计算机硬件及网络课程设计报告-AT24C02芯片的应用.doc

AT24C02芯片的应用 专业课程设计说明书专业课程设计名称： 硬件电路课程设计 课 程 设 计 题 目： AT24C02芯片的应用 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息科学与技术 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 2012年6月30日 电子信息科学与技术专业课程设计任务书20 11 20 12学年 第 2 学期第 17 周 20 周 题目AT24C02芯片的应用内容及要求 在单板机上扩充一片AT24C02芯片，并配上相应程序，使之能对AT24C02芯片进行读写。 单片机AT24C02芯片进度安排1. 2011-2012学年第二学期17周 布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备： 2. 领元器件、制作、焊接：第18-19周3调试：3天4. 验收：0.5天5. 提交报告：2011-2012学年第二学期第20周学生姓名：郭彬临 陈庆安指导时间：第17-20周指导地点：E 楼 404室任务下达2012 年6 月4 日任务完成2012 年 6月29日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师王忠华系（部）主任贾杰摘 要随着当今社会电子科技的迅猛发展和人们生活水平的不断提高，人们对电子产品的要求也越来越高。特别是在抗干扰能力、数据储存、体积、功耗、性价比等方面的要求尤为突出。因此，AT24C02芯片便孕育而生了。AT24C02芯片是美国Atmel公司便推出低功耗CMOS型E2PROM。内含256*8位存储空间，具有工作电压宽(2.5V5.5V)，擦写次数多(大于10000次)，写入速度快(小于10ms)，抗干扰能力强，数据不易丢失，体积小等特点。并且它是采用I2C总线式进行数据读写的串行操作，只占用很少的资源和I/O线。AT24C02有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，还有一个专门的写保护功能。 此项课程从设计到制作都相对简单，主要是通过单片机将数据传送到AT24C02芯片中，然后用74HC573锁存器控制7段数码管进行显示，（其数据的传输是通过软件来实现的，即用软件来驱动硬件）。通过断电和上电来体现AT24C02芯片的读写功能，即产品接通电源后，数码管从“00-59”开始显示，若断电时，数码管显示为“20”，在从新上电之后，数码管接着从“20”开始显示。在此项设计中，还加入了报警和发光显示，当数码管显示完“59”时，蜂鸣器鸣叫一声，发光二级管闪亮。 由于AT24C02芯片的特点突出，功能强大，已被广泛使用。而本次课程只是通过制作一个简单的产品来简单的说明AT24C02芯片的功能。 关键词：单片机 AT24C02芯片 显示 报警 目 录 前言-4 第一章 设计方案-5 1.1 设计要求-5 1.2 设计原理-5 1.3 方案认证- 5第二章 单元电路设计-6 2.1 52单片机电路-6 2.2 晶振电路和复位电路-8 2.3 AT24C02芯片电路-9 2.4 报警电路-12 2.5 74HC573芯片电路-13 2.5 7段数码管电路-14第三章 调试及分析-10 3.1 原理设计-10 3.2 调试及分析-18 实验总结-19 参考文献-20 附录-21 前 言 AT24C02芯片凭借它功耗低、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10ms)、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点而被人们所亲睐。AT24C02芯片是串行扩展总线技术的产物，而串行扩展总线技术是新一代单片机技术发展的一个显著特点。其中PHILIPS公司推出的I2C总线（INTELICBUS）最为著名。与并行扩展总线相比，串行扩展总线有突出的优点：电路结构简单，程序编写方便，易于实现用户系统软硬件的模块比、标准化等。目前I2C总线技术已为许多著名公司所采用，并广泛应用于视频音像系统中。 本次课程包括了软件和硬件的设计，通过这种综合性训练,要求学生达到以下的目的和要求:独立设计方案,达到学有所用的目的;通过查阅手册与文献资料,进一步熟悉常用电子器件类型和特性,并掌握合理选用的原则,培养独立分析与解决问题的能力。这次专业课程设计是在指导老师的带领下,由学生自主设计并完成的。所选的课程设计题目是AT24C02芯片的应用.利用在单板机上扩充一片AT24C02芯片，并配上相应程序，使之能对AT24C02芯片进行读写。从而实现单片机与AT24C02芯片之间数据传输。 该电路主要通过软件将数据传输到单片机中，然后通过单片机把数据传送到AT24C02芯片，最后通过上电和断电的操作方式用数码管和发光二级管的显示来体现AT24C02芯片的读写功能。 第一章 设计方案 1.1 设计要求 在单板机上扩充一片AT24C02芯片，并配上相应程序，使之能对AT24C02芯片进行读写。 单片机AT24C02芯片 1.2 设计原理 52单片机与51单片机兼容，AT89S52内部有8位CPU，在系统可编程Flash，8KB内部ROM，256字节内部RAM，32个可编程I/O线，最高工作频率12MHz，8个中断源，3个16位定时计数器，三级加密程序存储器，全双工串行通道。AT24C02是采用I2C总线式进行数据读写的串行操作，只占用很少的资源和I/O线。