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项目4 单片机实验板制作 主讲 陈振军 教学内容 任务1 单片机的应用及功能介绍任务2 单片机实验板的设计任务3 单片机实验板的焊接及调试 任务1 单片机的应用及功能介绍 一 单片机的概念 由CPU 存储器 定时 计数器 并行输入 输出接口电路 中断控制器等大规模IC芯片安置在一个电路板上 加上键盘 显示器等构成了微型计算机的硬件部分 1 微型计算机 2 单片机 将微型计算机系统所用的大多数IC芯片集成到一个芯片中 可以认为 单片机就是将微型计算机的CPU 存储器 I O端口 中断控制器等全部做在一个芯片中去 3 微型机与单片机在硬件结构上比较 微型计算机单片机 数据RAM CPU 并行I O 程序ROM 定时 计数器 串型端口 中断控制器 扩展I O端口 系统总线 DB AB CB 微型计算机的组成框图 由多个IC芯片组装在一个主电路板上 MCS 51单片机 所有单元都组装在一个IC芯片上 4 单片机的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹 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 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 以及程控玩具 电子宠物等等 这些都离不开单片机 更不用说自动控制领域的机器人 智能仪表 医疗器械以及各种智能机械了 因此 单片机的学习 开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家 工程师 二 MCS 51系列单片机介绍 1 MCS 51系列芯片 2 MCS 51单片机内部方框图 时钟电路 4KROM程序存储器 256BRAM数据存储器 2X16位定时 计数器 CPU处理器 64KB总线扩展控制器 可编程I O端口P0 P3 可编程串行口 3 51单片机的性能和特点 内部程序存储器ROM 以89C51为例 4K的存储容量 内部数据存储器RAM 256B 128B的RAM 21B的SFR 寄存器区 设有4个寄存器区 每一个区有R0 R7八个工作寄存器 8位并行输入输出端口 P0 P1 P2和P3 定时 计数器 2个16位的定时 计数器 串型口 全双工的端口 RXD 接收端 TXD发送端 中断系统 设有5个中断源 系统扩展能力 可外接64K的ROM和64K的RAM 三 51单片机的引脚功能 1 MCS 51单片机的引脚定义 主电源引脚 Vcc 5V 40脚 和Vss GND20脚 外接晶体引脚 XTAL1 19脚 XTAL2 18脚 只要在这两脚之间接入一个晶体震荡器 单片机就可以以此晶体的频率开始工作 常用的晶体频率有0 24M 频率越高 单片机的工作速度就越快 但单片机的功耗就要增加 控制或与电源复用引脚 RST Vpd ALE PROG PSEN和VddRST Vpd 9脚 在系统上电震荡器开始工作时 在内部加在此引脚上有一个两个时钟周期的高电平使单片机复位 但为了使系统复位可靠 建议外加一个上电复位电路 延长复位的时间 当单片机掉点时 此引脚可以接入备用电源向单片机内部的RAM供电 以防止RAM中的数据丢失 ALE PROG 30脚 以一个不变的频率 系统时钟fosc 6 周期性输出正脉 当单片机使用外部存储器时 此信号可作为低八位地址的锁存信号 对于EPROM型的单片机 此脚还是用于写程序时 输入编程脉冲 PSEN 29脚 外部程序程序存储器的选通信号 当单片机使用外部程序存储器时 此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲 注意 访问外部数据存储器时 此信号无效 EA Vpd 31脚 外部程序存储器的选择端控制端 当此脚加入 1 电平是 单片机使用内部的程序存储器 当EA加入低电平时 系统只使用外部的程序存储器 但要特别注意 如果EA 1既使用单片机内部的程序存储器时 如果程序计数器PC的值超过0FFFH时 单片机将自动转向外部程序存储器1000H开始的单元 对于EPROM型的单片机 此脚还是用于写程序时 加入21伏的编程电压 并行输入输出端口引脚 P0 P3 P0 0 P0 7P0端口线 39 32脚 输出能力最强的端口 可以带动8个TTL负载 驱动一个MOS负载时 应接一个10K左右的上拉电阻 如果系统使用外接存储器时 该口还作为地址 低八位 总线和数据总线 