便捷式单片机实验开发装置.doc
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1、10 引言随着半导体技术的发展,计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展;这三个方向就是:巨型化,单片化,网络化。单片机这个新时代的技术随之产生。单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU) 、随机存取存储器(RAM) 、只读存储器(ROM) 、输入/输出端口 (I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。使产品的体积减小,成本得到最大限度的节约。单片机自问世以来,性能不断提高和完善,其资源又能满足很多应用场合的需要,加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点,因此,在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信
2、系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛,并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。根据社会发展需求,高校也把单片机技术列为主要课程之一,采用理论结合实践的教学方式,培养学生手脑并用的工程实践能力。现今很多高校以及一些中职院校都拥有自己的实验室,实验设备也相对较为完善。然而实验室也存在本身的缺陷,例如为了加强管理同学们只能在上课时间才能接触到试验箱设备。而且学校安排的课时是有限的,远远无法满足同学们的实践要求。所以怎样才能让同学们更多的进行实验是学好单片机技术的关键。因此,该装置集合传统试验箱的优点,加以模块化和浓缩化。只要有一台计算机加该装置同学们可以随时随地的进行单片机学习。为同学们赢
3、得更多的学习时间,提高了同学们的学习效率。21 课题背景1.1 单片机概述单片机概述所谓单片机,即把组成微型计算机的各个功能部件,如中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、输入/输出接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中,构成一个完整的微型计算机。因此单片机早期的含义为单片微型计算机(single chip microcomputer) ,直接译为单片机,并一直沿用至今。由于单片机面对的是测控对象,突出的是控制功能,所以它从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的。随着单片机技术的发展,它在芯片内集成了许多面对测控对象的接口电路,如 ADC、DA
4、C、高速 I/O 口、PWM、WDT 等。这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机(microcomputer)传统的体系结构,所以更为确切反映单片机本质的名称应是微控制器。单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机,它有惟一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统,加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下可高速可靠地运行的特点,因此单片机又称之为嵌入式微控制器(embedded micro controller) 。但是,在国内单片机的叫法仍然有着普遍的意义。我们已经把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器,它是一个典型的嵌入式应用计算机系统。目前按单片机内部数据通道的宽度,把它们分为 4
5、 位、8 位、16 位及 32 位单片机。1.2 单片机课程教学现状单片机课程教学现状单片机基础 、 微机原理与应用是理工科类专业的重要技术基础课,是实践性和实用性很强的学科。其最终目标在于培养工科学生的硬件应用的能力。因此,教学中实验系统的优劣将直接影响该课程的教学效果和学生的应用能力的培养。对学生将来的发展有着关键性的作用。由于技术的发展,不断更新教学内容,淘汰不够先进的部分,以适应社会对人才的需要。但是单片机课程对实践环节的依赖比较大,实验手段的局限是制约教学水平的重要因素。为了提高未来各相关专业单片机基础 、 微机原理与应用类课程实验与实践环节的教学水平,迫切需要在围绕满足当前和未来单
6、片机基础 、 微机原理与应用类课程教学的要求基础上对新型微机实验系统及其相关实践环节的教学方法做一些探索性的研究工作。31.3 课题研究意义课题研究意义由于单片机技术在企事业单位得到广泛应用,越来越多的学校已经把单片机课程作为一门必修课,为大学生走向就业岗位打下坚实的基础。当前,单片机微机应用类课程正处在转型期。过去的 20 年中,单片机市场与需求都是以 8 位机为主的。最近几年来,16 位、32 位单片机的嵌入式应用呈迅速增长的趋势。8 位单片机以其性价比高,而使其地位难以动摇。8 位、16 位、32 位单片机将在相当长时期内共存已是业界的共识,而单片机教学课程内容的稳定和课程定位的准确是至
7、关重要的。单片机技术发展迅速,课程的特点是实践性很强,它需要教师、教材、实验器件等协调配合,特别是实验平台,需要较大的投入。教师要有相当的科研经验和应用背景,并能将科研的所得,以及对最新技术的了解贯彻到课程的讲解上,这些都有相当的难度。课程定位的不同,所安排实验的要求以及授课对象也不同,影响课程定位的决定因素很多,其中专业对单片机的应用需求以及学时和学生的先修课程基础是很重要的方面,譬如对电子、机械、电气、自动化等非计算机专业学生,8 位单片机应该可以成为他们对单片机认识的入门课程。在实验当中对于单片机基本工作原理、采用芯片的工作特性、以及基本的汇编程序和接口技术的理解是必须的,特别强调学生的
