项目4单片机实验板制作

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4,1,教学内容,任务,1,：单片机的应用及功能介绍,任务,2,：单片机实验板的设计,任务,3,：单片机实验板的焊接及调试,2,任务,1,：单片机的应用及功能介绍,3,一、单片机的概念,由,CPU,、存储器、定时,/,计数器、并行输入,/,输出接口电路、中断控制器等大规模,IC,芯片安置在一个电路板上，加上键盘、显示器等构成了微型计算机的硬件部分。,1,、微型计算机,4,2,、单片机,将微型计算机系统所用的大多数,IC,芯片集成到一个芯片中。可以认为，单片机就是将微型计算机的,CPU,、存储器、,I/O,端口、中断控制器等全部做在一个芯片中去。,5,3,、,微型机与单片机在硬件结构上比较,微型计算机 单片机,数据,RAM,CPU,并行,I/O,程序,ROM,定时,/,计数器,串型端口,中断控制器,扩展,I/O,端口,系统总线（,DB,、,AB,、,CB,）,微型计算机的组成框图,（由多个,IC,芯片组装在一个主电路板上）,MCS-51,单片机,所有单元都组装,在一个,IC,芯片上,6,4,、单片机的应用,目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能,IC,卡，民用豪华轿车的安全保障系统；录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。,7,二、,MCS-51,系列单片机介绍,型号,片内,ROM,片内,RAM,I/O,口线,备 注,8031,无,128B+SFR,8,4,DIP 40,脚,8051,掩膜,4KB,128B+SFR,8,4,DIP 40,脚,8751,EPROM 4KB,128B+SFR,8,4,DIP 40,脚,89C51,FLASH 4KB,128B+SFR,8,4,DIP 40,脚,89C2051,FLASH 2KB,128B+SFR,15,简化,DIP 20,脚,8XC52,8K,256B+SFR,8,6,增强多功能型,1,、,MCS-51,系列芯片,8,2,、,MCS-51,单片机内部方框图,时钟电路,4KROM,程序存储器,256BRAM,数据存储器,2X16,位,定时,/,计数器,CPU,处理器,64KB,总线,扩展控制器,可编程,I/O,端口,P0-P3,可编程,串行口,9,3,、,51,单片机的性能和特点,内部程序存储器,ROM,(,以,89C51,为例,),：,4K,的存储容量；,内部数据存储器,RAM,：,256B(,128B,的,RAM+21B,的,SFR),；,寄存器区：,设有,4,个寄存器区，每一个区有,R0-R7,八个工作寄存器；,8,位并行输入输出端口：,P0,、,P1,、,P2,和,P3,；,定时,/,计数器：,2,个,16,位的定时,/,计数器；,串型口：,全双工的端口（,RXD,：接收端，,TXD,发送端）,；,中断系统：,设有,5,个中断源；,系统扩展能力：,可外接,64K,的,ROM,和,64K,的,RAM,；,10,三、,51,单片机的引脚功能,11,1,、,MCS-51,单片机的引脚定义,主电源引脚,:,Vcc(+5V- 40,脚,),和,Vss(GND 20,脚,);,外接晶体引脚：,XTAL1,（,19,脚）、,XTAL2,（,18,脚）,，,只要在这两脚之间接入一个晶体震荡器，单片机就可以以此晶体的频率开始工作。常用的晶体频率有,0-24M,，,频率越高，单片机的工作速度就越快，但单片机的功耗就要增加。,控制或与电源复用引脚：,RST/Vpd,、,ALE/PROG,、,PSEN,和,Vdd,RST/Vpd,（,9,脚）：,在系统上电震荡器开始工作时， 在内部加在此引脚上有一个两个时钟周期的高电平使单片机复位。但为了使系统复位可靠，建议外加 一个上电复位电路，延长复位的时间。,当单片机掉点时，此引脚可以接入备用电源向单片机内部的,RAM,供电，以防止,RAM,中的数据丢失。,12,ALE/PROG,（,30,脚）：,以一个不变的频率（系统时钟,fosc/6 ),周期性输出正脉。 当单片机使用外部存储器时，此信号可作为低八位地址的锁存信号。 对于,EPROM,型的单片机,此脚还是用于写程序时，输入编程脉冲。,PSEN,（,29,脚）：,外部程序程序存储器的选通信号。当单片机使用外部程序存储器时，此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲。注意，访问外部数据存储器时，此信号无效。,EA / Vpd,（,31,脚）：,外部程序存储器的选择端控制端：当此脚加入,“,1,”,电平是，单片机使用内部的程序存储器；当,EA,加入低电平时，系统只使用外部的程序存储器。,但要特别注意：如果,EA=1,既使用单片机内部的程序存储器时，如果程序计数器,PC,的值超过,0FFFH,时，单片机将自动转向外部程序存储器,1000H,开始的单元。,对于,EPROM,型的单片机，此脚还是用于写程序时，加入,21,伏的编程电压。,13,并行输入输出端口引脚（,P0-P3,）,P0.0 - P0.7 P0,端口线,(39-32,脚,),：,输出能力最强的端口，可以带动,8,个,TTL,负载。驱动一个,MOS,负载时，应接一个,10K,左右的上拉电阻。如果系统使用外接存储器时，该口还作为地址（低八位）总线和数据总线，注意在这种情况下，,P0,口就不能通用的,I/O,端口。,P1.0 - P1.7 P1,端口线,(1 8,脚,),：,负载能力为,4,个,TTL,负载。,P2.0 P2.7 P2,端口线,(21 28,脚,),：,通用,I/O,端口。,除了做通用,I/O,端口外，当系统使用外接存储器时，该口还作为地址（高八位）总线，在这种情况下，,P0,口就不能通用的,I/O,端口。负载能力为,4,个,TTL,。,14,P3.0 P3.7 P3,端口线 （,10 17,脚）：,P3,口除了做通用的,I/O,端口外，同时它还有第二功能），负载能力为,4,个,TTL,。,口线,定义,说明,口线,定义,说明,P3.0,RXD,串行数据输入口,P3.4,T0,计数器外部输入信号,P3.1,TXD,串行数据输出口,P3.5,T1,计数器外部输入信号,P3.2,INT0,外部中断输入口,P3.6,/ WR,外部数据存储器写信号,P3.3,INT1,外部中断输入口,P3.7,/ RD,外部数据存储器读信号,P3,口第二功能表,15,四、,51,单片机存储器的配置特点,在,MCS-51,单片机的内部集成了,4K,的程序存储器和,256B,的数据存储器，同时还可以使用片外的程序存储器和数据存储器，其扩展能力都是,64K,。,从物理结构的角度讲，,51,单片机的存储系统可以分为四个存储空间：既片内,ROM,，,RAM,和片外,ROM,、,RAM,。,从逻辑上讲（既用户编程的角度讲）,51,单片机的存储系统又可分为三个存储空间。既片内,RAM,，片外,RAM,和片内、外的程序存储器,ROM,。,16,五、片内,RAM,低,128B,字节功能分配图,位寻址区,3,区,2,区,1,区,0,区,便笺区,08H,07H,00H,7FH,30H,2FH,20H,1FH,18H,17H,10H,0FH,四个工作寄存器区,每个区中有,R0-R7,八个工作寄存器,位寻址区,16,个单元,20H-2FH,，,共有,128,可寻址位个位。,位地址：,00H-7FH,注意：位地址与字节地址的区别,通用的,RAM,区,地址：,30H-7FH,继续,返回上一次,17,六、,51,单片机的,I/O,端口结构,对单片机的控制，其实就是对,I/O,口的控制。,51,单片机总共有,P0,、,P1,、,P2,、,P3,四个,8,位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。,4,个,I/O,端口都能作输入输出口用，其中,P0,和,P2,通常用于对外部存储器的访问。,51,系列单片机有,4,个,I/O,端口，每个端口都是,8,位准双向口，共占,32,根引脚。每个端口都包括一个锁存器,(,即专用寄存器,P0,P3),、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把,4,个端口笼统地表示为,P0,P3,。,在无片外扩展存储器的系统中，这,4,个端口的每一位都可以作为准双向通用,I/O,端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，,P2,口作为高,8,位地址线，,P0,口分时作为低,8,位地址线和双向数据总线。,18,1,、,P0,口的位结构图,D Q,锁存器,CL /Q,P0.x,引脚,Vcc,地址,/,数据,1/0,控制,(=0,时,),读锁存器,读引脚,内部总线,写锁存器,MUX (,控制,=0,时,),Vcc,下图为,P0,口的某位,P0.n(n=07),结构图，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。