stc89c51单片机实验开发板系统设计—维修电工技师论文.doc
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1、国家职业资格全国统一鉴定维修电工技师论文(国家职业资格二级)论文题目: STC89C51单片机实验开发板系统STC89C51单片机实验开发板系统姓名:吕星明单位:无锡技师学院摘 要基于51单片机的综合开发系统,目前国外的产品,主要是51厂家配套提供的学习开发系统,价格偏高,技术也基本处于保密状态,深层次学习和利用比较困难,特别是全球领先的单片机和模拟半导体供应商不断向高端推出他的一系列新产品,为汽车、工业产品、家电和消费类应用提供更高的能效、更低的噪音和更广泛的使用范围,这些技术已相对成熟。国内正处于发展阶段,大多数人学习的主要对象还都是MCU-51系列单片机,51单片机开发系统相对较少,也只
2、是与汇编语言配套,要达到普及和提高开发应用速度,必须采用C语言,而C语言配套程序又非常少并不完善,不适合学生与大众人群学习和利用。关键词 51单片机开发板 学习开发系统第1章 绪 论1.1 单片机的发展现状单片机属于第四代微型计算机的一个重要分支。单片机是把中央处理器CPU(Central Processing Unit),随机存取存储器RAM(Random Access Memory),只读存储器ROM(Read Only Memory),定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机的应用导致了控制领域的一场革命,是微控制技术逐步取代传统的硬件控
3、制。近十几年来,单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点,因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来,单片机的发展更为迅速,己经渗透到诸多学科的领域,以及人们生活的各个方面。在嵌入式系统低端的单片机领域,从8位单片机诞生至今,已近30年,在百花齐放的单片机家族中,80C51系列一直扮演着一个独特的角色。Silabs推出89C51更令业界人士刮目相看。回顾历史,在STC公司推出了MCS-51不久便实施了最彻底的技术开放政策,在众
4、多电器商、半导体商的积极参与下,将MCS-51发展成了众多型号系列的80C51 MCU家族。MCS-51经典的体系结构、极好的兼容性和STC公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展,也诱使半导体厂家对MCS-51实行为所欲为的改造。由于MCS-51提供的最佳兼容性,使MCS-51在被肢解式改造后,还能以不变的指令系统、基本单元的兼容性保持着8051内核的生命延续,并在未来SoC发展中,担任8位CPU内核的重任。回顾80C51系列从MCS-51、80C51到89C51的过程,我们可以深刻领会到单片机发展的一些规律性东西。早期单片机都是用1个时钟控制片内所有时序。进入CMOS时代后,由于低功耗设计的要
5、求,出现了在一个主时钟下CPU运行速度可选择在不同的时钟频率下操作;或设置成高、低两个主时钟,按系统操作要求选择合适的时钟速度,或关闭时钟。而Silabs公司的89C51则提供了一个完整而先进的时钟系统,在这个系统中,片内设置有一个可编程的时钟振荡器(无需外部器件),可提供2、4、8和16 MHz时钟的编程设定。外部振荡器可选择4种方式。当程序运行时,可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出CYSCLK除供片内使用外,还可从随意选择的I/O端口输出。1.2 实验开发板的现状与发展及使用对象51单片机技术自发展以来已走过了近20年的发展路程 。单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规
6、模集成电路技术的发展为先导,以广泛的应用领域拉动,表现出较微处理器更具个性的发展趋势。小到遥电子玩具,大到航空航天技术等电子行业都有单片机应用的影子。针对51单片机技术在电子行业自动化方面的重要应用,为满足广大学生、爱好者、产品开发者迅速学会掌握单片机这门技术,于是产生51单片机开发板。实践表时,8位的单片机仍然占据着市场百分之八十的份量。单片机开发板是适合目前想要学习单片机技术的人士,这些人士大致可以分成三类:一类是在校的电子专业学生,为了完成一些科技项目或者是把学校学到的知识转化成实际的电子作品,为以后的技术开发及工作求职创造更好的条件,这类学生需要的就是实践经验了。一类是业余的电子爱好者
7、,想通过自学单片机来提高自己的电子技术水平,以后能够运用到自己熟悉的领域中有所作为,这类学员的动手能力一般比较好,但是理论知识一般欠缺一些。最后一类人就是有一定的理论和较少的开发经验者。这类时需要丰富自己的开发经验,并与现实生活中实际用例相接合。1.3 STC89C51 在实验板中的应用STC89C51是STC公司生产的低电压,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 4KB 的可反 复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128b 的随机存取数据存储器(RAM) ,器件采用 STC公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准 MCS51 指令系统,片内置通用中央处 理器(CPU)和 Flash
8、 存储单元,功能强大 STC89C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。 STC89C51 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 STC89C51 的性能参数来决定。 例如电源电路中基于 STC89C51 的工作电压 为+5V 所以稳压芯片选择 7805 系列。 在软件设计中,STC89C51 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 。1.4 课题的背景与意义MCS-51单片机的运行速度快
9、,工作电压低,功耗低,抗干扰能力强,被广泛应用于办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制等不同领域,特别是近几年应用更加广泛,各公司兼采用此芯片开发应用类产品。而目前市场上的学习套件一般功能不全,配套的软件系统都是汇编语言,还没有一个比较完善的51开发板供学习和研究。鉴于此,本设计设计了一个可供学习与开发系统于一体的51单片机的综合开发系统。第2章 开发板的总体设计2.1 开发板系统功能单片机开发板是一个实际应用的系统,能够为相关的单片机实验提供支持。此开发板是参考单片机教材中的实验内容设计的,能够实现一些测试实验。本论文包括硬件系统的详细设计及C语言
10、程序流程图的制作。此开发板设计的功能如下:(1)DS18B20数字温度传感器。(2)烧录HEX文件。(3)动态数码管显示。(4)八位独立键盘。(5)1602LCD。(6) DS1302时钟芯片。(7) ADC0809模/数转换。(8) DAC0832数/模转换。(9) 4*4矩阵键盘。2.2 开发板的性能要求基于开发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)STC89C51单片机时钟信号为12MHz。(3)STC89C51单片机手动复位电路。(4)显示器件(1602、8位一体数码管)。(5)8位独立键盘,4*4矩阵键盘。(6)与PC机串
