基于AT89C51单片机实验开发板系统设计.docx

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基于AT89C51单片机实验开发板系统设计

长春工业大学

毕业设计、毕业论文

题目基于AT89C51单片机实验开发板系统设计

学院电气与电子工程学院

专业班级测控技术与仪器090311班

指导老师关常君

姓名董行

2013年6月17日

指导教师签字：

年月日

评阅人签字：

年月日

摘要

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。

在单片机家族的众多成员中MCS51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比迅速占领了市场，成为国内单片机应用领域中的主流。

目前可用于MCS51系列单片机开发的产品越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善。

因此可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。

基于51单片机的综合开发系统，目前国外的产品，主要是51厂家配套提供的学习开发系统，价格偏高，技术也基本处于保密状态，深层次学习和利用比较困难，特别是全球领先的单片机和模拟半导体供应商不断向高端推出他的一系列新产品，为汽车、工业产品、家电和消费类应用提供更高的能效、更低的噪音和更广泛的使用范围，这些技术已相对成熟。

国内正处于发展阶段，大多数人学习的主要对象还都是MCU-51系列单片机，51单片机开发系统相对较少，也只是与汇编语言配套，要达到普及和提高开发应用速度，必须采用C语言，而C语言配套程序又非常少并不完善，不适合学生与大众人群学习和利用

综观目前国内外的51单片机的综合开发系统系统，主要表现在开发高端产品，其应用类也向高端电子产品发展，为复杂的电机控制应用提供极精确且高能效的完整解决方案。

不断扩充适用于汽车（稳定性控制、车内气候控制、燃料泵和油泵、电动方向盘和节流阀控制）；家电（洗碗机、冰箱、洗衣机和排风扇）；工业产品（工业机器人、材料处理、暖通空调和贩卖机），以及消费类产品（冲浪浴缸、烤箱/烤架、浴室风扇）等。

Abstract

DuetotheapplicationofSCMtechnologyinvariousfieldsisbecomingmorewidely.ManyintegratedcircuitmanufacturershaveintroducedvarioustypesofMicrocomputer.AmongthemembersofMCS51seriessingle-chipmicrocontrollerfamilywithitssuperiorperformance,maturetechnologyandhighreliabilityandhighratioofperformancetopricequicklyoccupiedthemarket,becomethemainstreaminthefieldofcomputerapplication.CurrentlyavailablefortheMCS51SeriesMCUdevelopmentmoreandmoreproducts,andsupportingvarioustypesofdevelopmentsystem,softwarehasbecomemoreperfect.Thereforetheutilitymodelcanbeconvenientlyutilizeexistingresources,developallkindsofapplicationsystemfordifferentpurposes.

Integrateddevelopmentsystembasedon51singlechipmicrocomputer,theforeignproducts,mainlythestudyofdevelopmentsystem,providing51manufacturerssupportingthepriceisonthehighside,thebasictechnologiesareshroudedinsecrecy,deeplearningandusingmoredifficult.Especiallythegloballeadingmicrocontrollerandanalogsemiconductorsupplierscontinuetohigh-endlaunchedhisaseriesofnewproducts,automotive,industrialproducts,householdappliancesandconsumerapplicationsprovidehigherefficiency,lowernoiseandwiderapplicationrange,thesetechniqueshavebeenrelativelymature.Chinaisinthedevelopmentstage,themainobjectofmostpeoplelearningisalsoMCU-51SeriesMCU,relativelyfew51MCUdevelopmentsystem,ismatchedwiththeassemblylanguage,toachievethepopularityandimprovedevelopmentspeed,mustuseClanguage,Clanguagesupportingtheprogramandverylittleisnotperfect,notsuitableforstudentsandthepublicpeopletolearnanduse.

Atpresentthe51domesticandforeignintegrateddevelopmentsystem,mainlyinthedevelopmentofhigh-endproducts,itsapplicationalsotothedevelopmentofhigh-endelectronicproducts,provideaveryaccurateandefficientformotorcontrolapplicationofcomplexsolution.Expandingapplicabletovehicle（vehiclestabilitycontrol,climatecontrol,fuelpumpandoilpump,powersteeringandthrottlevalvecontrol）;householdappliances（refrigerators,dishwashers,washingmachineandexhaustfan）;industrialproducts（industrialrobots,materialhandling,HVACandvendingmachines）,andconsumerproducts（surfingbathtubthegrill,oven/bathroomfan）,etc..

