单片机最小系统课程设计

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计目 录摘要 IABSTRACTII第1章 绪论11.1 单片机的概述11.2 单片机的基本结构1第2章 单片机最小系统介绍42.1单片机最小系统电路介绍42.2电路设计方案5第3章 单片机最小系统的硬件设计73.1硬件原理图73.2系统各组成模块介绍83.2.1 振荡电路83.2.2 电源电路83.2.3 程序下载电路93.2.4 外存储电路103.2.5 数码管显示电路和矩阵键盘电路113.2.6 液晶显示电路123.2.7 复位电路13第4章 安装与调试154.1调试方法和结果154.1.1电源部分安装调试154.1.2 STC89C52单片机最小化系统主控制部分安装调试154.1.3 程序下载部分电路安装调试164.1.4 外存储电路调试164.1.5 数码管显示电路和键盘电路调试16总结和体会17致 谢18参考文献19附录20第1章 绪论1.1 单片机的概述单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。此外，有的单片机可能拥有更多的硬件资源。所有这些资源可分为以下3类，它们均通过单片机内部的特殊功能寄存器（SFR）来进行控制和管理。对CPU的支持功能。指用于增强CPU控制能力、运算能力和保证它正常工作的一些功能和机制。内置的外围设备。指拥有独立功能的片内设备，比如，模拟比较器、DAC、ADC、可编程计数阵列（PCA）、高速I/O，脉宽调制器（PWM）、液晶显示器（LCD）驱动电路等等。数据传输接口。指链接外界的各种数据通道和通信接口。比如并口、USRT口、SPI口、CAN中线接口、红外和射频通信接口等。1.2 单片机的基本结构AT89S52单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：1、中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。2、数据存储器(RAM) AT89S52内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。3、程序存储器(ROM)AT89S52共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。4、定时/计数器(ROM)AT89S52有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。5、并行输入输出(I/O)口AT89S52共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。6、全双工串行口AT89S52内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。7、中断系统AT89S52具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。8、时钟电路AT89S52内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但AT89S52单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-52系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。图1-2 MCS-52系列单片机的内部除上文介绍的外，单片机其他4个部分的主要作用和器件如下：晶振和复位电路：单片机系统的必要组成部分，控制单片机的机器和功能复位。输入控制：是指在一定要求下，采取任何中形式的控制方式来实现单片机不同的功能的转换，以及以何种方式传送到单片机。常用的输入控制方式有按键、矩阵键盘、串行通信等方式。输出显示：是指单片机将需要显示的数据发送到LED、液晶等显示模块，并控制LED等显示模块按照一定的格式显示的功能，此外，输出对象还有电机、传感器等特殊的功能器件。外围功能器件：单片机只是控制器件，对应于一定的设计要求，需要加入特定的功能器件，例如外部储存器。单片机通过对外部存储器的读写操作，完成对数据的储存和读取，从而扩展单片机的储存单元和数据。此外。常用的外围器件还有A/D、D/A、74LS07门电路以及特定功能的传感器等。第2章单片机最小系统介绍2.1 单片机最小系统电路介绍 所谓的单片机最小系统，是指在尽可能少的外部电路条件下，形成一个可以独立工作的单片机系统，也就是说为了保证单片机能够工作，所必需的最小系统配置，对51系列单片机来说，最小系统一般包括：单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等，单片机接口电路主要用于连接单片机和其他外部设备。 1.单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。2.单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHZ或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。3.单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。 4.设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。