单片机最小系统的设计.ppt

贵州大学电子综合应用课程设计,单片机最小系统的应用设计,一、单片机最小系统,1、单片机最小系统设计 单片机里虽然集成了很多电路，但仍然不能独立运行，必须要外连一些电路，才能使单片机运行起来。这种能使单片机工作的最简电路，我们叫做单片机最小系统。,常见的单片机最小系统电路图如下所示：,图有40个引脚的就是AT89S52单片机，它的核心是MCS-51单片机，我们配套的电路板使用的是更为高端的STC89C52RC单片机，同样兼容MCS-51的指令集，并包含更丰富的存储器资源及片上外设资源。 如果有特殊的需求，也可以选择其他的单片机进行构成。,单片机的时钟电路如下图,晶振并不能独立的使用，必须配合合适的负载电容，否则会产生频率偏差，或者是使晶振不能工作。 负载电容的选择可以根据单片机的技术文档上的说明来选择。对于51单片机一般选择不大于40pF的瓷片电容。,51单片机的复位电路，如下图：下图是一个经典的双复位电路，即可实现上电自复位和手动复位。,复位引脚当有连续两个以上机器周期（2us以上）的高电平时，这个单片机就会复位。而我们的电路设计是，电容充电的瞬间，是导通，在这个瞬间，电流通过电容器，然后向电阻方向放电，此时，电容的“-”端就能有一个很高的电势，在高于3V的情况下，均可认为是高电平。而电容的充电是有时间的，当选择合适的电容，其充电时间会大于2us，这时，复位的条件就成立了。当然，我们为了能够更稳定的复位，我们常常会把单片机的复位引脚的高电平时间控制得更长一点，通常会达到ms级别，这时图中的电容容量为uF级别，电阻阻值为10K级别。,在单片机的引脚定义中，EA是访问外部存储器使能端，即当“EA”引脚为低电平时，就直接访问外部存储器。当EA引脚为高电平时，访问内部存储器，当要访问的存储器地址，超出内部存储器的地址范围时，自动会访问外部存储器相应的地址。 该电路是将单片机的31引脚EA上接到电源VCC端。,我们现在使用的单片机，大部分是有内部存储器的，例如AT89S52、STC89C52RC均带有8KB的片内程序存储器。 为了不浪费这些存储空间，我们就将EA引脚直接接高电平，这样单片机会首先运行内部存储器的程序。 对8031单片机，该单片机也是基于8051单片机内核的，不过，在设计这种单片机时，是没有将存储器集成在单片机里边的，需要外置存储器，这时，这必须将EA引脚接地，否则，该单片机没办法工作。,单片机的电源 我们使用的51单片机需要在+5V的直流电的坏境下，才能够稳定的工作（并不是所有的单片机都是工作在+5V，有的低电压单片机的工作电压为3.3V，有的甚至更低）。而在直流电源中，一般会有正电源和地两根线。单片机的接+5V的引脚为40引脚VCC，而接地引脚为20引脚GND。,二、单片机系统的基本外设 键盘电路,术语解释：前向通道 后向通道 在单片机系统中，前向通道就是指信号的输入通道，例如人机接口的键盘、传感器信号输入、模数转换器等等； 后向通道指系统的输出信号通道，例如控制继电器的输出，LED的亮灭，液晶屏的显示、数码管的显示、电机的控制、数模转换器的输出等等； 前向通道以及后向通道是近年来电子技术界的专业名词，较早期的教材资料中也称输入、输出通道,键盘输入电路,如上图，K2-K17构成了一个标准的4x4矩阵键盘 这里还有一个巧妙的设计，就是将最左一行按键的列公共端通过跳线JP7与GND或COL1连接。 这样的话，当用跳线帽将JP7的2、3脚端接时，该电路形成一个完整的4x4矩阵键盘。 当用跳线帽将JP7的1、2脚短路时，K2、K6、K10、K14构成一个4位独立键盘。,为什么使用矩阵键盘？在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，在矩阵键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接相连，而是通过一个按键相连接，这样在由N条水平线和M条垂直线最多可以有N *M 个按键，大大的减少了对于芯片I/O的占用。,键盘矩阵的按键识别方法 方法一 行扫描法（假设键盘接在P1口）,1、判断键盘中有无键按下 将全部行线P1.4-P1.7置低电平，当然P1.0-P1.3为高电平（或许芯片内部已经将这些引脚它上拉），然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。,2、判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。,方法二 反转法 （假设键盘接在P1口）,先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。,如上图，将LED与电阻串联，即构成最简单的LED指示电路。其中R14、R15称作限流电阻，避免过强的电流损坏LED内部PN结。,在本系统板中，设计有8位独立的LED显示电路，通过锁存器74HC573驱动，电路如下：其中JP1为LED的电源跳线，必须将其用跳线帽短路LED才能正常工作。,74HC573真值表：,从真值表可以看出，当输出使能OE保持为低电平时，锁存器输出有效，否则输出高阻态。输出使能后，若锁存控制端LE为高电平，则锁存器输出端Qn跟随输入端Dn的电平变化而变化。若锁存控制端LE为低电平，则锁存器输出端Qn保持着LE变为低电平之前一时刻的Dn电平状态，此时称锁存输出。,了解了锁存器的功能以后，就知道如何操作板载LED了，首先将JP1用跳线器短路，确保为LED提供工作电压。其次将锁存器的LE端设置为低电平，最后往锁存器数据输入端口D1-D8输入电平数据就可以了。由于本电路采用的是共阳结构，只有当锁存器输出为低电平的时候LED方可点亮，反之高电平熄灭，设计程序的时候需注意这点。,四、单片机系统的基本外设 八段LED数码管,术语解释：数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）； 按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管； 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。