单片机综合性实验电路板的设计与制作.docx

单片机综合性实验电路板的设计与制作.docx

《单片机综合性实验电路板的设计与制作.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机综合性实验电路板的设计与制作.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

单片机综合性实验电路板的设计与制作

单片机综合性实验电路板的设计与制作

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，初学人员可以利用最小系统逐渐了解单片机的设计原理与功能，开发人员可以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非常流行，设计单片机最小系统电路板，能够让设计者迅速掌握单片机应用技术特点与实际要求。

印制电路板技术正在飞速发展，在各个领域得到了广泛应用。

本文主要对单片机综合性实验电路板进行设计和制作。

本设计选择的方法是单片机开发设计使用的传统方法，通过本次设计，可以了解整个实验电路板的设计制作过程以与模拟仿真的过程。

首先介绍了单片机的理论知识，其次根据需求分析进行了系统设计，介绍了实验电路板的组成部分，分别对每个部分的容例如：

AD、DA、复位、晶振等几个模块进行设计，其中包括主要元器件的选择、主要技术指标和技术参数的确定。

然后在Protel99SE平台下对单片机最小系统进行了详细的原理图设计以与PCB设计。

综合上述所有模块进行PCB设计，并介绍了PCB设计的参数设置，布线规则。

最后应用Proteus软件在实验板上进行软件的仿真。

我所采用的控制芯片为AT89C51，此芯片功能强大，能够满足设计要求。

利用Protel电路软件进行原理图设计，PCB布线，Proteus软件进行仿真，借此巩固单片机应用、模拟电路、数字电路课程与Protel、Proteus工程软件的使用。

初步完成了设计要求，达到了设计目的。

关键词：

实验电路板，原理图，Proteus仿真，AT89C51

1绪论

1.1单片机的历史和发展

1.1.1单片机的发展概况

单片机出现的历史并不长，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步。

1970年微型计算机研制成功后，随即在1971年，美国Intel公司生产出了4位单片机4004，它的特点是结构简单、功能单一、控制能力较弱，但价格低廉。

1976年Intel公司推出了MCS-48系列单片机，它以体积小、功能全、价格低等特点获得了广泛的应用，成为单片机发展进程中的一个重要阶段，此可谓是第一代单片机。

在MCS-48系列单片机的基础上，Intel公司在20世纪80年代初推出了第二代单片机的代表MCS-51系列单片机。

这一代单片机的主要技术特征是为单片机配置了完美的外部并行总线和串行通信接口，规了特殊功能寄存器的控制模式，以与为增强控制功能而强化布尔处理系统和相关的指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。

近几年出现了具有许多新特点的单片机，可称之为第三代单片机。

它以新一代的80C51系列单片机为代表。

同时16位单片机也有很大发展。

1.1.2单片机的主要技术发展方向

综观单片机20多年来的发展过程，再从半导体集成电路技术的发展和微电子设计技术的发展，我们可以预见未来单片机技术发展的趋势。

单片机将朝着大容量高性能化、小容量低价格化、外围电路的装化以与I／O接口功能的增强、功能降低等方向发展。

1.1.3单片机的应用领域

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理与过程控制等领域，大致可分如下几个畴：

1.在智能仪器仪表上的应用：

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

2.在工业控制中的应用：

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

3.在家用电器中的应用：

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

4.在计算机网络和通信领域中的应用：

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动，集群移动通信，无线电对讲机等。

5.在医用设备领域中的应用：

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备与病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

1.1.4典型单片机产品

器件厂家：

美国：

Intel、Motorola、Microchip、Atmel

荷兰:

Philips

德国：

Siemens

日本：

Nec

中国：

Winbond、SST

1.2课题研究的主要容

单片机综合实验电路板的设计，主要包括系统原理图的设计，硬件模块的设计，PCB电路板的成型以与系统仿真。

其中硬件模块的设计分为以下几个模块：

数字量输入输出模块，显示接口电路，键盘接口电路，定时模块，数据存储器单元和数模转换单元等。

2系统设计方案

2.1设计任务

本次设计是单片机综合实验电路板的设计，其中包括：

AD模块、显示输出模块、DA模块、矩阵键盘模块、AT89C51、串行通讯模块、电源模块、晶振复位等模块。

系统的结构框图如图2.1所示。

图2.1系统结构框图

2.2设计步骤

1.硬件模块设计

其中包括元器件的选择，元器件的介绍，具体的设计过程呵设计方案。

2.PCB板的生成

3.应用Proteus软件进行仿真。

3系统硬件模块设计

3.1基于AT89C51单片机的时钟复位电路设计

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制提供了一种灵活性高且价廉的方案。

引脚排列如图3.1所示。

图3.1AT89C51引脚排列

3.1.1AT89C51单片机的主要特性与管脚说明

㈠AT89C51单片机的主要特性

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

　　·寿命：

1000写/擦循环

　　·数据保留时间：

10年

　　·全静态工作：

0Hz-24MHz

　　·三级程序存储器锁定

　　·128×8位部RAM

　　·32可编程I/O线

　　·两个16位定时器/计数器

　　·5个中断源

　　·可编程串行通道

　　·低功耗的闲置和掉电模式

·片振荡器和时钟电路

㈡AT89C51管脚说明

*VCC：

供电电压；

*GND：

接地；

*P0口：

P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；

*P1口：

P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；

*P2口：

P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；

*P3口：

P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示：

表3.1AT89C51的一些特殊功能口

口管脚

备选功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

*RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间；

*ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效；

*/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现；

*/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）；

*XTAL1：

反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入；

*XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.1.2具体设计方案

㈠时钟电路的设计

时钟电路可以简单定义：

第一就是产生象时钟一样准确的振荡电路；第二任何工作都按时间顺序。

用于产生这个时间的电路就是时钟电路。

时钟电路的组成：

时钟电路一般由晶体震荡器、晶震控制芯片和电容组成。

时钟电路应用十分广泛，如电脑的时钟电路、电子表的时钟电路以与MP3、MP4的时钟电路。

㈡复位电路的设计

复位电路的简介：

为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。

一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。

由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以与晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。

复位电路主要有四种类型：

（1）微分型复位电路；

（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。

基本的复位方式：

单片机在启动时都需要复位，以使CPU与系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

AT89C51系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位。

本次设计采用手动按钮复位。

手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

手动按钮复位的电路如所示。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

㈢单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，我们采用的是AT89C51芯片，它部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平（PCB画板时已经接死），所以我们只用芯片部的4K程序存储器。

