单片机最小系统论文

1、摘要.第一章 单片机概述1.1单片机简介1.2 单片机的发展趋势1.3单回路控制系统的介绍及单片机在单回路控制系统中的应用及前景1.4 设计思想第二章 单片机外部设备扩展2.1 单片机最小系统设计2.1.1单片机最小系统组成2.1.2 8051单片机2.1.3晶振接口电路设计2.1.4复位电路设计2.1.5地址锁存器74LS373 EPROM27322.1.6EPROM及EPROM存储器扩展电路设计2.1.7外部数据存储器扩展电路设计2.1.8外部数据存储器计掉电保护设计2.2键盘、显示扩展设计2.2.1地址编码器74LS138、8155可编程并行I/O扩展接口2 .2.2单片机与8155接口

2、设计2.2.3 8155与4*4矩阵键盘接口设计2.2.4 LED显示器2.2.5 8155扩展动态LED接口设计第三章 单片机串行口扩展设计3.1 MAX232芯片3.2 MAX232与单片机接口设计第四章 模拟量与数字量转换设计4.1 八路模拟开关CD4051与输入信号滤波电路4.2 模拟输入及采样保持器电路设计4.3 12位A/D转换器AD5744.4 AD574与单片机接口设计第五章 数字量与模拟量转换设计5.1 8位D/A转换器DAC0832和模拟电压输出电路5.2 电压/电流转换接口电路AM442 0-5V/4-20MA第六章 开关量输入电路设计第七章 开关量输出电路设计第八章 单

3、片机系统中看门狗电路设计8.1看门狗定时器芯片50458.2 5405与单片机接口设计 总结.参考文献摘要本文的目的是介绍单片机最小系统中应用到的芯片、外设及接口电路等。通过扩展单片机（8051）外设，包括单片机存储器、数模转换器、模数转换器、七段数码管显示模块和键盘输入模块，并将软件设计和外围芯片结合来实现最小系统的功能。结果表明，单片机可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗、片内存储容量较小、集成度高。单片机将广泛应用于社会生活生产的各个角落。关键词：单片机 数模转换器 模数转换器Abstract This article aims to show what had been us

4、ed in the Single-chip Microcomputer System(8051), for example，the Single-chip, memory, timer counter, interrupt system, I / O interfaces. By attaching the software system and hardware, the system could realize its function. The outcome is that the Single-chip Microcomputer System is dependable, easy

5、 to expand, controllable, low voltage, high integrated. So, the single-chip microcomputer system will be used in many kinds of our daily lives.Keywords: Single-chip Microcomputer D/A converter A/D converter第一章 单片机概述1.1 单片机简介单片机又叫单片微型计算机，是典型的嵌入式微控制器。单片机是采用超大规模集成电路技术把微处理器、存储器和各种输入、输出接口等功能集成到一块硅片上构成的一个

6、小而完善的微型计算机系统。单片机的优点是体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。1.2 单片机的发展趋势 综观单片机几十年的发展历程，单片机的今后发展方向将是向多功能、大容量、高性能，高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及片内存储器容量增加和Flash存储器化方向发展。此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。1.3 单回路控制系统的介绍及单片机在单回路控制系统中的应用前景 单回路控制回路又称单回路反馈控制。它是最基本、结构最简单的一种。单回路控制器一般可接受多个输入信号，但只输出一个模拟量信号，构

7、成单回路直接数字控制。单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象或被控过程、测量变送装置、控制器和控制阀。1.4设计思想 本次设计主要是利用Protel电路设计软件进行原理图设计，PCB布线，借此巩固单片机应用、模拟电路、数字电路课程及熟练工程软件protel的使用。第二章 单片机外部设备扩展 2.1单片机最小系统设计2.1.1单片机最小系统组成和工作原理单片机最小系统“最小”就是指一个单片机能开始独立工作所需的最基本的外部电路连接。单片机最小系统通过扩展单片机外设，包括单片机存储、程序存储器、复位电路、时钟电路、数模转换器、模数转换器、数码管显示模块和键盘输入模块，并将软件设计和外围芯片结