且AT24C02有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，还有一个专门的写保护功能。 本电路是通过52单片机的P0.0P0.7口来控制锁存器74HC573，从而控制7段数码管显示。用单片机中的P1.0口来控制二极管电路。用P2.3口来控制报警电路，用P2.0、P2.1口来向AT24C02芯片进行数据的输入、发送或接收，从而对数据进行读写。 1.3 方案认证通过单片机将数据传送到AT24C02芯片中，然后用74HC573锁存器控制7段数码管进行显示，（其数据的传输是通过软件来实现的，即用软件来驱动硬件）。通过断电和上电来体现AT24C02芯片的读写功能，即产品接通电源后，数码管从“00-60”开始显示，若断电时，数码管显示为“20”，在从新上电之后，数码管接着从“20”开始显示。在此项设计中，还加入了报警和发光显示，当数码管显示“60”时，蜂鸣器鸣叫一声，发光二级管闪亮。第二章 单元电路设计2.1 52单片机电路1、 单片机各功能引脚 图2.1 52单片结构图VCC/GND：供电电源。P0口：可以被定义为数据/地址的低八位，能够用于外部程序/数据存储器。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：标准输入输出I/O，P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：既可用于标准输入输出I/O，也可用于外部程序存储器或数据存储器访问时的高八位地址。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：既可以作标准输入输出I/O，也可作为AT89C51的一些特殊功能口， P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。二、单片机工作原理 单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。2.2 晶振电路和复位电路一、晶振电路 图2.2.1 晶振电路图 晶振电路是单片机内部有个高增益反向放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产震荡时钟，为单片机提供稳定的时钟。二、复位电路 图2.2.2 复位电路图 复位电路提供单片机复位功能，上电时可给单片机res脚提供相应的复位电平信号。2.3 AT24C02芯片电路1、 AT24C02芯片管脚功能 SCL：串行时钟输入管脚，用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。SDA：双向串行数据/地址管脚，用于器件所有数据的发送或接收。A0、A1、A2：器件地址输入端。这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址，当这些脚悬空时默认值为0。使用AT24C02最大可级联8个器件，如果只有一个24C02被总线寻址，这三个地址输入脚A0、A1、A2可悬空或连接到VSS。图2.3.1 AT24C02引脚图WP：写保护。如果WP管脚连接到Vcc，所有的内容都被写保护，只能读。当WP管脚连接到Vss或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。VSS：电源地(GND)。VCC：电源电压(5V)。2、 AT24C02芯片的功能介绍 在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变，时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号。图2.3.2 AT24C02起始/停止时序如图2.3.2所示，时钟线保持高电平期间，数据线电平从高到低的跳变作为I2C总线的起始信号。时钟线保持高电平期间，数据线电平从低到高的跳变作为I2C总线的停止信号。主器件通过发送一个起始信号启动发送过程，然后发送它所要寻址的从器件的地址。8位从器件地址的高4位固定为1010(见表2.3.1)，接下来的3位A2、A1、A0为器件的地址位，用来定义哪个器件以及器件的哪个部分被主器件访问。从器件8位地址的最低位作为读写控制位。1表示对从器件进行读操作，0表示对从器件进行写操作。在主器件发送起始信号和从器件地址字节后，AT24C02监视总线并当其地址与发送的从地址相符时响应一个应答信号。通过SDA线AT24C02再根据读写控制位R/W的状态进行读或写操作。表2.3.1 AT24C02控制字1010A2A1A0R/WI2C总线数据传送时，每成功地传送一个字节数据后，接收器都必须产生一个应答信号(见图2.3.3）。应答的器件在第9个时钟周期时将SDA线拉低，表示其已收到一个8位数据。AT24C02在接收到起始信号和从器件地址之后响应一个应答信号，如果器件已选择了写操作，则在每接收一个8位字节之后响应一个应答信号。当AT24C02工作于读模式时，在发送一个8位数据后释放SDA线并监视一个应答信号。一旦接收到应答信号，AT24C02继续发送数据，如主器件没有发送应答信号，器件停止传送数据且等待一个停止信号。 AT24C02的写模式有字节写和页写两种。本设计中选择字节写模式，其时序见图2.3.4。该模式下，主器件发送起始命令和从器件地址信息(R/W位置零)给从器件。在从器件产生应答信号后，主器件发送AT24C02的字节地址，主器件在收到从器件的另一个应答信号后，再发送数据到被寻址的存储单元。