单片机小系统构建报告.docx

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单片机小系统构建报告

单片机小系统构建报告

摘要

本系统以AT89S52为核心,通过外部扩展加入以下模块：

外部数据存储区,外部程序存储区,AD/DA转换模块,人机交互模块,数据显示模块,并设计了总线扩展口,打印机接口,串行数据通信口,从而构建了单片机最小系统.本系统可对各种数据进行采集处理并显示,实现实时日历钟的显示,同时通过串行接口可与外部进行通信,并可通过总线扩展口与外接芯片进行连接从而使功能更加全面.

关键词：

单片机小系统,AD/DA,总线扩展口,串行通信接口

一．系统分析

1.明确系统要求

根据系统设计要求,我们确定了本系统应该包括的功能模块：

●32Kx8BSRAM,256BEEPROM,实时日历钟

●前向模拟通道,8bit/1M电压型并行A/D

●后向模拟通道：

2CH,8bit并行D/A,带低通滤波及功率输出.

●通讯接口：

三线制TTL电平,经驱动后支持RS232,SPI,I2C,CAN等.

●扩展电路：

centronics并行打印口,总线扩展口,8bitI/O口

2.系统框图设计.

针对以上模块我们设计功能框图如下

二．芯片选型

在完成了对系统功能框图的设计后,我们开始对芯片进行选型

1.MCU

根据以往构建系统经历,我们选择AT89S52作为MCU,以其为基础扩建系统.

At89s52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器.使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容.片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器.在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案.AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路.另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式.空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作.掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止.8位微控制器8K字节在系统可编程.

2.AD/DA芯片

●AD芯片我们选用TI公司的TLC0820,TLC0820采用先进的lincmos工艺制作是一款单通道,8位AD转换芯片,具有转换速度快（〈2.5μS）,接口电路简单,无需外部时钟等优点.该芯片采样率最高可达20M/S,可以满足系统需求.

TLC0820的控制信号主要有WR,RD,INT,MODE等,其中MODE脚可以用来决定工作在READMODE或者WRITEREADMODE.WR为转换开始信号,当WR由高变低时,转换开始.RD为读信号,当RD为低时,MCU将转换完成的数据读回.INT为转换完成标志信号,当一次转换完成后,INT由高变低,可将INT脚作为中断使用.

在实际应用中,由89S52发出转换开始信号,由于0820转换时间短,故不再使用INT脚,经过短暂延时后发出读信号,读回数据即可.

●DA芯片我们选用TI公司的TLC7528,它是电压输出型DA转换器,输入阻抗为20K,其采样频率可达10MHz.ADC7528C是双路,8位数字-模拟转换器,它们设计成具有单独的片内数据锁存器,其特点包括非常紧密的DAC至DAC（DAC-to-DAC）一致性.数据通过公共8位输入口传送至两个DAC数据锁存器的任一个.控制输入端DACA/DACB决定哪一个DAC被装载

固定输入电压（Vref）与模拟输出电压之间的关系为：

Vo=-Vi×（D/256）（2-1）

式中：

Vo为模拟输出电压

Vi为固定输入电压（Vref）

D为转换至十进制的数字输入代码

在实际应用中,只需产生7528的写信号,即可将数据写入并进行DA转换

3.外部数据存储器SRAM

系统要求有32K的外部数据扩展,为此我们选用62256作为扩展芯片.

62256是32K*8位的静态随机存储器.它是应用高性能、高可靠性的CMOS技术制造,适用于高密度、高速的系统应用.单一5V电源供电.快速存取时间8/10/12/15ns.低运转功率消耗80mA.全静态运转.三态输出.所有的输入、输出与TTL相兼容.

当CS＝0,OE＝0,WE=1时,数据读出,read有效.当CS＝0,WE=0时,数据写入.

4.外部数据存储器EEPROM（日历钟）

我们选用PCF8583作E

PROM.PCF8583是实时日历钟电路基于一个2048-bit静态CMOSRAM,具有256字节（8-bit）.地址和数据通过2条双向的

总线串行传输.当每个字节被读或写后,内置字节地址寄存器自动增加.地址管脚A0用于编程硬件地址,在不添加其他硬件的情况下,允许连接2个设备到地址总线.内置32.768K的晶振和前8字节的RAM用于4年时钟和计数功能.余下8字节用于报警寄存器.最后的240字节用于低电压RAM.

