单片机逻辑测试仪设计

单片机最小应用系统单片机最小应用系统 设设 计计 报报 告告 指指 导导 老老 师：师： 吴 兆 华 学学 生：生： 杜亚鹏 学学 号：号： 机电工程学院 2010 年五月 2 目 录 一一 设计题目设计题目.3 二二 设计目的设计目的.3 2.1 设计目的要求.3 2.2 系统设计意义.3 三三 系统硬件图系统硬件图.4 四四 程序流程图程序流程图.4 图图 2 2 程序流程图程序流程图.5 五五 系统说明与分析系统说明与分析.5 5.1 系统主要组成部分.5 5.2 单片机最小系统部分.5 5.2.1 MCS-51系列单片机概述.5 5.2.2DAC0832芯片介绍.6 5.2.3MCS-51系列单片机的工作方式和时序.6 5.3 模拟信号输入部分.8 5.4 电路板的制作.9 5.5 系统连线说明分析.10 六六 源程序源程序.11 总总 结结.11 参考文献参考文献. 13 3 一一 设计题目设计题目 逻辑测试仪设计，要求控制测试 8 路逻辑输入并显示每一路的逻辑输入，能保存 100 个测试数据。 二二 设计目的设计目的 该单片机最小应用系统设计目的及要求如下： 2.1 设计目的要求 1、通过本次实验，掌握单片机 I/O 口的使用； 2、通过对单片机的使用和编程，了解单片机的应用编程； 3、掌握单片机汇编语言设计和分析方法； 4、学会使用并熟练掌握电路绘制软件 Protel99SE； 5、掌握电路图绘制及 PCB 图布线技巧。 2.2 系统设计意义 1、在系统掌握单片机相应基础知识的前提下，熟悉单片机最小应用系统的设计方 法及系统设计的基本步骤。 2、完成所需单片机最小应用系统原理图设计绘制的基础上完成系统的电路图设计。 3、完成系统所需的硬件设计制作，在提高实际动手能力的基础上进一步巩固所学 知识。 4、进行题目要求功能基础上的软件程序编程，会用相应软件进行程序调试和测试 工作。 5、用 AT89S51，LM324 设计出题目所要求的输入，实现逻辑输入识别，并针对实 际设计过程中软、硬件设计方面出现的问题提出相应解决办法。 4 三三 系统硬件图系统硬件图 图 1 电路原理图 四四 程序流程图程序流程图 图 2 程序流程图 五五 系统说明与分析系统说明与分析 5.1 系统主要组成部分 开 始 检测 P0.0 口 P0.0=1？ Y P1.0=0 P1.1=0 END 5 模拟电压在 IN 端口输入，即 LM324 的引脚 3，输出有 P1.0 和 P1.1 两个 I/O 口实 现。 5.2 单片机最小系统部分 5.2.1 MCS-51 系列单片机概述 MCS-51 系列单片机是一种高性能的 8 位机系列，广泛应用于各种小型控制系统中， 其引脚图如图所示。本论文采用的 AT89C51 单片机是 AMTEL 公司生产的 MCS-51 系列的 兼容产品，与 MCS-51 指令系统兼容，系统结构相同，CMOS 工艺制造并带有非易失性 Flash 程序存储器。全部支持 12 时钟和 6 时钟操作。AT89C51 包含 128 字节 RAM、32 条 I/O 口线、3 个 16 位定时/计数器、6 输入 4 优先级嵌套中断结构、1 个串行 I/O 口 （可用于多机通信 I/O 扩展或全双工 UART 以及片内振荡器和时钟电路）。 图 3 MCS-51 系列单片机 5.2.2DAC0832芯片介绍 LM324 是四运放集成电路，它采用 14 管脚双列直插塑料（陶瓷）封装，外形如图 所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互 独立。每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+”、 CPU ROMRAM 定时器/ 计数器 I/O 接口 电路 时钟 6 “-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信 号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相 反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。 