基于STC89C52單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計

基于STC89C52單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計1設(shè)計內(nèi)容及要求設(shè)計題目：基于STC89C52單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計及制作。設(shè)計要求：輸入信號為傳感器、電壓、電流、開關(guān)等形式，單片機型號可以自己選擇（51,128,430等），輸出控制信號為模擬電壓或者數(shù)字信號，控制對象可以是電機（直流電機，步進電機）、開關(guān)、顯示器等。（注：可以采用單片機、傳感器電路模塊以及集成電路芯片制作。）使用器材：感光板及常用PCB制版器材、常用電子裝配工具、萬用表、示波器及電子元器件（詳見附錄）。2STC89C52單片機2.1STC89C52單片機簡介單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當中。用專業(yè)語言講，單片機就是在一塊硅片上集成了微處理器、存儲器及各種輸入/輸出接口的芯片。2.2單片機的特點（1）高集成度，體積小，高可靠性單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪聲性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機程序指令，常數(shù)及表格等固體化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內(nèi)，故可靠性高。（2）控制功能強為了滿足對控制對象的要求，單片機的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件：分支轉(zhuǎn)移能力、I/O口的邏輯操作機位處理能力，非常適用于專門的控制功能。（3）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)攜帶為了便于廣泛使用于便攜式系統(tǒng)，許多單片機內(nèi)的工作電壓僅為1.8V～3.6V，工作電流僅為數(shù)百微安。（4）易擴展片內(nèi)具有計算機正常運行所需的部件。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計算機應用系統(tǒng)。（5）優(yōu)異的性能價格比單片機的性能高。為提高速度和運行效率，單片機開始使用RISC流水線和DSP等技術(shù)。單片機的尋址能力也突破了64KB的限制，有的已達1MB，甚至16MB；片內(nèi)的ROM容量可達62MB，RAM容量則可達2MB。由于單片機的廣泛使用，因而銷量極大，各大公司的商業(yè)競爭激烈，使其價格十分低廉，性能價格比極高。2.3單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個基本的MCS-52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2-1所示。圖2-1MCS單片機結(jié)構(gòu)圖2.4單片機的引腳功能常見的52系列單片機中一般采用雙列直插（DIP）封裝，共40個引腳。STC89C52共有40個引腳，采用的是雙列直插（DIP）封裝，如圖2-2所示。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。圖2-2STC89C52引腳分布圖2.4.1電源（1）VCC：芯片電源端，一般為+5V；（2）GND：接到端。2.4.2時鐘（1）XTAL1：晶體振蕩電路的反相輸入端；（2）XTAL2：晶體振蕩電路的輸出端。2.4.3控制線MCS-51單片機共有4根控制線，其中3根是復用線，具有兩種功能。（1）ALE/：地址所存允許/編程脈沖；（2）PSEN：外部ROM讀選通信號；（3）RST：復位引腳；（4）：內(nèi)外ROM選擇/EPROM編程電源2.4.4I/O引腳MCS-51單片機共有4個8位并行I/O端口，共32個可編程I/O引腳。（1）P0.0～P0.7：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳端用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。（2）P1.0～P1.7：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳端由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如表2-1所示。在Flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。表2-1P1口引腳端第二功能引腳端第二功能P1.0T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在系統(tǒng)編程用）（3）P2.0～P2.7：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在Flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。