单片机的系统开发设计方案Word文档格式.docx

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设计结果要求：

完成电路的设计，硬件电路应该设计出原理图并画出PCB板图，完成软件程序的编写（包括流程图和部分源代码）。

1.3设计方案的选择

根基设计目标的要求，此系统可以采用以下两种设计方案来实现。

方案一：

设计的方框图如图1所示：

图1方案一设计方框图

从方案一的方框图中我们可以看出用此设计方案设计的系统由信号源即被测对象、传感器、多路模拟开关、采样保持电路、A/D转换电路、控制电路、PC机、D/A转换电路、低通滤波电路、功率放大电路、激励装置、电源电路等部分组成。

此方案的特点是：

硬件电路的实现相当的复杂，用到的元器件也较多；

而且整个系统的控制过程用软件实现起来也比较的困难。

总之是软件和硬件的实现都比较的复杂。

方案二：

设计的方框图如图2所示：

图2方案二设计方框图

从方案二的设计方框图中可以看出用此方案设计的系统由电源电路、数据采集放大电路、A/D转换电路、D/A转换电路、MAX232串行接口电路、单片机外围电路、LED显示电路、键盘电路等部分组成。

硬件电路的实现较为简单、所用元器件也较少、系统可以配上外部的各种传感器采集电路作为系统的被测对象的模拟输入信号来源，如压力、温度、湿度的采集等等；

配上相应的模拟采集电路和软件就可以实现各种不同的功能、还能用LED数码管十进制显示相应的测量数据，如可以显示测得的

压力、温度、湿度；

还可以实现和PC机串行通信和ISP编程下载功能，不需要编程器直接从PC上下载程序。

对比两种设计方案，我选择方案二来设计此系统，因为方案二的硬件电路比方案一较简单；

方案二配上外部的采集电路和相应的软件就可以实现各种不同的功能，而方案一只能实现一种功能；

方案二的软件控制过程也比方案一的较为简单和直观，方案二的性能也比方案一的稳定，所以选择方案二来设计此系统。

1.4论文结构

本论文包括五个部分，分别为：

1.绪论（系统开发背景、设计的意义、设计目标和方案的选择等）；

2.系统硬件设计（包括各模块的硬件电路设计、主要芯片的介绍等）；

3.系统软件设计（包括主程序流程图的设计、控制算法、）；

4.系统调试（包括硬件、软件的调试）；

2硬件系统设计

2.1硬件设计框图

硬件电路的设计框图就采用上面我们选择的方案二的设计框图。

如图3所示：

图3系统硬件设计框图

本设计的主要硬件电路包括：

电源电路、A/D转换电路、D/A转换电路、单片机与PC机串行通信接口和ISP编程下载电路、单片机外围电路、LED显示电路、键盘电路等部分。

2.2系统的硬件详细设计

系统的硬件详细图如图4所示：

图4系统硬件详细设计图

2.3主要芯片的介绍

2.3.1单片机AT89S52

AT89S52是低功耗，高性能CMOS8位单片机，可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，其主要特点为：