11、行通信。2.3硬件总体设计本人设计的单片机开发板是以STC89C51作为主控制芯片,串口通信芯片MAX232、液晶显示器、按键开关、DS18B20等元器件组成,通过软硬件结合实现键盘扫描,液晶显示,与PC机串行通信功能等。一方面,它能作为学生实验的工具,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。外围电路是STC89C51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。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液晶显示器上显示或把数据发送到PC机实
12、现串行通信。LCD电路用来显示键盘输入的数据,PC机发送到STC89C51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。串行通信电路主要是为了单片机与PC机之间数据传送而设计的,DS18B20电路是把温度模拟信号转换成数字温度信号的电路。此开发板中采用电平转换芯片MAX232与9芯D插座连接方式。STC89C51器件集成了一个完整的全速/低速USB功能控制器,用于实现USB外部设备(STC89C51不能被用作USB主设备)。图21最小系统图 第3章 开发板的模块电路设计3.1 STC89C51单片机STC89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS的8位微处
13、理器,俗称单片机。STC89C51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STC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,STC的STC89C51是一种高效微控制器。STC89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚排列所示图3-1所示。图3-1 单片机引脚图由于电路原理中只用到单片机的P0、P1、P2、P3口,所示下面对这4个端口进行详细介绍。P0口:P00P07统称为P0口,在不接片外存储器与不扩展I/O
14、接口时,作为准双向输入/输出接口。在接有片外存储器或扩展I/O接口时,P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。P0口是一个三态双向口,由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、输出驱动电路和输出控制电路组成。在输入数据时,应人为地先向P0口写“1”,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/地址的低八位。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:P10P17统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4LSTTL门电流。P1口管脚
15、写入“1”后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。P2口:P20 P27口统称为P2口,一般可以作为准双向I/O接口使用,在接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256字节时,P2口用作高8位地址总线。P2口为一个内部上拉电阻的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,其管脚被内部上拉电阻拉高,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。这是由于内部上拉的缘故。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
16、用内部上拉优势,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内容。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口除作为通用I/O口外,还有第二种功能。P3口的第二种功能定义如下表:P3.0 RXD串行数据输入口P3.1 TXD串行数据输出口P3.2 INT0外部中断0P3.3 INT1外部中断1P3.4 T0定时器/计数器0外部输入P3.5 T1定时器/计数器1外部输入P3.6 WR外部数据存储器写脉冲P3.7 RD外部数据存储器读脉冲 3.2 单片机外围电路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
17、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。 在本次设计中,时钟电路设计就是采用内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。STC89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2是高增益反相放大器的输入端和输出端。这个高增益反相放大器将与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体振荡器以及电容C1和C4构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中,对外接电容的值虽然没有严格的要求,但是电容的大小会影响起振的快速和温度的稳定性、振荡器的稳定性、振荡器频率的高低。因此,
18、此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值约为22pF。在焊接刷电路板时,我们应注意晶体振荡器和电容尽可能安装的与单片机芯片靠近些,用以减少寄生电容,为了更好地保证振荡器可靠地工作和稳定行,其电路图如图3-2所示。图3-2 时钟电路用晶振和电容构成谐振电路。电容 C1 、C4 容量在 1540pF 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 22pF 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。 2复位电路 复位是单片机的初始化
19、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。STC89C51 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。 计算机在启动运行时都需要复位,复位时使中央处理器CPU和内部其他部件处于一个确定的初始状态,从这个状态开始工作。STC89C51单片机有一个复位引脚RST,高电平有效。在时钟电路工作以后,当外部电路使得RST端出现两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平,系统内部复位。复位有两种方式:上电复位和按钮复
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