基于C51的單片機(jī)學(xué)習(xí)實驗系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于C51的單片機(jī)學(xué)習(xí)實驗系統(tǒng)的設(shè)計（薛小英 物理與電子信息學(xué)院）摘要 介紹了溫州大學(xué)實驗室開放項目之一的“基于C51的學(xué)生課外單片機(jī)學(xué)習(xí)實驗系統(tǒng)”,并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)組成、硬件功能模塊及C語言演示程序. 實踐證明,該實驗板具有降低設(shè)計成本、縮短開發(fā)周期、豐富學(xué)生知識、提高設(shè)計水平等優(yōu)點.關(guān)鍵詞 單片機(jī); 多功能;C51;實驗板前言單片微型計算機(jī)廣泛適用于工業(yè)現(xiàn)場、過程控制、智能儀器儀表及狀態(tài)監(jiān)測等各個方面. 單片微型計算機(jī)原理及接口技術(shù)是機(jī)制機(jī)電及相關(guān)專業(yè)本科生和研究生必須掌握的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課. 多年來由于實驗條件較差等方面的因素,大多數(shù)學(xué)生學(xué)完后仍停留在理論層面上,不能靈活應(yīng)用.而本項目

2、開發(fā)的 C51課外單片機(jī)學(xué)習(xí)實驗板是提高學(xué)生動手能力,與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合,成本低廉的實驗裝置. 系統(tǒng)的設(shè)計立足于教學(xué)大綱,能滿足進(jìn)行教學(xué)中各種實驗的要求. 它采用模塊式結(jié)構(gòu),學(xué)生可根據(jù)自己的需要靈活將這些模塊組成一個系統(tǒng),作為學(xué)習(xí)開發(fā)板使用,增加必要的外圍電路和設(shè)備后,又可作為實際控制板.“單片機(jī)基礎(chǔ)”是一門技術(shù)性，應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，實踐教學(xué)是提高學(xué)生能力的重要保證，是單片機(jī)課程學(xué)習(xí)的重要組成部分。目前在我校單片機(jī)實驗室所用的AEDK5196ET實驗系統(tǒng)雖然外圍芯片豐富，功能完善，但仍然存在很多不足的地方：一、大部分單片機(jī)管腳，內(nèi)部電路連接都被屏蔽，所以學(xué)生雖然可以照著實驗說明完成實驗，但卻無

3、法深刻地理解實驗原理，開發(fā)板也就沒有起到它預(yù)期的作用。二、采用的芯片陳舊，單片機(jī)還是單一的8032MCU加上擴(kuò)展RAM和ROM，而不是正在流行使用的89C5x系列MCU。而這次項目所設(shè)計的單片機(jī)學(xué)習(xí)實驗系統(tǒng)采用完全開放式的設(shè)計，不僅引出所有單片機(jī)I/O口，更提供了詳盡的原理圖，PCB圖和在線調(diào)試工具。正文 整個實驗系統(tǒng)分為兩部分，一是利用目前比較流行的Keil C51仿真軟件進(jìn)行程序的軟件仿真，調(diào)試。二是利用C51單片機(jī)實驗板。實驗系統(tǒng)組成如圖1所示：C51實驗開發(fā)板電 源PC 機(jī)仿真器 圖11 實驗板系統(tǒng)設(shè)計1. 1 總體設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計以MCS251 系列單片機(jī)中的89C51 作為CPU 進(jìn)行