总线接口运转电压为2.5-6V.具有通用定时器报警和溢出标志.

5.键盘及数码管显示接口芯片

为了达到节省IO口从而实现更多扩展功能的目的,我们使用ZLG7289A作为键盘与数码管的接口芯片.

ZLG7289具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片,该芯片同时还可管理多达64键的键盘矩阵,单片即可完成LED显示,键盘接口的全部功能.

ZLG7289A内部含有译码器,可直接接受BCD码或16进制码,并同时具有2种译码方式,此外,还具有多种控制指令,如消隐,闪烁,左移,右移,段寻址等.

指令结构有3种类型：

不带数据的纯指令；带有数据的指令；读取键盘数据指令.

在使用了7289后,仅需3个IO口即可完成对16位键盘及8位8段显示数码管的管理.

6.串行通信接口芯片

MAX232是双驱动/接收器.采用LinBICMOS处理技术.包含电容性电压发生器,由单一5V电源提供EIA-232电平.每一个接收器将EIA-232输入转化为5VTTL/CMOS电平.这些接收器具有典型的1.3V极限电压及典型迟滞电压0.5V,可以接受

的输入.每一个驱动器将TTL/CMOS电平转化为EIA-232电平.

鉴于以后应用中可能使用RS232标准进行通信,我们选用MAX232作为串口通信接口芯片.

7.锁存器

在对外部程序与数据存储器进行读或写操作时,或对打印机接口进行写操作时,都需要先将地址信号锁存起来.

选用74HC573作数据总线的驱动器.具有闭锁使能端和输出使能端,由闭锁使能端控制信号的转换,当闭锁使能端变低时,对信号进行锁存.当输出使能端变高时,输出高阻状态.

我们选用74HC377作打印机驱动芯片.它由8个D型触发器构成.在时钟使能端有效时,时钟上升沿触发,将数据输入转化为输出.时钟使能端的应用避免了错误的时钟触发.时钟使能端无效时,数据仍然锁存在74HC377的输出端,用于打印机输出.

8.运算放大器

鉴于我们设计最小系统需要功率输出,而TL082C和TL084C具有功率输出的功能,因此选用TL082C和TL084C作本小系统的运算放大器.

这些低成本的JFET输入运算放大器联合两种巧妙的线性技术在单块集成电路中.每一内部补偿运算放大器都能与高电压JFET输入设备的低输入偏移电压相匹配.这种BIFET技术为低输入偏置电流,输入偏移电流和输出电流提供了宽带宽（4MHz）和快速回转率（13V/us）.

9.显示装置

为了增强系统显示功能,我们采用lcd1602液晶显示器作为显示芯片.它是一种工业型液晶,可显示16（行）×2（列）的字符,包括阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等.

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B,显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”.

因为1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接赋值,在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值,如'A’.

三．系统硬件框图及地址分配

1.在完成芯片的选型后,我们画出硬件框图如下

2.系统地址分配表

采用74138对各芯片进行地址分配,分配表如下

芯片

地址

芯片

地址

62256

0000H-7FFFH

DA7528

8000H-8FFFH

AD0820A

9000H-9FFFH

AD0820B

0A000H-0AFFFH

打印机

0B000H-0BFFFH

1602

0C000H-0CFFFH

ZLG7289

0D000H-0DFFFH

EXP（扩展）

0F000H-0FFFFH

四．系统电路设计

1.电源及滤波电路

本系统采用双路电源（DC5V-GND,DC12V--12V）供电，为了防止人为原因造成电源接反，电源使用对称设计，如下

为了给各芯片提供稳定的工作电压，系统中构建了滤波电路来消除噪声信号对Vcc的影响，形成了滤波电路如下

其中各滤波电容应尽量靠近其对应芯片Vcc处，图中为展示电路而将电容排在一起，在实际印制电路板的过程中要注意滤波电容的位置。

2.总线形成电路及单片机外部电路（晶振,复位）

●总线的形成

本系统工作方式为三总线控制，包括：

数据总线D0-D7,地址总线A0-A15，控制信号。

其中P0口作为数据线与地址低位线，P2口作为地址高位线，P3口用于输出控制信号，剩下P1口作为基本IO口。

利用74573作地址信号锁存，把A0-A7与其输入端相连，将ALE与闭锁输出端连接，当单片机往外发送地址信号时，ALE输出高电平，地址信号发送完毕，ALE变低，将地址信号锁存，将74573的输出端与62256的A0-A7相连。

