MCS-51单片机实验板的设计.doc

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哈尔滨理工大学学士学位论文

MCS-51单片机实验板的设计

摘要

　　近年来，随着科技和工艺的进步，单片机以体积小、功能强、成本低、应用面广等优点赢得了越来越多的用户的青睐。

其中MCS-51系列单片机独具特色、性能卓越，可以适用于各个应用领域的不同需要，因而具有极强的竞争力，应用前景广阔。

今后随着技术的进步，它仍将是科技界、工业界广泛选择应用的8位MCU，仍将是单片机的应用的主流机种。

掌握MCS-51单片机的应用已成为电子类专业学生必备的技能。

然而学习单片机的难点在于如何入门，如何将硬件和软件结合起来，真正掌握单片机的控制技术，并能开发一些简单的产品。

因此本文设计了AT89S系列单片机的实验板，供初学者使用。

本论文首先介绍了实验板的总体设计及实现功能，其次论述了系统硬件设计过程，确定了元器件的选择。

主控芯片选择的是高性能、低功耗的AT89S52。

本文的硬件是三个外围电路：

电源电路、时钟电路、复位电路；十个功能模块电路：

流水灯、LED显示、蜂鸣器、实时时钟、温度传感、12键键盘输入、串口通信、EEPROM、A/D转换器和扩展电路。

并给出了详细的各单元电路的原理图。

本文的软件设计用单片机C语言进行编程，针对各部分硬件功能设计了相应的实验，给出了实验目的、任务及详细的实验参考源程序清单。

本设计系统结构简单，造价成本低廉，功能完全。

并且本实验板将所有I/O扩展出来，可用于学生自己做实验，开发设计。

关键词实验板；AT89S52；C语言；EEPROM

TheDesignofMCS-51ExperimentalBoard

Abstract

Inrecentyears,withtheprogressofscienceandtechnology,SCMwonmoreandmorecustomersforitssmallsize,lowcost,strongfunctionandwideapplication.Amongofall,theMCS-51seriesSCMareinthenatureofuniquecharacteristicsandremarkableperformance,whichcanmeetvariousapplicationsofdifferentneeds,thusitpossessesstrongcompetitivenessandbroadprospectofapplication.Astechnologyadvances,itwillstillbewidelyappliedinscience,industryfieldchoiceof8MCU,andthemainstreamoftheapplicationofSCM.MasteringtheapplicationofSCMhasbecometheelectronicmajorstudents’necessaryskills.HoweverthedifficultyinstudyingSCMishowtograsptheintroductionandhowtocombinehardwareandsoftware,masteringthetechniqueofSCMtodevelopsomesimpleproducts.ThereforethispaperdesignstheAT89SseriesSCMexperimentalBoardforbeginnersuse.

Thispaperfirstlyintroducestheexperimentaldesignandrealizationoftheboardoverall,secondly,discussestheprocessofthesystemhardwaredesign,determinesthechoiceofcomponents.ControlchipisAT89S52deviceswithhighperformanceandlowpowerconsumption.Threeperipheralhardwarecircuitsare:

powersupplycircuit,clockingcircuitandresetcircuit.Tenfunctionmodulecircuitsare:

runninglights,LEDdisplay,intercom,real-timeclock,temperaturesensing,12keykeyboardinput,serialcommunication,EEPROM,A/Dconverterandexpansioncircuit.Andthedetailedunitsofthecircuitprinciplediagram.ThissoftwaredesignisusingClanguageprogramMCU,designingtheexperimentsandgivingtheexperimentalpurposes,taskanddetailedexperimentalreferencesourcecodelistingsineverypartcorrespondingtohardwarefunction.

Thedesignofthesystemissimpleinstructure,lowcost,fullyfunctioning.AndthisexperimentboardextendedoutalltheI/O,itcanbeusedforstudentstodoexperiments,designanddevelopment.