,驱动方式 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。 静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。,动态显示驱动 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。,通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。,本系统板采用动态显示的原理设计，电路如下：其中JP2为数码管电源跳线，使用数码管时，必须用跳线帽将其短路。Q2-Q9为PNP型扩流三极管，为每位数码管公共端提供约80mA的电源。R4-R11为三极管的基极偏流电阻，当B0-B7端电压低于4.3V时，PNP管导通，为数码管提供公共电压。74HC573为锁存器，功能在上一章已经说明，在此不再赘述。74HC138为3-8译码器，当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（E1)和/(E2)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。,真值表如下：,五、单片机系统的基本外设 RS232串行接口,术语解释：RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。 该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。 RS-232是现在主流的串行通信接口之一。,由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： （1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 （2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；因此在“51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。 （3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 （4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在20米左右。,RS232（DB9）接口定义 1 DCD 载波检测 2 RXD 接收数据 3 TXD 发送数据 4 DTR 数据终端准备好 5 SG 信号地 6 DSR 数据准备好 7 RTS 请求发送 8 CTS 清除发送 9 RI 振铃提示,接口电平 RS232采用负逻辑电平： -15-3：逻辑1； +15+3：逻辑0； 电压值通常在7V左右 由于单片机输出的串行信号为TTL电平，因此需加上电平转换电路才能和标准的RS232串口通信，本系统板采用的是MAX232电平转换芯片，具体原理如下图。其中C14、C15、C18、C19为泵电容，要求采用高耐压低漏电电流的优质电容，否则影响波特率。LD9、LD11为收发指示灯，当有数据流经串行口时，两灯闪烁。,六、单片机系统的基本外设 三端稳压电路,术语解释：三端稳压集成电路 电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端 和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92 封装。 用 78/79系列三端稳压IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠 、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。,有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24， 用来区别输出电流和封装形式等， 其中78L调系列的最大输出电流为100mA ， 78M系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为15A。 它的封装也有多种，详见图。 塑料封装的稳压电路具有安装容易、价格低廉等优点，因此用得比较多。 79系列除了输出电压为负。引出脚排列不同以外，命名方法、外形等均与78系列的相同。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。,注意三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般 三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4-5V，即经 变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些 。 在实际应用中， 应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器 （当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。,当制作中需要一个能输出15A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个15A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 引脚序号可以自己判断。一般是 入 地 出 的引脚排列方式。,因为单片机通常工作于正电压，本系统采用的STC89C52RC为+5V供电，因此采用了如下电路为整个系统板提供稳定的5V电源。 该电路中，电源的输入有两个方式，一是从5.5mm标准电源端口J7输入，从这个端口输出的电压范围为+8V-+10V/500mA。