基于单片机的lcd显示系统硬件设计

本科毕业设计（论文）基于单片机的LCD显示系统硬件设计HARDWAREDESIGNOFLCDDISPLAYSYSTEMBASEDONMICROCONTROLLER学院（系）电子与电气工程系专业电子信息工程基于单片机的LCD显示系统硬件设计摘要本设计以单片机控制LCD液晶显示器系统为主线，首先描述了系统硬件工作原理，重点对本文中五大模块单片机、串口模块、看门狗、键盘模块和液晶显示模块分别做了详细介绍。同时也对部分芯片和外围电路进行了介绍和设计，并附以系统框图加以说明，着重介绍了本系统应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程，并详细阐述了程序的各个模块。本系统是以单片机的汇编语言来进行软件设计，指令的执行速度快，节省存储空间。最后对用单片机实现LCD液晶显示器控制原理的设计思想和硬件调试作了详细的论述。此设计的重点在于实现各个模块之间的串口通信，保证人机之间的基本对话，单片机与各模块的接口技术是整个设计的难点和重点。关键词单片机；LCD显示；串口通信；看门狗HARDWAREDESIGNOFLCDDISPLAYSYSTEMBASEDONMICROCONTROLLERABSTRTCTTHISPAPERFOCUSESONTHEDESIGNFORSINGLECHIPLCDLIQUIDCRYSTALDISPLAYSYSTEMCONTROLLERASTHEMAINLINE,FIRSTDESCRIBETHEWORKINGPRINCIPLEOFTHESYSTEMHARDWARE,WITHEMPHASISONTHISINTHREEMAINMODULESMICROCONTROLLER,SERIALMODULE,WATCHDOG,EEPROM,THEKEYBOARDMODULEANDLIQUIDCRYSTALDISPLAYMODULEAREDONEDETAILSWHILEYERIGHTSOMEOFTHECHIPSANDEXTERNALCIRCUITSAREINTRODUCEDANDDESIGNEDTOBEATTACHEDTOTHESYSTEMSTRUCTUREDIAGRAMYUEMING,ZHAOZHONGINTRODUCEDTHEHARDWAREOFTHESYSTEMAPPLICATIONDEGEINTERFACEMODULEINTERFACETECHNOLOGYANDALLTHEFUNCTIONSANDWORKINGALSOELABORATESTHECHENGXUSEACHMODULETHESYSTEMISBASEDONASSEMBLYLANGUAGEFORMICROCONTROLLERSOFTWAREDESIGN,INSTRUCTIONEXECUTIONSPEED,TOSAVESTORAGESPACEFINALLY,IDEVELOPEDLIQUIDCRYSTALDISPLAYLCDWITHMCUCONTROLPRINCIPLEOFTHEDESIGNCONCEPTANDDISCUSSESINDETAILTHEHARDWAREDEBUGGINGTHEFOCUSOFTHISDESIGNISTOACHIEVESERIALCOMMUNICATIONBETWEENVARIOUSMODULES,THEGUARANTOR,ANDTHEBASICDIALOGUE,MCUINTERFACEWITHTHEMODULETECHNOLOGYISTHEKEYPOINTOFTHEENTIREDESIGNKEYWORDSMICROPROCESSORLCDDISPLAYSERIALCOMMUNICATIONWATCHDOG目录1引言111课题背景及研究意义112研究现状及发展前景113本文研究内容32系统硬件整体方案设计321系统设计目标322液晶显示方案423看门狗电路和EEPROM方案43各模块硬件设计531单片机模块532液晶显示模块硬件设计533串口通信模块硬件设计733174LS244硬件设计7333RS232接口设计8334RS485接口设计9335USB接口设计10336TTLUART接口设计1234看门狗及EEPROM电路设计12341X5045芯片12342X5045工作模式12343X5045与AT89C51的接口电路图1335键盘模块电路设计1436电源电路设计154系统实现1541系统开发所需的软件资源1542系统软件调试1643联机仿真调试17结束语21参考文献21附录22致谢221引言11课题背景及研究意义LCD液晶显示技术作为人机交互的主流方式，正广泛应用于家电、手机、个人电脑等显示终端。