KeywordsExperimentalBoard;AT89S52;Clanguage;EEPROM

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2单片机实验板现状及发展概述 1

1.3本论文主要研究的内容 3

第2章实验板总体设计方案 4

2.1实验板系统功能 4

2.2 实验板的性能要求 4

2.3 实验板的硬件资源说明 5

2.4AT89S52在实验板中的应用 5

2.5本章小结 7

第3章实验板的硬件设计 8

3.1硬件总体设计 8

3.2各功能模块设计 9

3.2.1 单片机外围电路 9

3.2.23×3矩阵键盘电路 11

3.2.3数码管显示电路 13

3.2.4LED流水灯电路 14

3.2.5温度传感器电路 14

3.2.6串行通信电路 15

3.2.7实时时钟电路 16

3.2.8蜂鸣器驱动电路 17

3.2.9模拟/数字转换器接口电路 18

3.2.10EEPROM的接口电路 19

3.2.11I/O口扩展电路 20

3.3本章小结 20

第4章实验板的软件设计 21

4.1软件总体设计 21

4.2各程序模块的设计 21

4.2.1实验一LED闪烁实验 21

4.2.2实验二LED流水灯实验 22

4.2.3实验三驱动蜂鸣器实验 22

4.2.4实验四单位数码管显示实验 22

4.2.5实验五多位数码管显示实验 22

4.2.6实验六单键控制实验 23

4.2.7实验七矩阵式键盘扫描实验 23

4.2.8实验八LED控制实验 23

4.2.9实验九外部中断实验 23

4.2.10实验十中断查询方式实验 24

4.2.11实验十一外部中断优先级实验 24

4.2.12实验十二秒表实验 24

4.2.13实验十三串口发送实验 24

4.2.14实验十四串口接收实验 25

4.2.15实验十五串口中断实验 25

4.2.16实验十六温度测量实验 25

4.2.17实验十七万年历实验 25

4.2.18实验十八模拟/数字转换器实验 26

4.3本章小结 26

第5章单片机实验板的抗干扰技术 27

5.1单片机系统硬件抗干扰的常用方法 27

5.2硬件抗干扰设计 27

5.2.1EMC器件 27

5.2.2地线设计 28

5.2.3布线设计 28

5.3软件抗干扰设计 29

5.4本章小结 29

结论 30

致谢 31

参考文献 32

附录A系统原理图 33

附录B各实验模块程序 35

附录C英文原文 67

附录D中文翻译 78

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-V-

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-VI-

第1章绪论

1.1课题背景

单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，应用于各种嵌入式系统中。

单片机技术的发展和推广，极大地推动了电子工业的发展，其在教学和产业界的技术推广仍然是当今业界的一个热点。

单片机技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术，掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个基本条件。

但如何在短时间内学会单片机，将单片机技术融会贯通，这是广大的初学者面临的一个挑战。

因此，深知学习单片机的难点在于如何入门，如何将硬件和软件结合起来，真正掌握单片机技术，并能开发一些简单的产品。

在单片机教学中,也常常会碰到学生对I/O口、定时/计数器、中断系统等知识难以理解、消化的问题。

为了解决这一问题,本文以ATMEL公司生产的AT89S52芯片为核心,设计了一个简单的具有自动计时、显示当前温度、流水灯、蜂鸣器播放等功能的实验板。

通过本实验板的开发设计，让学生了解单片机控制系统的编译环境、步骤，能根据具体的控制要求,实现系统硬件电路的绘制和PCB电路板焊接及测试;让学生理论联系实践,理解单片机I/O的功能,掌握定时器工作方式的选择和初始化方法,绘制具体的流程图，编制中断服务子程序和系统源程序。

通过本设计，培养学生进行简单的单片机控制系统软、硬件开发能力。

此实验板以AT89S系列单片机为核心，AT89S系列单片机独具特色、性能卓越，可以适用于各个应用领域的不同需要，因而具有极强的竞争力，应用前景广阔。

今后随着技术的进步，它仍将是科技界、工业界广泛选择应用的8位MCU，仍将是单片机的应用的主流机种。

此51单片机实验板将所有I/O扩展出来，可用于学习实验，开发设计，能够成为单片机初学者很好的一个学习工具，与市面同类产品相比，具有极高的性价比等优点。

1.2单片机实验板现状及发展概述

近几年来，由于超大规模集成电路的出现，微处理器及其周边芯片有了迅速的发展，并将CPU及其外围芯片组合成强大的单片机。

最早微处理器的实验大多使用面包板或万用实验板进行，但因为处理器与其接口集成电路间的连线很多存在数据线、地址线及控制线，接线复杂性高且耗时大，因此，许多改进的实验板应运而生。

目前学校或训练单位中的单片机实验设备以MCS-51系列最为普遍，这些实验设备都各自具有独特的设计理念，现有封闭式硬件结构设备和开放式硬件结构设计两大类。

封闭式硬件结构设计的实验设备。

内部有硬件零线且线路均已连接完成，其优点是学生可不用去官硬件的设计及连线情况，只要依设备所附的程序即可完成试验功能，其缺点是缺少对硬件线路的学习及对硬件元器件的认识；另外，由于硬件电路连接固定，教师的教学设计也受到限制。

开放式硬件结构设计的实验设备。

内部有硬件零件但线路并未连接完成，实验时有学生亲自按图接线。

其优点是设计理念着重于实验前的后缩短真理零件的时间、减少零件库存量及降低损耗量。

其缺点就是由于线路连接需使用特殊连线导线，常会出现特定的连线导线损坏、遗失或学生连线线路时间过长而影响学习成效的问题[1]。

现在市场上比较流行的做51单片机实验用的设备大致有51单片机实验箱、万用板制作的实验板、51单片机实验开发板三大类。

单片机试验箱最大有优点就是功能非常的齐全，例如，深圳硕飞科技有限公司的“ME850单片机开发实验箱”，具有“实验仪、编程器、仿真器、ISP下载线”四功能合一的单片机开发实验系统。