8、合来实现最小系统的功能。2.1.2 8051单片机单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器（ROM 及RAM）、数据总线和IO 接口组成。和一般微处理器相比，8051 单片机增加了4个8 位并行IO 口、一个串行口、4KB ROM、128BRAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR）等。 2.1.3 晶振接口电路设计 晶体振荡器，简称晶振。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

9、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。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容2.1.4复位电路设计 在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序运行不正常或停止运行时，就需要进行复位。MCS-5l系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电复

10、位和按键复位。上电复位：上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。随之电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。按键复位：并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。 2.1.5地址锁存器74LS373地址锁存器74LS373是带有三态门的八D锁存器，共有8个输入端D1D8及8个输出端Q1Q8。当三态端OE为有效低电平，74LS373的G端为输人选通端，使能端G为有效高电平时，输出跟随输入变化；

11、当用74LS373作为地址锁存器时，它们的G端可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存；当LE输出端为高电平时，锁存器处于透明状态，Q端等于D端；当LE端从高电平下降到低电平时(下降沿)，输出端D的数据锁存入锁存器中，在LE端为低电平时期间，不论输入端D如何变化，Q端保持原输出不变2.1.6 EPROM2732及EPROM存储器扩展电路设计EPROM程序存储器是用来存储程序代码，常数和表格的。单片机程序存储器一般采用半导体ROM构成。对于无ROM型单片机，或者当单片机内部程序存储器存储容量不够时，需要在外部扩展程序存储器。EPROM的编程需要使用编程器完成，一旦编程

12、完成后，EPROM只能用强紫外线照射来擦除2.1.7外部数据存储器扩展电路设计数据存储器扩展电路与程序存储器扩展电路基本相同，所以地址总线，数据总线完全相同。与程序存储器扩展不同的是，数据存储器的读，写控制信号用W、G分别控制和，而程序存储器的读选通信号有控制。两个存储器虽用同一个地址空间，但因控制信号不同，因此不会产生冲突。数据存储器扩展时还应注意，由于单片机系统采用统一编址方式，I/O扩展的地址空间与数据存储器扩展的空间是公用的，所以设计的问题远比程序存储器扩展得多。2.1.8 外部数据存储器计掉电保护设计 外部数据存储器计掉电保护设计是特别重要的由于有了系统数据掉电保护，可避免多次重建数

13、据存储器，保证在整个测量过程中不发生丢失待下次上电后，就可正确复现掉电前测量头的位置坐标，保证了在接下去的测量过程中，测量基准不发生变化，从而保证测量系统在整个测量过程中的准确性。 2.2 键盘、显示扩展设计2.2.1地址编码器74LS138、8155可编程并行I/O扩展接口1.地址编码器74LS13874LS138 为3 线8 线译码器，共有 54LS138和 74LS138 两种线路结构型式。当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（(/E2)和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：A2A1A0=110时，

14、则Y6输出端输出低电平信号。利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。可用在8086的译码电路中，扩展内存。2.8155可编程并行I/O扩展接口8155芯片内包含有256字节RAM，2个8位、1个6位的可编程并行I/O口，和1个14位定时器/计数器。由于8155既具有RAM又具有I/O口，因而是单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。8155共40个引脚，采用了双列直插的封装。在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线

15、0;提供， CE=0，选中该片。当 CE=0，IO/M =0时，选中8155片内RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00HFFH；当 CE=0，IO/M =1时，选中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7AD0确定。 2.2.2单片机与8155接口设计MCS-51和8155的接口非常简单，因为8155内部有一个8位地址锁存器，故无需外接锁存器。在二者的连接中，8155的地址译码即片选端可以采用线选法、全译码等方法。在整个单片机应用系统中要考虑与片外RAM及其它接口芯片的统一编址。2.2.3 4*4矩阵键盘接口设计    