随着电子技术的发展，单片机技术的应用产品日益增多，研究以单片机作为主控制器的LCD液晶显示器控制系统意义重大。展望未来，急速的响应速度将会成为个性化LCD的发展趋势，越来越多的单片机正如雨后春笋般涌现1。据中国电子商会消费电子产品调查办公室数据显示在预期购买平板电视的消费者中，LCD电视最受关注，关注指数高达75。2009年LCD电视国内市场消费规模将接近100万台，只相当于全年平板电视消费总量的5。因此LCD电视还有很大的市场增长空间，乐观估计2010年国内LED电视销量将呈倍数量增长，达到400万台。同时伴随着掌上电视，车载电视，MP4，MP5等小型化LCD设备的需求量急剧增长，会带来巨大的商业利益，同时对人体的健康的危害也大量的减小。12研究现状及发展前景1体积轻巧，移动方便传统CRT显示器大多拥有笨重的体形，即使是采用了所谓短颈管技术也不能改善其硕大的设计结构。而液晶显示器就大为不同了，由于其制造结构相对简单，且显示用的LCD液晶模块工艺精巧，因此生产的成品轻薄耐用。在体积厚度上，目前一台主流的17寸CRT显示器大多在40CM左右，重量多为20KG以上，而拥有基本同等可视面积的15寸液晶显示器体积厚度大多都在810CM左右甚至更少，重量也只有46KG。相比之下，液晶显示器的优势是十分明显的。对于空间相对紧张的办公及家居单位来说，一台液晶显示器无疑是节省空间和提高使用效率的最佳选择。并且液晶显示器相对CRT显示器来说搬卸更为简单轻松，有的甚至还可以安装在墙壁上。现行主流发展的掌上液晶显示屏，以单片机作为主导芯片，更加小巧轻便，方便随身携带。2能耗较低，环保低辐液晶显示器由于摒弃了笨重的显像管及高压包设计而采用相对简单的液晶面板和驱动电路技术，因而拥有极低的能耗。目前一台主流15寸液晶显示器的工作功率大多在45W以内，好的产品甚至可以达到30W以下。而拥有基本同等可视面积的17寸CRT显示器动辄上百瓦的功率，相比之下无疑让人心疼不已。此外，液晶显示器的发热效应也不高，其机身最大发热配件为背光灯，长时间工作后基本无明显热感。而CRT显示器内部拥有纷繁复杂的电路设计和众多大功耗元器件，在短时间内即可达到一定温度，长时间后发热量惊人。在防辐环保方面，CRT显示器同样也是大大逊色于液晶显示器，CRT显示器内部由于拥有庞大复杂的显像管及相关电路，且工作电压电频不定，非常容易产生各种对人体有潜在危害的电磁及X射线干扰，从而危害用户的身体健康，导致诸如皮肤病及其他电脑综合症问题出现。虽然目前随着技术的发展，不少CRT显示器采用了诸如全电路屏蔽设计、抗静电辐射涂层等技术，并不断宣扬自身通过了诸如MPRII、TCO99安规的认证测试。但由于CRT显示器自身的局限性，仍然不可避免的会出现一些电磁污染和辐射干扰的现象。再看液晶显示器，与前者相比无疑是优势非常明显了。液晶面板的工作原理决定了其不存在任何辐射效应，即使是在其驱动电路上有可能存在极其轻微的电磁泄漏，但通过相关屏蔽工艺也可以基本上完全杜绝。因此，目前市面上主流液晶显示器产品都非常轻松的通过了“零辐射”测试和TCO99相关认证。3图像清晰，完全平面传统CRT显示器都是采用电子枪设计技术，当电子枪发出的光束打在屏幕中心和四角的时候，由于电子运动路径的长短不一，因而电子从电子枪发射到屏幕中心和四角所用的时间也大不相同，角度也会有所偏差。再加上CRT显示器内部元器件长时间工作后，产生的高温效应使电子束通过荫罩或荫栅后产生发射偏差，所以很容易导致显示画面出现几何失真、摩尔纹及图像模糊、字体虚脱、四角不匀等问题。而液晶显示器则完美的解决了上述麻烦，由于液晶显示器的显示面板是由众多液晶单元组成，其显示画面的变化是靠众多独立液晶显示单元的变化而成的，因此就不可能出现诸如电子枪聚焦不匀等现象，同时还可以很精确的表现图像效果，其文本显示尤为出色。此外，传统CRT显示器采用的是逐行刷新原理，为了保持画面的稳定性，就必须持续以85HZ（即每秒85次的刷新速率）刷新显示屏，虽然暂时使人感觉到画面稳定，但长期使用后人眼同样容易出现疲劳干涩的症状。液晶显示器则不同，由于液晶的显示功能是通过屏幕上排列有序的液晶单元工作来达到的，而其背光板以完全不间断的方式工作，因此显示画面非常稳定，因为不存在刷新这个概念。