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目录摘要1Abstract1前言2一、单片机最小系统.31外部数据存储器扩展电路设计 32.晶振接口电路、复位电路设计 43.掉电保护 5二、键盘、显示扩展设计.61.按键扩展62.LED显示器7三、单片机串行口扩展设计.81.MAX232芯片 8四、模拟量与数字量相互转换设计.91.模拟输入及采样保持器电路设计 92.AD574与单片机接口设计93.DAC1208模拟电压输出电路10五、开关量输入输出电路设计.121.开关量的输入输出12六、单片机系统中看门狗电路设计.131.看门狗及复位电路.13结论13参考文献14 摘要 意义：单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机,现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机如：手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机，而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作，汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。因此单片机地研究前景比较广阔。结合本专业选取8051单片机作为研究方向。 内容：单片机最小系统中应用到的芯片、外设及接口电路等，通过扩展单片机外设，包括单片机储存器、数模转换、模数转换、数码管显示模块和键盘输入模块，并将软件设计和外围芯片结合来实现最小系统的功能；掌握单片机系统设计与实施的一般原则，基本实现从理论到实践行动，巩固所学的知识；同时学会微机系统的硬件和基础软件设计，学习硬件和软件系统的设计经验，以及基本的技能和调试。 成果：单片机可靠性高、便于扩展、控制功能强、低电压、低功耗、片内存储量小、集成度高、应用于社会生活的各个方面。 关键词关键词：单片机；数模转换器；模数转换器；光电隔离；掉电保护；接口扩展Abstract Meaning: the single chip processor is the most suitable for the embedded system, so it has the most application. In fact SCM is the worlds largest number of computers, modern human life in almost every piece of electronic and mechanical products will be integrated single chip such as: mobile phone, telephone, calculator, household appliances, electronic toys, palm computers and computer accessories such as a mouse are equipped with 1-2 SCM and PC will also have a large number of SCM in the work, the general car with more than 40 SCM, complex industrial control systems may have even hundreds of SCM to work at the same time! SCM is not only far more than the number of PC machines and other computing, even more than the number of human. So the research prospect of single chip computer is quite broad. Combined with the professional selection of 8051 single chip as the research direction. Content: minimum system of microcontroller is applied to the chip, peripherals and interface circuit, by extending MCU peripherals, including SCM storage, digital to analog conversion, analog to digital conversion, digital tube display module and a keyboard input module and will software design and peripheral chips are combined to achieve the function of the minimum system; master MCU system design and implementation of the general principles, the basic realization of from theory to practice, consolidate the learned knowledge; and at the same time, learn the microcomputer system hardware and software design, learning experience in the design of hardware and software of the system, and the basic skills and debugging. Results: single chip with high reliability, easy extension, strong control function, low voltage, low power consumption, small chip storage, high integration and application in all aspects of social life. Key words Keywords: SCM; DAC; ADC; photoelectric isolation; power off protection; interface 前言 自从1972年Intel公司推出第一颗微处理器以来，计算机技术遵循着摩尔先生提出的摩尔定律，以每18个月为一个周期微处理器性能提高一倍、价格降低一半的速度快步向前发展。