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项目 4 、单片机实验板制作

项目 4 、单片机实验板制作. 教学内容. 任务 1 ：单片机的应用及功能介绍 任务 2 ：单片机实验板的设计 任务 3 ：单片机实验板的焊接及调试. 任务 1 ：单片机的应用及功能介绍. 一、单片机的概念. 1 、微型计算机. 由 CPU 、存储器、定时 / 计数器、并行输入 / 输出接口电路、中断控制器等大规模 IC 芯片安置在一个电路板上，加上键盘、显示器等构成了微型计算机的硬件部分。. 2 、单片机. 将微型计算机系统所用的大多数 IC 芯片集成到一个芯片中。可以认为，单片机就是将微型计算机的 CPU 、存储器、 I/O 端口、中断控制器等全部做在一个芯片中去。.

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项目 4 、单片机实验板制作

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  1. 项目4、单片机实验板制作

  2. 教学内容 任务1：单片机的应用及功能介绍 任务2：单片机实验板的设计 任务3：单片机实验板的焊接及调试

  3. 任务1：单片机的应用及功能介绍

  4. 一、单片机的概念 1、微型计算机 • 由CPU、存储器、定时/计数器、并行输入/输出接口电路、中断控制器等大规模IC芯片安置在一个电路板上，加上键盘、显示器等构成了微型计算机的硬件部分。

  5. 2、单片机 • 将微型计算机系统所用的大多数IC芯片集成到一个芯片中。可以认为，单片机就是将微型计算机的CPU、存储器、I/O端口、中断控制器等全部做在一个芯片中去。

  6. 3、微型机与单片机在硬件结构上比较 微型计算机 单片机 CPU 数据RAM 程序ROM 中断控制器 MCS-51单片机 系统总线（DB、AB、CB） 并行I/O 串型端口 定时/计数器 扩展I/O端口 所有单元都组装 在一个IC芯片上 微型计算机的组成框图 （由多个IC芯片组装在一个主电路板上）

  7. 4、单片机的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统；录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

  8. 二、MCS-51系列单片机介绍 1、MCS-51系列芯片

  9. 2、 MCS-51单片机内部方框图 时钟电路 4KROM 程序存储器 256BRAM 数据存储器 2X16位 定时/计数器 CPU 处理器 64KB总线 扩展控制器 可编程I/O 端口P0-3 可编程 串行口

  10. 3、51单片机的性能和特点 • 内部程序存储器ROM( 以89C51为例 )：4K的存储容量； • 内部数据存储器RAM：256B(128B的RAM+21B的SFR) ； • 寄存器区：设有4个寄存器区，每一个区有R0-R7八个工作寄存器； • 8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3； • 定时/计数器：2个16位的定时/计数器； • 串型口：全双工的端口（RXD：接收端，TXD发送端）； • 中断系统：设有5个中断源； • 系统扩展能力：可外接64K的 ROM 和64K的 RAM；

  11. 三、51单片机的引脚功能

  12. 1、MCS-51单片机的引脚定义 • 主电源引脚 :Vcc(+5V--- 40脚)和Vss(GND 20脚); • 外接晶体引脚：XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚），只要在这两脚之间接入一个晶体震荡器，单片机就可以以此晶体的频率开始工作。常用的晶体频率有0-24M，频率越高，单片机的工作速度就越快，但单片机的功耗就要增加。 • 控制或与电源复用引脚：RST/Vpd、ALE/PROG、PSEN和Vdd • RST/Vpd（9脚）：在系统上电震荡器开始工作时， 在内部加在此引脚上有一个两个时钟周期的高电平使单片机复位。但为了使系统复位可靠，建议外加 一个上电复位电路，延长复位的时间。当单片机掉点时，此引脚可以接入备用电源向单片机内部的RAM供电，以防止RAM中的数据丢失。

  13. ALE/PROG（30脚）：以一个不变的频率（系统时钟 fosc/6 )周期性输出正脉。 当单片机使用外部存储器时，此信号可作为低八位地址的锁存信号。 对于EPROM型的单片机,此脚还是用于写程序时，输入编程脉冲。 • PSEN（29脚）：外部程序程序存储器的选通信号。当单片机使用外部程序存储器时，此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲。注意，访问外部数据存储器时，此信号无效。 • EA / Vpd （31脚）：外部程序存储器的选择端控制端：当此脚加入“1”电平是，单片机使用内部的程序存储器；当EA加入低电平时，系统只使用外部的程序存储器。 但要特别注意：如果EA=1既使用单片机内部的程序存储器时，如果程序计数器PC的值超过0FFFH时，单片机将自动转向外部程序存储器1000H开始的单元。 对于EPROM型的单片机，此脚还是用于写程序时，加入21伏的编程电压。