在显示画面的几何平整上，传统CRT显示器就更不是液晶产品的对手了。可以毫不夸张的说，液晶显示器生来就是绝对纯平效果的，由于液晶的特殊工作原理，完全可以精确而毫无失真的还原图像。无论是四周还是中央，都可以做到处处平坦，完美如一。反观各类“纯平CRT显示器”，不是所谓的“视觉纯平设计”就是到处标榜的“物理纯平设计”，实CRT显示器的各类纯平技术说到底都不完美，由于受到显像管的高压安全限制，显像管的外部玻璃层不能设计得太为平坦和超薄。再加上电子枪发出的电子束信号在传输过程中也容易受到各类电磁及磁场干扰。因而传统CRT显示器并不能100的达到完全的平面效果。这无疑是一个巨大的遗憾。4控制便捷，使用轻松由于液晶显示器采用的是较为特殊的液晶单元阵列显示处理方式，这就决定了它的图象显示具有独特的效果，因而并不需要如传统CRT显示器那样复杂多变的几何调节方式以达到。一般来说，液晶显示器产品只需要提供基本的调节功能和一定的几何相位调节就完全能够满足显示需要了。而且目前不少厂商还为液晶显示器提供了一些非常便利的操作方法，如明基ACER的液晶显示器还自带独特的“IKEY”智能调节键技术用户在日常调节特别是更改了显示分辨率后，只需轻轻按下该智能调节键，液晶显示器就会自行改变当前工作状态，经过内部精密计算后调整到最佳显示效果。这无疑大大方便了用户的需求2。13本文研究内容本文围绕设计以单片机作为LCD液晶显示系统控制器为主线，首先描述了系统硬件工作原理，重点对本中三大模块单片机、串口模块、看门狗、EEPROM、键盘模块和液晶显示模块分别做了详细介绍。同时也对部分芯片和外围电路进行了介绍和设计，并附以系统结构框图加以说明，着重介绍了本系统应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程，并详细阐述了程序的各个模块。本系统是以单片机的汇编语言来进行软件设计，指令的执行速度快，节省存储空间。最后对所开发的用单片机实现LCD液晶显示器控制原理的设计思想和硬件调试作了详细的论述。此设计的重点在于实现各个模块之间的串口通信，保证人机之间的基本对话，单片机与各模块的接口技术是整个设计的难点和重点。设计的这个系统的最终完成的功能和特点是首先成本低廉核心系统成本低廉，相对于用户的经济水平来说比较容易接受。其次操作简单，本系统最大的特点是有友好的人机界面它通过串口与PC机相连接，用户在使用时只要按动键盘上的数字就可以显示。除了上述特点以外本系统还具有结构轻巧系统的硬件设计上充分考虑了便携性，整个系统的主要就是单片机，LCD和键盘，而它们的所占空间小、重量轻价格便宜等特点。2系统硬件整体方案设计21系统设计目标本设计目的是为了设计一款便携式LCD显示系统。第一，要求实现基本的字符显示；第二，可通过多种串口端口通信，如USB、RS232、RS485和TTL；第三，保证整个系统能够正常运行，需要添加看门狗模块。系统总体框架图如图1所示3。以单片机为主芯片，连接液晶显示模块，串口通信模块，看门狗模块，键盘模块。控制系统的CPU采用单片机AT89C51，用来处理液晶显示模块显示的内容及串口与主机的通信；同时保证人机通信，与键盘的通信，获取键盘的指令，判断采用何种通信方式和显示方式。图1总体框架图22液晶显示方案因实际环境原因，液晶采用SMC1602A。选用SMC1602A作为人机界面，主要考虑所需数据均可用字母来代表，且不需要太多的数据显示。不同的内容完全可以通过按键的不同来解决，并且SMC1602A液晶价格便宜，成本低，产品适宜推广。用时只需将单片机的P0口接液晶的数据端口，实现数据的读写。因为单片机内部P0没有上拉电阻，输出端口作一般I/O口使用时，因输出级是漏极开路的开漏电路，必须外接上拉电阻，才能高电平输出4。液晶VO端为LCD的驱动电压输入端，外接一10K的可调电阻，调节液晶屏的亮暗度。23看门狗电路和EEPROM方案因AT89C51单片机内部没有集成专门的看门狗电路，为了防止外部干扰而导致的程序跑飞和程序本身出现死循环，在单片机外部需加上一看门狗复位电路。本设计采用X5045芯片组成看门狗电路。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程控制电路。可实现上电自动复位，通过软件预置系统的监控时间。看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU作出反应，对CPU进行复位操作，保证系统可以继续正常运行。