统选择AT89S52单片机作为核心芯片。1.3.2 AT89S52单片机的主要性能l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl 三级加密程序存储器l 32个可编程I/O口线l 三个16位定时器/计数器l 八个中断源l 全双工UART串行通道l 低功耗空闲和掉电模式l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符1.3.3 AT89S52单片机的功能特征描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K ISP flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。1.3.4 AT89S52单片机的引脚结构及功能P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。AT89S52单片机的引脚图如图1-1所示。图1-1 AT89S52引脚图P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表1-1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。表 1-1 P1口引脚第二功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表1-2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表 1-2 P3口引脚第二功能引脚号 第二功能 P3.0RXD（串行输入） P3.1TXD（串行输出） P3.2(外部中断0) P3.3(外部中断0) P3.4T0（定时器0外部输入） P3.5T1（定时器1外部输入） P3.6(外部数据存储器写选通) P3.7(外部数据存储器写选通)RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端6。1.3.5 特殊功能寄存器特殊功能寄存器(SFR)的地址空间映象如图1-2所示。并不是所有的地址都被定义了。片上没有定义的地址是不能用的。读这些地址，一般将得到一个随机数据；写入的数据将会无效用户不应该给这些未定义的地址写入数据“1”。由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能，复位后，这些位都为“0”。定时器2 寄存器：寄存器T2CON 和T2MOD 包含定时器2 的控制位和状态位寄存器对RCAP2H和RCAP2L是定时器2的捕捉/自动重载寄存器。中断寄存器：各中断允许位在IE寄存器中，六个中断源的两个优先级也可在IE中设置。双数据指针寄存器：为了更有利于访问内部和外部数据存储器，系统提供了两路16位数据指针寄存器，位于SFR中82H83H的DP0和位于84H85。特殊寄存器AUXR1中DPS0 选择DP0；DPS=1 选择DP1。用户应该在访问数据指针寄存器前先初始化DPS至合理的值。掉电标志位：掉电标志位（POF）位于特殊寄存器PCON的第四位（PCON.4）。上电期间POF置“1”。POF可以软件控制使用与否，但不受复位影响。图1-2 特殊功能寄存器(SFR)的地址空间映象1.3.6 存储器结构MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于 89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。 数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元MOV 0A0H , #data使用间接寻址方式访问高128 字节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0 内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。MOV R0 , #data堆栈操作也是简介寻址方式。因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。 1.3.7 看门狗定时器WDT是一种需要软件控制的复位方式。WDT 由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。WDT 在默认情况下无法工作；为了激活WDT，户用必须往WDTRST 寄存器（地址：0A6H）中依次写入01EH 和0E1H。当WDT激活后，晶振工作，WDT在每个机器周期都会增加。WDT计时周期依赖于外部时钟频率。除了复位（硬件复位或WDT溢出复位），没有办法停止WDT工作。当WDT溢出，它将驱动RSR引脚一个高个电平输出。WDT的使用：为了激活WDT，用户必须向WDTRST寄存器（地址为0A6H的SFR）依次写入0E1H和0E1H。当WDT激活后，用户必须向WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来避免WDT溢出。当计数达到8191(1FFFH)时，13 位计数器将会溢出，这将会复位器件。晶振正常工作、WDT激活后，每一个机器周期WDT 都会增加。为了复位WDT，用户必须向WDTRST 写入01EH 和0E1H（WDTRST 是只读寄存器）。WDT 计数器不能读或写。当WDT 计数器溢出时，将给RST 引脚产生一个复位脉冲输出，这个复位脉冲持续96个晶振周期（TOSC），其中TOSC=1/FOSC。为了很好地使用WDT，应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免WDT复位。