第1章绪论

1.1单片机发展现状

单片机自面世以来，以其体积小、功能强、价格低等特点备受人们的青睐和厚爱，它的这些特点即适台于微机应用的产品化。

同时在某种程度上改变了那种微机应用“只见样品．展品、不见真正产品”的局面，对国民经济的发展产生了实时的促进作用。

单片机属于第四代微型计算机的一个重要分支。

单片机是把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit），随机存取存储器RAM（RandomAccessMemrty），只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）,定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

单片机的应用导致了控制领域的一场革命，是微控制技术逐步取代传统的硬件控制。

近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。

单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上[1]。

近几年来，单片机的发展更为迅速，己经渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。

单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路。

有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。

例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ系列等。

特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。

因此，这类单片机十分容易构成网络。

特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。

为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。

有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。

在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。

特别引人注目的是：

现在有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。

这是一种建立在系统级芯片（Systemonachip）概念上的结构。

这种单片机由三个核组成：

一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。

这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。

虽然从结构定义上讲，DSP是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。

把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。

这是目前单片机最大的进步之一。

这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP；Hitachi公司的SH7410，SH7612等。

这些单片机都是高档单片机，MCU都是32位的，而DSP采用16或32位结构，工作频率一般在60MHz以上。

1.2单片机的性能特点

由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，加高温、强电磁干扰，甚至合有腐蚀性气体；在太空小工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力。

因而，决定了单片机CPU与通用微机CPU具有小同的技术特征和发展方向。

①体积小、单片机集成度很高，体积非常小，可非常方便地嵌入到各种应用场合。

如PIC12C508型单片机只有一粒纽扣大小，仅有8根引脚。

②可靠性高芯片本身是按工业测控环境要求设计内部线很短、其抗工业干扰功能明显优于通用的cpu。

程序的指令常数及表格数据等固化在ROM中不易破坏。

③控制功能单片机的命令系统有极丰富的条件及分支转移的能力、I/O接口的逻辑操作能力以及处理能力，适用用于专门的控制功能。

④易于扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件，芯片外部许多供扩展用的三总线及并行、串行I/O口，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

⑤低电压、低功耗单片机广泛用于便携式产品和家电消费的产品，对于此类产品低电压、低功耗尤为重要。

许多单片机可在2.2V电压工作，目前0.8V供电的单片机已问世。

工作电流uA级，一粒纽扣电池就可使单片机长期运行。

⑥性能价格比较优异由于单片机的广泛使用，其销售量极大，各大公司的商业竞争激烈，使其价格相对较低，性能价格比较优异。

80C51系列新一代8位单片机的主要特点：

①普遍采用CMOS工艺，除了具有节电运行模式和掉电数据保护功能外，整机功耗比采用HMOS工艺的80C51系列低。

   ②片内存储器容量大，规格多，程序存储器类型也趋于多样化。

该系列不同品种的片内程序存储器容量从4KB扩展到8KB、16KB，甚至32KB，数据存储器容量从128B扩展到512B。

片内程序存储器类型不仅限于掩模ROM和EPROM，普遍采用OTP EPROM（一次性编程的EPR（）M，简称TOPROM。

   ③最高时钟频率从12MHZ提高到16MHZ、24MHZ、33MHZ，甚至40MHZ，指令执行时间大大缩短，增强了这些产品的实时处理能力。

   ④工作电压低、范围宽（1．8V—6．oV），可用电池供电，便于野外作业使用。

   ⑤扩展了接口电路功能，如增加了高速I/O接口，扩展了I/O口引线数目，

   ⑥部分型号增加了定时／计数器的个数，还扩展了定时／计数器的功能。

   ⑦部分型号增加厂定时复位功能，提高了抗干扰能力。

   ⑧强化并且完善了串行通信功能。

   ⑨封装形式多样化，同一型号的CPU，具有多种封装形式，如PDIP封装、CDIP封装、PLCC（方形壁插塑封）、CLCC（方形壁插陶瓷封装）、PQFP（塑料方形四边引线扁平封装），部分产品还采用了BGA（球形网格阵列）封装。

1.3单片机的主要产品及系列

（一）Motorola单片机

8位单片机有：

68HC05,68HC08,

8位增强型有：

68HC11，升级版68HC12;

16位单片机有：

68HC16，

32位单片机有：

683XX系列，M.COREPowerPC,Codfire,

（二）Microchip单片机

8位单片机主要有：

PIC16C系列和17C8位单片机

（三）Scenix单片机

8位RISC结构SX系列单片机

（四）NEC单片机:

8位单片机78K系列，也有16位和32位

（五）富士通单片机

8位单片机有名是MB8900系列,

16位单片机有MB90系列.

（六）Epson单片机:

4位单片机SMC62系列,SMC63系列,SMC60系列

8位单片机SMC88系列.

（七）东芝单片机

8位机主要有870系列,90系列等.

（八）8051单片机：

MCU系列

（九）Zilog单片机:

Z8，Z86系列

（十）.Atmel单片机:

AT90系列（AVR系列.），AT91M系列，AT89S51应用很多

（十一）TI公司单片机:

16位单片机：

MSP430系列

（十二）NS单片机

COP8单片机是NS16位单片机

（十三）三星单片机

4位单片机有KS51和KS57系列,

8位单片机有KS86和KS88系列,

32位单片机有KS17系列和KS32系列,

三星还为ARM公司生产ARM单片机,常见的S344b0等.

（十四）.凌阳单片机:

8位单片机有SPMC65系列

16位单片机有SPMC75系列

（十五）华邦单片机

8位单片机有;W78系列,W77系列

4位机有921系列,741系列.

32位机有低位32位RISC单片机.