X5045的存储器与CPU可通过串行通信方式接口，共有4096个位，可以按512X8个字节来放置数据，可以满足本设计的需求。3各模块硬件设计31单片机模块本系统采用的AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTES的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及89C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元。AT89S51具有如下特点40个引脚，4KBYTESFLASH片内程序存储器，128BYTES的随机存取数据存储器RAM，32个外部双向输入/输出I/O口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗WDT电路，片内时钟振荡器5。32液晶显示模块硬件设计本设计中液晶模块选用SMC1602A。SMC1602A液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM已经存储了160个不同的点阵字符图形，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。140通道点阵LCD驱动。2可选择当作行驱动或列驱动。3输入/输出信号输出,能产生202个LCD驱动波形；输入，接受控制输出的串行数据和控制信号，偏压V1V6。4通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来6。下表1中为SMC1602A的主要技术参数。表1SMC1602A主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435从表1中可以看出SMC1602A，显示容量为32个字符，工作基本工作电压为50V，主要通过程序的控制引导显示屏的显示。SMC1602A采用标准的16脚接口，各个管脚工作如下表2所示，其中第1脚VSS为地电源；第2脚VDD接5V电源；第3脚V0为液晶显示器对比度调整端；第4脚RS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；第5脚RW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；第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；第714脚D0D7为8位双向数据线；第1516脚空脚。表2SMC1602A接口信号说明编号引脚名称引脚说明编号符号引脚说明1VCC电源地9D2DATAI/02VDD电源正极10D3DATAI/03VL液晶显示偏压信号11D4DATAI/04RS数据/命令选择段（H/L）12D5DATAI/05R/W读/写选择段13D6DATAI/06E使能信号14D7DATAI/07D0DATAI/015BLA背光源正极8D1DATAI/016BLK背光源负极SMC1602A的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。SMC1602A与单片机的硬件设计图如下图2所示图2单片机与LCD硬件连接图其中，VDD和VSS分别接5V电源和地端，为SMC1602A提供工作电压。V0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”，因此通过一个10K的电位器调整对比度；E脚接P35对SMC1602A进行使能控制当使能端使能时，再通过命令选择端来控制读写数据和命令。控制P1端口与SMC1602A的数据端口相连，传输数据；RS和RW分别接P37和P36，控制SMC1602A内部寄存器读写选择。33串口通信模块硬件设计33174LS244硬件设计串口通信模块选用74LS244将89C51的串口扩展为四路串口RS232、RS485、USB、TTLUART。74LS244设计的8缓冲器及线驱动器，通过内部缓冲器，扩展为四路串口，改变了单片机串口接口少的限制7。74LS244由2组、每组四路输入、输出构成。每组有一个控制使能端G，由控制端的高或低电平决定该组数据被接通还是断开。