武汉理工大学通信13级单片机课设.docx
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武汉理工大学通信13级单片机课设
目录
摘要I
AbstractII
1项目要求与说明1
1.1实习所需主要材料1
1.2基本任务2
2系统总体设计4
2.151单片机内部结构4
2.251单片机引脚功能6
2.3单片机最小系统8
3系统单元原理与设计10
3.1系统硬件设计10
3.1.1时钟电路10
3.1.2复位电路10
3.1.3矩阵键盘模块设计11
3.1.4数码管显示模块设计12
3.1.5串口下载模块设计14
3.1.6系统整体设计电路图16
3.2系统软件设计18
3.2.1系统主程序模块18
3.2.2功能选择模块19
3.2.3数据输入模块19
3.2.4数据显示模块20
3.2.5数据通信模块20
4仿真分析22
4.1Proteus硬件仿真环境简介22
4.2仿真过程记录23
4.2.1数据输入功能仿真23
4.2.2数据输出功能仿真24
4.2.3串口通信功能仿真26
4.3仿真结果分析26
5实物的制作与调试27
5.1实物的制作27
5.2电路的调试过程28
5.2.1数据输入功能调试28
5.2.2数据输出功能调试30
5.2.3串口通信功能调试33
5.3电路的调试结果分析34
5.4调试过程中遇到的问题34
6心得体会35
7参考文献36
附录37
附录1整体电路图37
附录2元件清单39
附录3单片机程序40
摘要
单片微型计算机简称单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。
随着电子技术的发展，大规模及超大规模集成电路和制造工艺的进一步提高，单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，广泛应用于控制系统、数据采集系统、智能化仪器表等领域。
单片机最小系统电路板在单片机开发市场和大学生电子设计方面十分流行。
本次课程设计包括STC89S52单片机最小系统包括复位和时钟电路及供电系统、4×4矩阵键盘、6个7段LED数码管显示电路以及MAX232和RS-232标准串口构成的串口通信电路。
利用相关设计软件（AltiumDesigner）进行原理图设计，利用Keil软件编程，利用Proteus软件仿真，借此巩固单片机应用、模拟电路、数字电路课程及学会各种工程软件的使用。
本次实习完成了单片机最小系统及扩展电路的设计、焊接、调试，完成了ISP下载电路的设计、焊接，实现了数据输入、数据显示、串口通信三大功能，完成了实习任务要求，可以在自己设计的单片机最小系统硬件上实现实习要求的所有功能。
关键词：
单片机最小系统矩阵键盘仿真电路
Abstract
Asthesinglechipcomputer,alsoknownasmicrocontroller,isanimportantbranchofmicrocomputer.Withthedevelopmentofelectronictechnology,furtherimprovethelarge-scaleandultralargescaleintegratedcircuitandmanufacturingtechnology,singlechipwithaseriesofadvantagesofhighreliability,highperformance,lowvoltage,lowpowerconsumption,iswidelyappliedinthecontrolsystem,dataacquisitionsystem,intelligentinstrumentetc..MCUminimumsystemcircuitboardisverypopularintheSCMdevelopmentmarketandUndergraduateElectronicdesign.ThecurriculumdesignincludesSTC89S52minimumsystemmicrocontrollerincludesaresetandclockcircuitandpowersupplysystem,4*4matrixkeyboard,theindependent8LED8segmentdigitaltubedisplaycircuitandtheserialcommunicationofMAX232andRS-232standardserialport.TherelateddesignAltiumdesignersoftwareschematicdesign,usingkeilsoftwareprogramming,usingtheProteusSoftwaresimulation,therebyconsolidateMCUapplication,analogcircuit,digitalcircuitcourseandlearnavarietyofsoftwareengineering.
Thecompletedaninternshipinthesmallestsingle-chipmicrocomputersystemandtheexpansionofthecircuitdesign,weldinganddebugging,theISPdownloadcircuitdesign,welding,realizethethreefunctionsofdatainput,datadisplay,serialcommunication,completionoftheinternshiprequirement,candesigntheirownsinglechipmachineminimumhardwareimplementationpracticerequirementsofallfunctions.