5.2.3MCS-51系列单片机的工作方式和时序 单片机应用系统中，除了基本计算机系统单元电路外还需配备完整的外围电路、 以完成复位、掉电保护、提供时钟、节电等功能。 （1）时钟电路：单片机内部有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1和XTAL2引脚 外接石英振于或陶瓷振子、微调电容组成振荡器如图13所示。该振荡器发出的脉冲直 接送入内部时钟电路。振荡器若外接的是石英扳子，微调电容通常选择30pF；外接陶 瓷娠子时选样47pF。振荡频率范围选择1.212M。MCS5-51系列单片机也可以采用外接 时钟，这时XTAL 2脚用来输入外部时钟信号(XTAL2脚为内部时钟电路的输入端)， XTALl脚则接地如图13b所示。对于CHM05工艺制造的80C51单片机，则应从XTALl脚输 入外部时钟信号，XTAL 2脚悬空。 (a)外接石英晶体振荡电路 （b）外接时钟电路 图4 两种单片机时钟电路 7 (a) 上电复位 (b) 按键电平复位 (c) RC放电过程 (d) 电平复位过程 图5 单片机常用复位电路 （2）复位电路：复位使单片机处于起始状态，并从此状态开始运行 MCS5-51 单片 机 RST 引脚为复位端，该引脚连续保持 2 个机器周期(24 个时钟振荡周期)以上的高电 平。可使单片机复位。本论文使用的是外部复位电路，单片机在启动后要从复位状态 开始运行，因此上电时要完成复位工作，称上电复位，如图 14a 所示。上电瞬间电 容两端的电压不能发生突变，只 RST 端为高电平5v，上电后电容通过及 RC 电路放电 RST 端电压逐渐下降，直至低电平 0V，如图 14c 所示。适当选择 R、C 的值，使 RST 端的高 I 电平维持 2 个机器周期以上即可完成复位。单片机 L 在运行过程中，出于本 身或外并干扰的原因会导致出错。这时可按复位键以重新开始远行，按键复位可分为 按键电平复位或按健脉冲复位，如图 14b 所示。按键脉冲复位和上电平复值的原理 是一样的，都是利用 RC 电路的放电原理，如图 14d 所示。让 RST 端能保持一段时间 的高电平，以完成复位，按键电平复位时，按键时间也应保持在两个机器周期以上。 根据设计要求和计算简便的原则，我们选择 12M 的石英晶振、30PF 的电容、+5V 8 电源，最小系统如下： 图 6 单片机最小系统 5.3 模拟信号输入部分 由于信号发生器输出的信号都是模拟信号，要将其转换成逻辑电压，然后再进行 测量，LM324 连成比较电路的形式即可实现此功能。 图图 2 2 9 上图（2）为信号输入部分的电路，R4 和 R5 是为了产生比较电压，IN 端口为信号 输入端口，该部分电路的原理是如果输入信号大于引脚 2 上的电压，则输出+5V，若输 入信号小于引脚 2 上的比较电压，则输出 0V，这样单片机就可以稳定的识别高低电平， 从而实现测量输入信号的逻辑值。 5.4 电路板的制作 Protel99 功能强大，为我们进行电子电路原理图和印制板图的设计提供了良好的 操作环境。用 Protell99 进行电路设计分为两大部分：原理图的设计和电路板的设计。 原理图的设计实在 SCH 系统中进行的，电路原理图是印刷板电路设计的基础，只有设 计好原理图才有可能进行下一步的电路板设计。 用 protel99 进行电路板设计的第一步是其原理图的设计。显然，原理图决定整个 电路的基本功能，也是接下来生成网表和设计印刷板电路的基础。具体步骤如下： （1）图面设置： Protel99 允许用户根据电路的规模设置图面的大小，按照偏好和习惯设置图面的 样式。实际上，设置图面就是设置了一个工作平面，以后的工作就要在这个平面上进 行。所以图面应该设置得足够大，为进一步工作提供一个足够大的工作空间。 （2）放置元件： 所谓放置元件就是从元件库中选取所需得元件，将其布置到图面上合适的位置， 有时还要重定义元件的编号、封装。