74LS244引脚功能说明如下表3所示。表中的输入和输出为一一对应的，即1A1对应的输出为1Y1，1A2对应的输出为1Y2端，依此类推。表374LS244引脚功能说明电源控制端输入输出VCC1G1A1，1A2，1A3，1A41Y1，1Y2，1Y3，1Y4GND2G2A1，2A2，2A3，2A42Y1，2Y2，2Y3，2Y474LS244接口电路设计如下图3所示图374LS244接口电路图根据设计要求需要扩展四路串口，因此需要两片74LS244芯片。将两片74LS244的四个使能关键分别接P04P07，再通过键盘的控制来选择使用哪路通道。74LS244的1A1和2A1管脚均连接单片机的TXD管脚，1Y1和1Y2管脚接单片机的RXD管脚，用来实现串行数据通信。图中省略了电源和接地管脚。333RS232接口设计RS232C是目前最常用的串口通信接口。EIARS232C是由美国电子工业协会EIA（ELECTRONICINDUSTRYASSOCIATION）在1969年颁布的一种串行物理接口标准。RS（RECOMMENDEDSTANDARD）是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数RS232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。EIARS232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TXD和RXD上逻辑1MARK3V15V；逻辑0SPACE315V；在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上；信号有效（接通，ON状态，正电压）3V15V；信号无效（断开，OFF状态，负电压3V15V；对于数据（信息码）逻辑“1”（传号）的电平低于3V，逻辑“0”（空号）的电平高于3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于3V，断开状态OFF即信号无效的电平低于3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于33V之间的电压无意义，低于15V或高于15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在315V之间8。在此设计中，只用到DB9中三个引脚2、3、5脚。图4MAX232与单片机的硬件连接图RS232接口电路如上图4所示其中用到接口芯片MAX232，MAX232是电荷泵芯片，可以完成两路TTL/RS232电平的转换，它的的T1IN、T2IN、B1IN、B2OUT引脚是TTL电平端，用来连接单片机的。T1OUT、T2IN、B1IN、B2OUT等可以连接RS232接口。334RS485接口设计RS485与RS232相似，同样是串口通信扩展物理层介质。（1）RS485的电气特性逻辑“1”以两线间的电压差为（26）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为（26）V表示。接口信号电平比RS232C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。（2）RS485的数据最高传输速率为10MBPS。（3）RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好9。因RS485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线。RS485通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。RS485硬件连接图如下图5所示，G2接单片机的P25管脚，中当G2为高电平时，MAX485作为输出驱动器使用，来自单片机TXD的输出信号通过A和B引脚加载到RS485总线上；当G2为低电平时，MAX485作为信号接收器使用，来自RS485总线的信号通过RO（1号引脚）被读到单片机的RXD。图5RS485硬件连接图335USB接口设计CP2101是一种高度集成的USB转UART桥接器，提供一个使用最小化的原件和PCB空间实现RS232转USB的简便的解决方案。