8、实践操作系统的能力。现在用于单片机教学实验系统很多,一般分为 8 位、16 位、32 位单片机实验系统。由于 16 位、32 位单片机市场价格偏高,而普通的 8 位单片机也能起到教学的目的,对于学校来说选择 8 位单片机作为实验系统是一个不错的选择。42 系统组成结构概述系统组成结构概述2.1 系统的组成系统的组成1.直流电源模块2.液晶模块3.数码管显示模块4.4*4 键盘模块5.386 低频功放模块6.1302 时钟及 24C02 模块7.18B20 温度测试及红外模块8.串口通信及 ISP 在线下载模块9.单片机最小系统10.USB 下载模块11.数据光盘2.2 实验内容实验内容1)数制
9、转换与单片机端口的控制2)4*4 键盘应用3)串行通信4)计数器定时器的应用5) 1602 液晶显示6) 单片机音乐播放器制作52.3 系统框图系统框图系统结构框图 从上图中可以看到,本课题研制的“便捷式单片机实验开发装置”是由 11 个基本模块组成的,模块之间可以根据实验需要相互连接,同时也可以由模块的扩展端向外宽展,形成不同的系统结构,为科学研究所用。各个模块都是针对电类专业的知识点设计的,能满足不同实验的要求。而且每个模块都可以独立与外界系统连接,用户可以根据不同需要进行实验。63 硬件电路设计3.1 8051 系列单片机系列单片机AT89S52AT89S52AT89S52 单片机包含中
10、央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时器/计数器、并行 I/O 口、串行 I/O 口和中断系统等几大单元以及数据总线、地址总线和控制总线三大总线构成。图 3.1 为单片机内部结构框图。(1) 中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,能处理 8 位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。(2) 程序存储器AT89S52 共有 8KB 个 E2PROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。(3) 数据存储器(RAM)AT89S52 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元,它
11、们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的 RAM 只有 128 个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。7图 3.1 内部结构框图(4) 并行输入输出口AT89S52 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3),用于对外部数据的传输。(5) 串行输入输出口AT89S52 内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。(6) 定时/计数器AT89S52 有三个 16 位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数功能,并以其定时
12、或计数结果对单片机进行控制。端口0驱动器端口2驱动器RAM (1288)端口0锁存器端口2锁存器ROM (4K8)程序地址寄存器缓冲器PC加1寄存器程序计数器PC数据指针DPTR堆栈指示器SPPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1 SBUF (TX)SBUF (RX)IE中断、串行口和定时器RAM地址 寄存器ACCB寄存器ALU状态寄存器暂存器2暂存器1定时 与 控制指令 寄存 器端口1锁存器端口3锁存器端口1驱动器端口3驱动器XTAL1XTAL2P0.0P0.7P2.0P2.7P1.0P1.7P3.0P3.7ALERSTPSENEAVccVss(5V)8(7) 中断系统AT
13、89S52 具备较完善的中断功能,有两个外中断、三个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有两级的优先级别选择。3.1.1 引脚功能引脚功能图 3.2 AT89S52 芯片引脚图(1) 电源和晶振VCC:供电电压。GND:接地。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。(2) I/O 口 P0 口P0 口的字节地址为 80H,位地址为 80H87H。P0 口既可以作为通用 I/O 口使用,也可以作为单片机系统的地址/数据线使用。当作为输出口使用时,由于输出电路是漏极开路,必须外接上拉电阻才能有高电平输出。 P1 口p1.01
14、p1.12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78RST/VPD9RXD/P3.010TXD/P3.111INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515WR/P3.616RD/P3.717XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC409P1 口的字节地址为 90H,位地址为 90H97H。P1 口只能作