Keywords:
SCMtheminimumsystemconfigurationkeyboardsimulationcircuit
1项目要求与说明
1.1实习所需主要材料
（1）单片机最小系统部分
序
号
名称
数量
1
万能实验电路板
1块
2
单片机STC89C52
1只
3
晶振12MHz
1只
4
30PF瓷片电容
2只
5
10k/0.25W电阻
1只
6
10uF/16V电解电容
1只
7
2k/0.25W电阻
1只
8
10k/9脚排阻
1只
9
5V/500mA直流电源
1个
10
排针、按钮、LED、导线等
若干
（2）下载电路部分
序
号
名称
数量
1
万能实验电路板
1块
2
MAX232
1片
3
0.1uF瓷片电容
4只
4
DB9插座
1只
5
RS-232C串口电缆（9针）
1根
（3）扩展电路部分
扩展电路部分材料根据设计方案确定。
（4）软件部分
序
号
名称
数量
1
电路设计软件PROTEL
1套
2
编程软件KeiluV2
1套
3
仿真软件PROTEUS
1套
4
下载软件stc-isp
1套
（5）工具
序
号
名称
数量
1
PC（带RS-232C口）
1台
2
万用表
1块
3
电烙铁
1只
4
焊锡、松香等
若干
1.2基本任务
1）利用上述材料完成包含如下系统功能组件的单片机最小系统的设计、焊接、调试
（1）键盘
一个4*4的矩阵键盘，其中，10个按键是0~9数字键；另外6个是功能键，用于功能选择和控制，如“数据输入”、“数据显示”、“串行通信”功能选择键，以及“回车”、“清除”、控制键。
（2）显示电路
由6个7段LED数码管组成的显示电路。
（3）串口串行通信
1）利用51的串口实现串行通信接口电路。
2）完成ISP下载电路的设计、焊接
3）完成系统软件的设计，包括程序结构设计、流程图绘制、程序设计，实现如下功能
（1）功能选择
通过功能选择键，使得单片机处于不同的工作状态并通过LED显示相应的内容；可选择的功能包括：
数据输入；数据显示；串口通信
（2）数据输入
通过功能选择键选择“数据输入”后，可分次输入10个4位十进制数据，并将输入的数据保存在内部RAM中。
数据输入要求：
1）第一步输入序号0~9，表明输入的是第几个4位十进制数据；
2）第二步按下回车键，完成序号输入；
3）第三步输入最多4位的十进制数据；
4）第四步按下回车键，完成数据输入；
5）重复第一步，开始新数据的输入；
6）输入数据的显示格式是：
最左边是序号，然后是空格，之后是从右到左的最多4位十进制数；
7）若在输入过程中（第一步或第三步）出现错误，按“清除”键，重新从第一步开始输入数据。
或者，自己设计10个十进制数的输入及显示方式。
（3）数据显示
通过功能选择键选择“数据显示”后，可显示之前输入的10个4位十进制数据中的任一个，要求：
1）第一步输入序号0~9，表明显示的是第几个4位十进制数据；
2）第二步显示相应的数据；
3）重复第一步、第二步，显示其他的数据；
4）数据的显示格式是：
最左边是序号，然后是空格，之后是要显示的数据，从右到左最多4位十进制数。
或者，自己设计数据的显示方式。
（4）数据通信
将两个单片机最小系统通过串口连接起来，其中一个作为主系统，另一个作为辅系统。
当通过功能选择键选择“串行通信”后，当在主系统上按下数字键后主系统的LED按从左向右移东的方式显示按键输入的数字，同时辅系统的LED上显示与主系统同样的内容。
4）利用仿真软件完成系统仿真工作；
5）在单片机最小系统硬件上实现任务3中规定的功能。
2系统总体设计
采用单片机控制。
利用单片机丰富的I/O端口，及其控制的灵活性，实现基本的功能选择、数据输入、数据输出、串口通信等不同功能。
不但能实现基本的显示功能，而且能在很大的程度上扩展功能，还可以方便的对系统进行升级。
为此我们采用了单片机进行设计，相对来说功能强大，用较少的硬件和适当的软件相互配合可以很容易的实现设计要求。
单片机控制实现方案框图，如下图所示。
图2-1单片机控制实现方案框图
2.151单片机内部结构
MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。
MCS-51单片机内包含下列几个部件：
◆一个8位CPU；
◆一个片内振荡器及时钟电路；
◆4K字节ROM程序存储器；
◆128字节RAM数据存储器；
◆两个16位定时器/计数器；
◆可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路；
◆32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；
◆一个可编程全双工串行口；
◆具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
频率基准源计数器
串行串行
中断控制并行I/O口输入输出
图2-28051单片机框图
1、CPU
CPU是单片机的核心部件。
它由运算器和控制器等部件组成。
运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。
定时与控制部件有时钟电路组成。
8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式时钟电路如图2-2所示。
在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶振可以在1.2MHz到12MHz之间选择，电容值在5-30PF之间选择，电容的大小可起频率微调作用。
图2-3内部方式时钟电路
外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器就行。
对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。
P1在每一个状态S的前半部分有效，P2在每个状态的后半部分有效。
2、存储器
MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器空间是互相独立的，物理结构也不同。
程序存储器为只读存储器（ROM）。
数据存储器为随机存取存储器（RAM）。
单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、I/O口锁存器统一编址的方式。
有关存储器的内容将在下一节中详述。
3、I/O端口
I/O端口又称为I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路，I/O端口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传送一位二进制信息，并行I/O端口一次能传送一组二进制信息。
4、总线
MCS-51单片机属总线型结构，通过地址/数据总线可以与存储器（RAM、EPROM）、并行I/O接口芯片相连接。
在访问外部存储器时，P2口输出高8位地址，P0口输出低8位地址，由ALE（地址锁存允许）信号将P0口（地址/数据总线）上的低8位锁存到外部地址锁存器中，从而为P0口接受数据作准备。
在访问外部程序存储器（即执行MOVX）指令时，PSEN（外部程序存储器选通）信号有效，在访问外部数据存储器（即执行MOVX）指令时，由P3口自动产生读/写（
/
）信号，通过P0口对外部数据存储器单元进行读/写操作。
单片机最小系统，是指用最小的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。