4、系統(tǒng)擴(kuò)展,將數(shù)據(jù)存儲器、I/ O 口擴(kuò)展、串行口通訊、A/ D 與D/ A 轉(zhuǎn)換、繼電器、鍵盤與顯示等多種功能模塊集成于一體. 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)布局如圖2 所示.發(fā) 光 二 極 管CPUI/O擴(kuò)展及復(fù)位電路通 訊 模 塊數(shù) 碼 管 顯 示總線擴(kuò)展譯碼電路繼 電 器D/A模塊A/D模塊 44鍵盤電 源 輸 入 圖21. 2 功能模塊設(shè)計1. 2. 1 地址分配AT89C51的外部各功能模塊采用統(tǒng)一編址的方式,不同的功能模塊間有不同的地址. 系統(tǒng)設(shè)計時綜合考慮多方面的因素,采用譯碼法實現(xiàn)對各擴(kuò)展芯片或功能模塊進(jìn)行地址分配. 系統(tǒng)通過74LS138地址譯碼進(jìn)行總線擴(kuò)展，各模塊口地址分別為： 數(shù)碼管段選地

5、址：0X7FFF 數(shù)碼管位選地址：0X9FFF ADC0809片選地址：0XBFFF DAC0832片選地址：0XDFFF1. 2. 2 人機(jī)界面接口功能模塊設(shè)計作為單片機(jī)實驗電路板,具有良好的人機(jī)操作界面非常重要. 鍵盤和顯示的擴(kuò)展以及對其進(jìn)行操作的功能程序設(shè)計,直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性和可操作性.系統(tǒng)鍵盤采用行列矩陣式結(jié)構(gòu),共設(shè)計有16 個鍵,基本滿足一般的實驗和工程應(yīng)用. 顯示器件選用4個8 段L ED。系統(tǒng)局部電路如圖3所示. 圖3 顯示在按鍵需求較多的場合,獨立式按鍵由于占用較多的I/O口,難以滿足設(shè)計要求.利用矩陣式鍵盤,能夠用較少的端口實現(xiàn)較多的按鍵.由于采用矩陣式結(jié)構(gòu),一根I

6、/O口線已經(jīng)不能確定哪一個按鍵被按下,需要通過連接到鍵上的兩根I/O口線的狀態(tài)共同確定鍵的狀態(tài),因此必須采用行線與列線信號狀態(tài)分別處理,綜合考慮才能判斷鍵閉合的位置.在設(shè)計鍵盤輸入程序時有以下幾個關(guān)鍵點需要注意：（1） 判斷鍵盤上是否有鍵閉合即采用程序控制方式、定時控制方式對鍵盤進(jìn)行掃描，或采取中斷方式接受鍵盤的中斷信號，判斷是否有鍵閉合。（2） 去除鍵的機(jī)械抖動為保證正確識別鍵，需要進(jìn)行去抖動處理。其方法是得知鍵盤上有鍵閉合后延遲一段時間，再判別鍵盤的狀態(tài)，若仍有鍵閉合，則認(rèn)為鍵盤上有一個鍵處于穩(wěn)定的閉合期，否則認(rèn)為是鍵的抖動或者干擾。（3） 確定閉合鍵的物理位置對于獨立式按鍵來說，采取逐條

7、I/O端口線查詢方式確定被按鍵的物理位置；對于鍵陣來說，需要采取掃描方式來確定被按鍵的物理位置。（4） 得到閉合鍵的編號在得到閉合鍵的物理位置后，根據(jù)給定的按鍵編號規(guī)律，計算出閉合鍵的鍵值。（5） 確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理為實現(xiàn)這一功能，可以采用等待閉合鍵釋放以后再處理的方法。 圖4 鍵盤1. 2. 3 A/ D 和D/ A 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計A/ D 和D/ A轉(zhuǎn)換是過程控制、實時監(jiān)控系統(tǒng)中重要的組成部分.A/ D 轉(zhuǎn)換芯片選用逼近式A/ D 轉(zhuǎn)換器ADC0809 ,共設(shè)計有8 路轉(zhuǎn)換通道;D/ A 轉(zhuǎn)換接口電路則選用學(xué)生熟悉的8 位D/ A 轉(zhuǎn)換芯片DAC0832 ,采用單緩沖方式來

