最小系统的电路设计

51单片机最小系统的电路设计摘要：单片机最小系统，无论对单片机初学人员还是开发人员都具有十分重要的意义，可以利用最小系统进行编程实现工业控制。单片机最小系统电路板在单片机开发市场和大学生电子设计方面十分流行。本次课程设计包括AT89S52单片机〔51单片机的升级版〕最小系统〔包括复位和时钟电路〕及供电系统、4×4矩阵键盘、独立4个8段LED数码管显示电路。利用Protel电路设计软件进行原理图设计，PCB布线，借此稳固单片机应用、模拟电路、数字电路课程及学会工程软件protel的使用。关键字：单片机最小系统Protel矩阵键盘LED显示引言单片机对于工业控制界来说，意义是革命性的。从世界上第一块单片机最初的简单控制功能到如今能够满足不同场合的需要，仅仅经历了不到30年的时间。如今世界知名的半导体公司大多有其独立的单片机系列产品。比拟著名的有ATMEL公司的AVR〔简化指令〕系列、德州仪器公司的MSP430〔超低功耗〕系列、美国半导体公司的COP8〔内含高性能16位AD〕系列、摩托罗拉公司68HC08〔低频高速〕系列等。全世界范围内从事单片机开发的人员有上百万之多，原因就是单片机最大的特点：性能十分稳定、适应能力强，并且开发价格低廉、门槛低，非常适用于工业控制。单片机编程只需要一台电脑、一个下载器和一块单片机开发板即可。本次设计是对单片机最小系统的设计，通过进一步扩展可做成单片机开发板。设计局部分析1.1各模块介绍1.1.1单片机AT89S52[1]AT89S528位单片机是MSC-51®系列产品的升级版，有世界著名半导体公司ATMEL在购置MSC-51®设计结构后，利用自身优势技术——〔掉电不丢数据〕闪存生产技术对旧技术进行改良和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。与此同时，世界上其他的著名公司也通过根本的51内核，结合公司自身技术进行改良生产，推广一批如51F020等高性能单片机。AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断开展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装。DIP-40封装89S52引脚图复位电路及时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的根本模块。复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位。[2]上电复位手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取适宜的频率即可。适宜频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取8.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。八段数码管显示LED数码管显示是利用半导体发光制成条形的发光二极管，封装在一起组成数字或其他符号形状。数码管根据公共端不同，分为共阴极和共阳极两种形式。共阴极数码管共阳极数码管根据设计需要，本次选用共阴极数码管。由于一个数码管不能实现多位数显示，同时从节省I/O端口考虑，结合数电知识，利用74LS139并联四个一位8段数码管。由于点亮数码管需要10-100毫安电流，单片机输出口难以提供，所以加9013型NPN三极管在接入数码管前进行扩流。74LS139是德州仪器公司生产的集成2个2-4译码器芯片。单片机控制译码器，四个公共端接芯片的Y0、Y1、Y2、Y3，实现对四个数码管的选通。这样，单片机一组端口控制数码管阳极，74芯片通过另外端口选通阴极，即可实现不同数码管显示不同数字。由于74LS139是低电平有效，所以也适用于共阴极数码管。[3]4×4矩阵键盘设计矩阵键盘是在要求按键不多是的一种简易键盘设计。与编码键盘相比，矩阵键盘不需要专门的编码芯片，从而本钱低，设计简单，用简单的面包板即可搭成。缺点是占用单片机端口较多，而且编程实现行扫描列扫描比拟占用资源。键盘的原理是在一端接入高电平，用单片机一个端口去检测按键另一端的电平，另一端也是高电平时，说明按键被按下。4×4矩阵键盘，分为4行4列，在每列加上拉电阻〔加高电平〕，然后用程序控制行扫描和列扫描，判断具体哪个按键被按下。由于本身键盘的特点，再设计程序是需要参加消除抖动处理。8位AD电压采样电路本次设计在根本要求的根底上，增加了8位电压采样电路。美国模拟器件公司是世界先进的模拟器件公司。AD775是CMOS工艺低功耗中速8位AD采样芯片。和单片机配合可以很好的实现电压量的采样。该芯片供电电压很宽，可以用5V供电。芯片输出口是三态，好控制。串口通信电路MAX232是电平转换芯片。1970年，美国电气学会规定“RS232”串口通信协议。规定逻辑“1”，-5—-15V；逻辑“0”，+5—+15V。噪声容限为2V。要实现利用串口与单片机进行通信，就要进行电平转换，把标准转化成单片机可以识别的。MAX220–MAX249都是电平转换芯片，在单片机最小系统中，使用MAX232。单片机供电系统单片机供电采用7805三端线性稳压芯片配合直流稳压电源构成。直流输入低于18V的直流电，输出为5V〔误差小于5%〕，完全满足单片机及其他芯片的要求。