，高性能的仿真功能和ISP下载功能，并集成了USB2.0接口ICE52专业仿真器和编程器，仿真器不占用任何用户资源，支持全系列标准8051芯片仿真。

系统支持目前大多数主流51系列单片机的烧录和实验，ME850内置有丰富的实验硬件资源，可使用户快速掌握单片机原理及其实用接口技术。

试验箱比较时候学校教学使用，对于一些个人学习不管是在价格上面还是体积上面不非常不方便。

现在有一部分单片机的学习者比较喜欢自己用万用板焊接试验开发板，这样做最大的优点是锻炼了焊接能力，并能在很大程度上很好的掌握个实验模块的电路原理图。

既有一定的优越性。

但手工做的东西还是有很大的弊端，如性能很不好、线路容易错误、外表非常不美观、使用寿命不长。

不太适合后期的做实验用。

51实验开发板是现在市场上用于单片机学习最多的实验设备，它具有体积小、价格便宜、使用方便、功能齐全等优点。

鉴于以上实验设备的优缺点，现在实验板的发展着重于全面考核软硬件教与学的实验设备，其特点如下：

1．开放式模块化的硬件结构，体积小、不占用空间，存取容易，扩展性强，教师教学设计受限少。

2．分类模块式设计，实验时使用模块少，减少实验板的占用面积。

3．零件均使用集成固定座固定，维修更方便。

1.3本论文主要研究的内容

本文研究的对象是基于51单片机实验板，包括硬件的设计和实验板实验的设计，主要分为以下几个方面：

1．介绍单片机实验的概况和发展趋势，对论文所设计的课题的背景以及主要工作进行介绍；

2．设计了实验板的硬件电路及PCB板。

硬件电路主要完成LED流水灯、蜂鸣器播放、实时时钟显示、温度显示、键盘控制EEPROM的扩展等。

通过Protel99SE画出硬件电路原理图；

3．实验板实验部分的设计。

根据硬件模块设计实验，写出实验参考源程序清单，包括各模块实验的目的、任务。

第2章实验板总体设计方案

2.1实验板系统功能

单片机实验板是一个实际应用的系统，能够为相关的学生单片机实验提供支持。

此实验板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实现简单的测试实验。

本论文包括硬件系统的详细设计及C语言在基本控制中的应用。

此实验板设计的功能如下：

硬件部分：

1．单片机所需的平稳电压

2．实时时钟电路

3．复位电路

4．矩阵键盘

5．数码管显示器

6．单片机与上位机串行通信电路

7．I/O口扩展电路

8．温度传感器电路

9．LED等显示电路

10.EEPROM的扩展

11.A/D转换器电路图

  软件部分：

1．键盘扫描与处理

2．显示键盘输入数据

3．蜂鸣器播放

4．温度显示处理

5．显示单片机与上位机传送的数据

6．实现单片机与上位机串行通信功能

2.2 实验板的性能要求

  基于实验板的功能定义和各种芯片的性能参数，总结系统基本性能要求如下：

1．各芯片所需的+5V平稳电压

2．AT89S52单片机时钟信号为12MHZ

3．AT89S52单片机手动复位电路

4．显示器件

5．16位行列扫描键盘

6．与上位机串行通信

7．I/O口扩展功能

2.3 实验板的硬件资源说明

实验板所需要的硬件有：

1．试验板采用USB供电:

直接将产品套件附带的USB线与电脑USB口相连，可给实验板供电，使其工作。

2．试验板设有LED灯和数码管连接跳线，用户可以根据需要选择需要的实验连接。

3．复位电路，按键复位，方便程序调试。

4．外扩5V电源接口，方便给外扩电路供电。

5．单片机所有I/O口全部扩展出来，用户可以把自己设计的电路通过I/O口与单片机连接。

6．数码管电路，学习板上设计有6个用于显示的数码管，可供初学者学习数码管的显示，可以用于编写时钟或计数等程序。

7．发光管电路，八只LED发光管，可以用于各种闪烁或指示用途的编程。

8．蜂鸣器电路，学习一下如何设计一个用于提示或报警用的发声电路，并练习一下调整发声频率及发声长短的控制，试着通过编程使蜂鸣器发出美妙的声音。

9．3*3矩阵键盘电路和3个独立按键电路，学习一下键盘的编程及如何设计一个简单的按键电路及简单的键盘菜单。

10．DS18B20温度传感器电路，（初步掌握单片机操作后即可亲自编写程序获知当时周围环境的温度，相当于一个温度计）。

11．DS1302实时时钟芯片，（编程下载后即可实现实时时钟功能，可以实现万年历）。

12．EEPROM的扩展电路。

2.4AT89S52在实验板中的应用

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的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MCS-51指令系统及80C51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，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统供给高性价比的解决方案。

