毕业设计（论文）-单片机开发板.doc

湖北十堰职业技术学院毕业论文摘 要在学习单片机的过程中，通过做了一系列的实验，从而比较容易地领会了单片机哪些枯燥、难懂的专业术语，而且此次设计的单片机开发板弥补了市场上常见的单片机实验板的一些不足，有针对性地面向最终的实用控制功能，使整个开发板分解成若干个小模块，并且每个模块引出了一些引脚，这样使用者就可以根据自己的需要连接自己的电路，增加了开发板的灵活性。本单片机开发板包括：单片机最小系统、a/d电路功能模块、d/a电路功能模块、串口、2位数码管、驱动步进电机电路、44键盘、液显(1602)显示功能、温度测量功能、喇叭等功能模块。通过以上的功能模块可以完成基本的单片机学习实验。因此，我利用单片机控制ds18b20芯片实现了温度计的开发实验。关键词：单片机开发板，模块，功能，实验abstract in the study process of mcu, by doing a series of experiments,so it can easier to understand which of the microcontrollers boring and hard to understand terminology。and the design of microcontroller development board made up a common markets microcontroller development boards a number of inadequacies, targeted for the end of the practical control, so that the whole development board broken down into several small modules, and each module raises a number of pins, so that users can connect to their own needs according to the circuit.so you can use the mcu development board become more flexible.the mcu development board include: minimum system of mcu,a / d circuit functional modules, d / a circuit functional modules, serial, 2-bit digital led control, drive a stepper motor circuit, 4 4 keyboard, lcd(1602) display, temperature measurement function modules, speakers function modules and so on. through the above function modules to complete the basic of mcus experiment.keyword: mcu development board, module,function, experimental目 录1、引言 51.1课题的来源和意义51.2 国内外发展趋势61）低功耗cmos化 62）微型单片化 6 3）主流与多品种共存 72、主要研究的目的及内容82.1开发板功能描述 82.2主控芯片介绍82.3板载外围硬件设备与接口 93、开发板硬件结构图103.1开发板外观图103.2 pcb板104、 6单片机主要模块芯片的介绍及使用114.1 单片机最小系统114.1.1 时钟源电路 114.1.2 复位电路 114.2 a/d电路功能模块124.2.1 adc0809芯片介绍12（1）adc0809的内部逻辑结构 12（2） adc0809引脚结构134.2.2. 74ls163 功能表及应用 134.2.3 adc0809模块电路144.3 d/a电路功能模块 144.3.1 dac0809芯片介绍 144.3.2 d/a电路功能模块电路164.4 max232芯片介绍164.4.1 max232应用电路 164.4.2 串口模块电路图 174.5 4*4矩阵键盘 174.5.1 4*4矩阵键盘原理 174.5.2 4*4矩阵键盘电路图及果 175、设计与制作185.1液晶1602的介绍 185.1.1、lcd1602模块接口引脚功能 185.1.2 液晶显示的原理 195.1.3、lcd1602的操作命令 195.2 ds18b20的介绍 215.2.2 ds18b20性能特点 225.2.3 ds18b20的应用255.3 检测流程图265.4 程序的设计 275.5温度计的仿真图 336、致谢 347、结束语358、附录35附录1 开发板主要器件 35附录2 设计板 36引 言 若将经典电子系统当作一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。单片机应用系统的硬件结构给予电子系统“身躯”，单片机应用系统的应用程序赋予其“生命”。例如，在设计智能化仪器显示器的显示功能时，可在开机时显示系统自检结果，未进入工作时显示各种待机状态，仪器运行时显示运行过程，工作结束后可显示当前结果、自检结果、原始数据、各种处理报表等。在无人值守时，可给定各种自动运行功能。 11 课题的来源和意义单片机开发板是一块电路板和诸多元器件组合在一起供平时的学习、实验、开发等使用;是正式批量生产产品前，对产品进行设计和开发时使用的板子。我们学习单片机，开始是对理论知识的学习，学习了一些指令和相关单片机结构的知识，而单片机开发板就是我们实践的工具，通过开发板我们可以做一些实验，从而掌握所学的知识。打个比较通俗的例子：我们编写的代码是“软件”，而开发板是“硬件”，两者结合才会有用，如果只有代码，只有模拟的实验结果而不经过板子实践是学不好的，也掌握不了单片机。简单概括说开发板实际上就是个多功的实验板，是学习单片机和开发单片机产品的好帮手。上面集成了好多单片的的外围器件，如led灯、数码管、按键、行列式按键、步进电机、伺服电机、液晶显示等等，利用一个开发板就可以编制不同的程序实现各种各样的功能，不用为了一个实验焊一块电路板了。