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項(xiàng)目4 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板制作 主講 陳振軍 教學(xué)內(nèi)容 任務(wù)1 單片機(jī)的應(yīng)用及功能介紹任務(wù)2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)任務(wù)3 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的焊接及調(diào)試 任務(wù)1 單片機(jī)的應(yīng)用及功能介紹 一 單片機(jī)的概念 由CPU 存儲(chǔ)器 定時(shí) 計(jì)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(gè)電路板上 加上鍵盤 顯示器等構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)的硬件部分 1 微型計(jì)算機(jī) 2 單片機(jī) 將微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所用的大多數(shù)IC芯片集成到一個(gè)芯片中 可以認(rèn)為 單片機(jī)就是將微型計(jì)算機(jī)的CPU 存儲(chǔ)器 I O端口 中斷控制器等全部做在一個(gè)芯片中去 3 微型機(jī)與單片機(jī)在硬件結(jié)構(gòu)上比較 微型計(jì)算機(jī)單片機(jī) 數(shù)據(jù)RAM CPU 并行I O 程序ROM 定時(shí) 計(jì)數(shù)器 串型端口 中斷控制器 擴(kuò)展I O端口 系統(tǒng)總線 DB AB CB 微型計(jì)算機(jī)的組成框圖 由多個(gè)IC芯片組裝在一個(gè)主電路板上 MCS 51單片機(jī) 所有單元都組裝在一個(gè)IC芯片上 4 單片機(jī)的應(yīng)用 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域 幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡 導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置 飛機(jī)上各種儀表的控制 計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸 工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)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(jī) 攝像機(jī) 全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制 以及程控玩具 電子寵物等等 這些都離不開單片機(jī) 更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人 智能儀表 醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了 因此 單片機(jī)的學(xué)習(xí) 開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)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(jī)介紹 1 MCS 51系列芯片 2 MCS 51單片機(jī)內(nèi)部方框圖 時(shí)鐘電路 4KROM程序存儲(chǔ)器 256BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 2X16位定時(shí) 計(jì)數(shù)器 CPU處理器 64KB總線擴(kuò)展控制器 可編程I O端口P0 P3 可編程串行口 3 51單片機(jī)的性能和特點(diǎn) 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM 以89C51為例 4K的存儲(chǔ)容量 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 256B 128B的RAM 21B的SFR 寄存器區(qū) 設(shè)有4個(gè)寄存器區(qū) 每一個(gè)區(qū)有R0 R7八個(gè)工作寄存器 8位并行輸入輸出端口 P0 P1 P2和P3 定時(shí) 計(jì)數(shù)器 2個(gè)16位的定時(shí) 計(jì)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(gè)中斷源 系統(tǒng)擴(kuò)展能力 可外接64K的ROM和64K的RAM 三 51單片機(jī)的引腳功能 1 MCS 51單片機(jī)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(gè)晶體震蕩器 單片機(jī)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(jī)的工作速度就越快 但單片機(jī)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(shí) 在內(nèi)部加在此引腳上有一個(gè)兩個(gè)時(shí)鐘周期的高電平使單片機(jī)復(fù)位 但為了使系統(tǒng)復(fù)位可靠 建議外加一個(gè)上電復(fù)位電路 延長復(fù)位的時(shí)間 當(dāng)單片機(jī)掉點(diǎn)時(shí) 此引腳可以接入備用電源向單片機(jī)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(gè)不變的頻率 系統(tǒng)時(shí)鐘fosc 6 周期性輸出正脈 當(dāng)單片機(jī)使用外部存儲(chǔ)器時(shí) 此信號(hào)可作為低八位地址的鎖存信號(hào) 對(duì)于EPROM型的單片機(jī) 此腳還是用于寫程序時(shí) 輸入編程脈沖 PSEN 29腳 外部程序程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào) 當(dāng)單片機(jī)使用外部程序存儲(chǔ)器時(shí) 此腳在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)產(chǎn)生兩次負(fù)脈沖 注意 訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) 此信號(hào)無效 EA Vpd 31腳 外部程序存儲(chǔ)器的選擇端控制端 當(dāng)此腳加入 1 電平是 單片機(jī)使用內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器 當(dāng)EA加入低電平時(shí) 系統(tǒng)只使用外部的程序存儲(chǔ)器 但要特別注意 如果EA 1既使用單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器時(shí) 如果程序計(jì)數(shù)器PC的值超過0FFFH時(shí) 單片機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部程序存儲(chǔ)器1000H開始的單元 對(duì)于EPROM型的單片機(jī) 此腳還是用于寫程序時(shí) 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(qiáng)的端口 可以帶動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載 驅(qū)動(dòng)一個(gè)MOS負(fù)載時(shí) 應(yīng)接一個(gè)10K左右的上拉電阻 如果系統(tǒng)使用外接存儲(chǔ)器時(shí) 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(fù)載能力為4個(gè)TTL負(fù)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(dāng)系統(tǒng)使用外接存儲(chǔ)器時(shí) 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(fù)載能力為4個(gè)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(shí)它還有第二功能 負(fù)載能力為4個(gè)TTL P3口第二功能表 四 51單片機(jī)存儲(chǔ)器的配置特點(diǎn) 在MCS 51單片機(jī)的內(nèi)部集成了4K的程序存儲(chǔ)器和256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 同時(shí)還可以使用片外的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 其擴(kuò)展能力都是64K 從物理結(jié)構(gòu)的角度講 