设计软件Prorel1.2.1软件简介Protel公司于80年代末推出了Protel——电子行业的CAD软件，由于最初在国内普及率较高，所以开展较好，大多数公司中低频电路设计都采用此软件。早期的版本主要用于印刷版自动布线。后来推出著名的Protel99se,能够在Windows9X/XP下运行。2000年以后，Altium公司又推出了该软件的升级版AltiumDesigner。AltiumDesigner在原有的根底上做出了很大的改良，能够翻开如Pspice等仿真软件做出的文件。虽然市场上还有很多电路设计软件，但是该软件还是占有很大的市场份额。现在业界最高版本为AltiumDesignerWinter09版。最高版本支持中文输入，修正了以前软件的一些BUG，并且增加了许多人性化的操作，使用起来更便捷，同时扩充了元件库，在自动布线和模型方面也做了很多优化，增加包括对FPGA工程的支持，同时还增加了BGA封装的布线处理〔如INTELCPU就是这种封装〕，增加了很多仿真技术。本软件存在的缺点是高频模型不够理想，所以失去了很多市场，对于极其专业的设计方面，显得有些黔驴技穷。但是在一般领域的应用，这款软件的强大功能足以够用。本次设计使用的是AltiumDesignerWinter09版本。1.2.2Protel电路设计及布线根本规那么该软件简单易学，了解了根本规那么以后就可以进行电路板设计。主要掌握内容包括：原理图连线、元件库熟悉、元件库制作、元件封装选取、pcb图生成、印制板规那么设置、印制板走线、元器件摆放、根本电磁兼容。[4]规那么设置和印刷版走线比拟难掌握。在初学时主要遇到的几个问题包括①设置线宽〔＞12mil〕；②设置过孔大小；③设置铺铜与走线的距离〔＞10mil〕；④版面的安排。由于软件功能十分强大，想了解全部功能需要几个月的学习，而且要做出高质量的印制板需要长期大量的工程实践。所以此次设计仅能到达根本要求，更高的标准还需要慢慢提高。最小系统Protel制图建立工程：单片机.Prjpcb,添加单片机.Schdoc单片机.Pcbdoc2.1原理图局部2.1.1原理图简介根据课程设计要求及实际情况，本次设计原理图包括九局部：AT89S52、4×4矩阵键盘、四位8段LED显示、复位电路、时钟电路、电源、并口下载接口、电压采样电路、串口通信电路〔整图见附录1〕。电路设计使用到了单片机原理及应用、数字电路、模拟电路的相关知识。整个设计过程中，自制了元件库一个〔按键开关、单片机、4为排阻〕、封装一个〔按键开关〕。原理图设计主要工作量在于电路设计、制作元件库、元件命名、封装正确适宜选取。通过几天的努力，根本完成了设计目标。2.1.2最小系统能实现的根本功能最小系统设计了供电电路及接口，接入9V直流电源，即可启动最小系统。下载线通过并口下载端口连接计算机，在计算机上装入与此单片机匹配的下载软件，即可对单片机进行程序烧写。如果发现程序运行问题，可按下复位重新开始运行。程序编写需按照8M晶振所提供的时钟周期。写入扫描键盘程序，可以读出键盘操作，在数码管中显示，采样电压进行处理，与计算机进行通信等。2.2印刷版局部2.2.1印刷版制作过程由于单片机及其他元件引脚较多，单层板难以实现，所以使用双层板，方便走线。将绘制好的原理图点击UpdatePcbDocument单片机.pcbdoc选项,将原理图导入，得到一堆未连线的元器件。先对元件进行根本的摆放，再对照原理图进行细致的安排。摆放元器件考虑实际电路特性以及美观、实用性。准备工作做完以后，需要对印刷版规那么进行设置。本次设计设置minimumclearance为15mil，最小线宽12mil，默认线宽15mil。然后进行连线。连线尽量整齐，并考虑线长对系统的影响在布线过程中不断调整元件位置和元器件封装，完成后设置印制板边框，对板正面铺铜为VCC，反面铺铜GND。由于元件封装遵循的规那么与对于一些与规那么有冲突的地方在幅员上会显示出绿色，确认冲突并不影响实际幅员功能的时候，可以不用修改规那么，忽略冲突。2.2.2印刷版质量对系统的影响在高频电路中，印刷版对系统性能的影响非常大。此次设计电路最高频率为8M，由于电路数字局部没有影响到其他局部的工作，所以用磁珠区分模拟地和数字地。为了提高性能，通常采取遵循以下几种方式：①大电流线与信号线间隔尽量远；②信号线走线要短、并且要直；③采用大面积铺地，同时存在模拟电路和数字电路时，供电和铺地要分开；④电流线走电路的外沿；⑤存在大电感或是对其他局部产生干扰的元件时，要考虑元件放置方向和有效的屏蔽。在实际布线中，考虑到电源对电路的影响，在电路中参加去耦电容和旁路电容，以提高系统稳定性。根据单片机的特性，复位电路和时钟电路离单片机距离较近，键盘显示离单片机较远。电流大些的线根据实际情况用粗线。缩小版面同时提高性能对设计者有很高的要求。但是，最小系统用于开发和学习，不适宜做的很小，所以此次设计，在板上留有较多空间。印刷幅员见后面附图。3课程设计总结通过本次设计，对单片机硬件电路有了很多更新的认识，让原来纸面化的知识变成了实际的。也让模拟电路、数字电路和单片机应用相关的知识得到了稳固，同时根本学会工程软件Protel的使用。4参考文献[1]ATMEL®公司.AT89S528-bitMicrocontrollerwith8KBytesIn-SystemProgrammableFlashdatasheet，2001.5[2]Analog