计数值N乘以机器周期T就是定时时间t。 5.设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2ms。2.2电路设计方案单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。单片机接口电路主要用来连接计算机和其它外部设备，以下列举几个模块的原理及功能： 复位电路:由电容串联电阻构成，由图并结合电容电压不能突变的性质，可以知道当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。 晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的US级时歇，方便定时操作)。 单片机:一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。 接口电路:具有人机交互接口。具有一定的可扩展性，单片机I/O口可方便地与其他电路板连接。第3章 单片机最小系统的硬件设计3.1硬件原理图图3-1硬件原理图3.2系统各组成模块介绍该设计包含单片机、晶振、电源，输出显示电路以及外围功能器件5个部分组成。单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。本节从单片机，复位电路，晶振电路，输出显示电路和电源方面依次介绍。3.2.1 振荡电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。单片机小系统主控制模块中振荡电路通常是在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。 图3-2 振荡电路图3.2.2 电源电路此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。图中R17是LED的限流电阻，电源进来后遇到的元器LED这是一个二极管，因为二极管具有单向导通的功能，所以这个二极管放在这里可以起到一个保护的作用：当电源正确，上面这根线是电源的正极而下边这根线是地的时候，二极管像不存在一样，可以顺利导通。而外部电源如果接反的话，那么二极管就会截止，像是把这根线断开一样，起到了防止电源接反的作用。电容是起到过滤电路中的振荡电流的作用，稳定电流。这里，滤波电容是必须的，因为电源的输入电压并不一定很干净，可能有杂波，也可能有尖峰毛剌，这两个电容可以滤掉这些东西，使电源变得更加稳定和平滑。S1为电源开关。图3-3电源电路3.2.3 程序下载电路MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。其主要特点如下：1、符合所有的RS-232C技术标准； 2、只需要单一 +5V电源供电；3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-；4、功耗低，典型供电电流5mA；5、内部集成2个RS-232C驱动器；6、内部集成两个RS-232C接收器；7、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。RS232串口电路使用MAX232CPE作为电平转换芯片，并通过串口电缆连接到计算机USB口，用于STC89C51与计算机通信以及和其他串口设备的数据交互。并使用两个发光二极管作为判断串口通信是否正常。具体见图3-4程序下载电路。图3-4 程序下载电路3.2.4 外存储电路串行EEPROM是基于I2C-BUS 的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点，载仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。随着世界上各公司对该器件的开发，市场上推出了许多牌号的24C02器件，甚至还有一些冒牌的24C02器件，这样就使批量生产的单片机控制系统的质量出现时好时坏的问题。笔者经过大量的设计实践和试验摸索找出了24C02在应用中之所以出现数据被冲掉的原因，并总结了一套保护24C02数据安全的软硬件设计方法。24C02与单片机的接口非常简单,A0，A1，A2为器件地址线，WP为写保护引脚，SCL，SDA为二线串行接口，符合I2C总线协议。具体电路见图3-5外储存电路。图3-5外存储电路3.2.5 数码管显示电路和矩阵键盘电路矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是44个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。键盘扫描方法是：行线P14P17为输出线，列线P10P13为输入线。一开始单片机将行线（P14P17）全部输出低电平，此时读入列线数据，若列线全为高电平则没有键按下，当列线有出现低电平时调用延时程序以此来去除按键抖动。延时完成后再判断是否有低电平，如果此时读入列线数据还是有低电平，则说明确实有键按下。最后一步确定键值。 HD7279A是一片具有串行接口的，可驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。 