AT24C02再次应答，并在主器件产生图2.3.4 AT24C02连续读时序图2.3.3 AT24C02字节写时序停止信号后开始内部数据的擦写。在内部擦写过程中AT24C02不再应答主器件的任何请求。图2.3.5 AT24C02应答时序对AT24C02读操作的初始化方式和写操作时一样，仅把R/W位置为1。有三种不同的读操作方式：立即地址读、选择读和连续读。设计中需要一次性读出16字节的密码，故用连续读方式。连续读操作可通过立即读或选择性读操作启动，在AT24C02发送完一个8位字节数据后，主器件产生一个应答信号来响应，告知AT24C02主器件要求更多的数据。对应每个主机产生的应答信号，AT24C02将发送一个8位数据字节；当主器件不发送应答信号而发送停止位时结束此操作。连续读操作的时序可见图2.3.4。2.4 报警电路由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，单片机驱动蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM 输出口直接驱动，另一种是利用I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。本电路采用PWM 输出口直接驱动，PWM 输出口直接驱动是利用PWM 输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。在单片机的软件设置中有几个系统寄存器是用来设置PWM 口的输出的，可以设置占空比、周期等等，通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求的频率的波形之后，只要打开PWM 输出，PWM 输出口就能输出该频率的方波，利用这个波形就可以驱动蜂鸣器。图2.4.1 蜂鸣器驱动电路2.5 74HC573芯片电路一、74HC573芯片的管脚功能 74HC573是有输出三态门的电平允许8位锁存器。引脚信号如下：OE：输出允许端，为0时芯片有效。LE：锁存控制端，高电平时，锁存器的数据输出端Q的状态，与数据输入端D相同，即锁存器是透明的；当LE端从高电平返回到低电平时（下降沿后），输入端的数据就被锁存在锁存器中，数据输入端D的变化不再影响Q端。HC573引脚功能表：PIN No 引脚号SYMBOL符号NAME AND FUNCTION名称及功能1OE3 State output Enable Input (Active LOW)3态输出使能输入（低电平）2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9D0 to D7Data Inputs数据输入12,13,14,15,16,17,18,19Q0 to Q73 State Latch Outputs 3态锁存输出11LELatch Enable Input 锁存使能输入10GNDGround接地(0V)20VCCPositive Supply Voltage电源电压二、74HC573芯片的特点及原理特点： 三态总线驱动输出 置数全并行存取 缓冲控制输入 使能输入有改善抗扰度的滞后作用 原理： 74HC573的八个锁存器都是透明的D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。 图2.5.1 HC573引脚图 图2.5.2 HC573 逻辑图 2.6 7段数码管电路一、7段数码管的结构与工作原理 7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图2.6.1所示。 共阳极共阴极7段数码管内部字段LED和引脚分布 图2.6.1 7段数码管结构图二、7段数码管驱动方法 发光二极管（LED是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的，能直接将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一一电流通过时，它就会发光。7段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光二极管一样，一般为510mA；正向电压随发光材料不同表现为1.82.5V不等。7段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示，下面分别介绍。（1） 静太显示所谓静态显示，就是当显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地寻能可截止。这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。对于51单片机，可以在并行口上扩展多片锁存74LS573作为静态显示器接口。静态显示器的优点是显示稳定，在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮度高，控制系统在运行过程中，仅仅在需要更新显示内容时，CPU才执行一次显示更新子程序，这样大大节省了CPU的时间，提高了CPU的工作效率；缺点是位数较多时，所需I/O口太多，硬件开销太大，因此常采用另外一种显示方式动态显示。