元件的封装很重要，要根据元件的实际尺寸和实 际封装来决定，要是元件没封装好，将会给以后电路板的制作带来很大的麻烦。这些 都是下一步工作的基础。Protel99 为用户提供了一个非完备的元件库，并且允许用户 对这个元件库进行编辑或者新建自己的元件库。 电路板的制作过程 (1) 打印： 将生成的 PCB 图打印到热转印纸上，需注意线不能太窄，墨要加重，否则制板时 容易断线，如果在操作过程中断了线，可用电烙铁将锡带过。 (2) 熨烫： 10 将热转印纸覆在铜板上，用电熨斗进行熨烫，关键要注意熨烫的时间，不能太久， 也不能时间太短，否则，太久会把铜板烫坏，不够的话墨迹覆不上去。 (3) 腐蚀： 把铜板放到三氯化铁溶液中腐蚀，需注意溶液浓度要较高，最好用热水配置，这 样腐蚀更快，一般 3 分钟即可。如果时间过长，需剩下的铜线也可能被腐蚀。 (4) 打孔： 打孔时注意钻头尺寸，本次用的钻头大小是 0.712mm 的，最需注意的地方是集成 块的管脚，如果打孔误差大，管座就很难插上。 (5) 放置元件： 放置前应先打磨一下打孔后留下的毛刺，并均匀地涂上松香水（目的是防止铜线 氧化，易于焊锡覆着焊盘，但多涂会导致焊接时焊点变黑，影响美观）。放置元件时 注意集成块的管脚，二极管和电解电容的正负，这些都是平时比较容易出错的地方。 (6) 焊接： 焊接技术比较难掌握，焊锡、烙铁与焊盘的位置关系，焊锡熔化时间 长短，松香水的浓度，烙铁的温度等等，都是影响焊点美观的因素。 (7) 检查： 检查是否有虚焊，集成块管脚位置是否正确，电源引线位置是否恰当等。检查完 毕就能进行调试了。 5.5 系统连线说明分析 调试过程： 1、保证电路板连接正确后，接上电源，测试最小系统是否工作； 2、观察数码管显示的值是否与当前输出用电压表测得的值相符，如果不相符，分 析原因。找出问题的所在，解决问题，知道显示正确为止。 11 实验过程中的问题及改进方法 1、制作电路板过程中由于焊接等原因，造成电路连接不通现象，浪费了调试时间。 2、在实际调试过过程中，由于对最小系统的而不熟悉，而导致开始时候最小系统 不工作，复位电路没有反应，在同学的帮助下，找到了问题，调整了焊线，使系统显 示正确了。 3、程序编制中，数码管的动态显示和码的调整是个重点，需要花费时间来调试， 共阴极数码管的解法不一样，也会导致出现乱码，我在试验的开始的时候就是出现了 乱码，我仔细的检查了焊线，重新写了字形码，最后显示正确了。 六六 源程序源程序 ORG 0000H MOV P1,0FFH MOV A,P0 ANL A,01H JNZ L1 MOV P1,0F7H L1:MOV P1,0FBH END 总总 结结 1、在设计系统过程中，学会用 Protel DXP 画原理图和 PCB 图。通过查阅相关的 书籍，设计了电路原理图，经过仿真和反复的修改电路中元器件的参数得到了可行的 电路图。 2、刚开始在电路板制做完成后进行检测，发现小系统不能正常工作，经过自己和 同学的排查发现问题所在，原来是复位电路中极性电容接反所致，重新焊接后系统工 12 作正常。整个过程中大大的提高了动手能力。 3、接下来是最关键的步骤电路板的调试，软硬件相结合，开始将程序烧到硬 件电路中，刚开始工作比较正常，达到了题目的要求，当程序运行几次后，发现开始 出现错误。输出的电平指示等不稳定，后经查阅资料发现可能是电路板焊接的不好， 导致接触不良。通过测量，重新焊接，电路板有了稳定的输出。 4、调试程序过程中，针对遇到的问题，寻找解决方法，同时学会利用汇编语言编 制单片机程序。 5、经过学习单片机接口实验这门课，使自己对单片机有了更深入的了解，提高了 自己的动手能力。很感谢在整个课程学习中老师和师兄们的指导，以及同班同学的热 心帮助。 13 参考文献参考文献 1 孙安青. AT89S51 单片机实验及实践教程M. 2 秦晓梅.育斌.单片机原理综合实验教程M.辽宁：大连理工大学出版社，2004. 3 明荧.8051 单片机基础教程M.2003. 4 黎文模