（4）P3.0～P3.7：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如表2-2所示。在Flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。表2-2P3口的第二功能引腳端第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2(外部中斷0)P3.3(外部中斷1)P3.4T0（定時器0外部輸入）P3.5T1（定時器1外部輸入）P3.6(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)3STC89C52構(gòu)成的最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)包括復位電路、時鐘電路、電源電路、外圍電路，其外圍電路包括數(shù)碼顯示、液晶顯示、鍵盤檢測、串口測試等，如圖3-1所示。圖3-1單片機外圍電路3.1單片機周邊電路STC89C52的外圍電路如圖3-2所示。時鐘電路采用頻率是12MHz的石英晶振。在復位電路中當REST為低電平時，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，當REST為高電平時系統(tǒng)處于復位或下載程序狀態(tài)。STC89C52具有ISP在線編程功能，在程序下載過程中REST引腳被拉高，下載完畢后自動拉低進入運行狀態(tài)，用戶也可以通過按下S17進行手動復位。為方便以后的學習，最小系統(tǒng)將32個I/O引腳全部引出。圖3-2單片機外圍電路3.2供電部分單片機供電部分的原理圖如圖3-3所示。系統(tǒng)供電采用標準的3.5mmDC接口輸入，通過線性穩(wěn)壓芯片7805進行穩(wěn)壓處理以后，再供給電路的其他部分。為了方便起見，系統(tǒng)還將輸入電源用排針引出，方便用杜拉線進行連接（“2腳”為正極）。電路中接入電源指示LED，R2為LED的限流電阻，SW1為電源開關(guān)。圖3-3最小系統(tǒng)供電部分原理圖3.3復位電路單片機的置位和復位，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)備裝入廠商預設(shè)的一個值。單片機復位電路原理是在單片機的復位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復位。當復位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復位有效。復位電平的持續(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)。復位電路由按鍵復位和上電復位兩部分組成。（1）上電復位：STC89系列單片及為高電平復位，通常在復位引腳RESET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RESET腳上有足夠時間的高電平進行復位，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。（2）按鍵復位：按鍵復位就是在復位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當開關(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位。復位電路如圖3-4所示。圖3-4復位電路3.4串行口部分RS-232是串口的接口標準，為單端輸入/輸出，要實現(xiàn)與單片機的通信，需將計算機的RS-232電平與單片機的TTL電平相互轉(zhuǎn)換。采用MAX232電源電壓轉(zhuǎn)換芯片，可以把TTL電平從0V和5V轉(zhuǎn)換到3V~15V或-3V~-15V之間。所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需要單一的+5V電源就可以了。數(shù)據(jù)傳輸過程：MAX232的10腳T2IN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RS-232電平后從MAX232的7腳T2OUT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)。MAX232引腳如圖3-5所示。串行口部分電路圖如圖3-6所示。圖3-5MAX232引腳分布圖圖3-6串行口部分電路原理圖3.5按鍵部分按鍵部分電路采用4*4矩陣式鍵盤，在修改時鐘或設(shè)置鬧鐘時間可以直接從鍵盤輸入，方便、快捷。而獨立式按鍵需設(shè)置過多按鍵，將會占用較多I/O口，而且會給布線帶來不便，因此，此方案適用于按鍵較少的情況。且由于按鍵較少，在修改時間或設(shè)置鬧鈴時間時就不能直接輸入，只能通過加或減完成，較為麻煩。單片機檢測按鍵的依據(jù)是與按鍵對應的I/O口是否為低電平。檢測時，先給一列送低電平，其余幾列全為高電平，然后立即輪流檢測一次各行是否有低電平，若檢測到某一行為低電平就可以確認是按下哪一行哪一列的按鍵。按鍵部分原理圖如圖3-7所示。