單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告

單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告PAGE1PAGE4摘要近年來隨著計算機在社會領(lǐng)域的滲透,單片機的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。本次課程設(shè)計包括STC89C51單片機最小系統(tǒng)（包括復(fù)位和時鐘電路）還有蜂鳴器電路、LED電路和RS232串口電路以及用于擴展功能的四排與I/O端口相連的插孔。利用Protel電路設(shè)計軟件進行原理圖設(shè)計，PCB布線，借此鞏固單片機應(yīng)用、模擬電路、數(shù)字電路課程及學(xué)會工程軟件protel的使用。關(guān)鍵詞：最小系統(tǒng)，I/O端口，STC89C51,PCB單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第1頁。

Abstract單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第1頁。Recentyears,withthepenetrationofcomputersinthesocialsphere,SCMapplicationsareconstantlydeepening,whiledrivingtraditionalcontroldetectstherapidlygrowingupdated.Inthereal-timedetectionandautomaticcontrolofmicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenusedasacorecomponent,onlythemicrocontrollerknowledgeisnotenough,shouldbebasedonthespecifichardwarearchitecture,aswellasapplication-specificsoftwarefeaturesobjectcombinetomakeperfect.ThecurriculumincludestheSCMSTC89C51minimumsystem(includingresetandclockcircuit)andthebuzzercircuit,eightdigitaltubedisplaycircuit,RS232serialportcircuitry,andusedtoextendthefunctionalityofthefourrowswiththeI/Oportsareconnectedjack.Protelcircuitdesignsoftwarefortheuseofschematicdesign,PCBlayout,therebyconsolidatingmicrocontrollerapplications,analogcircuits,digitalcircuitscoursesandlearntouseengineeringsoftwareProtel.Keyword：minimumsystem,I/OPort,STC89C51,PCB單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第2頁。

1．單片機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第2頁。1.1單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個基本的MCS-51單片機通常包括：中央處理器、ROM、RAM、定時/計數(shù)器和I/O口等各功能部件，各個功能由內(nèi)部的總線連接起來，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其內(nèi)部框圖如圖1.1所示。圖1.1MS51單片機結(jié)構(gòu)圖1.2單片機圖1.1MS51單片機結(jié)構(gòu)圖單片機最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。最小系統(tǒng)原理圖如圖1.2所示。圖圖1.2單片機最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖STC89C51STC89C51電源模塊復(fù)位電路振蕩電路蜂鳴器電路按鍵電路LED顯示電路RS232串口電路圖圖1.2單片機最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第3頁。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第3頁。2單片機的引腳功能常見的51單片機中一般采用雙列直插（DIP）封裝，共40個引腳。圖3.2為引腳排列圖。其中的40個引腳大致可以分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。STC89C51STC89C51圖2.1STC89C51引腳排列圖2.1.時鐘電路在設(shè)計時鐘電路之前，讓我們先了解下51單片機上的時鐘管腳：XTAL1和XTAL2是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅(qū)動。圖2.1中采用的是內(nèi)時鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2～12MHz之間任選，甚至可以達到24MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實驗套件中采用的11.0592M的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時，電容可以在20～40pF之間選擇（本實驗套件使用30pF）；當(dāng)采用陶瓷諧振器件時，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?0～50pF之間。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第4頁。另外值得一提的是如果讀者自己在設(shè)計單片機系統(tǒng)的印刷電路板（PCB）時，晶體和電容應(yīng)盡可能與單片機芯片靠近，以減少引線的寄生電容，保證振蕩器可靠工作。檢測晶振是否起振的方法可以用示波器可以觀察到XTAL2輸出的十分漂亮的正弦波，也可以使用萬用表測量（把擋位打到直流擋，這個時候測得的是有效值）XTAL2和地之間的電壓時，可以看到2V左右一點的電壓。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第4頁。2.2.復(fù)位電路在單片機系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運行不正常）或死機（停止運行）時，就需要進行復(fù)位。MCS-5l系列單片機的復(fù)位引腳RST（第9管腳）出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。