在开发板上设计、调试好程序，就能方便地移植到产品上，只是有时要作适当的修改，比如端口的设置等，因为毕竟开发板和产品的电路板不可能完全一致的。这样我们就可以通过开发板的使用节省大量的资源，提高我们的学习效率。为我们更好的学习单片机提供一个良好的平台。1.2 国内外发展趋势现在可以说是单片机的战国时期，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象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(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 。2、主要研究的目的及内容2.1开发板功能描述单片机开发板是一款功能强大、集成度高且可扩展性强的单片机实验开发系统。它将单片机实验板，编程器，仿真器集成到一个系统上，成本与价格低廉，而且摆脱了传统单片机开发套件繁琐的方式。同时它集成了led、蜂鸣器、数码管、继电器、红外传感器、温度传感器、液晶、a/d、d/a等多种接口设备，资源丰富，可进行多种实验，非常适用于微控制器项目教学配套实验板，另外板上具有大量的外扩接口，可非常方便地进行系统扩展，适用于科研实验或学生参加电子设计竞赛。1）与普通实验箱对比的优势l 支持多种系列单片机(at89系列、sst系列、stc系列等)l 提供各实验的硬件原理图，并提供样例程序，使初学者能以最快的速度学习单片机的软件和硬件设计，并配套开发对应的项目课程教材。l 规范化、工程化软件代码l 完善的售后技术支持l 体积小、价格低廉，使用方便l 自由的外接接口，自由调配晶振2.2主控芯片介绍开发板使用的是stc公司生产的stc89c52rc单片机,它是一款性价比非常高的单片机，普通用户可完全将其当作一般的51单片机使用，高级用户可使用其扩展功能。 stc公司的单片机内部资源比起atmel公司的单片机来要丰富的多，它内部有1280字节的sram、8-64k字节的内部程序存储器、2-8k字节的isp引导码、除p0-p3口外还多p4口(plcc封装)、片内自带8路8位ad(ad系列)，片内自带eeprom、片机自带看门狗、双数据指针等。目前stc公司的单片机在国内市场上的占有率与日俱增。2.3 板载外围设备接口1）8位数码管2）3只独立式按键3）8路led4）44矩阵式键盘5）1个蜂鸣器6）1602字符液晶模块7）8路spi接口a/d转换器8) 4路d/a转换器9) rs232串口通信10）红外传感器11）温度传感器12）继电器13）i2c串口24c系列e2prom14）isp下载接口15）12864液晶模块3、fy-1a开发板硬件结构3.1 开发板外观图 3.2 pcb 板4 . 单片机主要模块芯片的介绍及使用4.1 单片机最小系统4.1.1时钟源电路 单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚xtall和xtal2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构如图4.1.1 中y1、c16、c17。y1一般选择12mhz频率的石英晶体，补偿电容通常选择30pf左右的瓷片电容。图4.1.14.1.2 复位电路 单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。其结构如图2.1.2 中r1、r2、c3和s18。上电自动复位通过电容c3充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻r1与vcc接通来实现。图4.1.24.2 a/d电路功能模块4.2.1 adc0809芯片介绍adc0809是带有8位a/d转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的cmos组件。它是逐次逼近式a/d转换器，可以和单片机直接接口。 （1）adc0809的内部逻辑结构 由图4.2.1可知，adc0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个a/d转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用a/d转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存a/d转换完的数字量，当oe端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图4.2.1（2） adc0809引脚结构adc0809各脚功能如下： d7-d0：8位数字量输出引脚。 in0-in7：8位模拟量输入引脚。 vcc：+5v工作电压。 gnd：地。 ref（+）：参考电压正端。 ref（-）：参考电压负端。start：a/d转换启动信号输入端。 ale：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动a/d转换）.eoc：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。oe：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。clk：时钟信号输入端（一般为500khz）。a、 b、c：地址输入线。4.2.2 74ls163 功能表及应用由图4.2.2可知：我们可以利用74ls163的计数功能来实现对4mhz晶振的8分频功能。我们可以轻松的从q2端得到adc0809所需的500khz的时钟信号。4.2.3 adc0809模块电路4.3 d/a电路功能模块4.3.1 dac0809芯片介绍dac0832是采样频率为八位的d/a转换器件,下面介绍一下该器件的中文资料以及电路原理方面的知识。dac0832内部结构资料:芯片内有两级输入寄存器，使dac0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路d/a异步输入、同步转换等)。d/a转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过rfb端引用片内固有电阻，海可以外接。