单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。

复位电路由20UF的电容和200Ω的电阻与一个1KΩ的电阻组成。

其时钟复位原理图如图3.2所示。

图3.2AT89C51的时钟复位原理图

3.28279键盘/显示器接口电路设计

8279是可编程的键盘显示接口芯片。

它既具有按键处理功能，又具有自动显示功能，在单片机系统中应用广泛。

8279部有键盘FIFO（先进先出站）/传感器、双重功能的64BRAM，键盘控制部分可控制8*8=64个按键或控制8*8阵列方式的传感器。

该芯片能自动消除键抖动并具有双键锁定保护功能。

显示器RAM容量为16*8，即显示器最大配置可达16位LED数码显示。

8279键盘/显示接口电路框图如图3.3所示。

图3.38279键盘/显示接口电路框图

一．8279的特点

（1）可同时进行键盘扫描与文字显示；

（2）键盘扫描模式（ScannedKeyboardMode）；

　　（3）传感器扫描模式（ScannedSensorMode）；

　　（4）激发输入模式（StrobeInputEntryMode）；

　　（5）8乘8键盘FIFO（先进先出）；

　　（6）具有接点消除抖动，2键锁定与N键依此读出模式；

　　（7）双排8位数或双排16位数的显示器；

　　（8）右边进入或左边进入。

16位字节显示存储器。

二．8279引脚说明

*DB0～DB7：

双向数据总线。

在CPU与8279间做数据与命令传送；

　　*CLK：

8279的系统时钟，100KHz为最佳选择；

　　*RESET：

复位输入线。

输入HI时可复位8279；

　　*CS：

芯片选择信号线。

当这个输入引脚为低电平时，可将命令写入8279或读取8279的数据；

　　*A0：

缓冲器地址选择线。

A0=0时，读写一般数据；A0=1时，读取状态标志位或写入命令；

　　*RD：

读取控制线。

RD=0时，8279输送数据到外部总线；

　　*WR：

写入控制线。

WR=0时，8279从外部总线接收数据；

　　*IRQ：

中断请求。

平常IRQ为LO，在键盘模式下，每次读取FIFO/SENSORRAM的数据时，IRQ变为HI，读取后转为LO；在传感器模式下，只要传感器一有变化，就会使IRQ变为HI，读取后转为LO；

　*SL0～SL3：

扫描按键开关或传感器矩阵与显示器，可以是编码模式（16对1）或解码模式（4对1）；

　　*RL0～RL7：

键盘/传感器的返回线。

无按键被按时，返回线为HI；有按键被按时，该按键的返回线为LO。

在激发输入模式时，为8位的数据输入；

　　*SHIFT：

在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储存（在BIT6），部有上拉电阻，未按时为HI，按时为LO；

　　*CNTL/STB：

在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与SHIFT以与其它按键的状态同一储存，部有上拉电阻，未按时为HI，按时为LO。

在激发输入模式时，作为返回线8位数据的使能引脚；

　　*OUTA0～OUTA3：

动态扫描显示的输出口（高4位）；

　　*OUTB0～OUTB3：

动态扫描显示的输出口（低4位）；

*BD：

消隐输出线。

3.2.18279与键盘接口电路

INTEL8279是一种通用可编程键盘/显示器接口芯片，可直接与INTEL微型单片机接口，在我们设计的电路中就采用8279来实现系统的键盘/显示器扩展功能，降低了电路的复杂度，提高了稳定性与可靠性。

8279能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。

键盘控制部分提供一种扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动识别出按下的键并给出编码，能同时按下双键或Ｎ键实行保护，其接收键盘上的输入信息存入部FIFO缓冲器，并可在有键输入时向CPU请求中断。

8279将SL0～SL2经74LS138译码输出后的Y0，Y1端作为键盘列线，RL0～RL7作为键盘行线，用以构成3*8阵列的键盘。

当有键按下时，8279可先将按下键的键值读入FIFO，然后向CPU发出中断申请，请求取走数据。

其键盘接口电路原理图如图3.4所示。

图3.4键盘接口电路原理图

74LS138的工作原理：

①当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（E2）和/（E3））为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。

比如：

A0A1A2=110时，则Y6输出端输出低电平信号。

②利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。

③若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。

3.2.28279与显示器接口

8279提供了按扫描方式工作的显示接口，其部有一个168的显示缓冲器，能对8位或16位LED自动进行扫描，将显示缓冲器的容在LED上显示出来。

每片8279只外接8位显示器，故各自外部接了一个3～8译码器74LS138。

74LS138的输入端接8279的SL0～SL2，输出作为4个显示器的位选线，经另一个74HC573接显示器接显示器的位选线，经另一个74HC573接显示器的字段码输入端a，b，c，d，e，f，g，dp，由此输入字段码在选中位上显示相应的字符。

其显示器接口电路原理图如图3.5所示。

图3.5显示器接口电路原理图

74HC573为八进制3态非反转透明锁存器。

高性能硅门CMOS器件SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。

器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。

当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。

当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。

x\u36755X出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上。

x\u25805X作电压围：

2.0V～6.0V。

x\u20302X输入电流：

1.0uA。

xCMOS器件的高噪声抵抗特性。

3.3AD转换模块设计

以AT89C51为控制中心，通过74LS138译码器，由AD574A进行AD转换，满足实验电路所需要求。

其框图如图3.6所示。

图3.6A/D模块框图

3.3.1AD574A简介

AD574A是美国模拟数字公司推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，部包含有与微型计算机接口的逻辑电路，可以很方便地与多种微型计算机系统相连，AD574A部具有参考电压源和时钟电路，给用户提供了方便。