注意在这种情况下 P0口就不能通用的I O端口 P1 0 P1 7P1端口线 1 8脚 负载能力为4个TTL负载 P2 0 P2 7P2端口线 21 28脚 通用I O端口 除了做通用I O端口外 当系统使用外接存储器时 该口还作为地址 高八位 总线 在这种情况下 P0口就不能通用的I O端口 负载能力为4个TTL P3 0 P3 7P3端口线 10 17脚 P3口除了做通用的I O端口外 同时它还有第二功能 负载能力为4个TTL P3口第二功能表 四 51单片机存储器的配置特点 在MCS 51单片机的内部集成了4K的程序存储器和256B的数据存储器 同时还可以使用片外的程序存储器和数据存储器 其扩展能力都是64K 从物理结构的角度讲 51单片机的存储系统可以分为四个存储空间 既片内ROM RAM和片外ROM RAM 从逻辑上讲 既用户编程的角度讲 51单片机的存储系统又可分为三个存储空间 既片内RAM 片外RAM和片内 外的程序存储器ROM 五 片内RAM低128B字节功能分配图 位寻址区 3区 2区 1区 0区 便笺区 08H07H00H 7FH 30H2FH 20H1FH 18H17H 10H0FH 四个工作寄存器区每个区中有R0 R7八个工作寄存器 位寻址区16个单元20H 2FH 共有128可寻址位个位 位地址 00H 7FH注意 位地址与字节地址的区别 通用的RAM区地址 30H 7FH 继续 返回上一次 六 51单片机的I O端口结构 对单片机的控制 其实就是对I O口的控制 51单片机总共有P0 P1 P2 P3四个8位双向输入输出端口 每个端口都有锁存器 输出驱动器和输入缓冲器 4个I O端口都能作输入输出口用 其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问 51系列单片机有4个I O端口 每个端口都是8位准双向口 共占32根引脚 每个端口都包括一个锁存器 即专用寄存器P0 P3 一个输出驱动器和输入缓冲器 通常把4个端口笼统地表示为P0 P3 在无片外扩展存储器的系统中 这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I O端口使用 在具有片外扩展存储器的系统中 P2口作为高8位地址线 P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线 1 P0口的位结构图 下图为P0口的某位P0 n n 0 7 结构图 它由一个输出锁存器 两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成 从图中可以看出 P0口既可以作为I O用 也可以作为地址 数据线用 做通用数据I O端口时 输出级上端的FET处于截止状态 所以与MOS器件连接时 必须接 上拉电阻 否则不能正确的输出高电平 在输入操作前 为了保证输入正确 必须先向端口 写1 读引脚 与 读锁存器 是不同的两个数据通道 凡是 读 修改 写 的操作 CPU读的都是端口锁存器中的数据 为了提高电路的可靠性 端口引脚不要直接与三极管一类器件直接连接 应加隔离电路或与三极管之间加一个电阻 在总线方式时 P0口不能再做通用的I O端口 它分时输出地址 数据总线的信息 此时引脚不用外接上拉电阻 P0口特点 2 P1口的位结构图 特点 单纯的通用I O端口 负载能力为3个TTL输入 与P0口的区别在于内部具有上拉电阻 所以输出时不用外接上拉电阻 3 P2口的特点 通用数据I O端口 和 高八位地址总线 端口 4 P3口特点 通用I O端口 多用途端口 在多用途情况下 P3口分别作为串行口 外中断输入 外部计数输入和系统扩展时使用的WR和RD信号的端口 在这种情况下 锁存器Q端为 1 电平以保证与门是打开的 在通用I O模式下 替代输出功能 端为 1 电平 以保证与门打开 DQ锁存器CL Q P3 x引脚 替代输出功能 读锁存器 读引脚 内部总线 写锁存器 MUX 地址 数据 0 Vcc 七 并行端口在使用时应注意的几个问题 拉电流 还是 灌电流 与大电流负载的连接使用灌电流的方式与电流较大的负载直接连接时 端口可以吸收约20mA的电流而保证端口电平不高于0 45V 见右上图 采用拉电流方式连接负载时 AT89C51所能提供 拉电流 仅仅为80 A 否则输出的高电平会急剧下降 如果我们采用右下图的方式 向端口输出一个高电平去点亮LED 会发现 端口输出的电平不是 1 而是 0 当然 不是所有的单片机都是这样 