以微处理器为核心的微型计算机在最近20年中发生了巨大的变化，闪电般地经历了从8088/8086到286、386、486、586、P-、P-等奔腾(Pentium)系列众多CPU的飞跃。计算机对整个社会进步的影响有目共睹，其应用面的迅速拓宽，对个人与社会等多方面的渗透表明，计算机技术已不再是深踞于高层次科技领域里的宠儿，它已经深入到社会活动的一切领域之中，闯进了平常百姓的生活里，使人们跨入了信息时代 随着电子技术的发展和近代超大规模集成电路的出现，通过对计算机的功能部件进行剪裁及优化，将CPU、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、并行I/O口(PIO)、串行I/O口(SIO)、定时/计数器(CTC)及中断控制器(ICU)等基本部件集成在一块芯片中，制成了单芯片微型计算机(Single Chip microcomputer)，简称单片机，又叫微控制器(Micro Controller Unit，简称MCU)。由于它能嵌入到某个电路或电子产品设备中，故被称为嵌入式控制器(Embedded Controller)。要把前面提到的众多功能集合在一起，在过去需要具备专门的知识，采用许多电路组建成一个电子系统来实现。而今却简化成只需选择一片合适的单片机，并对其已有的功能、指标、参数及引脚进行合理的使用即可完成。 20世纪90年代，单片机在我国迅速普及。在电子技术日新月异的今天，在人们的生活里，到处都可以看到单片机的具体应用。单片机可以嵌入到各种电子产品之中，成为机电产品的核心部件，控制着各种产品的工作。随着大规模集成电路的发展，单片机已从过去的单一品种，发展成为多品种、多系列机型，内部结构从过去的基本部件发展到集成有A/D、D/A、监控定时器(WDT)、通信控制器(CCU)、脉宽调制器(PWM)、浮点运算器(FPU)、模糊控制器(FCU)、数字信号处理器(DSP)，以及具有I2C、SPI、ISP等众多特殊功能部件，成为功能越来越强的增强型、高档型单片机。由于单片机具有功能强、体积小、功耗低、成本低、裸机编程、软件代码少、工作可靠、自动化程度高、实时响应速度快以及使用方便等特点，因此被广泛应用于工业制造、过程控制、数据采集、通信、智能化仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军工及消费类电子产品中。 现今，炙手可热的“三网”(即电信网、有线电视网、国际互联网)融合产品、物联科技已开始兴起；在汽车中普遍都需要有30多个单片机被用于其中的空调、音响、仪表盘、自动窗、遥控门、自控前后盖、空气质量监测、反射镜角度调整、自动灭火、防盗报警等的控制，协调控制着发动机、传动器、制动器、安全气囊、车载全球定位系统(GPS)等多方面有条不紊地工作；此外，还有工业自动化控制和军事科技等。这些领域的应用开发都还存在许多技术问题尚要解决，这正是电子技术人员可以大展拳脚的领域。一、单片机最小系统1、外部数据存储器扩展电路设计2、晶振接口电路、复位电路设计 晶振电路: 晶体振荡器简称晶振，典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)，为系统提供一个基本时钟信号，系统内通常公用一个时钟信号，便于各部分同步，一般晶振振荡电路都是在一个反相器的两端接入晶振，再有两个电容另一端分别接地，两个电容串联的容量值就等于负载电容。复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。 3、掉电保护外部数据存储器的掉电保护是十分重要的，发生意外停电时，电容和电池（BATTERY）向外部数据存储器（U2）供电，可避免多次重建数据存储器，保证测量过程不发生数据丢失的情况。外配电池在主电源失去时，对单片机的继续运行提供能源，此时的电池能源是非常宝贵的，往往都是以“ uA ”级进行计算。而且还有一个不能避免的结果，就是随着保护时间的延长，电池的电量也会用完的。所以，保护电路有一个最长保护时间的参数。使用中不能超过，否则，保护就会失效；当电池经过保护时间的使用之后，就需要补充电能，以便下一次保护时能够以充足的电能投入保护工作。所以，又有一个如何给电池充电的问题。也就是电池在主电源正常供电时，需要由主电源对其进行充电：当主电源失去时，又由电池放电以保持单片机系统的运行。二、键盘、显示扩展设计1、按键扩展矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。当键被按下时，其交点的行线和列线接通，相应的行线或列线上的电平发生变化，单片机通过检测行或列线上的电平变化可以确定哪个按键被按下。 矩阵键盘不仅在连接上比单独式按键复杂，它的按键识别方法也比单独式按键复杂；矩阵键盘的检测方法有多种，常见的有：逐点扫描法、逐行扫描法、全局扫描法；采用逐行扫描法来实现按键检测，其中PA0-PA7作为列线，PC0-PC3作为行线。识别过程如下：1、判断键盘中是否有键按下。设置所有行线为输出口，并输出低电平；设置列线为输入口，读取列线上的电平状态，只要有一列的电平为低，就表示有按键按下，并且被按下的键位于电平为低的列线与4跟行线相交叉的4个按键中，若所有列线都为高电平，表示没有按键按下；2、判断被按下按键所在的位置。在确认有键按下后（进行按键消抖处理后），接下来就是确定具体哪个案件被按下，方法是：依次将每根行线设置为输出口，并输出低电平（同时剩余行线输出高电平），然后逐列检查每根列线的电平状态，若某列为低电平，则该列线与设置为输出低电平的行线交叉处的按键就是被按下的按键。键盘的所有行线和列线都接了上拉电阻，这是为了确保在没有按键按下的时候，I/O口的电平状态始终为高电平，从而消除外界干扰。2、LED显示器 LED数码管显示原理： 八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起两个COM端连在一起，是公共端，共阴数码管要将其接地，共阳数码管将其接正5伏电源。一个八段数码管称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，它们的段选线（即a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp对应最高位。所以如果想让数码管显示数字0，那么共阴数码管的字符编码为00111111，即0 x3f；共阳数码管的字符编码为11000000，即0 xc0。可以看出两个编码的各位正好相反三、单片机串行口扩展设计1、MAX232芯片模拟信号转换成计算机可以接收的数字信号，计算机系统模拟量是输入通道中的一种模拟量存储装置，它是连接采样器和模数转换的中间环节。MAX232是TTL-RS232电平转换的典型芯片，取振荡电容为uF的时候，若输入为5V,输出可以达到-14V左右，输入为0V ,输出可以达到14V,在扇出电流为20mA的时候，处处电压可以稳定在 12V和-12V.