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項目4 單片機實驗板制作 主講 陳振軍 教學(xué)內(nèi)容 任務(wù)1 單片機的應(yīng)用及功能介紹任務(wù)2 單片機實驗板的設(shè)計任務(wù)3 單片機實驗板的焊接及調(diào)試 任務(wù)1 單片機的應(yīng)用及功能介紹 一 單片機的概念 由CPU 存儲器 定時 計數(shù)器 并行輸入 輸出接口電路 中斷控制器等大規(guī)模IC芯片安置在一個電路板上 加上鍵盤 顯示器等構(gòu)成了微型計算機的硬件部分 1 微型計算機 2 單片機 將微型計算機系統(tǒng)所用的大多數(shù)IC芯片集成到一個芯片中 可以認為 單片機就是將微型計算機的CPU 存儲器 I O端口 中斷控制器等全部做在一個芯片中去 3 微型機與單片機在硬件結(jié)構(gòu)上比較 微型計算機單片機 數(shù)據(jù)RAM CPU 并行I O 程序ROM 定時 計數(shù)器 串型端口 中斷控制器 擴展I O端口 系統(tǒng)總線 DB AB CB 微型計算機的組成框圖 由多個IC芯片組裝在一個主電路板上 MCS 51單片機 所有單元都組裝在一個IC芯片上 4 單片機的應(yīng)用 目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域 幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡 導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置 飛機上各種儀表的控制 計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸 工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理 廣泛使用的各種智能IC卡 民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng) 錄像機 攝像機 全自動洗衣機的控制 以及程控玩具 電子寵物等等 這些都離不開單片機 更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人 智能儀表 醫(yī)療器械以及各種智能機械了 因此 單片機的學(xué)習(xí) 開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家 工程師 二 MCS 51系列單片機介紹 1 MCS 51系列芯片 2 MCS 51單片機內(nèi)部方框圖 時鐘電路 4KROM程序存儲器 256BRAM數(shù)據(jù)存儲器 2X16位定時 計數(shù)器 CPU處理器 64KB總線擴展控制器 可編程I O端口P0 P3 可編程串行口 3 51單片機的性能和特點 內(nèi)部程序存儲器ROM 以89C51為例 4K的存儲容量 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM 256B 128B的RAM 21B的SFR 寄存器區(qū) 設(shè)有4個寄存器區(qū) 每一個區(qū)有R0 R7八個工作寄存器 8位并行輸入輸出端口 P0 P1 P2和P3 定時 計數(shù)器 2個16位的定時 計數(shù)器 串型口 全雙工的端口 RXD 接收端 TXD發(fā)送端 中斷系統(tǒng) 設(shè)有5個中斷源 系統(tǒng)擴展能力 可外接64K的ROM和64K的RAM 三 51單片機的引腳功能 1 MCS 51單片機的引腳定義 主電源引腳 Vcc 5V 40腳 和Vss GND20腳 外接晶體引腳 XTAL1 19腳 XTAL2 18腳 只要在這兩腳之間接入一個晶體震蕩器 單片機就可以以此晶體的頻率開始工作 常用的晶體頻率有0 24M 頻率越高 單片機的工作速度就越快 但單片機的功耗就要增加 控制或與電源復(fù)用引腳 RST Vpd ALE PROG PSEN和VddRST Vpd 9腳 在系統(tǒng)上電震蕩器開始工作時 在內(nèi)部加在此引腳上有一個兩個時鐘周期的高電平使單片機復(fù)位 但為了使系統(tǒng)復(fù)位可靠 建議外加一個上電復(fù)位電路 延長復(fù)位的時間 當單片機掉點時 此引腳可以接入備用電源向單片機內(nèi)部的RAM供電 以防止RAM中的數(shù)據(jù)丟失 ALE PROG 30腳 以一個不變的頻率 系統(tǒng)時鐘fosc 6 周期性輸出正脈 當單片機使用外部存儲器時 此信號可作為低八位地址的鎖存信號 對于EPROM型的單片機 此腳還是用于寫程序時 輸入編程脈沖 PSEN 29腳 外部程序程序存儲器的選通信號 當單片機使用外部程序存儲器時 此腳在一個機器周期內(nèi)產(chǎn)生兩次負脈沖 注意 訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時 此信號無效 EA Vpd 31腳 外部程序存儲器的選擇端控制端 當此腳加入 1 電平是 單片機使用內(nèi)部的程序存儲器 當EA加入低電平時 系統(tǒng)只使用外部的程序存儲器 但要特別注意 如果EA 1既使用單片機內(nèi)部的程序存儲器時 如果程序計數(shù)器PC的值超過0FFFH時 單片機將自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器1000H開始的單元 對于EPROM型的單片機 此腳還是用于寫程序時 加入21伏的編程電壓 并行輸入輸出端口引腳 P0 P3 P0 0 P0 