PIC单片机就可以提供30mA的拉电流和灌电流 单对于大多数IC电路 最好还是使用 灌电流 去推动负载 拉电流方式输出高电平点亮LED 八 单片机与继电器等大电流负载的接口 我们知道 AT89C51的端口可以吸收约20mA的电流 对于继电器等大于20mA的负载 单片机可以采用右图的接法 用一个三极管来承担负载所需的大电流 若于负载电流易造成干扰单片机的环境 应采用右下图 光电隔离 的方式 其中 A B两处没有任何电的联系 J Vcc Vdd Px y A B MCS 51RST Vcc MCS 51RST Vcc 1K 10 t V T 延长上电复位时间的电路和RST端上电电压曲线 具有手动复位功能的复位电路 R C 九 复位电路 MCS 51内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器 在单片机引脚的XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端 与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激震荡器 见右上图 如果使用外部震荡器信号 其外来的信号加在XTAL1的引脚上 见右下图 XTAL2XTAL1 NC 外时钟 使用外时钟时的电路连接 十 震荡器 与时钟电路 任务2 单片机实验板的设计 一 实验板系统功能要求 流水灯实验数码管实验键盘实验温度测量及显示实验日历时钟显示实验液晶显示实验 二 单片机的选型及复位 时钟电路 1 单片机的选型 AT89S52 它是一个低电压 高性能CMOS8位单片机 内含8kbytes的可反复擦鞋的制度程序存储器 PEROM 和256bytes的随机存取数据存储器 RAM 器件采用ATMEL公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准MCS 51指令系统 片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元 内置功能强大的微型计算机的AT89S52提供了高性价比的解决方案 其内部有足够本系统对存储器的要求 不用外扩电路简单 2 系统时钟 时钟电路设计采用内部方式 引脚XTAL1和XTAL2是时钟电路的连接端 系统电路的晶体振荡器的值为12MHz 电容应尽可能的选择陶瓷电容 电容值约为22pF 在焊接刷电路板时 晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近 以减少寄生电容 更好的保证振荡器稳定和可靠地工作 3 复位电路的设计 MS 51的复位是由外部的复位电路来实现的 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位俩种方式 此电路系统采用的是上电与按钮复位电路 如图所示当时钟频率选用12MHz时 C1取10uF R1约为10k欧 三 P0口的功能定义 1 限流电阻模板的设计P0口作为公共的显示通道 用来驱动发光二极管及数码管各码段的显示 显示电流10mA左右 限流电阻为330欧姆 制作一个电阻排插件 用于选择发光管 数码管及液晶显示器的显示数据通道 如图 2 液晶显示器数据通道的设置 P0口作为液晶显示器的数据通道 传输高电平数据时需要10K的上拉电阻 选择10K电阻排如图 3 LED二极管显示电路 在线路板上设置8个LED小灯通过插接电阻板连接到单片机的P0口上 通过程序控制巡回闪亮 插接板 四 P2口的功能定义 1 温度传感器的连接P2 0作为温度传感器DS18B20的数据及控制通道 传输控制命令 读取温度值 2 LED数码显示的控制 数码管的选择及引脚图LED数码管型号为 LD 5461BS时钟数码管 红色 共阳 数码管电路的连接 P2 1 P2 4作为数码管的位选端 经三极管9012把高电平加到每位数码管的阳极 每段数码管的阴极由P0口控制显示相应的码段 插接板 3 LCD液晶显示控制 液晶显示器的选型及引脚选择LCD1602字符型液晶显示器 两行显示 每行可显示16个字符 外形及引脚如图 液晶显示器的连接 4 日历模块DS1302控制 相关的元器件 DS1302的连接 P2 5接I O脚 P2 6接SCLK脚 P2 7接RST脚 备用电源选择CR2032纽扣电池 晶振频率 32768Hz 五 P1口为键盘端口 P1 0 P1 3接行线P1 4 P1 7接列线 六 P3口功能定义 P3 3 P3 7为按键输入量 其中P3 3有中断功能 P3 6为继电器输出量 本例控制发