单片机最小系统的设计

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1、贵州大学电子综合 应用课程设计单片机最小系统的应用设计一、单片机最小系统u1、单片机最小系统设计u单片机里虽然集成了很多电路，但仍然 不能独立运行，必须要外连一些电路， 才能使单片机运行起来。这种能使单片 机工作的最简电路，我们叫做单片机最 小系统。常见的单片机最小系统电路图如下所示：u图有40个引脚的就是AT89S52单片机， 它的核心是MCS-51单片机，我们配套的 电路板使用的是更为高端的 STC89C52RC单片机，同样兼容MCS- 51的指令集，并包含更丰富的存储器资 源及片上外设资源。u如果有特殊的需求，也可以选择其他的单 片机进行构成。单片机的时钟电路如下图 晶振并不能独立的 使

2、用，必须配合合 适的负载电容，否 则会产生频率偏差 ，或者是使晶振不 能工作。 负载电容的选择可 以根据单片机的技 术文档上的说明来 选择。对于51单片 机一般选择不大于 40pF的瓷片电容。51单片机的复位电路，如下图：下图是一个 经典的双复位电路，即可实现上电自复位和 手动复位。复位引脚当有连续两个以上机器周 期（2us以上）的高电平时，这个 单片机就会复位。而我们的电路设 计是，电容充电的瞬间，是导通， 在这个瞬间，电流通过电容器，然 后向电阻方向放电，此时，电容的 “-”端就能有一个很高的电势，在 高于3V的情况下，均可认为是高电 平。而电容的充电是有时间的，当 选择合适的电容，其充电

3、时间会大 于2us，这时，复位的条件就成立 了。当然，我们为了能够更稳定的 复位，我们常常会把单片机的复位 引脚的高电平时间控制得更长一点 ，通常会达到ms级别，这时图中 的电容容量为uF级别，电阻阻值为 10K级别。在单片机的引脚定义中 ，EA是访问外部存储器使能 端，即当“EA”引脚为低电 平时，就直接访问外部存储 器。当EA引脚为高电平时， 访问内部存储器，当要访问 的存储器地址，超出内部存 储器的地址范围时，自动会 访问外部存储器相应的地址 。 该电路是将单片机的31引脚EA 上接到电源VCC端。u我们现在使用的单片机，大部分是有内部 存储器的，例如AT89S52、 STC89C52R

4、C均带有8KB的片内程序存 储器。u为了不浪费这些存储空间，我们就将EA 引脚直接接高电平，这样单片机会首先运 行内部存储器的程序。u对8031单片机，该单片机也是基于 8051单片机内核的，不过，在设计这种 单片机时，是没有将存储器集成在单片机 里边的，需要外置存储器，这时，这必须 将EA引脚接地，否则，该单片机没办法工 作。单片机的电源 我们使用的51单片机需要在+5V的直流电的坏境下， 才能够稳定的工作（并不是所有的单片机都是工作 在+5V，有的低电压单片机的工作电压为3.3V，有的 甚至更低）。而在直流电源中，一般会有正电源和 地两根线。单片机的接+5V的引脚为40引脚VCC， 而接地

5、引脚为20引脚GND。二、单片机系统的基本外设 键盘电路u术语解释：前向通道 后向通道u在单片机系统中，前向通道就是指信号的输入通 道，例如人机接口的键盘、传感器信号输入、模 数转换器等等；u后向通道指系统的输出信号通道，例如控制继电 器的输出，LED的亮灭，液晶屏的显示、数码管 的显示、电机的控制、数模转换器的输出等等；u前向通道以及后向通道是近年来电子技术界的专 业名词，较早期的教材资料中也称输入、输出通 道键盘输入电路 u如上图，K2-K17构成了一个标准的 4x4矩阵键盘u这里还有一个巧妙的设计，就是将最左一 行按键的列公共端通过跳线JP7与GND 或COL1连接。u这样的话，当用跳线

6、帽将JP7的2、3脚 端接时，该电路形成一个完整的4x4矩阵 键盘。u当用跳线帽将JP7的1、2脚短路时，K2 、K6、K10、K14构成一个4位独立键 盘。u为什么使用矩阵键盘？在键盘中按键数 量较多时，为了减少I/O口的占用，通 常将按键排列成矩阵形式，在矩阵键盘 中每条水平线和垂直线在交叉处不直接 相连，而是通过一个按键相连接，这样 在由N条水平线和M条垂直线最多可以有 N *M 个按键，大大的减少了对于芯片 I/O的占用。键盘矩阵的按键识别方法方法一 行扫描法（假设键盘接在P1口）u1、判断键盘中有无键按下 将全部行线 P1.4-P1.7置低电平，当然P1.0- P1.3为高电平（或许

7、芯片内部已经将这 些引脚它上拉），然后检测列线的状态 。只要有一列的电平为低，则表示键盘 中有键被按下，而且闭合的键位于低电 平线与4根行线相交叉的4个按键之中。 若所有列线均为高电平，则键盘中无键 按下。 u2、判断闭合键所在的位置 在确认有键 按下后，即可进入确定具体闭合键的过 程。其方法是：依次将行线置为低电平 ，即在置某根行线为低电平时，其它线 为高电平。在确定某根行线位置为低电 平后，再逐行检测各列线的电平状态。 若某列为低，则该列线与置为低电平的 行线交叉处的按键就是闭合的按键。方法二 反转法 （假设键盘接在P1口）u先从P1口的高四位输出低电平，低四位 输出高电平，从P1口的低四