  14. 并行输入输出端口引脚（P0-P3） • P0.0 - P0.7 P0端口线(39-32脚)：输出能力最强的端口，可以带动8个TTL负载。驱动一个MOS负载时，应接一个10K左右的上拉电阻。如果系统使用外接存储器时，该口还作为地址（低八位）总线和数据总线，注意在这种情况下，P0口就不能通用的I/O端口。 • P1.0 - P1.7 P1端口线(1 – 8脚)：负载能力为4个TTL负载。 • P2.0 – P2.7 P2端口线(21 – 28脚)：通用I/O端口。 • 除了做通用I/O端口外，当系统使用外接存储器时，该口还作为地址（高八位）总线，在这种情况下，P0口就不能通用的I/O端口。负载能力为4个TTL。

  15. P3.0 – P3.7 P3端口线 （10 – 17脚）： P3口除了做通用的I/O端口外，同时它还有第二功能），负载能力为4个TTL。 P3口第二功能表

  16. 四、51单片机存储器的配置特点 • 在MCS-51单片机的内部集成了4K的程序存储器和256B的数据存储器，同时还可以使用片外的程序存储器和数据存储器，其扩展能力都是64K。 • 从物理结构的角度讲，51单片机的存储系统可以分为四个存储空间：既片内ROM，RAM和片外ROM、RAM。 • 从逻辑上讲（既用户编程的角度讲）51单片机的存储系统又可分为三个存储空间。既片内RAM，片外RAM和片内、外的程序存储器ROM。

  17. 五、片内RAM低 128B 字节功能分配图 7FH 便笺区 通用的RAM区 地址：30H-7FH 30H 2FH 位寻址区 16个单元20H-2FH， 共有128 可寻址位个位。 位地址：00H-7FH 注意：位地址与字节地址的区别 位寻址区 20H 1FH 3区 18H 17H 四个工作寄存器区 每个区中有R0-R7 八个工作寄存器 2区 10H 0FH 1区 08H 07H 00H 0区 返回上一次 继续

  18. 六、51单片机的I/O端口结构 • 对单片机的控制，其实就是对I/O口的控制。51单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个I/O端口都能作输入输出口用，其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问。 • 51系列单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0～P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口笼统地表示为P0～P3。 • 在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。

  19. Vcc Vcc 读锁存器 控制(=0时) 地址/数据 1/0 内部总线 P0.x 引脚 D Q 锁存器 CL /Q 写锁存器 MUX (控制=0时) 读引脚 1、P0口的位结构图 下图为P0口的某位P0.n(n=0~7)结构图，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。从图中可以看出，P0口既可以作为I/O用，也可以作为地址/数据线用。

  20. P0口特点: • 做通用数据I/O端口时,输出级上端的FET处于截止状态,所以与MOS器件连接时,必须接“上拉电阻”,否则不能正确的输出高电平; • 在输入操作前,为了保证输入正确，必须先向端口“写1”; • “读引脚”与“读锁存器”是不同的两个数据通道。凡是“读—修改—写” 的操作,CPU读的都是端口锁存器中的数据。 • 为了提高电路的可靠性,端口引脚不要直接与三极管一类器件直接连接,应加隔离电路或与三极管之间加一个电阻。 • 在总线方式时,P0口不能再做通用的I/O端口。它分时输出地址、数据总线的信息（此时引脚不用外接上拉电阻）。

  21. Vcc 读锁存器 内部上拉电阻 P1.x 引脚 D Q 锁存器 CL /Q 内部总线 写锁存器 读引脚 2、 P1口的位结构图 特点：单纯的通用I/O端口,负载能力为3个TTL输入。与P0口的区别在于内部具有上拉电阻，所以输出时不用外接上拉电阻。

  22. 地址/数据 1/0 Vcc 控制 读锁存器 内部上拉电阻 内部总线 P2.x 引脚 D Q 锁存器 CL /Q MUX (地址/数据=0) 写锁存器 读引脚 3、 P2口 的特点： “通用数据I/O端口”和“高八位地址总线”端口

  23. 4、P3口 特点：通用I/O端口、多用途端口 Vcc 读锁存器 替代输出功能 • 在多用途情况下，P3口分别作为串行口、外中断输入、外部计数输入和系统扩展时使用的WR和RD信号的端口。在这种情况下，锁存器Q端为“1”电平以保证与门是打开的。 • 在通用I/O模式下，“替代输出功能”端为“1”电平，以保证与门打开。 P3.x 引脚 内部总线 D Q 锁存器 CL /Q 写锁存器 MUX (地址/数据=0) 读引脚