该片逻辑输入满足ttl电压电平范围，可直接与ttl电路或微机电路相接，下面是芯片电路原理图图4.3.1 内部结构电路图 图4.3.dac0832引脚图 dac0832引脚功能说明：di0di7：数据输入线，tll电平。 ile：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。cs：片选信号输入线，低电平有效。 wr1：为输入寄存器的写选通信号。xfer：数据传送控制信号输入线，低电平有效。 wr2：为dac寄存器写选通输入线。iout1:电流输出线。当输入全为1时iout1最大。iout2: 电流输出线。其值与iout1之和为一常数。 rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.vcc:电源输入线 (+5v+15v) vref:基准电压输入线 (-10v+10v)agnd:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地. dgnd:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好.4.3.2 d/a电路功能模块电路4.4 max232芯片介绍该产品是由德州仪器公司（ti）推出的一款兼容rs232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供tia/eia-232-f电平。4.4.1 max232应用电路。232是电荷泵芯片，可以完成两路ttl/rs-232电平的转换，它的的9、10、11、12引脚是ttl电平端，用来连接单片机的。如下图所示图 4.4.1 max232应用电路4.4.2 串口模块电路图4.5 4*4矩阵键盘4.5.1 4*4矩阵键盘原理每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和cpu通信。每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接vcc，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。4.5.2 4*4矩阵键盘电路图及效果图图4.5.1 4*4矩阵键盘电路图 图4.5.2 4*4矩阵 - 36 -5、设计与制作5.1液晶1602的介绍lcd液晶显示技术常见的液晶显示器有七段lcd显示器、点阵式字符型lcd显示器和点阵式图形lcd显示器，在此介绍应用广泛的点阵式字符型lcd显示器lcd1602。5.1.1、lcd1602模块接口引脚功能引脚号引脚名称引脚功能含义1vss电源地2vdd接5v正电源3v0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度4rs为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器5rw为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和rw共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低电平rw为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平rw为低电平时可以写入数据5e为使能端，当e端由低电平跳变成高电平时，液晶模块执行命令714db0db7数据线，可以用8位连接，也可以只用高四位连接，节约单片机的资源15a背光控制，正电源5v16k背光控制，地。用于不带背光的模块时这两个引脚悬空不接5.1.2 液晶显示的原理 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性， 通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、pda移动通信工具等众多领域。5.1.3、lcd1602的操作命令lcd模块三个控制引脚rs、r/w和e的不同状态组合确定了单片机对lcd模块的4种基本操作。模块的内部操作由从外部送来的rs、r/w、e及数据信号db0db7决定，这些信号的组合形成了模块的指令。lcd1602模块命令字表（*表示状态不定）部分指令说明如下：（1）指令3 输入方式设定 i/d=1：数据读、写操作后，ac自动增一。 i/d=0：数据读、写操作后，ac自动减一。 s=1: 数据读、写操作，画面平移。 s=0: 数据读、写操作，画面不动。（2）指令4 显示状态设置 d表示显示开关：d=1为开，d=0为关。 c表示光标开关：c=1为开，c=0为关。 b表示闪烁开关：b=1为开，b=0为关。（3）指令5 光标画面滚动 s/c=1：画面平移一个字符位。 s/c=0：光标平移一个字符位。 r/l=1：右移；r/l=0：左移。（4）指令6 工作方式设置 dl=1,8位数据接口；dl=0，4位数据接口。 n=1，两行显示；n=0，一行显示。 f=1，510点阵字符；f=0，57点阵字符。（5）指令7 cgram地址设置设置cgram地址，a0a5=03fh。在cgram（字符发生器ram）中，用户可以生成自定义图形字符的字模组，可以生成58点阵的字符字模8组，相对应的字符码从cgrom的00h0ffh范围内选择。5.2 ds18b20的介绍5.2.1 ds18b20是美国dallas公司生产的可完全替代ds1820的全新型单线数字式温度计。文中介绍了ds18b20的性能结构和与ds1820比较所具有的不同特点,说明了ds18b20的使用要求。给出了ds18b20与单片机成成的测温系统的应用电路和检测流程。 ds18b20是美国dallas公司生产的一线式数字式温度计片、它具有结构简单,不需外接元件,采用一根i/o数据线既可供电又可传输数据、并可由用户设置温度报警界限等特点,可广泛用于食品库、冷库、粮库等需要控制温度的地方。ds18b20是ds1820的改进型产品,但该产品具有比ds1820更好的性能,目前,该产品已成为ds1820的替代品而在温控系统中得到广泛的应用。5.2.2 ds18b20性能特点与dallas公司生产的ds1820相比,ds18b20具有如下特点：在-10+85范围内,ds18b20具有0.5的精度。因而ds18b20在和ds1820的测温精度相同时,具有更宽广的温度范围。