（1）、40个引脚DIP-40封装，8kBytesFlash片内程序存储器；

（2）、256bytes的随机存取数据存储器（RAM）；

（3）、5个中断优先级2层中断嵌套中断；

（4）、2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信接口。

其引脚封装如图5所示；

主要引脚介绍如下：

图5单片机AT89S52封装图

（1）VCC、GND电源、接地引脚；

（2）XTAL1、AXTAL2外部振荡器接入的两个引脚；

（3）RESET复位信号输入引脚；

（4）RXD、TXDP3口作第二功能引脚用作串行通信接口输入、输出引脚；

（5）P0.1—P0.7数据/地址总线引脚；

P1.0—P1.7一般的I/O口；

P2.0—P2.7一般的I/口。

2.3.2A/D转换芯片MAX187

MAX187是串行12位ADC,内含高速采样保持器和基准电源，3条串口线，接口标准与ISP兼容，其主要特性如下：

（1）+5V单电源供电；

（2）正常工作电流小于1.5mA；

（3）最大转换时间为8.5μs，采样时间为1.5μs；

（4）采样频率达75Kbps，串行数据输出速率可达到5MHz。

MAX187的封装图如图6所示：

、

图6MAX187的封装图

（1）VDD+5V电源；

（2）AIN模拟量输入，电压范围0——VREF；

（3）操作模式选择,低电平为休眠模式，正常操作模式为高电平或悬空，高电时使用内部参考模式，悬空时禁止使用内部参考；

（4）REF参考电压，内部参考为4.096V，使用内部参考时此引脚对地接一个4.7μF的电容。

使用外部参考时，接2.5V—VDD的基准电压；

（5）GND接地引脚；

（6）DOUT数据输出引脚；

（7）片选信号输入引脚；

（8）SCLK时钟信号输入引脚，最高为5MHz。

2.3.3D/A转换芯片TLC5618

TLC5618是可编程双路12位数/模转换器，TLC5618的特点：

（1）可编程至0.5LSB的建立时间；

（2）3线串行接口；

（4）高阻抗基准输入；

（5）电压输出范围为基准电压的两倍。

TLC5618的引脚排列如图7所示，各个引脚的功能如下所述：

图7TLC5618的引脚封装

（1）DIN数据输入；

（2）SCLK串行时钟输入；

（3）CS芯片选择，低电平有效；

（4）OUTADACA模拟输出；

（5）AGND模拟地；

（6）REFIN基准电压输入；

（7）OUTBDACB模拟输出；

（8）VDD正电源。

2.4各功能模块电路的设计

2.4.1串行通信电路

单片机与PC机串行通信接口电路及编程下载电路如图8所示：

图8单片机与PC机串行通信接口的电路

本设计的串行通信部分主要是由MAX232电平转换电路和ISP编程下载电路组成，其原理是：

MAX232芯片把单片机引脚的COMS电平（0—5V）转换为RS232电平（-12V—+12V），AT89S52单片机有一个全双工的串行通信口，而PC机有一个RS232的通信接口。

只要用RS232D型9针的引脚的双边母头接到PC机上，而另一头和MAX232相连接，MAX232的输出再和AT58S52相连就可以实现单片机和PC机的串行通信[1]。

具体连线如上图8所示，AT89S52的串行通信引脚的TXD和RXD分别接到MAX232的T1IN和T1OUT上，MAX232的R1OUT和R1IN分别接到RS232的2、3上，RS232的5脚接地。

MAX232外围元件只有四个电容，根据MAX232的典型应用电路，可取0.1μF∕50V的电解电容。

ISP编程口和AT89S52的连线为：

AT89S52的P1.5、P1.6P1.7、RESET分别连接到ISP的3、4、5、7脚上，ISP的1、2脚联合接电源9、10脚联合接地即可.直接从上位机上下载可执行的二进制代码文件，无须外加写读器。

D1为下载指示灯，R1为限流电阻，发光二极管的压降为2V，电流取5mA,其阻值为：

R1=5-2/0.005=600Ω，考虑到和ISP一起共电，在此取1K。

2.4.2单片机外围电路

单片机外围电路如图9所示：

图9单片机外围电路

单片机外围电路由复位电路、晶振电路、外部存储器电路组成。

复位电路采用上电和按键都有效的复位电路。

此电路能实现开机和单片机在运行时的复位，开机复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作，开机瞬间单片机的RST引脚获得高电平，随着电容C7的充电RST的高电平将逐渐下降。

RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。

此电路还可以实现单片机在运行期间，手动来实现复位操作，在晶振为12MHz时，C7为10μF、R1为10K、R2为1K。

单片机的时钟信号为内部时钟方式，单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接一石英晶体振荡器，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生了时钟脉冲信号，图中C5和C6的作用是稳定频率和快速起振，电容值选为22μF[2]。

24C02是外部存储器，它的A0-A2管脚是地址脚，当一个电路中有多个I2C总线元器件时，单片机通过设置这三个管脚来区分是与那个元器件通信。

现只有这一个I2C总

线芯片，所以P3.4和P3.5上传输的I2C信号只能是与这个芯片进行通信[3]。

我们将此三个管脚接地，表示其地址为000B。

2.4.3A/D转换和D/A转换电路

A/D转换和D/A转换电路如图10所示：

图10A/D和D/A转换电路

A/D转换电路主要由A/D转换芯片MAX187和外围电容组成；

D/A转换电路主D/A转换芯片TLC5618组成，MC1403是为TLC5618提供基准参考电压而设置的。

MAX187是12位A／D转换芯片，C20和C12并联起电源去藕的作用。

为保证采样精度，最好将MAX187与AT89S52分开供电。

4脚为参考端接一个4.7μF的电容，这是使用内部4.096V参考电压方式。

输入模拟信号的电压范围为0～4.096V，如模拟输入电压不在这个范围要外加电路进行电压范围的变换。

其工作过程是：

使用内部参考时，电源开启后，经过20ms后参考引脚的4.7μF电容充电完成，可进行正常的转换操作。

当为低电平时，在下降沿MAX187的T／H电路进入保持状态，并开始转换，8.5μs后DOUT输出为高电平作为转换完成标志。

这时可在SCLK端输入一串脉冲将结果从DOUT端移出，读入单片机中处理。

数据读取完成后将置为高电平。

要注意的是：

在置为低电平启动A/D转换后，检测到DOUT有效（或者延时8.5μs以上），才能发SCLK移位脉冲读数据，SCLK至少为13个，发完脉冲后应将置为高电平。

MAX187完整的操作时序如图11所示。

图11MAX187的操作时系

D/A转换电路主要由D/A转换芯片TLC5618组成，TLC5618是带有缓冲基准输入的可编程双路12位数/模转换器。

TLC5618的内部结构如下图图12所示，TLC5618由12位的A/D转换器、A逻辑控制器、双缓冲寄存器、16位移位寄存器、上电复位电路及寄存器A、B组成。

上电复位功能可确保重复启动。

DAC输出电压范围为基准电压的两倍，其输出极性与基准电压输入相同；

基准电压来自基准电压芯片MC1403的输出端，其输出基准电压为VO=2.5V+0.025V，上电时内部电路把DAC寄存器复位至0，输出缓冲器具有可达电源电压幅度的输出。

图12TLC5618的内部结构

16位的数据中，前4位（D15—D12）为编程控制位，其功能如下表1所示；

后12位