  24. “拉电流”还是“灌电流”----与大电流负载的连接“拉电流”还是“灌电流”----与大电流负载的连接 使用灌电流的方式与电流较大的负载直接连接时, 端口可以吸收约20mA的电流而保证端口电平不高于0.45V（见右上图）。 采用拉电流方式连接负载时，AT89C51所能提供“拉电流”仅仅为80μA，否则输出的高电平会急剧下降.如果我们采用右下图的方式，向端口输出一个高电平去点亮LED，会发现，端口输出的电平不是“1”而是“0”！ 当然，不是所有的单片机都是这样，PIC单片机就可以提供30mA的拉电流和灌电流。单对于大多数IC电路，最好还是使用“灌电流”去推动负载。 Vdd Vdd Px.y 灌电流方式 输出”0”点 亮LED Vdd Px.y 七、并行端口在使用时应注意的几个问题 拉电流方式 输出高电平 点亮LED

  25. Vcc 负载 Px.y 八、单片机与继电器等大电流负载的接口 • 我们知道:AT89C51的端口可以吸收约20mA的电流.对于继电器等大于20mA的负载,单片机可以采用右图的接法,用一个三极管来承担负载所需的大电流. • 若于负载电流易造成干扰单片机的环境,应采用右下图”光电隔离”的方式.其中: A 、B两处没有 任何电的联系. Vdd Vcc J Px.y B A

  26. 九、复位电路 Vcc Vcc V MCS-51 RST MCS-51 RST 10Ω C 1K R T t 具有手动复位功能 的复位电路 延长上电复位时间的电路 和RST端上电电压曲线

  27. MCS-51内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器.在单片机引脚的XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端.与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激震荡器(见右上图).MCS-51内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器.在单片机引脚的XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端.与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激震荡器(见右上图). 如果使用外部震荡器信号,其外来的信号加在XTAL1的引脚上(见右下图). XTAL1 XTAL2 20P 20P 十、震荡器、与时钟电路: XTAL2 XTAL1 NC 外时钟 使用外时钟时的电路连接

  28. 任务2：单片机实验板的设计

  29. 一、实验板系统功能要求 • 流水灯实验 • 数码管实验 • 键盘实验 • 温度测量及显示实验 • 日历时钟显示实验 • 液晶显示实验

  30. 二、单片机的选型及复位、时钟电路 1、单片机的选型： AT89S52，它是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，内含8k bytes的可反复擦鞋的制度程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS—51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89S52提供了高性价比的解决方案。其内部有足够本系统对存储器的要求，不用外扩电路简单。

  31. 2、系统时钟 时钟电路设计采用内部方式。引脚XTAL1和XTAL2是时钟电路的连接端。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，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。

  32. 3、复位电路的设计 MS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位俩种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图所示当时钟频率选用12MHz时，C1取10uF，R1约为10k欧。

  33. 三、P0口的功能定义 1、限流电阻模板的设计 • P0口作为公共的显示通道，用来驱动发光二极管及数码管各码段的显示，显示电流10mA左右，限流电阻为330欧姆。 • 制作一个电阻排插件，用于选择发光管、数码管及液晶显示器的显示数据通道。如图：

  34. 2、液晶显示器数据通道的设置 • P0口作为液晶显示器的数据通道，传输高电平数据时需要10K的上拉电阻。选择10K电阻排如图：

  35. 3、LED二极管显示电路 • 在线路板上设置8个LED小灯通过插接电阻板连接到单片机的P0口上，通过程序控制巡回闪亮。 插接板

  36. 四、P2口的功能定义 1、温度传感器的连接 • P2.0作为温度传感器DS18B20的数据及控制通道，传输控制命令，读取温度值。

  37. 2、LED数码显示的控制 ①数码管的选择及引脚图 • LED数码管型号为：LD-5461BS • 时钟数码管，红色，共阳

  38. 插接板 ②数码管电路的连接③④ • P2.1~P2.4作为数码管的位选端，经三极管9012把高电平加到每位数码管的阳极。 • 每段数码管的阴极由P0口控制显示相应的码段。

  39. 3、LCD液晶显示控制 ①液晶显示器的选型及引脚 • 选择LCD1602字符型液晶显示器，两行显示，每行可显示16个字符。外形及引脚如图：

  40. ②液晶显示器的连接

  41. 4、日历模块DS1302控制 ①相关的元器件

  42. ②DS1302的连接 • P2.5接I/O脚，P2.6接SCLK脚，P2.7接RST脚； • 备用电源选择CR2032纽扣电池； • 晶振频率：32768Hz.

  43. 五、P1口为键盘端口 • P1.0~P1.3接行线 • P1.4~P1.7接列线

  44. 六、P3口功能定义 • P3.3、P3.7为按键输入量，其中 P3.3有中断功能； • P3.6为继电器输出量，本例控制发光管点亮。

  45. 七、实验板参考线路图（1）

  46. 七、实验板参考线路图（2）

  47. 七、实验板参考线路图（3）

  48. 八、实验板3D仿真图（1）

  49. 八、实验板3D仿真图（2）

  50. 任务3：单片机实验板制作项目驱动

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