（2） 动态显示 所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作（点亮），但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄 灭时的余辉效应，看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参烽，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口（称为扫描口或字位口），控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口（称为数据口或字形口）。 动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低，但在控制系统运行过程中，要保证显示器正常显示，CPU必须每隔一段时间执行一次显示子程序，这占用了CPU的大量时间，降低了CPU工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。综合以上考虑，由于温度显示为精确到小数点后两位，故只需4个数码管，又考虑到CPU工作效率与电源效率，本毕业设计采用静态显示。为共阳极显示。 第三章 调试及分析3.1 原理设计 一、原理方框图 74HC573锁存数码管显示单片机AT24C02读写 报警电路 发光二级管显示报警电路二、电路原理图 图3.1.1 电路设计总图 复位电路提供单片机复位功能，上电时可给单片机res脚提供相应的复位电平信号。晶振电路是单片机内部有个高增益反向放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产震荡时钟，为单片机提供稳定的时钟。 当上电时，数码管由“00-59”显示，断电时，显示停止，由于AT24C02的读写功能，在从新上电时，数码管接着断电时的数据显示。当显示完“59”时，蜂鸣器报警，发光二级管亮。 3.2 调试及分析 此次课设其工作原理是通过单片机将数据传送到AT24C02芯片中，然后用74HC573锁存器控制7段数码管进行显示，通过断电和上电来体现AT24C02芯片的读写功能。其主要是通过软件驱动硬件，软件要符合硬件的设计。在硬件设计完毕、程序编译成功之后，将程序下载到单片机中，再通过单片机的工作来驱动各个模块的工作，从而驱动整个模块工作。 复位电路和晶振电路是单片机工作所必须的，复位电路中的复位开关控制着单片机及整个电路模块的工作。在程序下载成功后，按动复位开关，模块开始工作，即数码管从“0059”开始显示，若在显示中途断电，即按一下复位开关，整个电路模块停止工作，但数据被AT24C02芯片记忆储存了，在再次上电后，数码管接着之前的数据往下显示。当数据显示完“59”之后，P2.5输出为低电平，三极管导通，蜂鸣器报警；发光二级管导通，二极管亮。 当然，在仿真调试过程中，也出现了一些问题，经分析发现，其主要的问题还是出在软件的编程不符合硬件的设计。例如，在仿真调试过程中，数码管一直不显示，然后重点针对数码管显示模块进行改正和从新编译，在通过几次的调试之后，问题被解决。 实验总结 在此次实验中,学习到了许多以前没学到的东西，以前做实验都是有实验报告书，只要按照书上所说的去做就不会有什么大的问题，最终都能的到结果,因为做的都是别人设计好的实验,只需验证结果。 然而本次实验是没有内容,没有资料,只是给了一个题目,所有资料都要自己去图书馆找,网上查询,找到了相关资料还要去了解其内容,来设计可以实现的电路。在本次实验中AT24C02是一种新型的芯片,在了解其结构、内容后,经指导老师的指导,设计出了电路,在电脑上进行模拟仿真,得到了自己期望的结果。 在这次课程设计中,通过查询资料,自己动手设计出了方案,在动手做的过程中遇到了很多的难题:数码管不显示、蜂鸣器不响、数据没有储存等等,这些问题都是一环扣一环,要一个接一个的检查出来并解决掉,这就需要非常的细心和耐心。特别在最后的检测调试阶段,通过仿真来检查软件的编程和硬件的设计是否相匹配，然后再通过不停地检查和改正，最终完成了这次实验。这次课设加深了对理论知识的理解,也懂得了书本上知识是有限的,应加强自身对理论知识和实践的结合,锻炼到自己的动手能力今后应该积极地多多接触和参加电子类设计活动.通过此次课设，真是让人受益匪浅！ 参考文献1.单片机技术 姜大源 高等教育出版社2.单片机技术与项目实施 李素 高等教育出版社3.单片机原理与编程 宋彩利 孙友仓 吴宏岐 西安交通大学出版社4.模拟电子技术基本教程 华成英 清华大学出版社5.电路 邱关源 高等教育出版社6.单片机应用实验教程 王朔 高等教育出版社7.AT24C02在单片机中的应用 宋德杰 电子制作8.串行芯片AT24C02的应用 樊波 王晓燕 电测与仪表9.AT24C02在系统中的应用 吕国芳 张玉华 国外电子测量技术10.74HC573的芯片手册及其应用原理图 李云峰 高等教育出版社 附录附录一、元件清单类型型号数量电阻1K3个10K2个1001个电容0.01UF2个电解电容10UF1个晶振11.0592M1个开关SW-PB1个二极管LED1个三极管PNP1个蜂鸣器BELL1个芯片52单片机1个AT24C021个74HC5732个7段数码管2个附录二、实物图和原理仿真图 实物图1原理仿真图1附录三、实验总程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit sda=P20;sbit scl=P21;sbit dual=P26;sbit wual=P27;sbit fm=P23;sbit led1=P10;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;uchar flag;void dealyms(uchar