8、位读取键盘 状态。再从P1口的低四位输出低电平， 高四位输出高电平，从P1口的高四位读 取键盘状态。将两次读取结果组合起来 就可以得到当前按键的特征编码。三、单片机系统的基本外设 LED发光二极管如上图，将LED与电阻串联，即构成最简单的LED指示电 路。其中R14、R15称作限流电阻，避免过强的电流损坏 LED内部PN结。u在本系统板中，设计有8位独立的LED显 示电路，通过锁存器74HC573驱动，电 路如下：其中JP1为LED的电源跳线，必 须将其用跳线帽短路LED才能正常工作。74HC573真值表：从真值表可以看出，当输出使能OE保持为低电平时，锁存器输 出有效，否则输出高阻态。输出使

9、能后，若锁存控制端LE为高 电平，则锁存器输出端Qn跟随输入端Dn的电平变化而变化。 若锁存控制端LE为低电平，则锁存器输出端Qn保持着LE变为 低电平之前一时刻的Dn电平状态，此时称锁存输出。u了解了锁存器的功能以后，就知道如何 操作板载LED了，首先将JP1用跳线器短 路，确保为LED提供工作电压。其次将 锁存器的LE端设置为低电平，最后往锁 存器数据输入端口D1-D8输入电平数据 就可以了。由于本电路采用的是共阳结 构，只有当锁存器输出为低电平的时候 LED方可点亮，反之高电平熄灭，设计 程序的时候需注意这点。四、单片机系统的基本外设 八段LED 数码管 u术语解释：数码管按段数分为七段

10、数码管和八段数码 管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元 （多一个小数点显示）；u按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码 管；u按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴 极数码管。u共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形 成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应 将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的 阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴 极为高电平时，相应字段就不亮。u共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形 成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应 将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二 极管的阳极为

11、高电平时，相应字段就点亮。当某一字 段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 u驱动方式u 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动 数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字， 因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静 态式和动态式两类。 u静态显示驱动u 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。 静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个 单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码 二-十进制译码器译码进行驱动。u静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点 是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示 则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一 个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：）

12、，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增 加了硬件电路的复杂性。 u动态显示驱动u 动态显示驱动：数码管动态显示接口是 单片机中应用最为广泛的一种显示方式之 一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔 划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起， 另外为每个数码管的公共极COM增加位选 通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控 制，当单片机输出字形码时，所有数码管 都接收到相同的字形码，但究竟是那个数 码管会显示出字形，取决于单片机对位选 通COM端电路的控制，所以我们只要将需 要显示的数码管的选通控制打开，该位就 显示出字形，没有选通的数码管就不会亮 。u通过分时轮流控制各个数码管

13、的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这 就是动态驱动。在轮流显示过程中，每 位数码管的点亮时间为12ms，由于人 的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效 应，尽管实际上各位数码管并非同时点 亮，但只要扫描的速度足够快，给人的 印象就是一组稳定的显示数据，不会有 闪烁感，动态显示的效果和静态显示是 一样的，能够节省大量的I/O端口，而且 功耗更低。u本系统板采用动态显示的原理设计，电路如下 ：其中JP2为数码管电源跳线，使用数码管时 ，必须用跳线帽将其短路。Q2-Q9为PNP型 扩流三极管，为每位数码管公共端提供约 80mA的电源。R4-R11为三极管的基极偏 流电阻，当B0-B7端电压低于

14、4.3V时，PNP 管导通，为数码管提供公共电压。74HC573 为锁存器，功能在上一章已经说明，在此不再 赘述。74HC138为3-8译码器，当一个选通 端（E3）为高电平，另两个选通端（E1)和 /(E2)）为低电平时，可将地址端（A0、A1 、A2）的二进制编码在一个对应的输出端以 低电平译出。 真值表如下： 五、单片机系统的基本外设 RS232串行接口u术语解释：RS232接口是1970年由美国电子工 业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家 及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯 的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数 据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接 口

15、技术标准”。 u 该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器 ，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还 对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改 进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把 RS232接口叫做DB9。 u RS-232是现在主流的串行通信接口之一。 u由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之 处，主要有以下四点： u （1）接口的信号电平值较高，易损坏接 口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需 使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 u （2）传输速率较低，在异步传输时，波 特率为20Kbps；因此在“51CPLD开发板”中 ，综合程序波特率只能采用19200，也

16、是这个 原因。 u （3）接口使用一根信号线和一根信号返 回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容 易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 u（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为 50英尺，实际上也只能用在20米左右。uRS232（DB9）接口定义u 1 DCD 载波检测 u 2 RXD 接收数据 u 3 TXD 发送数据 u 4 DTR 数据终端准备好 u 5 SG 信号地 u 6 DSR 数据准备好 u 7 RTS 请求发送 u 8 CTS 清除发送 u 9 RI 振铃提示u接口电平u RS232采用负逻辑电平： u -15-3：逻辑1； u +15+3：逻辑0； u电压值通常在7V左右u由于单片机输出的串行信号为TTL电平，因此 需加上电平转换电路才能和标准的RS232串口 通信，本系统板采用的是MAX232电平转换芯 片，具体原理如下图。其中C14、C15、C18 、C19为泵电容，要求采用高耐压低漏电电流 的优质电容，否则影响波特率。LD9、LD11 为收发指示灯，当有数据流经串行口时，两灯 闪烁。