该芯片包含一个USB20全速功能控制器，USB收发器，振荡器和带有全部调至解调器控制信号的异步串行数据总线UART，全部功能集成在一个5MM5MMMLP23封装的IC其他的外部USB原件。片内EEPROM可以用于由原始自定义USB供应商代码，产品代码，产品描述文字，功率标牌，版本号和期间序列等数据的存储空间10。CP2101引脚说明如下表5所示。表5CP2101引脚说明引脚名称引脚号类型说明VCC6电源输入电源输出27V36V电源电压输入36V电压调节器输出GND3接地RST9数字I/O器件复位。内部端口或VDD监视器的漏极开路输出。一个外部源可以通过将该引脚驱动为低电平至少15US来启动一次系统复位。REGIN7电源输入5V调节器输入引脚为片内电压调节器的输入。VBUS8数字输入VBUS感知输入。该引脚应连接至少一个USB网络的VBUS信号。当连通一个USB网络时，该引脚的信号为5V。D4数字I/OUSBDD5数字I/OUSBDTXD26数字输出异步数据输出（UART发送）。RXD25数字输入异步数据输出（UART发送）。CTS23数字输入清除发送控制输入（低电平有效）。DTR24数字输出准备发送控制输出（低电平有效）。DCD1数字输出数据传输检测控制输入（电平有效）。DSR27数字输入数据设置准备好控制输出（低电平有效）。RI2数字输入振铃指示器控制输入（低电平有效）。SUSPEND12数字输出当CP2101进入USB终止状态时，该引脚被驱动为高电平。SUSPEND11数字输出当CP2101进入USB终止状态时，该引脚被驱动为低点平。NC10；1322该引脚应该为为连接或街道VDD的引脚与其它USBUART转接电路的工作原理类似，CP2101通过驱动程序将PC机的USB口虚拟成COM口以达到扩展的目的。虚拟COM口（VCP）的器件驱动程序允许一个基于CP2101的器件以PC应用软件的形式作为一个增加的COM口独立于任何现有的硬件。COM口使用运行在PC机上的应用软件以访问一个标准硬件COM口的方式访问基于CP2101的器件，PC机与CP2101间的数据传输是通过USB完成的。因此，无需修改现有的软件和硬件就可以通过USB向基于CP2101的器件传输数据。CP2101的体积虽小但功能非常强大，其主要特性如下内含USB收发器，无需外接电路器；内含时钟电路，无需外接振荡器；其内部512字节的EEPROM可用于存储产品生产商的ID、产品的ID序列号、电源参数、器件版本号和产品说明；内含上电复位电路；片内电压调节可输出33V电压；符合USB20规范的要求（12MB/S）；SUSPEND引脚支持USB状态挂起；异步串行数据总线（UART）兼容所有握手和调制解调器接口信号；支持的数据格；波特率范围为300B/S9216KB/S；内含512字节接收缓冲器和512字节发送缓冲器；支持硬件或XON/XOFF握手；CP2101硬件连接图如下图6所示，CP2101内含USB收发器，因此只需接去耦电容即可。TXD和RXD分别连接74LS244的输入和输出口，即可实现数据的串行输入。图6CP2101硬件连接图336TTLUART接口设计在331中，可以看到，通过单片机的串口输出的信号即为TTLUART电平12，由74LS244中引出的信号同样为TTLUART信号，因此在这里就不再赘述。34看门狗及EEPROM电路设计看门狗及EEPROM采用芯片X5045。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程控制电路。341X5045芯片1上电复位控制。在对X25045通电时，ERSET引脚输出有效的复位信号，并保持至少200MS，使CPU有效复位。2电源电压监控。当检测到电源电压低于内部门槛电压VTRIP时，RESET输出复位信号，直至电源电压高于VTRIP并保持至少200MS，复位信号才被撤消。VTRIP的出厂值根据芯片型号不同共有5个级别的电压范围。对于需要电源电压精确监控的应用，用户可以搭建编程电路，对芯片内VTRIP电压进行微调。3看门狗定时器。芯片内部状态寄存器的WD1、WD0是看门狗定时设置位，通过状态寄存器写指令WRSR修改这2个标志位，就能在3种定时间隔进行选择或关闭定时器。看门狗复位由CS输入电平的下降沿完成。X5045的操作是通过4根口线CS、SCK、SI和SO进行同步串行通信来完成的。SCK是外部输入的同步时钟信号。在对芯片定改指令或数据时，时钟前沿将SI引脚信号输入；在读邮数据时，时钟后沿将数据位输出到SO引脚上。