武汉理工大学单片机课程设计.docx

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武汉理工大学单片机课程设计

摘要

单片机最小系统，无论对单片机初学人员还是开发人员都具有十分重要的意义，可以利用最小系统进行编程实现工业控制。

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、独立6个8段LED数码管显示电路以及DS18B20温度传感器。

利用相关设计软件进行原理图设计利用Keil软件编程以及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。

关键字：

单片机最小系统矩阵键盘LED显示DS18B20温度传感器Protueskeil

Abstract

MCUminimumsystem,regardlessofthesinglechipnovicestafforstaffdevelopment，whocanuseminimumsystemprogramforindustrialcontrol，hasveryimportantsense.MCUminimumsystemboardintheMCUdevelopmarketandcollegestudentselectronicdesignisverypopular.Thecurriculumdesign,includingSTC89S52MCUminimumsystem（includingaresetandclockcircuitandpowersupplysystem）,4x4matrixkeyboard,theindependent6LEDdigitaltubedisplaycircuitandaDS18B20temperaturesensor.Usingcircuitdesignsoftwareschematicdesign,usingKeilsoftwareandProtuessoftwaresimulation,weconsolidatetheMCUapplication,analogcircuit,digitalcircuitcourseandlearnallkindsofengineeringsoftwareuse.

KeyWords：

MCUminimumsystemmatrixkeyboardLEDdigitaltubedisplayDS18B20temperaturesensorKeilProtues

1.基本原理及电路图

单片机最小系统,或者称为最小应用系统，是指用最少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它外部设备。

本次设计主要完成的扩展电路包括矩阵键盘、数码管显示电路、温度检测电路和串口电路。

其原理框图如下图1.1所示：

图1.1系统原理框图

本设计中选用的微处理芯片是STC89C52，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，2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。

另外STC89X52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。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

2.硬件电路原理与设计

硬件电路主要由复位电路、振荡电路、数码管显示电路、矩阵键盘电路和串口电路等组成。

2.1复位电路

单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。

当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。

复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。

具体数值可以由RC电路计算出时间常数。

复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。

。

2.1.1上电复位

STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。

2.1.2按键复位

按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。

电路图如图2.1。

图2.1按键复位电路

2.2振荡电路

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

　　在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。

如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡

电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。

其电路原理图如2.2所示。

图2.2晶体振荡电路

2.3数码管显示电路

LED数码管显示是利用半导体发光制成条形的发光二极管，封装在一起组成数字或其他符号形状。

数码管根据公共端不同，分为共阴极和共阳极两种形式。

图2.3共阴极数码管内部电路

图2.4共阳数码管电路内部电路

图2.5共阴数码管

根据设计需要，本次选用共阴极数码管。

由于一个数码管不能实现多位数显示，同时从节省I/O端口考虑，结合数电知识，利用两片74HC573扩展单片机的IO口，两片74HC573的输出分别接6位7段共阴数码管的段选端和公共端。

74HC573是8数据锁存器。

主要用于数码管、按键等等的控制，其输出受输出允许端OE和锁存允许端LE的控制，当LE为高时锁存器输出为高阻态，当OE为低，LE也为低时，输入端的信号输出到输出端。

在这里，使用两片74HC573的目的是为了扩展IO，达到时分复用单片机P0口的目的。

输出端与6位7段阴数码管相连，共同组成数码管显示电路。

电路图如图2.6所示。

图2.6数码管显示电路

2.4串口通信电路

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线UniversalSerialBus或者USB混淆）。

大多数计算机包含两个基于RS232的串口。

串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。

同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。

尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。

它很简单并且能够实现远距离通信。

比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。

典型地，串口用于ASCII码字符的传输。

通信使用3根线完成：

（1）地线，

（2）发送，（3）接收。

由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。

其他线用于握手，但是不是必须的。

串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。

MAX232是电平转换芯片。

1970年，美国电气学会规定“RS232”串口通信协议。

规定逻辑“1”，-5—-15V；逻辑“0”，+5—+15V。

噪声容限为2V。

要实现利用串口与单片机进行通信，就要进行电平转换，把标准转化成单片机可以识别的。

MAX220–MAX249都是电平转换芯片，在单片机最小系统中，使用MAX232。

其电路原理图如图2.7所示。

图2.7串口电路

2.5矩阵键盘电路

从编码的功能上，键盘又可以分成全编码键盘和非编码键盘两种。

全编码键盘是由硬件完成键盘识别功能的，它通过识别键是否按下以及所按下键的位置，由全编码电路产生一个唯一对应的编码信息（如ASCII码）。

非编码键盘是由软件完成键盘识别功能的，它利用简单的硬件和一套专用键盘编码程序来识别按键的位置，然后由CPU将位置码通过查表程序转换成相应的编码信息。

非编码键盘的速度较低，但结构简单的，并且通过软件能为某些键的重定义提供很大的方便。

编码键盘本身带有实现接口主要功能所需的硬件电路，不仅能自动栓测被按下的键并完成去抖动防串键等功能，而且能提供与被按键功能对应的键码（如ASCⅡ码）送往CPU，而非编码键盘只简单的提供按键开关的行列矩阵，有关键的识别，键码的输入与确定，以及去抖动等功能场由软件完成。

在这里，我们所需要的按键完成的功能就只是简单的功能切换和数字输入的功能，选用功能强大的全编码键盘太不经济，所以在这里选用结构简单的非编码键盘。

非编码键盘一般也分为两种：

一种是结构更为简单的独立键盘，另一种是矩阵键盘。

独立键盘的按键的一端接地，另一端接单片机IO口，单片机通过检测IO口上的电平变化来判断键盘是否按下，从而做出相应动作。

其电路图如图2.8所示。

图2.8独立键盘电路

由于独立键盘占用IO口较多，而本设计中使用到的按键有比较多，所以在这里选用占用IO口比较少的矩阵键盘。

矩阵键盘的工作原理是：

从0行开始，顺序行扫描，即该行输出为0。

每扫描一行，读入列线数据，从0开始，列检查，找该行输出为0的列，若无，则顺序扫描下一行，并检查其各列；若找到某列线为0，则该列与检查行交叉的按键为被按下的键。

从0行0列开始，顺序将按键编号，就可以按扫描的值得到按键的值。

本设计使用的是4个独立按键,其功能设置为时间的显示、时间的设置、温度的显示和数字频率的显示。

此外还要消除按键在闭合或断开时的抖动。

消除抖动的方法可采用消抖电路（RS触发器闩锁电路硬件消除抖动），也克采用延时方式软件消除抖动（延时后再重读，以跳过抖动期）。

在矩阵键盘中，通常采用软件消除抖动。

本设计中主要使用了独立键盘，故电路图中简要的画出了4*4的矩阵键盘，其电路原理图如图2.9所示。

图2.9矩阵键盘电路

2.6温度检测模块

本设计中采用的温度传感器是单总线的DS18B20,该芯片测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三