从图中可以看出，,P0,口既可以作为,I/O,用，也可以作为地址,/,数据线用。,19,做通用数据,I/O,端口时,输出级上端的,FET,处于截止状态,所以与,MOS,器件连接时,必须接,“,上拉电阻,”,否则不能正确的输出高电平,;,在输入操作前,为了保证输入正确，必须先向端口,“,写,1,”,;,“,读引脚,”,与,“,读锁存器,”,是不同的两个数据通道。凡是,“,读,修改,写,”,的操作,CPU,读的都是端口锁存器中的数据。,为了提高电路的可靠性,端口引脚不要直接与三极管一类器件直接连接,应加隔离电路或与三极管之间加一个电阻。,在总线方式时,P0,口不能再做通用的,I/O,端口。它分时输出地址、数据总线的信息（此时引脚不用外接上拉电阻）。,P0,口特点,:,20,2,、,P1,口的位结构图,特点：,单纯的通用,I/O,端口,负载能力为,3,个,TTL,输入。与,P0,口的区别在于内部具有上拉电阻，所以输出时不用外接上拉电阻。,D Q,锁存器,CL /Q,P1.x,引脚,Vcc,读锁存器,读引脚,内部总线,写锁存器,内部上拉电阻,21,3,、,P2,口 的特点：,“,通用数据,I/O,端口,”,和,“,高八位地址总线,”,端口,D Q,锁存器,CL /Q,P2.x,引脚,Vcc,地址,/,数据,1/0,控制,读锁存器,读引脚,内部总线,写锁存器,MUX (,地址,/,数据,=0),内部上拉电阻,22,4,、,P3,口 特点：通用,I/O,端口,、多用途端口,在多用途情况下，,P3,口分别作为串行口,、外中断输入、外部计数输入和系统扩展时使用的,WR,和,RD,信号的端口。在这种情况下，锁存器,Q,端为“,1”,电平以保证与门是打开的。,在通用,I/O,模式下，“替代输出功能”端为“,1”,电平，以保证与门打开。,D Q,锁存器,CL /Q,P3.x,引脚,替代输出功能,读锁存器,读引脚,内部总线,写锁存器,MUX,(,地址,/,数据,=0),Vcc,23,七、并行端口在使用时应注意的几个问题,“,拉电流,”,还是,“,灌电流,”,-,与大电流负载的连接,使用灌电流的方式,与电流较大的负载直接连接时,端口可以吸收约,20mA,的电流而保证端口电平不高于,0.45V,（见右上图）。,采用拉电流方式,连接负载时，,AT89C51,所能提供,“,拉电流,”,仅仅为,80,A,，否则输出的高电平会急剧下降,.,如果我们采用右下图的方式，向端口输出一个高电平去点亮,LED,，会发现，端口输出的电平不是,“,1,”,而是,“,0,”,！,当然，不是所有的单片机都是这样，,PIC,单片机就可以提供,30mA,的拉电流和灌电流。单对于大多数,IC,电路，最好还是使用,“,灌电流,”,去推动负载。,Px.y,Vdd,Vdd,灌电流方式,输出”,0”,点,亮,LED,拉电流方式,输出高电平,点亮,LED,Px.y,Vdd,24,八、单片机与继电器等大电流负载的接口,我们知道,:AT89C51,的端口可以吸收约,20mA,的电流,.,对于继电器等大于,20mA,的负载,单片机可以采用右图的接法,用一个三极管来承担负载所需的大电流,.,若于负载电流易造成干扰单片机的环境,应采用右下图”光电隔离”的方式,.,其中,:,A,、,B,两处没有,任何电的联系,.,J,Vcc,Vdd,Px.y,A,B,Px.y,负载,Vcc,25,MCS-51,RST,Vcc,MCS-51,RST,Vcc,1K,10,t,V,T,延长上电复位时间的电路,和,RST,端上电电压曲线,具有手动复位功能,的复位电路,R,C,九、复位电路,26,MCS-51,内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器,.,在单片机引脚的,XTAL1,和,XTAL2,分别是此放大器的输入和输出端,.,与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激震荡器,(,见右上图,).,如果使用外部震荡器信号,其外来的信号加在,XTAL1,的引脚上,(,见右下图,).,XTAL2,XTAL1,NC,外时钟,使用外时钟时的电路连接,十、震荡器、与时钟电路,:,XTAL1,XTAL2,20P,20P,27,任务,2,：单片机实验板的设计,28,一、实验板系统功能要求,流水灯实验,数码管实验,键盘实验,温度测量及显示实验,日历时钟显示实验,液晶显示实验,29,二、单片机的选型及复位、时钟电路,1,、单片机的选型：,AT89S52,，它是一个低电压，高性能,CMOS8,位单片机，内含,8k bytes,的可反复擦鞋的制度程序存储器（,PEROM,）和,256bytes,的随机存取数据存储器（,RAM,），器件采用,ATMEL,公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准,MCS,51,指令系统，片内置通用,8,位中央处理器和,Flash,存储单元，内置功能强大的微型计算机的,AT89S52,提供了高性价比的解决方案。