分辨率为912位（包括1位符号位）,并可由编程决定具体位数;ds18b20的转换时间与设定的分辨率有关,当设定为9位时,最大转换时间为93.75ms;10位时的转换时间为187.5ms;11位时为375ms;12位时为750ms;电源电压范围为3.0v5.5v;内含程序设置寄存器,可用来设置分辨率位数,该寄存器是ds1820所没有的。其格式为：tmr1r011111其中,tm为测试模式位,为1表示测试模式,为0表示工作模式,出厂时该位设为0,且不可改变。r1和r0的设置组合与温度分辨率有关,具体关系见表1。表1 温度分辨率的设置r1r2分辨率的设置组合009位0110位1011位1112信片内带有64位激光rom：从高位算起,该rom有一个字节的crc校验码,6个字节的产品序号和一个字节的家庭代码。对于家庭代码,ds1820是10h,ds18b20是28h。内含温度数据寄存器：该寄存器由两个字节组成,实际上ds18b20中寄存器的字节定义或温度值与ds1820不一样,ds1820的分辨率为0.5,而ds18b20的12位分辨率为24。5.2.3 ds18b20的应用ds18b20采用3脚to-92封装或8脚soic封装。图1是其采用8脚soic封装的引脚排列图。其中gnd接地;vdd为电源端;dq是数据输入/输出端;其余为空脚。ds18b20的供电方式有两种：一种为寄生电源,另一种为外加电源。 同ds1820一样,用户也可通过1线端口对ds18b20进行操作,其步骤为：复位rom功能命令存储器功能命令执行/数据dsb1820的rom命令有5个,存储器命令有6个,这些命令字和功能同ds1820完全一样。命令的执行都是由复位、多个读时隙或/和写时隙基本时序单元组成。因此,只要将复位、读时隙、写时隙的时序了解清楚,使用ds18b20就比较容易了。5.3检测流程图 1） 复位使用ds18b20时,首先需将其复位,然后才能执行其它命令。复位时,主机将数据线激发为低电平并保持480s960s,然后释放数据线,再由上拉电阻将数据线拉升1560s。然后再由ds18b20发出响应信号,以将数据线激发成低电平60240s,这样,就完成了复位操作。其复位时序如图2所示。2） 写时隙在主机对ds18b20写数据（主机对ds18b20发送各种命令）时,先将数据线激发为低电平,该低电闰应大于1s。然后根据写“1”或写“0”来使数据线变高或继续为低。ds18b20将在数据线变成低电平后15s60s对数据线进行采样。要求写入ds18b20的数据持续时间应大于60s而小于120s,两次写数据之间的时间间隔应大于1s。写时隙的时序如图3所示。3） 读时隙当主机从ds18b20读数据时,主机先数据线激发出低电平,然后释放,以使数据线再升为高电平。ds18b20在数据线从高电平变为低电平的15s内将数据送到数据线上。主机可在15s后读取数据线以获得数据。其时序图如图4所示。 4) 基于ds18b20的温度检测系统以ds18b20为传感器,at89c51单片机为控制核心组成的温度巡回检测系统的电路框图如图5所示。图中,ds18b20的供电方式为外部电源,其i/o数据线与p1.0相连。在ds18b20接入系统之前,应分别从激光rom中读出其序号,然后分别赋予在系统中的编号1n。该系统需要用键盘来设置温度报警的门限值,并用七段led显示器显示ds18b20的编号和测量的温度值。可用8279键盘/显示控制芯片和译码电路74ls154以及驱动电路74ls245来完成该功能。当测量温度超出报警门限时,系统将从p1.2p1.3输出光声报警信号。其主要的温度巡回检测流程图如图6所示。54 程序的设计#include reg51.hsbit dq =p33; /定义通信端口 unsigned char a1,a2,a3,a2t,dispno;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;unsigned int temp1;/延时函数 void delay(unsigned int i) while(i-);/初始化函数 init_ds18b20(void) unsigned char x=0; dq = 1; /dq复位 delay(8); /稍做延时 dq = 0; /单片机将dq拉低 delay(80); /精确延时 大于 480us dq = 1; /拉高总线 delay(14); x=dq; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败 delay(20);/读一个字节 readonechar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i0;i-) dq = 0; / 给脉冲信号 dat=1; dq = 1; / 给脉冲信号 if(dq) dat|=0x80; delay(4); return(dat);/写一个字节 writeonechar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) dq = 0; dq = dat&0x01; delay(5); dq = 1; dat=1; delay(4);/读取温度 readtemperature(void)unsigned char a=0;unsigned char b=0;unsigned int t=0;float tt=0;init_ds18b20();writeonechar(0xcc); / 跳过读序号列号的操作 writeonechar(0x44); / 启动温度转换init_ds18b20();writeonechar(0xcc); /跳过读序号列号的操作 writeonechar(0xbe); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度 a=readonechar();b=readonechar();t=b;t2) dispno=0; 5.5 温度计的仿真图：6、致谢在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与导师交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知