将A8-A15与62256的A8-A15相连来构成对32KSRAM的选址，D0-D7与D0-D7相边来构成数据的传送。

电路形式如下

利用74LS138作为地址选择芯片，对其余芯片进行片选，电路如下

各芯片的数据端可直接与单片机P0口相连，控制信号也可直接相连，电路形式不再描述。

●单片机外部电路

单片机外部电路是给单片机提供上电复位以及振荡信号的电路，形式较为简单，如下：

3.键盘及数码管控制电路

键盘和数码管统一分配给ZLG7289A管理。

ZLG7289A的管脚分布如下：

主要管脚功能如下：

●/CS：

片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据，但其为高电平时，仍然可以检测到中断。

●CLK:

同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，引引脚电平上长沿表示数据有效，即在上长沿取数据。

●DATA:

串行数据输入端，向芯片发送指令时，此引脚为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在“读”指令最后一个时钟的下降沿变成输出端。

●/KEY：

按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚变成低电平。

●SG-SA，DP：

对数码管的8位进行驱动.

●DIG0-DIG7:

数字0-数字7驱动输出。

在了解了其引脚功能后，我们连接电路如下

我们由P1.6脚发出CLK信号，并从P1.7脚发送指令或者数据，来控制7289以达到读取键盘输入及控制数码管的目的。

7289A的指令分为纯指令和带数据的指令两部分，只需通过正确的时序写入正确指令，即可完成键盘的读入，数码管由0-9ABCDEFHLP的显示。

4.AD/DA转换电路

●AD部分

AD转换要有前向调理电路的存在，主要功能是对信号进行增益调整，偏置调整，平滑，滤波处理，为此，系统中使用了TL084构成调理电路如下：

电路中前一部分为增益调整，偏置调整电路，增益调整主要靠KW302来实现，通过如下公式计算：

k=20*lg|（RW302/R301）|,但这并不能作为整个调理电路的增益，因为在后级平滑电路中还有增益。

电位器KW301用来调整偏置，ADVREF为2.5V，DAVREF为-2.5V，电位器最大阻值为50KΩ，调整精度为（2.5-（-2.5））*5/50K＝0.5mv.

电路后一部分为滤波电路，主要对信号进行平滑处理，滤去高频杂波，由公式计算可以得到其截止频率为1/（2*π*10K*1nf）=159KHZ

为了更好地得到电路的性能指标，我们使用仿真软件对其进行了模拟，其模拟结果如下：

AD芯片接口电路如下，由74138进行地址的分配，LM366-2.5提供稳定的2.5V参考电压，AT89S52的WR/RD与/RD/WR相连，作为读写信号，我们在软件的设计中采用延时读入数字信号的方案，故可以将INT悬空，OFLW用来作为模拟信号超出限定值的报警指示，D0-D7直接与S52的D0-D7相连即可。

●DA部分

由于DA部分要求功率输出且进行滤波处理，故在后输出接上由TL082构成的运放电路如下。

电路截止频率计算如AD部分。

对电路进行仿真分析结果如下：

DA芯片接口电路如下：

由74ls138引出地址信号进行片选，由S52的WR引脚发出写命令信号来写入数字信号，/DACA与DBCB为通道选择信号，在实际使用中，只要将数据放在数据线上，发出写信号即可进行DA转换。

5.串行接口电路

接口电路如图：

使用MAX232构成RS232串行通信,T2IN与S52上的TXD相连，构成输出通道，R2OUT与S52上的RXD相连，构成输入通道。

6.日历钟电路

7.总线扩展及打印机电路

8.LCD接口电路

9.其余电路