8、實現(xiàn),可實現(xiàn)對電流或電壓連續(xù)控制,也可方便產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波等信號。ADC0809是8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝，可實現(xiàn)8路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為100us左右。它的功能特點如下：分辨率為8位最大不可調(diào)誤差小于1LSB。單一5V供電，模擬輸入范圍為0-5V。具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)?？涉i存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。功耗為15mV。不必進(jìn)行零點和滿度調(diào)整。轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率。時鐘頻率范圍10kHz-1280kHz,當(dāng)CLK=500Hz時，轉(zhuǎn)換速度為128us。實驗電路如圖5所示。 圖5IN0-I

9、N7為8路模擬輸入端，ADDA、ADDB、ADDC控制8個通道的選擇，輸出接發(fā)光二極管。EOC為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，可作為轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請求信號?？刹捎貌樵兎椒ê椭袛喾椒ㄅ袛郃/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。DAC0832是一個8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，單電源供電，從+5V-+15V均可正常工作，基準(zhǔn)電壓范圍為10V，電流建立時間為1us，CMOS工藝，低功耗20mW，20引腳雙列直插式封裝。DAC0832輸出是電流型的，但實際應(yīng)用中往往需要電壓輸出信號，所以電路中采用運(yùn)算放大器來實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換為電壓。實驗電路如圖6所示。 圖6此電路中，Xfer和WR2直接接地，WR1和89C52的WR相連，這樣8位DAC寄存器始終

10、處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)CS選通8位數(shù)據(jù)輸入積存器時，直接通過8位DAC積存器，并由D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，這樣的接法為單緩沖方式。（也可采用直通方式或雙緩沖同步方式實現(xiàn)）1. 2. 5 通訊模塊設(shè)計通訊接口是單片機(jī)與計算機(jī)和其它智能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換不可少的功能模塊,也是集散控制系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)的必要途徑,因此系統(tǒng)設(shè)計有多種通訊方式供用戶選擇. RS232 接口電路滿足近距離與計算機(jī)及其它智能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;RS485 接口電路則滿足較遠(yuǎn)距離的集散控制系統(tǒng)用戶. 系統(tǒng)采用RS232接口進(jìn)行通訊. 其接口電路如圖7 所示. 圖71. 2. 6 I/ O 接口電路及其它功能模塊為方便學(xué)生使用,系統(tǒng)特設(shè)計

11、有蜂鳴器報警、繼電器輸出、通用I/ O 口等電路模塊. 系統(tǒng)時鐘、復(fù)位電路及EPROM 等輔助電路與擴(kuò)展電路也都全固化在系統(tǒng)中,最大限度滿足不同用戶的需要.2 實驗板演示程序開發(fā)針對學(xué)生實際編程能力不足,往往因一個簡單的程序調(diào)試不出而降低對課程學(xué)習(xí)的興趣的問題,特編寫了部分演示程序,供學(xué)生或單片機(jī)愛好者學(xué)習(xí). 程序結(jié)構(gòu)如圖8 所示1、檢測按鍵值，并在數(shù)碼管上顯示。程序流程圖如下:開 始延時20ms左右調(diào)用按鍵掃描子程序按鍵散轉(zhuǎn),處理程序返回 否是否有鍵按下? 是否有鍵按下? 圖83 結(jié)語本系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲器、I/ O口的擴(kuò)展,能進(jìn)行A/ D 與D/ A 轉(zhuǎn)換、鍵盤與顯示及串行口通訊等接口實驗. 學(xué)生如適當(dāng)增加局部電路,可作為實際控制板使用.學(xué)生進(jìn)行原理設(shè)計后可很快在該實驗板上進(jìn)行軟件開發(fā)與調(diào)試,徹底改變了原來通過面包板或自己焊接“飛線”的原始方式,減少了誤焊、漏焊的可能性,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性,大大提高了學(xué)生自己設(shè)計和制作控制系統(tǒng)的成功率.參考文獻(xiàn)1 陳小忠 黃寧