圖中所示的復(fù)位電路就包括了這兩種復(fù)位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時電容的負極和RESET相連，電壓全部加在了電阻上，RESET的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒有被按下的時候電路實現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達到手動復(fù)位的效果。一般來說，只要RST管腳上保持10ms以上的高電平，就能使單片機有效的復(fù)位。圖中所示的復(fù)位電阻和電容為經(jīng)典值，實際制作是可以用同一數(shù)量級的電阻和電容代替，讀者也可自行計算RC充電時間或在工作環(huán)境實際測量，以確保單片機的復(fù)位電路可靠。2.3.EA/VPP（31腳）的功能和接法51單片機的EA/VPP（31腳）是內(nèi)部和外部程序存儲器的選擇管腳。當(dāng)EA保持高電平時，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器；當(dāng)EA保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存儲器，只訪問外部存儲器。對于現(xiàn)今的絕大部分單片機來說，其內(nèi)部的程序存儲器（一般為flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內(nèi)部的存儲器。在本實驗套件中，EA管腳接到了VCC上，只使用內(nèi)部的程序存儲器。這一點一定要注意，很多初學(xué)者常常將EA管腳懸空，從而導(dǎo)致程序執(zhí)行不正常。2.4.P0口外接上拉電阻單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第5頁。51單片機的P0端口為開漏輸出，內(nèi)部無上拉電阻（見圖3）。所以在當(dāng)做普通I/O輸出數(shù)據(jù)時，由于V2截止，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號（即高電平）正常輸出，必須外接上拉電阻。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第5頁。另外，避免輸入時讀取數(shù)據(jù)出錯，也需外接上拉電阻。在這里簡要的說下其原因：在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來的信號一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出低電平后，鎖存器Q＝0，Q＝1，場效應(yīng)管V1開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時無論端口線上外接的信號是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。又如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器Q＝1,Q＝0,場效應(yīng)管V1截止。如外接引腳信號為低電平，從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。所以當(dāng)P0口作為通用I/O接口輸入使用時，在輸入數(shù)據(jù)前，應(yīng)先向P0口寫“1”，此時鎖存器的Q端為“0”，使輸出級的兩個場效應(yīng)管V1、V2均截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，才可作高阻輸入?？偨Y(jié)來說：為了能使P0口在輸出時能驅(qū)動NMOS電路和避免輸入時讀取數(shù)據(jù)出錯，需外接上拉電阻。在本實驗套件中采用的是外加一個10K排阻。此外，51單片機在對端口P0—P3的輸入操作上，為避免讀錯，應(yīng)先向電路中的鎖存器寫入“1”，使場效應(yīng)管截止，以避免鎖存器為“0”狀態(tài)時對引腳讀入的干擾。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第6頁。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第6頁。單片機最小系統(tǒng)3.1.1電源供電模塊圖3.1.1電源USB供電模塊電路圖對于一個完整的電子設(shè)計來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎(chǔ)。51單片機雖然使用時間最早、應(yīng)用范圍最廣，但是在實際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機，51單片機更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個重要手段就是為單片機系統(tǒng)配置一個穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計算機的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。電源電路中接入了電源指示LED，圖中R3為LED的限流電阻。K2為電源開關(guān)。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第7頁。3.1.2復(fù)位電路單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第7頁。圖3.1.2復(fù)位電路圖單片機的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值。單片機復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩個機器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計算出時間常數(shù)。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。（1）上電復(fù)位：STC89系列單片及為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳RST上連接一個電容到VCC，再連接一個電阻到GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進行復(fù)位，隨后回歸到低電平進入正常工作狀態(tài)，這個電阻和電容的典型值為10K和10uF。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第8頁。（2）按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復(fù)位。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第8頁。3.1.3振蕩電路圖3.1.3振蕩電路圖單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。STC89C51使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第9頁。3.1.4系統(tǒng)串行通信電路單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第9頁。