单片机接口电路主要用来连接计算机和其他外部设备。
2.251单片机引脚功能
MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。
图2-4为引脚排列图，40条引脚说明如下：
图2-48051引脚排列图
其中，P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。
P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如下表所示：
表2-1P3口引脚功能
引脚号
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
外部数据存储器写选通
P3.7
外部数据存储器读选通
RST（9引脚）：
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。
看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/（30引脚）：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址位8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN（29引脚）：
是外部程序存储器选通信号。
当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，
在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，
将不被激活。
EA/VPP（31引脚）：
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。
注意加密方式1时，将内部锁定位RESET。
为了执行内部程序指令，应该接VCC。
在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。
XTAL1（19引脚）：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（18引脚）：
振荡器反相放大器的输入端。
2.3单片机最小系统
51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。
51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。
51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好
P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。
其他接口内部有上拉电阻，作为输出口时不需外加上拉电阻。
设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。
计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。
设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。
在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。
当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。
由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。
当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2ms。
图2-5单片机最小系统图
3系统单元原理与设计
3.1系统硬件设计
3.1.1时钟电路
STC89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
内部振荡方式和外部振荡方式。
本设计主要是用内部振荡方式完成的。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
晶振频率，以19.2K波特率为例，19.2K波特率的晶振为
19200×（256-0FDH）×384×2=11.0592（SMOD=1）
选用11.0592MHz只是为了得到精确的通信波特率，串口通信的可靠性高。
外接石英晶体及电容C2、C3接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路，起稳定振荡频率、快速起振的作用。
对外接电容C2、C3虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性，一般在20~60pF之间选择，本次采用30pF。
时钟电路设计图，如图3-1所示。
图3-1时钟电路设计图
3.1.2复位电路
单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持复位状态[11]。
此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。
RST变为低电平后，退出复位，单片机从初始状态开始工作。
对于复位电路，本设计采用上电复位电路，由于89C51是高电平复位，因此通过在RESET端接一个电阻到地，并接一个电容到电源的方式完成上电复位，上电时电源给电容充电，电容导通，因此RESET脚就相当于连接到+5V电源，开始复位，当电容充电完成后，电容断开，RESET脚被下拉电阻钳位在低电平，则退出复位状态。
复位电路设计图，如图3-2所示。
复位电路连接图如下
图3-2复位电路设计图
单片机在启动运行时都需要进行复位操作，以便使CPU和系统中的其它部件都处于某一确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
AT89C51单片机有一个引脚RST，它是施密特触发器的输入端，其输出端接复位电路的输入。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即二个机器周期）以上，若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4μs才能完成复位操作。
复位之后，使ALE、PSEN、P0、P1、P2口的输出均为高电平（即为输入状态），复位后，内部寄存器的状态如表3、1所示。
RST变为低电平后，便又退出复位状态。
CPU从初始化工作，由状态表可知，复位后：
程序寄存器为0000H开始执行程序，内部RAM不受复位影响。
复位有电复位和按键手动复位两种。
按键手动复有电平方式和脉冲方式两种。
本次设计中，为方便人的操作，采用按键手动复位的按键电平复位。
其复位电路如下表示：
表3-1复位电路表
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
0FFH
SCON
00H
IP
XX000000H
SBUF
00H
IE
0X000000H
PCON
不定
TMOD
00H
0XXX0000B
3.1.3矩阵键盘模块设计
本设计中需要用到16个按键，矩阵键盘
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