数据的输入/输出都是高位在先13。342X5045工作模式1上电复位。向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC超过器件的VTRIP门限值时，电路将在200MS（典型）延时后释放RESET以允许系统开始工作。2低电压监视。工作时，X5045对VCC电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小VTRIP以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，直到电压跌到低于1V。而当VCC返回并超过VTRIP达200MS时，系统重新开始工作。3看门狗定时器。看门狗定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。4重新设置VCC门限。X5045/45出厂时设置的标准VCC门限电压为VTRIP，但在应用时，如果标准值不恰当，用户可以重新调整。5SPI串行存储器。器件存储器部分是带块锁保护的CMOS串行EEPROM阵列，阵列的内部组织是X8位。X5045可提供最少为1000,000次擦写和100年的数据保存期，并具有串行外围接口（SPI）和软件协议的特点，允许工作在简单的四总线上。X5045共有8个引脚，各引脚的功能如下表6所示表6X5045引脚功能说明引脚名称功能CS电路选择端，低电平有效；SO串行数据输出端；SI串行数据输入端；SCK串行时钟输入端；WP写保护输入端，低电平有效；RESET复位输出端VCC电源端VSS接地端。343X5045与AT89C51的接口电路图图7X5045与89C51硬件连接图如上图7所示，X5045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。设置看门狗定时器的目的是使看门狗监控系统程序，在程序跑飞或系统“死机”后能够迅速使程序回到原位，而不会影响程序的正常功能。通过VCC与RESET的连接，使得X5045实现上电自动复位。CS/WDI与P00相连，用来监控单片机是否激活，正常工作；SO和SI分别与P01和P02相连，实现串行通信。SCK与P03相连输入的同步时钟信号；VDD和WP接电源置高电平。RESET是一个开漏型输出引脚。只要VCC跌落到最小允许值，这个引脚就会输出高电平，一直到VCC上升超过最小允许值之后200MS。同时它也受看门狗定时器控制，只要看门狗处于激活状态，并且WDI引脚上电平保持为高或为低超过了定时时间，就会产生复位信号。CS引脚上的一个下降沿会复位看门狗定时器。由于这是一个开漏型的输出引脚，所以在使用时必须接上接电阻。35键盘模块电路设计键盘是人机对话的纽带，操作人员可以通过键盘输入数据和命令。键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种，前者用软件来识别输入键和产生代码，后者则用硬件来识别和产生代码14。本设计采用的是23的矩阵式键盘接口，这种键盘接口电路的优点是可以大量节省I/O口，并且在取MN时最为显著。键盘的硬件接口电路图如图8所示，用P2的5个I/O口接23矩阵键盘即可满足。键盘硬件电路设计电路如图7所示键盘模块由单片机的P2口来控制，运行时由程序来执行对键盘的扫描。图8键盘硬件连接图依据系统硬件和软件的需求，定义S1S4为串口选择键即S1为TTLUART通道选择键；S2为RS232通道选择键；S3为RS485通道选择键；S4为USB通道选择键；S5为确认键；S6为清除键。系统默认的通道为TTLUART通道，通过软件的编程和键盘控制选择来实现通道的选择。S5定义为选择确认键，确认通道和确认显示等功能；S6定义为清除显示内容和清除选择功能。以上功能皆可通过编程可实现。36电源电路设计本系统中所用芯片的工作电压如表7所示。由于本系统中所用芯片的工作电压都可以在34V55V之间。因此，采用5V的直流稳压电源，为整个系统供电15。表7系统所用芯片工作电压芯片AT89C51X5045SMC1602A74LS244工作电压/V3455275545554555系统整体供电选用常见的三端稳压集成电路7805芯片，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。