单片机综合性实验电路板的设计与制作Word下载.docx
- 文档编号:19879519
- 上传时间:2023-01-11
- 格式:DOCX
- 页数:28
- 大小:427.46KB
单片机综合性实验电路板的设计与制作Word下载.docx
《单片机综合性实验电路板的设计与制作Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《单片机综合性实验电路板的设计与制作Word下载.docx(28页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。
2.在工业控制中的应用:
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用:
可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用:
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动,集群移动通信,无线电对讲机等。
5.在医用设备领域中的应用:
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备与病床呼叫系统等等。
此外,单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1.1.4典型单片机产品
器件厂家:
美国:
Intel、Motorola、Microchip、Atmel
荷兰:
Philips
德国:
Siemens
日本:
Nec
中国:
Winbond、SST
1.2课题研究的主要容
单片机综合实验电路板的设计,主要包括系统原理图的设计,硬件模块的设计,PCB电路板的成型以与系统仿真。
其中硬件模块的设计分为以下几个模块:
数字量输入输出模块,显示接口电路,键盘接口电路,定时模块,数据存储器单元和数模转换单元等。
2系统设计方案
2.1设计任务
本次设计是单片机综合实验电路板的设计,其中包括:
AD模块、显示输出模块、DA模块、矩阵键盘模块、AT89C51、串行通讯模块、电源模块、晶振复位等模块。
系统的结构框图如图2.1所示。
图2.1系统结构框图
2.2设计步骤
1.硬件模块设计
其中包括元器件的选择,元器件的介绍,具体的设计过程呵设计方案。
2.PCB板的生成
3.应用Proteus软件进行仿真。
3系统硬件模块设计
3.1基于AT89C51单片机的时钟复位电路设计
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制提供了一种灵活性高且价廉的方案。
引脚排列如图3.1所示。
图3.1AT89C51引脚排列
3.1.1AT89C51单片机的主要特性与管脚说明
㈠AT89C51单片机的主要特性
·
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
·
寿命:
1000写/擦循环
数据保留时间:
10年
全静态工作:
0Hz-24MHz
三级程序存储器锁定
128×
8位部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片振荡器和时钟电路
㈡AT89C51管脚说明
*VCC:
供电电压;
*GND:
接地;
*P0口:
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高;
*P1口:
P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收;
*P2口:
P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号;
*P3口:
P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如表3.1所示:
表3.1AT89C51的一些特殊功能口
口管脚
备选功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
/INT0(外部中断0)
P3.3
/INT1(外部中断1)
P3.4
T0(记时器0外部输入)
P3.5
T1(记时器1外部输入)
P3.6
/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
*RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间;
*ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效;
*/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现;
*/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此间部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP);
*XTAL1:
反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入;
*XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
3.1.2具体设计方案
㈠时钟电路的设计
时钟电路可以简单定义:
第一就是产生象时钟一样准确的振荡电路;
第二任何工作都按时间顺序。
用于产生这个时间的电路就是时钟电路。
时钟电路的组成:
时钟电路一般由晶体震荡器、晶震控制芯片和电容组成。
时钟电路应用十分广泛,如电脑的时钟电路、电子表的时钟电路以与MP3、MP4的时钟电路。
㈡复位电路的设计
复位电路的简介:
为确保微机系统中电路稳定可靠工作,复位电路是必不可少的一部分,复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±
5%,即4.75~5.25V。
由于微机电路是时序数字电路,它需要稳定的时钟信号,因此在电源上电时,只有当VCC超过4.75V低于5.25V以与晶体振荡器稳定工作时,复位信号才被撤除,微机电路开始正常工作。
复位电路主要有四种类型:
(1)微分型复位电路;
(2)积分型复位电路;
(3)比较器型复位电路;
(4)看门狗型复位电路。
基本的复位方式:
单片机在启动时都需要复位,以使CPU与系统各部件处于确定的初始状态,并从初态开始工作。
AT89C51系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上,则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有:
手动按钮复位和上电复位。
本次设计采用手动按钮复位。
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。
一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时,则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
手动按钮复位的电路如所示。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒,所以,完全能够满足复位的时间要求。
㈢单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件,主要可以分成时钟电路和复位电路,我们采用的是AT89C51芯片,它部自带4K的FLASH程序存储器,一般情况下,这4K的存储空间足够我们使用,所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平(PCB画板时已经接死),所以我们只用芯片部的4K程序存储器。
单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成,它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。
复位电路由20UF的电容和200Ω的电阻与一个1KΩ的电阻组成。
其时钟复位原理图如图3.2所示。
图3.2AT89C51的时钟复位原理图
3.28279键盘/显示器接口电路设计
8279是可编程的键盘显示接口芯片。
它既具有按键处理功能,又具有自动显示功能,在单片机系统中应用广泛。
8279部有键盘FIFO(先进先出站)/传感器、双重功能的64BRAM,键盘控制部分可控制8*8=64个按键或控制8*8阵列方式的传感器。
该芯片能自动消除键抖动并具有双键锁定保护功能。
显示器RAM容量为16*8,即显示器最大配置可达16位LED数码显示。
8279键盘/显示接口电路框图如图3.3所示。
图3.38279键盘/显示接口电路框图
一.8279的特点
(1)可同时进行键盘扫描与文字显示;
(2)键盘扫描模式(ScannedKeyboardMode);
(3)传感器扫描模式(ScannedSensorMode);
(4)激发输入模式(StrobeInputEntryMode);
(5)8乘8键盘FIFO(先进先出);
(6)具有接点消除抖动,2键锁定与N键依此读出模式;
(7)双排8位数或双排16位数的显示器;
(8)右边进入或左边进入。
16位字节显示存储器。
二.8279引脚说明
*DB0~DB7:
双向数据总线。
在CPU与8279间做数据与命令传送;
*CLK:
8279的系统时钟,100KHz为最佳选择;
*RESET:
复位输入线。
输入HI时可复位8279;
*CS:
芯片选择信号线。
当这个输入引脚为低电平时,可将命令写入8279或读取8279的数据;
*A0:
缓冲器地址选择线。
A0=0时,读写一般数据;
A0=1时,读取状态标志位或写入命令;
*RD:
读取控制线。
RD=0时,8279输送数据到外部总线;
*WR:
写入控制线。
WR=0时,8279从外部总线接收数据;
*IRQ:
中断请求。
平常IRQ为LO,在键盘模式下,每次读取FIFO/SENSORRAM的数据时,IRQ变为HI,读取后转为LO;
在传感器模式下,只要传感器一有变化,就会使IRQ变为HI,读取后转为LO;
*SL0~SL3:
扫描按键开关或传感器矩阵与显示器,可以是编码模式(16对1)或解码模式(4对1);
*RL0~RL7:
键盘/传感器的返回线。
无按键被按时,返回线为HI;
有按键被按时,该按键的返回线为LO。
在激发输入模式时,为8位的数据输入;
*SHIFT:
在键盘扫描模式时,引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储存(在BIT6),部有上拉电阻,未按时为HI,按时为LO;
*CNTL/STB:
在键盘扫描模式时,引脚的输入状态会与SHIFT以与其它按键的状态同一储存,部有上拉电阻,未按时为HI,按时为LO。
在激发输入模式时,作为返回线8位数据的使能引脚;
*OUTA0~OUTA3:
动态扫描显示的输出口(高4位);
*OUTB0~OUTB3:
动态扫描显示的输出口(低4位);
*BD:
消隐输出线。
3.2.18279与键盘接口电路
INTEL8279是一种通用可编程键盘/显示器接口芯片,可直接与INTEL微型单片机接口,在我们设计的电路中就采用8279来实现系统的键盘/显示器扩展功能,降低了电路的复杂度,提高了稳定性与可靠性。
8279能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。
键盘控制部分提供一种扫描工作方式,可与64个按键的矩阵键盘连接,能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动识别出按下的键并给出编码,能同时按下双键或N键实行保护,其接收键盘上的输入信息存入部FIFO缓冲器,并可在有键输入时向CPU请求中断。
8279将SL0~SL2经74LS138译码输出后的Y0,Y1端作为键盘列线,RL0~RL7作为键盘行线,用以构成3*8阵列的键盘。
当有键按下时,8279可先将按下键的键值读入FIFO,然后向CPU发出中断申请,请求取走数据。
其键盘接口电路原理图如图3.4所示。
图3.4键盘接口电路原理图
74LS138的工作原理:
①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:
A0A1A2=110时,则Y6输出端输出低电平信号。
②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。
③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。
3.2.28279与显示器接口
8279提供了按扫描方式工作的显示接口,其部有一个168的显示缓冲器,能对8位或16位LED自动进行扫描,将显示缓冲器的容在LED上显示出来。
每片8279只外接8位显示器,故各自外部接了一个3~8译码器74LS138。
74LS138的输入端接8279的SL0~SL2,输出作为4个显示器的位选线,经另一个74HC573接显示器接显示器的位选线,经另一个74HC573接显示器的字段码输入端a,b,c,d,e,f,g,dp,由此输入字段码在选中位上显示相应的字符。
其显示器接口电路原理图如图3.5所示。
图3.5显示器接口电路原理图
74HC573为八进制3态非反转透明锁存器。
高性能硅门CMOS器件SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。
器件的输入是和标准CMOS输出兼容的;
加上拉电阻,他们能和LS/ALSTTL输出兼容。
当锁存使能端LE为高时,这些器件的锁存对于数据是透明的(也就是说输出同步)。
当锁存使能变低时,符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
x\u36755X出能直接接到CMOS,NMOS和TTL接口上。
x\u25805X作电压围:
2.0V~6.0V。
x\u20302X输入电流:
1.0uA。
xCMOS器件的高噪声抵抗特性。
3.3AD转换模块设计
以AT89C51为控制中心,通过74LS138译码器,由AD574A进行AD转换,满足实验电路所需要求。
其框图如图3.6所示。
图3.6A/D模块框图
3.3.1AD574A简介
AD574A是美国模拟数字公司推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器,部包含有与微型计算机接口的逻辑电路,可以很方便地与多种微型计算机系统相连,AD574A部具有参考电压源和时钟电路,给用户提供了方便。
再加上其转换速度快只有25μs,外接元件少,功耗低,精度高,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器,具有良好的性能价格比等优点,使得AD574A成为目前国外应用较多的器件之一。
1.AD574A的工作原理
AD574A部由两个芯片混合集成,一片是12位D/A转换器AD565,包括高速电流源电路,激光微调精密电阻网络,参考电压源,输出比例电阻(包括双极性偏移电阻)。
另一片是采用线性相容的集成注入逻辑I2L工艺制造的,包括低功耗逐次比较器,转换控制电路,时钟电路,输出缓冲器和高分辨率的比较器等。
AD574A采用逐次比较方式完成转换。
当逻辑控制电路接到转换指令时,立刻启动时钟电路,同时将逐次比较寄存器SAR清0,这时输入信号首先同D/A转换器的最高位输出的电压相比较,判断取舍。
然后在时钟的控制下按顺序进行逐次比较,一直到A/D转换器输出的数码都被确定,SAR向逻辑控制电路送回结束信号事转换结束,时钟脉冲使输出状态变低。
当外部加入读数据指令时,逻辑控制电路可以发出指令读出数据。
2.AD574A的组成部分
AD574A芯片是一种28个引脚双列直插式的芯片,其引脚功能如图3.7所示。
图3.7AD574A引脚功能图
AD574A由12位A/D转换器,控制逻辑,三态输出锁存缓冲器,10V基准电压源四部分构成。
⑴12位A/D转换器
可以单极性也可以双极性的。
单极性应用时,BIPOFF接0V,双极性时接10V。
量程可以是10V也可以是20V。
输入信号在10V围变化时,将输入信号接至10V(IN);
输入信号在20V围变化时,将输入信号接至20V(IN);
所以量化单位相应的就是10V/(2^12)和20V/(2^12)
⑵三态输出锁存缓冲器
用于存放12位转换结果D(D=0~2^12-1)。
D的输出方式有两种,
引脚12/8=1时(8的上面有一横杠),D的D(11)~D(0)并行输出;
引脚12/8=0时(8的上面有一横杠),D的高8位与低4位分时输出。
⑶逻辑控制
任务包括:
启动转换,控制转换过程和控制转换结果D的输出。
CECS(即CS上面一横杠)R/C(C上一横杠)12/8(8的上面有一横杠)A(0)操作功能
100X0启动12位转换
10000启动8位转换
1011X输出12位数字
10100输出高8位数字
10101输出低4位数字
0XXXX无操作
X1XXX无操作
3.3.2A/D转换模块设计方案
A/D转换器与单片机接口具有硬、软件相依性。
一般来说,A/D转换器与单片机的接口主要考虑的是数字量输出线的连接、ADC启动方式、转换结束信号处理方法以与时钟的连接等。
一个ADC开始转换时必须加一个启动转换信号,这一启动信号由单片机提供。
对于本次设计中采用的AD574A属于脉冲启动型,只要给其启动控制端加一个符合要求的脉冲信号即可。
通常用WR和地址译码器的输出经一定的逻辑电路进行控制。
当转换结束时,ADC输出一个转换结束标志信号,通知单片机读取转换结果。
单片机检查判断A/D转换结束的方法一般有中断和查询两种。
对于中断方式,可将转换结束标志信号接到单片机的中断请求输入线上或允许的I/O接口的相应引脚,作为中断请求信号;
对于查询方式,可把转换结束标志信号经三态门送到单片机的某一位I/O口线上,作为查询状态信号。
AD转换的令一个重要连接信号是时钟,其频率是决定芯片转换速度的基准。
整个A/D转换过程都是在时钟的作用下完成的。
A/D转换时钟的提供方法有两种:
一是由芯片部提供(如AD574A),一般不许外加电路;
另一种是由外部提供,有的用单独的振荡电路产生,更多的则把单片机输出时钟经分频后送到A/D转换器的相应时钟端。
A/D转换电路的实现如图3.8所示,电路中AD574A进行AD转换,741进行信号的整形和滤波。
图3.8
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 单片机 综合性 实验 电路板 设计 制作