16、0;矩阵式键盘又称行列键盘，是用N条I/O线作为行线，N条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为N*N个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。 本设计就采用这种键盘模式。2.2.4 LED显示器LED显示屏（LED panel），是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。2.2.5 8155扩展动态LED接口设计单片机可以通过数据总线与控

17、制信号直接采用存储器访问形式、I/O 设备访问形式控制该液晶显示模块。它是51 系列单片机兼容的微控制器，用户编制的程序及需要显示的英文字母、数字、汉字、曲线和图形都可以存储在里面，使得以8051 单片机为核心的控制系统电路更简单。因此十分适用于液晶LED显示。第三章单片机串行口扩展设计3.1 MAX232芯片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。第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、1

18、1、12、13、14脚构成两个数据通道。   第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。3.2 MAX232与单片机接口设计MAX232可以用作单片机和单片机之间、单片机和PC机串口之间的符合RS232串行接口电路。只要将待进行串行传输的设备的发送和接收端相应的接上，编程即可。单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。第四章 模拟量与数字量转换设计4.1 八路模拟开关CD4051 CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表1。“INH”是禁止端，当“INH”=1时

19、，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。4.2 模拟输入及采样保持器电路设计 模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置。它是连接采样器和模数转换器的中间环节。采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值。采样保持电路由模拟开关、存储元件和缓冲放大器A组成。通常，采样保持器与

20、采样器、放大器和模数转换器一起构成模拟量输入通道,用于工业过程计算机系统或数据采集系统。4.3 12位A/D转换器AD574AD574是美国模拟器件公司的产品，是较先进的高集成度、低价格的逐次逼近式转换器。AD574由两片大规模集成电路构成。一片为D/A转换器AD565，另一片集成了逐次逼近寄存器SAR、转换控制电路、时钟电路、总线接口电路和高分辨比较器电路。AD574的工作过程分为启动转换和转换结束后读出数据两个过程。启动转换时，首先使/CS、CE信号有效，AD574处于转换工作状态，且A0为1或为0，根据所需转换的位数确定，然后使R/C0，启动AD574开始转换。视为选中AD574的片选信

21、号，为启动转换的控制信号。转换结束，STS由高电平变为低电平。可通过查询法，读入STS线端的状态，判断转换是否结束。4.4 AD574与单片机接口设计8051单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由有8051的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进8051，所以接地。当8051的p3.0查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进80

22、51，然后再将低4位读进8051。这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连第五章 数字量与模拟转换设计5.1 8位D/A转换器DAC0832和模拟电压输出电路DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量输出的转换。在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号 /XFER。5.2电压/电流转换接口电路AM442 0-5V/4-20MAAM422是一个用于模拟

23、信号转换处理的电压到电流的专用接口集成电路。通过少量的外接元件就可以输出电流，而且可在一个较大的范围内调整。除了外接电阻R0到RS和电容C1之外，要是电路正常工作，还需要一个外接的三极管和一个保护作用的二极管。外接的三极管降低了集成电路AM422的耗散功率。同时，在选择二极管和三极管时请注意它们的耗散功率。AM442由三个基本单元组成，第一部分为输入级，第二部分为输出级，第三部分为可调的参考电压源。 第六章开关量输入电路设计对于不同的开关量信号的电平值，可以采用不同的方法输入计算机进行处理。一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲信号可以使用系统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。处于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。第七章 开关量输出电路设计 在计算机继电保护装置中，由微机发出的开关量形式的数字信号主要是保护跳闸及其它控制信号，这类数字信号一般是经过专用开关量输出电路将数字信号转换成模拟电压信号后，才能去驱动相应的执行元件。第八章 单片机系统中看门狗电路设计8.1看门狗定时器芯片5045看门狗在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单