特点：1、串行接口，无需外围元件可直接驱动LED； 2、各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性； 3、（循环）左移/（循环）右移指令； 4、具有段寻址指令，方便控制独立LED； 5、64键键盘控制器，内含去抖动电路； 所以利用HD7279的特点，设计如图3-6的电路。图3-6数码管显示电路和键盘电路3.2.6 液晶显示电路图3-4中主要元件有1K的排阻LED。1K的排阻为每个LED的限流电阻。多位LED显示时，常将所有位的段选线并联在一起，由一个8位IO口控制，而共阴极点或共阳极点分别由另一个8位IO口控制；也可采用并行扩展口构成显示电路，通常，需要扩展器件管脚的较多，价格较高。本文将介绍一种利用单片机的一个并行IO口实现多个LED显示的简单方法，此最小系统提供了8个独立LED，由P1口控制，采用共阳级接法所以只有当P1口输出低电平时LED才会点亮。 显示时，其显示数据以串行方式从89C51的P12口输出送往移位寄存器74LS164的A、B端，然后将变成的并行数据从输出端Q0Q7输出，以控制开关管WT1WT8的集电极，然后再将输出的LED段选码同时送往数码管LED1LED8。位选码由89C51的P14P16口输出并经译码器74LS138送往开关管Y1Y8的基极，以对数码管LED1LED8进行位选控制，这样，8个数码管便以100ms的时间间隔轮流显示。由于人眼的残留效这8个数码管看上去几乎是同时显示。图3-7液晶显示电路3.2.7 复位电路单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。 复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。STC89系列单片机为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。STC89C52RC使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。 图3-8复位电路 第4章安装与调试4.1调试方法和结果4.1.1电源部分安装调试 接入电源，按下开关，观察指示发光二极管是否发光，然后用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间的电压，看是否是电源电压，例如常用的5V。调试结果：发光二极管发光，接地引脚跟电源引脚之间的电压为电源电压5V。在实验室进行测试，将焊接好的电路板，将程序烧到芯片上，就可以开始进行验证了。具体验证步骤为把焊接好的电路板的正极接到5V电源上，将电路板的接地端接地，就可以看到滚动的汉字了。如果滚动的汉字不是所期望的或者是点阵区域不亮，就要分析其原因，来进行改正。 第一种情况：滚动的汉字不是原来所期望的汉字或者中间有的灯是不亮的，则经过分析可能是程序出现了错误，再次检查程序以确保程序是准确； 第二种情况：程序经检查是正确的，但是仍未出现所要期望的汉字或者是电路板不亮，此时就应该考虑应该是电路板在焊接的过程中出现了失误。按照电路图将焊接好的电路板逐个导线的检查，如有错误就进行更正。4.1.2 STC89C52单片机最小化系统主控制部分安装调试判断单片机STC89C52芯片系统是否正常工作的办法:1、用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18脚对地约2.24V，19脚对地约2.09V。2、模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路有问题。调试结果：测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压。18脚对地电压19脚对地电压:2.23V2.10V。模拟上电复位，九脚对地电压不为零，说明复位电路没有问题。4.1.3 程序下载部分电路安装调试接入电源，并用串口线连接电脑，利用电脑中的软件STC_ISP_V479，向单片机中下载一程序，观察电脑软件显示和指示发光二极管的情况。调试结果：第一次调试过程中，电脑软件提示MCU没有上电，发光二极管在下载过程中没有闪烁。经检查电路，发现电路中有短路现象，并存在将连接STC89C52的P3.0口和P3.1口的电路接反。改正错误后，第二次调试，电脑软件提示下载成功，发光二极管在下载过程中有闪烁现象。电路连接正确。4.1.4 外存储电路调试接入电源，并用串口线连接电脑，利用电脑中的软件STC_ISP_V479，向单片机中下载24C02调试程序，观察数码管显示。按下复位键后，观察数码管显示；按下电源开关进行断电，再通电后，观察数码管显示。调试结果：首先数码管显示数字000，按下复位键后，显示数字加一；断开电源再通电后，显示数字加一。4.1.5 数码管显示电路和键盘电路调试 该程序分为键盘扫描和数码管显示两部分，其流程图如4-1所示。 图4-1 数据显示流程图总结和体会本次设计是对所学的单片机的只是进行运用并掌握，课程设计涉及到单片机以及电路基础的有关知识。在学习方面，通过查阅书籍，网上资料等方法了解了相关的知识并学习了单片机的各个部分的功能和应用，在老师和同学的帮助下一步一步的了解和认知单片机的原理，在总线应用方面做的不太好，反复好多次才熟悉了基本的总线应用。但是由此也加深了自己的印象，加强了自己的能力。 在最初的电路设计中，由于没有设计经验，觉得无从下手，经过老师和同学的帮助，我的设计渐渐有了头绪，逐渐确立系统方案。在制作的过程中遇到了很多困难，通过查阅相关资料逐一解决问题的同时自己也增长了知识，最终设计出了自己理解的单片机的最小系统并实现了要求的功能。 通过这次设计，