7P0端口線 39 32腳 輸出能力最強的端口 可以帶動8個TTL負載 驅(qū)動一個MOS負載時 應(yīng)接一個10K左右的上拉電阻 如果系統(tǒng)使用外接存儲器時 該口還作為地址 低八位 總線和數(shù)據(jù)總線 注意在這種情況下 P0口就不能通用的I O端口 P1 0 P1 7P1端口線 1 8腳 負載能力為4個TTL負載 P2 0 P2 7P2端口線 21 28腳 通用I O端口 除了做通用I O端口外 當系統(tǒng)使用外接存儲器時 該口還作為地址 高八位 總線 在這種情況下 P0口就不能通用的I O端口 負載能力為4個TTL P3 0 P3 7P3端口線 10 17腳 P3口除了做通用的I O端口外 同時它還有第二功能 負載能力為4個TTL P3口第二功能表 四 51單片機存儲器的配置特點 在MCS 51單片機的內(nèi)部集成了4K的程序存儲器和256B的數(shù)據(jù)存儲器 同時還可以使用片外的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 其擴展能力都是64K 從物理結(jié)構(gòu)的角度講 51單片機的存儲系統(tǒng)可以分為四個存儲空間 既片內(nèi)ROM RAM和片外ROM RAM 從邏輯上講 既用戶編程的角度講 51單片機的存儲系統(tǒng)又可分為三個存儲空間 既片內(nèi)RAM 片外RAM和片內(nèi) 外的程序存儲器ROM 五 片內(nèi)RAM低128B字節(jié)功能分配圖 位尋址區(qū) 3區(qū) 2區(qū) 1區(qū) 0區(qū) 便箋區(qū) 08H07H00H 7FH 30H2FH 20H1FH 18H17H 10H0FH 四個工作寄存器區(qū)每個區(qū)中有R0 R7八個工作寄存器 位尋址區(qū)16個單元20H 2FH 共有128可尋址位個位 位地址 00H 7FH注意 位地址與字節(jié)地址的區(qū)別 通用的RAM區(qū)地址 30H 7FH 繼續(xù) 返回上一次 六 51單片機的I O端口結(jié)構(gòu) 對單片機的控制 其實就是對I O口的控制 51單片機總共有P0 P1 P2 P3四個8位雙向輸入輸出端口 每個端口都有鎖存器 輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器 4個I O端口都能作輸入輸出口用 其中P0和P2通常用于對外部存儲器的訪問 51系列單片機有4個I O端口 每個端口都是8位準雙向口 共占32根引腳 每個端口都包括一個鎖存器 即專用寄存器P0 P3 一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器 通常把4個端口籠統(tǒng)地表示為P0 P3 在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中 這4個端口的每一位都可以作為準雙向通用I O端口使用 在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中 P2口作為高8位地址線 P0口分時作為低8位地址線和雙向數(shù)據(jù)總線 1 P0口的位結(jié)構(gòu)圖 下圖為P0口的某位P0 n n 0 7 結(jié)構(gòu)圖 它由一個輸出鎖存器 兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路及控制電路組成 從圖中可以看出 P0口既可以作為I O用 也可以作為地址 數(shù)據(jù)線用 做通用數(shù)據(jù)I O端口時 輸出級上端的FET處于截止狀態(tài) 所以與MOS器件連接時 必須接 上拉電阻 否則不能正確的輸出高電平 在輸入操作前 為了保證輸入正確 必須先向端口 寫1 讀引腳 與 讀鎖存器 是不同的兩個數(shù)據(jù)通道 凡是 讀 修改 寫 的操作 CPU讀的都是端口鎖存器中的數(shù)據(jù) 為了提高電路的可靠性 端口引腳不要直接與三極管一類器件直接連接 應(yīng)加隔離電路或與三極管之間加一個電阻 在總線方式時 P0口不能再做通用的I O端口 它分時輸出地址 數(shù)據(jù)總線的信息 此時引腳不用外接上拉電阻 P0口特點 2 P1口的位結(jié)構(gòu)圖 特點 單純的通用I O端口 負載能力為3個TTL輸入 與P0口的區(qū)別在于內(nèi)部具有上拉電阻 所以輸出時不用外接上拉電阻 3 P2口的特點 通用數(shù)據(jù)I O端口 和 高八位地址總線 端口 4 P3口特點 通用I O端口 多用途端口 在多用途情況下 P3口分別作為串行口 外中斷輸入 外部計數(shù)輸入和系統(tǒng)擴展時使用的WR和RD信號的端口 在這種情況下 鎖存器Q端為 1 電平以保證與門是打開的 在通用I O模式下 替代輸出功能 端為 1 電平 以保證與門打開 DQ鎖存器CL Q P3 x引腳 替代輸出功能 讀鎖存器 讀引腳 內(nèi)部總線 寫鎖存器 MUX 地址 數(shù)據(jù) 0 Vcc 七 并行端口在使用時應(yīng)注意的幾個問題 拉電流 還是 灌電流 與大電流負載的連接使用灌電流的方式與電流較大的負載直接連接時 端口可以吸收約20mA的電流而保證端口電平不高于0 45V 見右上圖 采用拉電流方式連接負載時 AT89C51所能提供 拉電流 僅僅為80 A 否則輸出的高電平會急劇下降 如果我們采用右下圖的方式 向端口輸出一個高電平去點亮LED 會發(fā)現(xiàn) 端口輸出的電平不是 1 而是 0 當然 不是所有的單片機都是這樣 PIC單片機就可以提供30mA的拉電流和灌電流 單對于大多數(shù)IC電路 