（十六）SST单片机:

SST89系列单片机为标准的51系列单片机

（SST89E/V52RD2,SST89E/V54RD2,SST89E/V58RD2,SST89E/V554RC,SST89E/V564RD）

（十七）LG单片机：

GMS90系列单片机

ATMEL公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司，最令人注目的是它的EEPROM电可擦除技术闪速存储器技术和质量高可靠性的生产技术这些技术用于单片机生产使单片机也具有优秀的品质在结构性能和功能等方面都有明显的优势。

ATMEL公司的AVR单片机芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便.AVR单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力.AVR单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化.AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域.

.AT91M系列是基于ARM7TDMI嵌入式处理器的ATMEL16/32微处理器系列中的一个新成员该处理器用高密度的16位指令集实现了高效的32位RISC结构，且功耗很低.另外ATMAL的增强型51系列单片机目前在市场上仍然十分流行,其中AT89S51十分活跃.

第2章 实验板总体设计方案

2.1 实验板系统功能

单片机实验开发板是一个实际应用的系统，能够为相关的学生单片机实验提供支持。

此实验板是参考单片机教材中的实验内容设计的，能够实现简单的测试实验。

本论文包括硬件系统的详细设计及汇编语言在基本控制中的应用。

此实验板设计的功能如下：

1.电源电路

2.时钟电路

3.复位电路

4.4×4的16位矩阵键盘

5.液晶显示器及驱动电路

6.LED数码显示电路

7.流水灯显示电路

8.音乐发声电路

9.单片机与上位机串行通信电路

10.I/O口扩展电路

11.DS18B20数字温度传感器

2.2 实验板的性能要求

基于开发板的功能定义和各种芯片的性能参数，总结系统基本性能要求如下：

1．各芯片所需的+5V平稳电压

2．AT89C51单片机时钟信号为12MHZ

3．AT89C51单片机手动复位电路

4．显示器件

5．4位独立键盘

6．AD、DA转换。

7．与PC机串行通信。

8.I/O口扩展功能。

9.温度检测

2.3 AT89C51在实验板中的应用

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51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。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51在此整个实验板系统中处于核心地位。

硬件电路板设计中，几乎其它所有的元器件的选取都要依据AT89C51的性能参数来决定。

例如电源电路中基于AT89C51的工作电压为+5V所以稳压芯片选择7805系列。

在软件设计中，AT89C51接收并处理键盘输入的信号，将其发送给显示器件，实现液晶显示功能，或发送给PC机实现串行通信功能。

另一方面，它也接收上位机发送的数据，处理后传送给显示器件。

第3章实验板的硬件设计

此设计的单片机实验开发板是以AT89C51作为主控制芯片,串口通信芯片MAX232,DB9插座,液晶显示器,按键开关等元器件组成,通过软硬件结合实现键盘扫描,液晶显示,与上位机串行通信,I/O口扩展功能.一方面,它能作为学生简单实验的工具,另一方面,它也是综合型单片机系统设计的基础,可扩展许多其它功能。

由于电路原理中只用到单片机的p0、p1、p2口，所示下面对这三个端口进行详细介绍。

P0口：

P00～P07统称为P0口，在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，作为准双向输入/输出接口。

在接有片外存储器或扩展I/O接口时,P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。

P0口是一个三态双向口，由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、输出驱动电路和输出控制电路组成。

在输入数据时，应人为地先向P0口写“1”，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/地址的低八位。

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：

P10～P17统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。

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

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

P2口：

P20～P27口统称为P2口，一般可以作为准双向I/O接口使用，在接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。

P2口为一个内部上拉电阻的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，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。

这是由于内部上拉的缘故。

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，它利用内部上拉优势，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内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

3.1电源电路

电源（Vcc）是整个实验板正常工作的动力源泉。

电源电压过大会大大缩短芯片的工作寿命，严重的会烧毁芯片及其它元器件；过小将不能驱动实验板工作电路。

因此设定合适的电源电压值非常重要。

此实验板主要芯片工作电压均位+5V左右，所以采用7805三端稳压芯片将+12V整形为+5V直流给整个实验板供电。

电源电路如图3-1所示。

图3-1电源电路

3.2时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是指令执行中各信号之间的相互关系。

单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

在本次设计中，时钟电路设计就是采用内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。

引脚XTAL1和XTAL2是高增益反相放大器的输入端和输出端。

这个高增益反相放大器将与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体振荡器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，对外接电容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响起振的快速和温度的稳定性、振荡器的稳定性、振荡器频率的高低。

因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22uF。

在焊接刷电路板时，我们应注意晶体振荡器和电容尽可能安装的与单片机芯片靠近些，用以减少寄生电容，为了更好地保证振荡器可靠地工作和稳定行，其电路图如图3-2所示。

图3-2时钟电路

3.3复位电路

复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境也需按复位键以重新启动。

AT89C51芯片内部有复位电路，RST引脚是复位信号的输入端高电平有效，复位方式有自动复位和手动复位两种。

本实验板采用手动复位方式复位。

AT89C51的复位