15、为通用 I/O 口使用。当作为输出口使用时,已能对外提供推拉电流负载,外电路无需再接上拉电阻;当作为输入口使用时,应先向其锁存器写入“1” ,使输出驱动电路的 FET 截止。 P2 口P2 口的字节地址为 0A0H,位地址为 0A0H0A7H。P2 口用于为系统提供高位地址,但只作为地址线使用而不作为数据线使用。此外,P2 口也可作为通用 I/O 口使用。 P3 口P3 口的字节地址为 0B0H,位地址为 0B0H0B7H。P3 口可以作为通用 I/O 口使用,但在实际应用中它的第二功能信号更为重要。P3 口引脚的第二功能,如下所示: P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口
16、)P3.2 /INT0(外部中断 0)P3.3 /INT1(外部中断 1)P3.4 T0(计时器 0 外部输入)P3.5 T1(计时器 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)(3) 4 根控制线 RST:复位信号。保持 RST 脚两个机器周期以上的高电平,就可以完成 CPU 系统复位操作,使系统的一些单元内容回到规定值。 /PSEN:外部程序存储器读选通信号。在读外部 ROM 时,/PSEN 有效(低电平) ,以实现外部 ROM 单元的读操作。 /EA/VPP:访问程序存储器控制信号。当/EA 信号为低电平时,对 ROM 的读操作限定在外
17、部程序存储器;而当/EA 为高电平时,则对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储器。 ALE/PROG:地址锁存控制信号。在系统扩展时,ALE 用于控制 P0 口输出的低 8位地址送入锁存器锁存起来,以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于 ALE 是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲,因此也可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。103.1.2 串口通信串口通信通信主要有两种方式:并行通信和串行通信。并行通信是在传送数据过程中每个字节的各位同时进行传送的通信方式,而串行通信是指每个字节的各位分别进行传送的通信方式。3.1.3 串口通信方式串口通信方式 AT89S52
18、 串行口可设置四种工作方式,可有 8 位、10 位和 11 位帧格式。本系统中,AT89S52 采用串行口工作于方式 1,即每帧 10 位的异步通信格式:1 位起始位,8 位数据位(低位在前) ,1 位停止位。当 SM0=0,SM1=1 时,串行口选择方式 1。其帧格式为:图 3.3 帧格式图 3.1.4 串行通信控制寄存器串行通信控制寄存器 (1) 串行控制寄存器(SCON)SCON 的地址为 98H,用于选择串行口的工作方式和指示串行口的工作状态。各位含义如下: SM0、SM1:串行口工作方式选择位。 SM2:多机通信选择位。 REN:串行口允许接收位。 1时允许接收, 0时禁止接收。 T
19、I: 串行口发送中断标志位。在方式 1 中,于发送停止位之前,由硬件置位。因此 TI=1,表示帧发送结束。 RI: 串行口接收中断标志位。在方式 1 中,当接收到停止位时,该位由硬件置位。RI=1,表示帧接收结束。(2) 串行数据缓冲器(SBUF)11串行数据缓冲器 SBUF 的地址为 99 H,用来存放需发送和接收的数据,它由两个独立的寄存器组成,一个是发送缓冲器,另一个是接收缓冲器,它们占用同一地址(99H) 。当执行写 SBUF 指令时,数据写入到串行口发送缓冲器中,读 SBUF 就是读串行口接收缓冲器。(3) 电源控制寄存器(PCON)PCON 的地址为 87H,该寄存器的最高位(SM
20、OD)是串行口波特率的倍增位,当SMOD=1 时,串行口波特率加倍。系统复位时,SMOD=0。(4) 中断允许寄存器(IE)在 IE 中,ES 位为串行中断允许控制位。ES=0 时禁止串行中断,ES=1 时允许串行中断。3.1.5 数据发送与接收数据发送与接收(1) 数据发送在不发送数据时,TXD 端保持高电平。当执行写 SBUF 的指令时,便启动一次发送过程;发送数据时,先发送一个起始位,该位通知接收端开始接收,也使发送和接收过程同步。接下来发送 8 位数据,先发送低位,最后发送的是高电平的停止位。(2) 数据接收REN=1,CPU 允许串行口接收数据,接收数据开始于检测到 RXD(P3.0
21、)端发生一个“1”到“0”的跳变。先接收起始位,然后依次将采样 RXD 端并将数据移入移位寄存器中。若满足条件 RI=0 且 SM2=0 或接收到停止位,则将前 8 位数据送入 SBUF 并置位RI;如果上述条件不满足,则数据丢失。(3) 波特率的设定 串口方式 1 的波特率是可变的,由定时器 T1 的溢出率决定: 则波特率计算公式为:由波特率算出计数初值,以便进行定时器的初始化。初值 X 确定如下: (3-1)(3-2)123.2 单片机最小系统单片机最小系统单片机最小系统该系统以 89S52 单片机为主控芯片, 兼容 AVR 系列单片机,例如:ATMEGA16 与ATMEGA8。复位电路采
22、用拨码开关可以在两种系列单片机之间进行切换。由于 AVR 系列单片机管脚与 51 系列不同,系统采用一转换板实现转换,方便用户使用。系统引出四(3-3)131234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:11-Aug-2004Sheet of File:E:DSP下下下下下下下下.ddbDrawn By:11421531641751861972082192210231124122513J1DB251A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y431G12G1
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