其内部有足够本系统对存储器的要求，不用外扩电路简单。,30,2,、系统时钟,时钟电路设计采用内部方式。引脚,XTAL1,和,XTAL2,是时钟电路的连接端。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,22pF,。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。,31,3,、复位电路的设计,MS-51,的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位俩种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图所示当时钟频率选用,12MHz,时，,C1,取,10uF,，,R1,约为,10k,欧。,32,三、,P0,口的功能定义,1,、限流电阻模板的设计,P0,口作为公共的显示通道，用来驱动发光二极管及数码管各码段的显示，显示电流,10mA,左右，限流电阻为,330,欧姆。,制作一个电阻排插件，用于选择发光管、数码管及液晶显示器的显示数据通道。如图：,33,2,、液晶显示器数据通道的设置,P0,口作为液晶显示器的数据通道，传输高电平数据时需要,10K,的上拉电阻。选择,10K,电阻排如图：,34,3,、,LED,二极管显示电路,在线路板上设置,8,个,LED,小灯通过插接电阻板连接到单片机的,P0,口上，通过程序控制巡回闪亮。,插接板,35,四、,P2,口的功能定义,1,、温度传感器的连接,P2.0,作为温度传感器,DS18B20,的数据及控制通道，传输控制命令，读取温度值。,36,2,、,LED,数码显示的控制,数码管的选择及引脚图,LED,数码管型号为：,LD-5461BS,时钟数码管，红色，共阳,37,数码管电路的连接,P2.1,P2.4,作为数码管的位选端，经三极管,9012,把高电平加到每位数码管的阳极。,每段数码管的阴极由,P0,口控制显示相应的码段。,插接板,38,3,、,LCD,液晶显示控制,液晶显示器的选型及引脚,选择,LCD1602,字符型液晶显示器，两行显示，每行可显示,16,个字符。外形及引脚如图：,39,液晶显示器的连接,40,4,、日历模块,DS1302,控制,相关的元器件,41,DS1302,的连接,P2.5,接,I/O,脚，,P2.6,接,SCLK,脚，,P2.7,接,RST,脚；,备用电源选择,CR2032,纽扣电池；,晶振频率：,32768Hz.,42,五、,P1,口为键盘端口,P1.0P1.3,接行线,P1.4P1.7,接列线,43,六、,P3,口功能定义,P3.3,、,P3.7,为按键输入量，其中,P3.3,有中断功能；,P3.6,为继电器输出量，本例控制发光管点亮。,44,七、实验板参考线路图（,1,）,45,七、实验板参考线路图（,2,）,46,七、实验板参考线路图（,3,）,47,八、实验板,3D,仿真图（,1,）,48,八、实验板,3D,仿真图（,2,）,49,任务,3,：单片机实验板制作项目驱动,50,一、制作任务的布置,根据图纸制作线路板，要求：,学生自己完成选购电子元器件的工作；,准备好多孔板和连接线；,准备好必要的制作和检测工具；,要求按给定布线图进行焊接。,焊点要光亮、平滑；焊料层均匀薄润，且与焊盘大小比例合适，结合处的轮廓隐约可见；,焊料要充足，成裙形散开；无裂纹、针孔、无焊剂残留物。,焊接时注意安全。,下次课开始为制作课，两周内必须完成。,再次上课之前必须上交作品,。,51,二、实验板制作评分标准,量化细则,总分,评分标准,不会,一般,中等,好,安全操作,10,3,6,8,10,读懂任务电路图的程度,10,3,6,8,10,元器件准备,10,3,6,8,10,识别、检测元器件的能力,15,5,10,13,15,焊接水平,15,5,10,13,15,工艺水平,15,5,10,13,15,调试水平,15,5,10,13,15,电路装接完成情况,10,3,6,8,10,52,