最好還是使用 灌電流 去推動負載 拉電流方式輸出高電平點亮LED 八 單片機與繼電器等大電流負載的接口 我們知道 AT89C51的端口可以吸收約20mA的電流 對于繼電器等大于20mA的負載 單片機可以采用右圖的接法 用一個三極管來承擔負載所需的大電流 若于負載電流易造成干擾單片機的環(huán)境 應(yīng)采用右下圖 光電隔離 的方式 其中 A B兩處沒有任何電的聯(lián)系 J Vcc Vdd Px y A B MCS 51RST Vcc MCS 51RST Vcc 1K 10 t V T 延長上電復(fù)位時間的電路和RST端上電電壓曲線 具有手動復(fù)位功能的復(fù)位電路 R C 九 復(fù)位電路 MCS 51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成震蕩器的高增益反相放大器 在單片機引腳的XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入和輸出端 與作為反饋元件的晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激震蕩器 見右上圖 如果使用外部震蕩器信號 其外來的信號加在XTAL1的引腳上 見右下圖 XTAL2XTAL1 NC 外時鐘 使用外時鐘時的電路連接 十 震蕩器 與時鐘電路 任務(wù)2 單片機實驗板的設(shè)計 一 實驗板系統(tǒng)功能要求 流水燈實驗數(shù)碼管實驗鍵盤實驗溫度測量及顯示實驗日歷時鐘顯示實驗液晶顯示實驗 二 單片機的選型及復(fù)位 時鐘電路 1 單片機的選型 AT89S52 它是一個低電壓 高性能CMOS8位單片機 內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦鞋的制度程序存儲器 PEROM 和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 RAM 器件采用ATMEL公司的高密度 非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn) 兼容標準MCS 51指令系統(tǒng) 片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元 內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89S52提供了高性價比的解決方案 其內(nèi)部有足夠本系統(tǒng)對存儲器的要求 不用外擴電路簡單 2 系統(tǒng)時鐘 時鐘電路設(shè)計采用內(nèi)部方式 引腳XTAL1和XTAL2是時鐘電路的連接端 系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz 電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容 電容值約為22pF 在焊接刷電路板時 晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近 以減少寄生電容 更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作 3 復(fù)位電路的設(shè)計 MS 51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位倆種方式 此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復(fù)位電路 如圖所示當時鐘頻率選用12MHz時 C1取10uF R1約為10k歐 三 P0口的功能定義 1 限流電阻模板的設(shè)計P0口作為公共的顯示通道 用來驅(qū)動發(fā)光二極管及數(shù)碼管各碼段的顯示 顯示電流10mA左右 限流電阻為330歐姆 制作一個電阻排插件 用于選擇發(fā)光管 數(shù)碼管及液晶顯示器的顯示數(shù)據(jù)通道 如圖 2 液晶顯示器數(shù)據(jù)通道的設(shè)置 P0口作為液晶顯示器的數(shù)據(jù)通道 傳輸高電平數(shù)據(jù)時需要10K的上拉電阻 選擇10K電阻排如圖 3 LED二極管顯示電路 在線路板上設(shè)置8個LED小燈通過插接電阻板連接到單片機的P0口上 通過程序控制巡回閃亮 插接板 四 P2口的功能定義 1 溫度傳感器的連接P2 0作為溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)及控制通道 傳輸控制命令 讀取溫度值 2 LED數(shù)碼顯示的控制 數(shù)碼管的選擇及引腳圖LED數(shù)碼管型號為 LD 5461BS時鐘數(shù)碼管 紅色 共陽 數(shù)碼管電路的連接 P2 1 P2 4作為數(shù)碼管的位選端 經(jīng)三極管9012把高電平加到每位數(shù)碼管的陽極 每段數(shù)碼管的陰極由P0口控制顯示相應(yīng)的碼段 插接板 3 LCD液晶顯示控制 液晶顯示器的選型及引腳選擇LCD1602字符型液晶顯示器 兩行顯示 每行可顯示16個字符 外形及引腳如圖 液晶顯示器的連接 4 日歷模塊DS1302控制 相關(guān)的元器件 DS1302的連接 P2 5接I O腳 P2 6接SCLK腳 P2 7接RST腳 備用電源選擇CR2032紐扣電池 晶振頻率 32768Hz 五 P1口為鍵盤端口 P1 0 P1 3接行線P1 4 P1 7接列線 六 P3口功能定義 P3 3 P3 7為按鍵輸入量 其中P3 3有中斷功能 P3 6為繼電器輸出量 本例控制發(fā)