因此，在功耗不是很大的情况下，可以将MAX232的输出信号经稳压块后作电源使用。MAX232内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。 四、模拟量与数字量相互转换设计1、模拟输入及采样保持器电路设计采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，是计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置。它是连接采样器和模数转换器的中间环节。采样保持器把采样器在固定时间点上取出被处理信号的值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。2、AD574与单片机接口设计逻辑控制信号由8051的数据接口P0口发出控制AD582的工作过程；AD转换器的数据通过P0数据总线连至8051,；由于只使用了8位数据口，12位数据需要分两次进入8051，此时要求CE端为高电平，因此通过与非门（NADN）与AD582的使能端CE相连，采用逐次渐进型模数转换，属于反馈比较型的模数转换，通过DA转换器输出值与输入模拟信号有次序地进行比较，从而确定输出数字信号的各个位的值。其启动转换后，控制逻辑电路首先把逐次比较寄存器（SAR）的最高位置1，其它位置0，SAR中的内容经DA转换器转换后得到的电压值送入比较器中与输入模拟信号Ui进行比较。比较的结果输出到SAR，并在下一次比较前对最高位进行修正。接着，在时钟信号驱动下，SAR中次高位置1，SAR中的内容经DA转换器转换后的电压值再次送入比较器中与Ui进行比较，并在下一次比较前对次高位进行修正。这样SAR中的各位从高到低不断置1，不断的送入DA转换器进行转换，并把转换后值不断送入比较器中与Ui进行比较，通过比较器的输出实现对该位的修正。当完成SAR中最低位的修正后，AD转换完成，这时SAR中的值即为转换后的数字量。3、DAC1208模拟电压输出电路通过恒压源电路将VCC电压变为1V的电压作为电压加法器的一端输入，然后再将DAC1208的输出（05V）电压通过电阻分压以4:1的比例，将电压变为（04V）。再将R52和R51设置为1:1，使两路电压按1:1比例相加，从而得到15V标准电压。加法器：因为虚断，运放同向端没有电流流过，则流过R1和R2的电流相等，同理流过R4和R3的电流也相等。故 （V1 V+）/R51 = （V+ - V2）/R52 a（Vout V-）/R49 =V-/R50 b由虚短知： V+ = V- c 如果R51=R52，R49=R50，则由以上式子可以推导出 V+ = （V1 + V2）/2 V- = Vout/2 故 Vout = V1 +V2 也是一个加法器。电压/电流转换电路AM422是一个应用于一端接地的输入信号转换处理的电压到电流的接口集成电路。通过少量 的外接元件就可以使输出电流在一个很大的范围内可调。除了外接电阻R0到R5和电容C1(C2)之外，要使电路正常工作还需要一个外接的三极管T1和一个起保护作用的二极管D1。外接的三极管降低了集成电路AM422的耗散功率。当外接电源的极性接反的话，二极管将起保护三极管的作用。在选择二极管和三极管时请注意它们的耗散功率。 AM422可以用作为二线方式或者三线方式输出的电压到电流的接口电路。三线方式输出。外接的参考点Ground是管脚7（GND）一致的，此时集成电路的工作电压和电源电压是一样的VCCVS。二线方式输出，此时的管脚7（GND虚地）是接在R5和负载电阻RL之间。在这种情况下，集成电路的工作电压VCC和电源电压VS的关系是： Vcc=Vs-Iout*RL。五、开关量输入输出电路设计1、开关量输入输出电路对于不同的开关量信号的电平均值，可以采用不同的方法输入，一般的系统设定信号和状态信息可以采用并行接口输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲宽度、周期或脉冲个数。出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机前都需要预处理，然后再送至接口。此图采取的措施：通过滤波电容，将干扰信号过滤再进行输入。通过时钟脉冲CLK选通端E，将P0口数据输出传送给MC1413器件进行放大处理，作为最终的输出；其中MC143开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路；是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统，以此来增大OUT输出用于驱动负载。六、单片机系统中看门狗电路设计1、看门狗及复位电路由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞而陷入死循环，因此造成程序的运行被打断，使整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以常用“看门狗”作为单片机程序运行的状态监测。工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗计数器，看门狗会自动计数，如果到了一定时间没去清理看门狗即“喂狗”，那么看门狗就会自动溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。当看门狗内部程序出错时，可以通过手动按下按键，给看门狗一个高电平使其复位，称这一按钮为手动复位按钮。结论 作为单片机最小系统MC-8051是最简单的一种，掌握其接口扩展方法。通过对数据采集的分析，了解了各种传感器、放大器及A/D转换器和V/F转化器对信号的转换、传输有了更深的认识。在我们学会最基础的单片机原理之后，我们要懂得由浅入深，深入学习更加实用，性能更好的单片机系统，这样我们才能跟上时代的脚步，51单片机具有很强的代表作用，我们应该好好学习，熟知此单片机的各个功能结构及原理，以便日后更好的深入学习其他各类器件芯片，为将来的学习工作打好坚实的基础。 参考文献1. 施仁，刘文江，郑辑光编.自动化仪表与过程控制M.北京：电子工业出版社2005.8.2. 张毅刚,彭喜元编著.新编MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社2006.103. 余家春编著.Protel 99se电路设计实用教程M.北京：中国铁道出版社2003.1.4徐建军主编.MCS-51系列单片机应用及接口技术M.北京：人民邮电出版社2003.6.5. 蔡美琴主编MCS - 51 系列单片机系统及其应用M .北京: 高等教育出版社,1992.- 13 -2
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