掉电和空闲方式下的 WDT：在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这WDT也停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式：硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就应该给WDT 喂狗，就如同通常AT89S52 复位一样。通过中断退出掉电模式的情形有很大的不同。中断应持续拉低很长一段时间，使得晶振稳定。当中断拉高后，执行中断服务程序。为了防止WDT在中断保持低电平的时候复位器件，WDT 直到中断拉低后才开始工作。这就意味着WDT 应该在中断服务程序中复位。为了确保在离开掉电模式最初的几个状态WDT不被溢出，最好在进入掉电模式前就复位WDT。在进入待机模式前，特殊寄存器AUXR的WDIDLE位用来决定WDT是否继续计数。默认状态下，在待机模式下，WDIDLE0，WDT继续计数。为了防止WDT在待机模式下复位AT89S52，用户应该建立一个定器，定时离开待机模式，喂狗，再重新进入待机模式。1.3.8 Flash编程并行运行AT89S52 带有用作编程的片上Flash 存储器阵列。编程接口需要一个高电压（12V）编程使能信号，并且兼容常规的第三方Flash或EPROM编程器。AT89S52程序存储阵列采用字节式编程。编程方法，对 AT89S52编程之前，需根据Flash编程模式表对地址、数据和控制信号设置。可采用下列步骤对AT89S52编程： 1在地址线上输入编程单元地址信号2在数据线上输入正确的数据3激活相应的控制信号4把EA/Vpp升至12V5每给Flash写入一个字节或程序加密位时，都要给ALE/PROG一次脉冲。字节写周期时自身定制的，典型值仅仅50us。改变地址、数据重复第1步到第5步，知道全部文件结束7。 1.4 课题研究意义单片机教学及研发离不开实验，随着单片机技术的发展，传统的依赖于仿真机的单片机实验成本高且效率低，已不适应现代科技开发需求。本设计目的就是在传统实验板的基础上，开发功能较强的新型实验系统，即具有ISP在线仿真调试功能，使用Keil软件即可直接仿真调试。第2章 系统设计2.1 实验系统结构本实验系统的总体设计框图如图2-1所示。图2-1 实验系统总体框图在本实验系统中设计了 ISP 下载模块，所谓ISP，即在线系统编程，是一种无需将存储芯片从嵌入式设备上取出就能对其进行编程的过程。即使器件焊接在电路板上，仍可对其进行编程。在系统可编程是Flash存储器的固有特性。用户在PC机上完成软件（直接兼容当前最流行的Keil软件和Wave仿真软件）的编辑、编译、连接，通过ISP下载线将目标程序下载到开发板中，无需再购买任何仿真器或编程器等开发工具，只要有一台计算机，就可以实践学习单片机的知识。ISP 下载电路的设计如图2-2所示。从图中可以看到，单片机的下载电路其实就是一个串行通信电路，AT89S52单片机的 串口P3.0（RXD），P3.1（TXD）通过电平转换芯片 MAX232 连到9针 D型插座上，MAX232芯片把TTL电平转换成RS232电平格式，从而实现单片机与微机通信，以及单片机与单片机之间的通信。本实验系统中的串行接口是实验板与PC机通信的唯一通道，需调试的程序通过串行接口下载到开发板中，而开发板中程序的运行状态和部分结果业需要通过串行接口上传到PC机。通过图2-2这样一个电路既可以用来下载程序也可以用来做串行口通信的实验， 一举两得。关于串行通信模块的设计将在第三章中作详细讲述。图2-2 ISP下载电路设计2.2 实验系统功能模块介绍1复位按键：系统中有1 个复位按键，用于单片机复位，每按一下，单片机复位一次。当程序跑飞或系统需要复位时，可以通过按复位键实现。2三个独立按键及4*4矩阵键盘：独立按键及键盘用作输入设备，使用者可通过编程学习独立按键及矩阵键盘的原理。3电源指示灯：当开发板接通电源，开关处于按下时，二极管亮，否则二极管灭。4流水灯：作为输出设备，用户可按自己的想法，编程实现其任意输出。5数码管：重要的输出设备，用户在程序中设定其显示值和显示方式，可采用静态显示，也可采用动态扫描方式 。6液晶显示器接口：可以接1602液晶显示器。1602液晶是重要的输出设备，并且输出效果很理想。可显示的字符多，在数字钟等设计中经常被使用。7蜂鸣器：作为输出设备，可以在报警，闹钟等程序中使用。8A/D转换器：作为输入设备，可以把模拟值变为数字值，通过编程使用者可以学习A/D转换原理。9串行通信接口/ISP接口：作为输入输出设备，可以和其他单片机、PC、笔记本电脑等进行通信。使用其它型号的单片机芯片时，可以用它下载程序。10EEPROM 24C02：作为存储数据的设备，系统断电后仍能保存数据。通过学习，可以学会I2C总线的原理11单片机32 个I/O 口全部扩展出来，用户可以把自己设计的电路通过这32 个I/O口与单片机连接。2.3 本章小结本章主要介绍了实验系统的总体框图，在本实验系统中设计了 ISP 下载模块，通过ISP下载线将目标程序下载到开发板中,这样只要有一台计算机，就可以实践学习单片机的知识。同时介绍了实验系统的功能模块，介绍了：复位按键、三个独立按键及4*4矩阵键盘、电源指示灯、数码管、液晶显示器接口，蜂鸣器、A/D转换器、串行通信接口/ISP接口、EEPROM 24C02、单片机32 个I/O，等功能。第3章 实验系统单元电路设计3.1 单片机最小系统电路的设计3.1.1 单片机电路说明单片机最小系统电路连接方式如图3-1所示，EA引脚接高电平，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器内的指令。