圖3.1.4串行通信電路圖RS232串口電路使用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片，可以通過串口電纜連接到計算機背后的COM口，用于單片機與上位機通信以及和其他串口設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動器的芯片，它的內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入+5V的電壓變換成RS-232輸出電平所需的+10V電壓。MAX232芯片引腳結(jié)構(gòu)如圖3.1.5所示。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第10頁。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第10頁。圖3.1.5MAX232芯片引腳結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)傳輸過程：MAX232的11腳T1IN接單片機的TXD端P3.1，TTLdiaper從單片機的TXD端發(fā)出，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換為RS232電平后從MAX232的14腳T1OUT發(fā)出，再經(jīng)過交叉串口線連接到計算機RXD端，計算機手段數(shù)據(jù)。PC機發(fā)送數(shù)據(jù)時從PC機串口的TXD端發(fā)出數(shù)據(jù)，再逆向流向單片機的RXD端P3.0接收數(shù)據(jù)。3.1.6串口接口DB9的引腳圖圖3.1.6串口接口DB9的引腳圖單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第11頁。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第11頁。4USB轉(zhuǎn)TTL電路4.1USB轉(zhuǎn)TTL電路介紹圖4.1.1USB轉(zhuǎn)TTL電路圖圖4.1.1為USB下載器的電路圖，它能直接將程序代碼轉(zhuǎn)換成單片機所需的TTL電平，并通過單片機的RXD和TXD對單片機進行通信、下載程序等。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第12頁。在沒有串口的情況下，可以使用圖4.1.1中所示的USB轉(zhuǎn)TTL電路對單片機進行程序下載，如圖所示，此電路的轉(zhuǎn)換芯片使用的是PL2303的芯片，只要在計算機中安裝好對應(yīng)的驅(qū)動程序，就可以直接通過USB接口進行下載。圖4.1.2為PL2303的引腳分布圖。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第12頁。圖4.1.2PL2303的引腳分布圖引腳名稱及作用：TXD：數(shù)據(jù)輸出到串口；DTR_N：數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，低電平有效；RST_N：輸出發(fā)送請求，低電平有效；VDD_232：電源RS-232供電電源，RS-232輸出信號（PIN1~PIN3）為5V電平，可以在3V和3.3V電源下操作，VDD_232必須與RS-232接口使用同一電源（RS-232輸入電平應(yīng)在3~5之間）；RXD：串口數(shù)據(jù)輸入；RI_N：振鈴指示，低電平有效；GND：電源地；VDD：電源正端；DSR_N：數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備好，低電平有效；DCD_N：數(shù)據(jù)傳送檢測，低電平有效；CTS_N：清除發(fā)送，低電平有效；SHTD_N：關(guān)閉RS-232收發(fā)器；EE_CLK：在復(fù)位期間這個引腳用于仿真，在正常操作期間，這個腳單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第13頁。是串行ROM的時鐘；單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第13頁。EE_DATA：串行ROM數(shù)據(jù)信號；DP：USBDPLUS信號；DM：USBDMINUS信號；VDD_3V3：USB收發(fā)器3.3V電源；GND_3V3：電源地；RESET：系統(tǒng)復(fù)位；VDD：電源正端；GND：電源地；TRI_STATE：端口狀態(tài)，此引腳在復(fù)位后被采樣，當(dāng)為高電平時，RS-232輸出在休眠期間停止工作，當(dāng)為低電平時，RS-232輸出tri-state在休眠期間；LD_MD/SHTD：負載設(shè)置/掉電指示.此引腳在復(fù)位期間為輸入采樣，用220K上拉電阻用于指示重型USB設(shè)備（500mA），220K電阻接地指示輕型負載，復(fù)位后，此引腳變成輸出，輸出負的SHTD_N信號；VDD_PLL：PLL電源供應(yīng)5V；GND_PLL：PLL電源地；PLL_TEST：PLL測試模式設(shè)置；OSC1：震蕩器輸入；OSC2：震蕩器輸出。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第14頁。單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第14頁。5單片機最小系統(tǒng)擴展部分5.1.1LED電路圖5.1.1LED電路圖圖5.1.1中主要元件有470的排阻、LED、。470的排阻為每個LED的限流電阻。此最小系統(tǒng)提供了8個獨立LED，由P0口控制，采用共陽級接法所以只有當(dāng)P0口輸出低電平時LED才會點亮。時間間隔為1000ms的循環(huán)左移流水燈參考程序。#include<reg52.h>#include<intrins.h>unsignedchara,b,k,j,x;voiddelayms(uintx){for(a=x;a>0;a--)for(b=110;b>0;b--);}voidmain(){k=0xfe;while(1){單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第15頁。P0=k;單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第15頁。delayms(1000);j=_crol_(k,1);k=j;P0=j;}}5.1.2蜂鳴器電路圖51.2蜂鳴器電路圖圖5.1.2中蜂鳴器使用的是PNP三極管進行驅(qū)動控制的，此蜂鳴器為電磁式有源蜂鳴器。三極管的集電極通過蜂鳴器接5V電源，基極是控制端，發(fā)射極接地，當(dāng)單片機的P3.7輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲。蜂鳴器為感性原件，也可以在兩端并接一個二極管來起到泄放作用?？刂品澍Q器發(fā)出滴滴聲的參考程序。#include<reg52.h>unsignedchara,b;sbitbeep=P3^7;voiddelayms(uintx){單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第16頁。for(a=x;a>0;a--)單片機最小系統(tǒng)(詳解)設(shè)計報告全文共19頁，當(dāng)前為第16頁。for(b=110;b>0;b--);}void