圖3-7按鍵部分電路原理圖3.6液晶顯示部分液晶顯示器的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面并配合北部燈管構(gòu)成畫面。各種型號的液晶通常是按照顯示字符的行數(shù)或液晶點陣的行、列數(shù)來命名的，液晶體積小、功耗低、顯示操作簡單，但應注意考慮其能承受的溫度范圍。1602液晶每行顯示16個字符，一共可以顯示兩行，由16列、2行組成。液晶顯示的電路原理圖如圖3-8所示。圖3-8液晶顯示電路原理圖3.7時鐘振蕩電路部分時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式：一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。STC89C52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。時鐘振蕩電路如圖3-9所示。圖3-9時鐘振蕩電路原理圖MCS-51單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反向放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。圖3-10為DS1302實時時鐘電路原理圖。圖3-10DS1302實時時鐘原理圖3.8溫度檢測部分溫度檢測部分選用的是DS18B20傳感器，其電路原理圖如圖3-11所示。圖3-11溫度檢測電路DS18B20傳感器，主要由四部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。有三個管腳：DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。4STC89C52應用電路STC89C52單片機最小系統(tǒng)總的原理圖如圖4-1所示，PCB電路圖如圖4-2、4-3和4-4所示。圖4-1STC89C52單片機最小系統(tǒng)原理圖圖4-2單片機最小系統(tǒng)PCB圖（頂層）圖4-3單片機最小系統(tǒng)PCB圖圖4-4單片機最小系統(tǒng)PCB圖（3D效果圖）5PCB板制作過程（1）打印打印采用通用噴墨打印機，在AltiumDesigner下打印設(shè)置完成。（2）曝光在曝光之前將硫酸紙的打印面緊貼感光板，將底層和頂層的兩面完全重合，然后用雙面膠固定硫酸紙和感光板，不能遮住需要曝光的導線。曝光采用普通日光燈曝光約10分鐘左右，使用曝光機曝光的方法是將需要的曝光面朝下正對紫外線，壓緊、關(guān)上機器蓋子，曝光好的板子要盡快放入顯影液中顯影，時間過長會影響顯影效果。（3）顯影顯影在整個印制板的制作過程中比較關(guān)鍵。=1\*GB3①配制顯影液。將顯影劑按照1:100溶于溫度約35°C的溫水中，清搖容器或者用塑料棒攪拌使顯影劑充分溶解。應當注意的是在顯影液可以湮沒感光板的條件下，顯影液應該盡可能的少，顯影劑的濃度不可過高，否則線路膜面會迅速剝離而遭到破壞。②顯影。將曝光好的感光板浸入顯影液中（單面板膜面朝上，雙面板懸空放置），然后清搖容器，用軟毛刷輕刷板面，板面未曝光的部分就會慢慢溶解露出銅底。當未曝光的部分全部呈現(xiàn)光亮的銅金屬光澤時，顯影完成，整個過程約為1～2分鐘。將板子取出用清水沖洗干凈，目視無缺陷即可進入蝕刻步驟。（4）腐蝕腐蝕采用的是三氯化鐵溶液，腐蝕過程采用的是開水可以加快。（5）鉆孔將板子洗凈，然后選擇合適的鉆頭來鉆孔，區(qū)別主要在于過孔的焊盤和一般焊盤的大小。（6）焊接對照原理圖和PCB布局圖，仔細查看印制電路板，找到對應的元器件的功能區(qū)后，開始準備元器件和工具。在焊接過程中，最先焊的是過孔，因為在插上元器件之前應該先處理好所有的過孔，過孔可以用0.3mm～0.6mm的導線連接。然后再將相關(guān)元器件插好，檢查無誤后才開始焊接。（7）電路檢查由于電路出現(xiàn)虛焊，會致使電路調(diào)試的不能正常工作或不穩(wěn)定。因此，在電路的檢測過程，要注意檢查過孔焊接和焊接元器件過程中因失誤造成的虛焊。6總結(jié)通過本次課程設(shè)計，完成了單片機最小系統(tǒng)的課程設(shè)計，使我更加深入地了解了STC89C52單片機的結(jié)構(gòu)和功能，將理論與實踐結(jié)合起來，實踐了課堂上所學的理論知識，同時也使我認識到了自己的不足之處。在做單片機最小系統(tǒng)的課程設(shè)計時，由于自己平時很少應用AltiumDesigner應用軟件去畫原理圖和PCB圖，在畫元器件的封裝和PCB布線時，遇到了一些困難，花了不少時間。不過，最后在同學的幫助和自己的努力下，畫好了元器件的封裝和PCB布線。這次課程設(shè)計也使我意識到要做好一個系統(tǒng)的設(shè)計，首先要有一個較為明確系統(tǒng)設(shè)計的方案，根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計外圍電路，選擇合適的元器件。總之，這次課程設(shè)計，使我對電子工藝的理論有了更深入的了解，讓我明白動手操作是以牢固的理論知識為基礎(chǔ)的，要學好課本上的知識，同時，也是一個對自己動手能力的很大的鍛煉，提高了自己考慮問題、分析問題、解決問題的能力以及動手操作能力，使我的綜合能力有了一個很大的提高。最后，我要感謝在這次課程中幫助過我的同學。參考文獻：1黃智偉.凌陽單片機課程設(shè)計指導．北京：北京