51單片機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)可以分為四個(gè)存儲(chǔ)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(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)又可分為三個(gè)存儲(chǔ)空間 既片內(nèi)RAM 片外RAM和片內(nèi) 外的程序存儲(chǔ)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(gè)工作寄存器區(qū)每個(gè)區(qū)中有R0 R7八個(gè)工作寄存器 位尋址區(qū)16個(gè)單元20H 2FH 共有128可尋址位個(gè)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(jī)的I O端口結(jié)構(gòu) 對(duì)單片機(jī)的控制 其實(shí)就是對(duì)I O口的控制 51單片機(jī)總共有P0 P1 P2 P3四個(gè)8位雙向輸入輸出端口 每個(gè)端口都有鎖存器 輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器 4個(gè)I O端口都能作輸入輸出口用 其中P0和P2通常用于對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問 51系列單片機(jī)有4個(gè)I O端口 每個(gè)端口都是8位準(zhǔn)雙向口 共占32根引腳 每個(gè)端口都包括一個(gè)鎖存器 即專用寄存器P0 P3 一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器 通常把4個(gè)端口籠統(tǒng)地表示為P0 P3 在無片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中 這4個(gè)端口的每一位都可以作為準(zhǔn)雙向通用I O端口使用 在具有片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中 P2口作為高8位地址線 P0口分時(shí)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(gè)輸出鎖存器 兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)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(shí) 輸出級(jí)上端的FET處于截止?fàn)顟B(tài) 所以與MOS器件連接時(shí) 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(gè)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(gè)電阻 在總線方式時(shí) P0口不能再做通用的I O端口 它分時(shí)輸出地址 數(shù)據(jù)總線的信息 此時(shí)引腳不用外接上拉電阻 P0口特點(diǎn) 2 P1口的位結(jié)構(gòu)圖 特點(diǎn) 單純的通用I O端口 負(fù)載能力為3個(gè)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(shí)不用外接上拉電阻 3 P2口的特點(diǎn) 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(diǎn) 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(jì)數(shù)輸入和系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)使用的WR和RD信號(hào)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(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題 拉電流 還是 灌電流 與大電流負(fù)載的連接使用灌電流的方式與電流較大的負(fù)載直接連接時(shí) 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(fù)載時(shí) AT89C51所能提供 拉電流 僅僅為80 A 否則輸出的高電平會(huì)急劇下降 如果我們采用右下圖的方式 向端口輸出一個(gè)高電平去點(diǎn)亮LED 會(huì)發(fā)現(xiàn) 端口輸出的電平不是 1 而是 0 當(dāng)然 不是所有的單片機(jī)都是這樣 PIC單片機(jī)就可以提供30mA的拉電流和灌電流 單對(duì)于大多數(shù)IC電路 最好還是使用 灌電流 去推動(dòng)負(fù)載 拉電流方式輸出高電平點(diǎn)亮LED 八 單片機(jī)與繼電器等大電流負(fù)載的接口 我們知道 AT89C51的端口可以吸收約20mA的電流 對(duì)于繼電器等大于20mA的負(fù)載 單片機(jī)可以采用右圖的接法 用一個(gè)三極管來承擔(dān)負(fù)載所需的大電流 若于負(fù)載電流易造成干擾單片機(jī)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(shí)間的電路和RST端上電電壓曲線 具有手動(dòng)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(gè)用于構(gòu)成震蕩器的高增益反相放大器 在單片機(jī)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(gè)自激震蕩器 見右上圖 如果使用外部震蕩器信號(hào) 其外來的信號(hào)加在XTAL1的引腳上 見右下圖 XTAL2XTAL1 NC 外時(shí)鐘 使用外時(shí)鐘時(shí)的電路連接 十 震蕩器 與時(shí)鐘電路 任務(wù)2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì) 一 實(shí)驗(yàn)板系統(tǒng)功能要求 流水燈實(shí)驗(yàn)數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)鍵盤實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)量及顯示實(shí)驗(yàn)日歷時(shí)鐘顯示實(shí)驗(yàn)液晶顯示實(shí)驗(yàn) 二 單片機(jī)的選型及復(fù)位 時(shí)鐘電路 1 單片機(jī)的選型 AT89S52 它是一個(gè)低電壓 高性能CMOS8位單片機(jī) 內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦鞋的制度程序存儲(chǔ)器 PEROM 和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 器件采用ATMEL公司的高密度 非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn) 兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS 51指令系統(tǒng) 片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元 內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52提供了高性價(jià)比的解決方案 其內(nèi)部有足夠本系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的要求 不用外擴(kuò)電路簡(jiǎn)單 2 系統(tǒng)時(shí)鐘 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式 引腳XTAL1和XTAL2是時(shí)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(shí) 晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)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(jì) MS 51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)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(dāng)時(shí)鐘頻率選用12MHz時(shí) 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(jì)P0口作為公共的顯示通道 用來驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shí)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(gè)LED小燈通過插接電阻板連接到單片機(jī)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(hào)為 LD 5461BS時(shí)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(gè)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)