3R5jk6c）Bf26175     AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash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。

51单片机RNoI+B

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不一样产品的需求[16]。

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下图2-1为AT89S52的引脚图。

图2-1AT89S52引脚图

在此整个实验板系统中处于核心地位。

硬件电路板设计中，几乎其它所有的元器件的选取都要依据AT89S52的性能参数来决定。

例如电源电路中基于AT89S52的工作电压为+5V所以稳压芯片选择7805系列。

在软件设计中，AT89S52接收并处理键盘输入的信号，将其发送给显示器件，实现液晶显示功能，或发送给PC机实现串行通信功能。

另一方面，它也接收上位机发送的数据，处理后传送给显示器件。

2.5本章小结

本章主要就实验板的总体设计方案做了一个介绍，对实验板的系统功能做了概括性的解说，并且对实验板系统的性能和硬件资源进行了说明，最后对AT89S52在实验板的应用进行了阐述。

第3章实验板的硬件设计

3.1硬件总体设计

此设计的单片机实验板是以AT89S52作为主控制芯片，串口通信芯片MAX232，数码显示管，按键开关等元器件组成，通过软硬件结合实现键盘扫描，数码管显示，蜂鸣器输出，温度控制，与上位机串行通信,I/O口扩展功能。

一方面，它能作为学生简单实验的工具，另一方面，它也是综合型单片机系统设计的基础,可扩展许多其它功能。

总体设计硬件方案方框图如下3.1所示。

图3-1总体设计硬件方案方框图

外围电路是AT89S52工作的基础保障——电源电路提供稳定的+5V工作电压；时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号；复位电路使单片机实现初始化状态复位。

温度传感器感知信号经过单片机处理，经过数码显示管显示当前的温度，键盘电路用于向系统输入运行参数，控制系统的运行状态。

通过键盘扫描等程序设计把键盘输入的数据在数码显示管上显示或把数据发送到PC机实现串行通信。

LED电路用来显示键盘输入的控制显示，上位机发送到AT89S52的数据，其功能也是靠硬件电路的设计和软件程序的结合来实现的。

EEPROM使单片机系统的设计，特别是调试实验更为方便、灵活。

串行通信电路主要是为了单片机与上位机之间数据传送而设计的。

外围扩展电路可用于自行学习实验，开发设计。

3.2各功能模块设计

3.2.1 单片机外围电路

3.2.1.1时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是指令执行中各信号之间的相互关系。

单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

在AT89S52单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。

在AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。

AT89S52的时钟电路如图3-2所示。

图3-2AT89S52的时钟电路

 用晶振和电容构成谐振电路。

电容C16、C17容量在15～40pF之间，大小与晶振频率和工作电压有关。

但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，为了提高精度，本实验板采用30pF的电容作为微调电容。

在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。

3.2.1.2复位电路

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境也需按复位键以重新启动。

AT89S52芯片内部有复位电路，RST引脚是复位信号的输入端高电平有效，复位方式有自动复位和手动复位两种。

本实验板采用手动复位方式复位。

AT89S52的复位电路如图3-3所示。

图3-3AT89S52的复位电路

当电源刚开始送电瞬间，电容C12相当于短路，RST端输入高电平，AT89S52复位。

短路瞬间之后，C12充电，RST端低电平。

AT89S52需要复位时，按下手动复位键K2，电容C12通过R20放电，当电容C12放电结束后，RST为高电平，AT89S52进入复位状态，松手后，电容C12充电，RST端高电位下降，CPU脱离复位状态。

R7的作用在于限制K1按下瞬间电容C12放电电流，避免产生火花，以保护K2的触点。

当电源送电瞬间和按下K2键时，表明AT89S52进入复位状态，否则复位键操作无效，AT89S52未复位。

3.2.1.3电源电路

电源（Vcc）是整个实验板正常工作的动力源泉。

电源电压过大会大大缩短芯片的工作寿命，严重的会烧毁芯片及其它元器件；过小将不能驱动实验板工作电路。

因此设定合适的电源电压值非常重要。

此实验板主要芯片工作电压均位+5V左右，由于USB的电缆有四根线，两根传送的是5V的电源，另外的两根是数据线，像此功率不大的实验板可以直接通过USB总线供电，而不必外接电源，USB总线最大可以提供5V、500mA电流，并支持节约能源的挂机和唤醒模式。

实验板的USB接口供电电路如图3-4所示。

图3-4实验板的电源电路