再加上其转换速度快只有25μs，外接元件少，功耗低，精度高，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，具有良好的性能价格比等优点，使得AD574A成为目前国外应用较多的器件之一。

1.AD574A的工作原理

AD574A部由两个芯片混合集成，一片是12位D/A转换器AD565，包括高速电流源电路，激光微调精密电阻网络，参考电压源，输出比例电阻（包括双极性偏移电阻）。

另一片是采用线性相容的集成注入逻辑I2L工艺制造的，包括低功耗逐次比较器，转换控制电路，时钟电路，输出缓冲器和高分辨率的比较器等。

AD574A采用逐次比较方式完成转换。

当逻辑控制电路接到转换指令时，立刻启动时钟电路，同时将逐次比较寄存器SAR清0，这时输入信号首先同D/A转换器的最高位输出的电压相比较，判断取舍。

然后在时钟的控制下按顺序进行逐次比较，一直到A/D转换器输出的数码都被确定，SAR向逻辑控制电路送回结束信号事转换结束，时钟脉冲使输出状态变低。

当外部加入读数据指令时，逻辑控制电路可以发出指令读出数据。

2.AD574A的组成部分

AD574A芯片是一种28个引脚双列直插式的芯片，其引脚功能如图3.7所示。

图3.7AD574A引脚功能图

AD574A由12位A/D转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V基准电压源四部分构成。

⑴12位A/D转换器

　　可以单极性也可以双极性的。

单极性应用时，BIPOFF接0V，双极性时接10V。

量程可以是10V也可以是20V。

　　输入信号在10V围变化时，将输入信号接至10V（IN）;输入信号在20V围变化时，将输入信号接至20V（IN）;

　　所以量化单位相应的就是10V/（2^12）和20V/（2^12）

⑵三态输出锁存缓冲器

　　用于存放12位转换结果D（D=0～2^12-1）。

D的输出方式有两种，

　　引脚12/8=1时（8的上面有一横杠），D的D（11）～D（0）并行输出；

　　引脚12/8=0时（8的上面有一横杠），D的高8位与低4位分时输出。

⑶逻辑控制

　　任务包括：

启动转换，控制转换过程和控制转换结果D的输出。

　　CECS（即CS上面一横杠）R/C（C上一横杠）12/8（8的上面有一横杠）A（0）操作功能

　　100X0启动12位转换

　　10000启动8位转换

　　1011X输出12位数字

　　10100输出高8位数字

　　10101输出低4位数字

0XXXX无操作

X1XXX无操作

3.3.2A/D转换模块设计方案

A/D转换器与单片机接口具有硬、软件相依性。

一般来说，A/D转换器与单片机的接口主要考虑的是数字量输出线的连接、ADC启动方式、转换结束信号处理方法以与时钟的连接等。

一个ADC开始转换时必须加一个启动转换信号，这一启动信号由单片机提供。

对于本次设计中采用的AD574A属于脉冲启动型，只要给其启动控制端加一个符合要求的脉冲信号即可。

通常用WR和地址译码器的输出经一定的逻辑电路进行控制。

当转换结束时，ADC输出一个转换结束标志信号，通知单片机读取转换结果。

单片机检查判断A/D转换结束的方法一般有中断和查询两种。

对于中断方式，可将转换结束标志信号接到单片机的中断请求输入线上或允许的I/O接口的相应引脚，作为中断请求信号；对于查询方式，可把转换结束标志信号经三态门送到单片机的某一位I/O口线上，作为查询状态信号。

AD转换的令一个重要连接信号是时钟，其频率是决定芯片转换速度的基准。

整个A/D转换过程都是在时钟的作用下完成的。

A/D转换时钟的提供方法有两种：

一是由芯片部提供（如AD574A），一般不许外加电路；另一种是由外部提供，有的用单独的振荡电路产生，更多的则把单片机输出时钟经分频后送到A/D转换器的相应时钟端。

A/D转换电路的实现如图3.8所示，电路中AD574A进行AD转换，741进行信号的整形和滤波。

图3.8