D3为反向保护二极管，避免因输入反极性电压造成后续芯片损坏。从外部输入的电源经过D3、7805稳压芯片后送至电源开关S1处。 第二种方式是从USB-B型口输入，从PC机USB口输出的5V电源，经过自恢复保险F1以及防倒灌二极管D2后，送至电源开关S1处。 两种供电方式均可，并可同时存在。建议使用外部9V电源为系统板供电，以减轻PC机主板供电负载。同时能提高板载各端口的电源驱动能力。,七、单片机系统的基本外设 蜂鸣器,术语解释：蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。 蜂鸣器分有源和无源两种。有源蜂鸣器直接接上额定电源(新的蜂鸣器在标签上都有注明)就可连续发声;而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。本系统板采用的是有源蜂鸣器。,由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。 该系统板采用的是如下电路：其中Q1为PNP型驱动三极管，为有源蜂鸣器LS1提供较大的驱动电流。R1，R3为三极管的偏流电阻。有源蜂鸣器采用共射接法，以获得较高的电源利用率。 该电路驱动十分简单，只要在BEEP段输入低电平，蜂鸣器即发声。,该电路驱动十分简单，只要在BEEP段输入低电平，蜂鸣器即发声。,八、单片机系统的基本外设 继电器,术语解释：继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。,继电器的控制电路比较简单，类似于蜂鸣器，如下图：其中RL1为5V直流单刀双掷继电器，Q11为驱动三极管，LD10、R16构成通断指示电路。这里着重说明一下C20和D1的作用，当Q11从饱和到截止的瞬间，回路电流突然变为0，造成继电器线圈磁通量高速变化，在线圈两端产生很高的反向电动势，这个反向电动势和电源电压叠加以后，极易造成驱动三极管CE间击穿，致使电路失效。 反向并联在继电器线圈两端的D1的作用就是泄放掉这个反向电压，因此叫做续流二极管。C20与线圈电感分量，线圈电阻分量串联构成一个高阻尼振荡电路，使线圈产生的负压过冲能迅速通过振荡中的电阻消耗掉。作用类似于续流二极管。,九、单片机系统的基本外设 红外接收头,术语解释：红外遥控信号是一连串的二进制脉冲码。为了使其在无线传输过程中免受其他红外信号的干扰,通常都是先将其调制在特定的载波频率上,然后再经红外发射二极管发射出去,而红外线接收装置则要滤除其他杂波,只接收该特定频率的信号并将其还原成二进制脉冲码,也就是解调. 目前,对于这种进行了调制的红外遥控信号，通常是采用一体化红外线接收头进行调解.一体化红外线接收头将红外光电二极管,低噪音放大器,限幅器,带通滤波器,解调器,以及整形驱动电路等集成在一起.一体化红外线接收头体积小,灵敏度高,外接元件少,抗干扰能力强,使用十分方便.,有一体化红外接收头构成的电路十分简单，如下图：图中C2为电源高频旁路电容。,红外遥控解码：遥控器发射的信号由一串O和1的二进制代码组成不同的芯片对0和1的编码有所不同。通常有曼彻斯特编码和脉冲宽度编码。 O和1采用PWM方法编码，即脉冲宽度调制，其O码和1码如图1所示(以遥控接收输出的波形为例)。O码由O56ms低电平和056ms高电平组合而成脉冲宽度为112ms1码由056ms低电平和169ms高电平组合而成脉冲宽度为225ms。 在编写解码程序时通过判断脉冲的宽度，即可得到0或1。如下图： 因此我们可以根据上图的时序特征用单片机对其进行解码，具体操作见配套软件。,十、单片机系统的基本外设 步进电机,术语解释：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。,本系统板采用的是两相五线制步进电机，驱动电路比较简单，如下图：,其中 IC7为ULN2803八路达林顿驱动芯片，每路可提供500mA的OC驱动能力，并且在内部集成了续流二极管，极大方便了OC方式驱动各种感性负载。 芯片的内部结构如下图： 从上图可以看出，输出与输入反相，即输入高电平时，输出端为低电平OC。编程时需注意。,十一、单片机系统的基本外设 字符型液晶显示器,简介：工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行） 注：为了表示的方便 ，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。 液晶显示种类有很多种现在以1602为例学习液晶显示器的使用。 首先要说明一下1602液晶显示器的工作原理，LCD1602本身带有内部字符发生存储器（CGROM），这里面存储了常用的标点符号、数字、大小写字母以及日文假名等，若要显示某个字符，查出对应的代码即可。但是要示其他的内容如汉字、图形等就要用到用户自定义字符存储器（CGRAM）。在本课题中不需要显示汉字和图形，所以只用到第一种情况。,1602液晶有两行，每行可以显示16个字符（字母或数字），也就是说一共可以显示32个字符。 液晶显示屏是长方形的，我们把这个长方形的屏幕分成十六个小块，并给每一小块编一个号码，以便识别不同的小块。就像一个国家有很多人而每个人都有一个身份证号一样。,每一小块对应的编号（地址如下） 第一行地址：00H-0FH （十六个地址），每一个地址对应液晶屏的一个小方框，我们只要把一字符送入一个地址，该地址对应的小方框就会显示这个字符。 第二行地址：40H-4FH 原理如同第一行。 那么我们怎样才能把字符送给相应的地址（位置）？如何让液晶知道你要把字符送到那个位置去显示呢？ 为了让液晶知道我们把字符送到哪个位置，我们在送字符数据给液晶之前必须先送地址给液晶。 比如我们想向地址（编号）为04H的小块送一个字符A，就要分两步执行。,1 发送地址04H (写命令) 2 发送字符A (写数据) 在此过程中地址04H和字符A都是经过这8条数据线（D0=D7）传送给液晶的。那么液晶怎么样才能区分出当前数据是地址还是字符呢？ 这个问题解决办法很简单，因为我们还有另外一条线RS，我们通过改变RS这条线的高低电