两排插针是单片机引脚的扩展，方便和外围电路连接。图3-1单片机芯片电路3.1.2 电源电路说明电源电路：因为PC机的USB可提供5伏500毫安的直流电压，刚好可以为我们设计的实验系统供电。具体电路设计如图3-2所示。当按键按下时，USB口为实验板供电，电源指示灯亮，JC2的作用是滤波。3.1.3 晶振和复位电路说明晶振电路：晶振电路如图3-3所示。晶振采用11.0592MHZ，该频率有利于提高串口的通信可靠性，同时又保证单片机有较高的运行速度。复位电路：复位电路如图3-4所示。单片机正常工作时，VCC电压将电容充电，所以RST为低电平。当按下S1时，由于R9电阻远小于R10电阻，所以RST为高电平，满足单片机复位条件。如果在调试过程中，出现死机、程序跑飞等情况，可以按下复位键S1强制单片机复位。图3-2电源电路图3-3晶振电路图3-4复位电路3.2 实验系统人机交互电路的设计人机交互电路是单片机系统和人交换作息的一个主要通道，主要由输入通道（键盘）和输出通道（显示）两部分组成。下面详细介绍这两部分的电路设计。3.2.1 独立按键电路设计键盘是人机通信不可缺少的部件，独立式键盘是最基本的一种键盘方式，在本系统中提供了四个独立式按键；具体的电路原理图如图3-5所示。图3-5 独立按键电路设计3.2.2 44矩阵键盘电路设计矩阵式键盘也称行列式键盘，它由行和列组成，在每个行列的交叉点上放置一个按键，这样行列式键盘共需要16个键盘组成；具体的电路原理图如图3-6所示8。3.2.1 数码管显示电路设计显示器是单片机系统中最重要的输出设备，用来显示系统的运行结果与运行状态等。常见的显示器主要有LED数码管显示器、LCD液晶显示器和CRT显示器。由于 LED 数码管显示器具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。下面我们来介绍LED数码管显示器的结构、工作原理。图3-6 44矩阵键盘3.2.1.1 数码管的结构与原理LED显示器是由发光二极管组成的显示器件，其外形、引脚及结构如图3-7所示。8段LED显示器由8个发光二极管组成，其中，7个条形发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管位于显示器的右下角，用作显示小数点。通过不同的发光管的亮灭组合可以显示数字09、AF、小数点“.”以及一些特殊的字样9LED显示器可以分为两种类型。一种是8个发光二极管的阳极连在一起，称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极连在一起的，称为共阴极LED显示器。两种类型的LED显示器各笔划（段）的安排位置是相同的，当二极管导通时相应的笔划发光（发亮），由发亮的笔划组合显示各种字符。为了显示字符，必须给LED的a、b、c、d、e、f、g和dp端一个确定的电平，如对于共阴极LED，为了显示0，则要求a、b、c、d、e、f端为高电平，g和dp端为低电平，用数据表示即为11111100。习惯上，大家常喜欢将D7连接至dp，D6连接至g，以次类推，将D0连接到a，这样显示0时对应的“数据”为00111111（3FH），这里的数据“3FH”常被称为字形码，有的书上称之为“段码”，显然，将共阳极LED的段码按位取反即可得到共阳极LED的段码。图3-7 LED显示器的结构LED显示器的显示方式有静态显示和动态显示两种。静态显示时，所有数码管同时发亮，显示字符清晰、稳定，编程简单，其缺点是需要的元件较多；动态显示时，每一时刻只有一个LED发亮，多个LED按顺序循环发亮，由于人的眼睛具有视觉暂留特性，只能分辨出时间大于40ms的变化，只要循环亮一次的时间小于40ms，则可以给人所有LED都在发亮的感觉。动态显示需要元件个数少，其缺点是当刷新频率不高时，LED显示有点闪烁。3.2.1.2 数码管显示电路设计数码管电路如图3-8所示。 图3-8 数码管电路本实验系统采用共阳极数码管，P22口输出低电平时，三极管Q2导通，此时数码管公共端为高电平，满足数码管工作条件，通过将各段置0来点亮发光二极管。八进制3态非反转透明锁存器当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。特性：输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上操作电压范围：2.0V6.0V低输入电流：1.0uACMOS器件的高噪声抵抗特性表3-1 74HC573功能表输入输出输出使能(OE)锁存使能(LE)DQLHHHLHLLLLX不变HXXZX=不用关心Z=高阻态表3-2 74HC573最大范围值符号参数值单位VCCDC供电电压(参考GND)-0.5+7.0VVINDC输入电压(参考GND)-1.5VCC+1.5VVOUTDC输出电压(参考GND)-0.5VCC+0.5VIIN每一个PIN的DC输入电流20mAIOUT每一个PIN的DC输出电流35mAICCDC供电电流，VCC和GND之间75mAPD在自然环境下，PDIP和SOIC封装下的功耗750500mWTstg存储温度-65+150TL引线温度，十秒(PDIP,SOIC)2603.2.2 液晶显示电路设计液晶显示电路采用 1602 字符点阵液晶显示和 12864 图形点阵液晶显示器。该电路采用总线接法，这样做的好处是可以把液晶显示器当作一个外部的存储单元来操作。 RW为读写控制线, 高电平是读低电平是写, RS为命令和数据控制线, 高电平是命令,低电平是数据, E 使能信号端, 当 E 有一个高电平时液晶模块使能。这样要对液晶模块访问时, 只要把 RW、 RS 设置好再把数据或者命令送到外部 RAM的任一个地址去就可以了, 或者把外部