7805电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。系统电源电路设计下图9所示。C1、C2、C3为输入端和输出端的滤波电容，R3为负载电阻。图9系统电源电路设计4系统实现41系统开发所需的软件资源系统开发所需的软件资源主要有1PROTEUS电路仿真软件2单片机系统调试仿真器KEILUVISION；3USB串口模拟发生器15。42系统软件调试当电路板经过电子工艺加工完成之后并排除基本的硬件故障以后，便进入了系统软件调试阶段，调试大体分为以下几步1检查硬件电路，保证各个模块都正确连接；2对各个模块的程序进行编译、调试，逐个排除错误；3整体调试，结合程序流程图与系统资源的分配，修改程序直到实现系统体功能。程序设计是在KEILUVISION3软件中编写并且编译的，KEILUVISION3软件可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程，其中也用到了PROTEUS7电路分析实物仿真系统软件，用PROTEUS可以解决KEIL不能对硬件进行仿真的难题，在KEILUVISION软件中编写一段C或者汇编程序之后如果要仿真一下，可以先编译并生成相应的HEX文件，在PROTEUS软件里面找到需要的器件比如AT89C51、LCD、BUTTON然后按照硬件原理图连接之后，将HEX文件载入单片机就可以进行仿真，看具体功能的硬件实现了。在KEILVISION3编程软件中，进行C语言程序的编写和调试，本设计采用模块化编程和调试,为了便于在PROTEUSISIS中进行仿真验证，在KEILVISION3工具栏中点OPTIONSFORTARGET弹出如图10所示的对话框16。图10KEILVISION3调试图在图10的选项卡中,点击OUTPUT选项，在CREATEHEX前打勾,点确定,保存并编辑程序,然后生成“HEX”十六进制文件。会出现图11的对话框。图11KEILUVISION3调试图43联机仿真调试通过软硬件的综合调试和处理，在仿真软件上成功实现了数据的模拟，把程序内储存的内功，通过键盘的控制，显示在LCD屏上。在单片机部分设计中，程序设计是在KEILUVISION3软件中编写并且编译的，KEIL软件可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程，其中也用到了PROTEUS7电路分析实物仿真系统软件，用PROTEUS可以解决KEIL不能对硬件进行仿真的难题，在KEIL软件中编写一段C或者汇编程序之后如果要仿真一下，可以先编译并生成相应的HEX文件，在PROTEUS软件里面找到需要的器件比如AT89C51、LCD、BUTTON然后按照硬件原理图连接之后，将HEX文件载入单片机就可以进行仿真，看具体功能的硬件实现了。由于初期没有实物用PROTEUS就可以仿真，比如在设计中AT89C51单片机的显示部分子程序的测试就是这样的，其他一些子模块也是如此17。串口调试中要注意的几点1不同的编码机制不能混接；2线路焊接要牢固，不然程序没问题却因为接线问题误事；3串口调试时准备一个好用的调试工具；4强烈建议不要带电插拔串口，插拔时至少有一端是断电的，否则串口会损坏。经过多次的调试，并在硬件电路的基础上,PROTEUSISIS74中找出对应的元件,连接好电路,再把已编写好的程序加载到单片机中去。仿真结果如图12所示。LCD显示屏接受由PC机发送的数据，经过串口通道进入单片机，并且显示出来，单片机可以正常驱动LCD显示，与LCD的通信正常。图12SMC1602仿真图USB转串口仿真图如下图13所示。图13USB转串口仿真图1图13USB转串口方针2图13USB转串口仿真图（3）图13USB转串口仿真图4由键盘选择USB通道，通过PC将数据经USB通道送入单片机中，将显示字符的个数和行数进行译码，由单片机控制SMC1602A，解析SMC1602A内部寄存器，并且通过显示屏显示出来，说明USB通道工作正常。整个仿真过程，还应包括键盘控制串口选择部分，看门狗监视部分等等，将其余部分的接口连接图放在附录中。结束语本设计以单片机AT89C51为主芯片，驱动LCDSMC1062A正常显示，根据需要扩展了看门狗和EEPROM，同时将单片机的串口扩展为四路串口，分别实现USB、RS232、RS485、TTLUART四路通信，以实现外部设备的通信。开发的过程中综合运用了PROTELDXP、KEIL、