基于AT89C51单片机实验开发板系统设计

电子高专-1–基于AT89C51单片机实验开发板系统设计摘要...IAbstract..II第1章绪论...11.1单片机现状及发展概述...11.2单片机的性能特点...21.3单片机的主要产品及系列...3第2章实验板总体设计方案...62.1实验板系统功能...62.2实验板的性能要求...62.3AT89C51在实验板中的应用...7第3章实验板的硬件设计...83.1硬件总体设计...83.2各功能模块设计...93.3.1单片机外围电路...93.2.24×4矩阵键盘电路...113.2.3液晶显示电路...133.2.4串行通信电路...143.2.5I/O口扩展电路...153.2.6电源电路...153.3实验板元器件清单...17第4章实验板的软件设计...184.1软件总体设计...184.2各模块设计流程图...194.2.1键盘扫描子程序...194.2.2液晶显示子程序...24第5章实验板调试...295.1调试的目的...295.2调试的过程...29第6章总结...30致谢...31参考文献...32附录...33附录1英文翻译...33附录2原理图...42附录3pcb图...43第1章绪论1.1单片机现状及发展概述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电子高专-2–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。近几年来，单片机的发展更为迅速，它己渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。MCS-51系列中的一片89C51芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机，MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令;CPU时钟高达12MHz，完成单字节乘法或除法运算器件分军用和民用两级，民用产品主要用于办公室及机房环境，工作温度在0-701C，军用产品要求在恶劣环境条件下稳定工作，工作温度在-65～125℃:工业级产品的性能介于以上两者之间，在-40～+85C温度环境可正常工作。工业产品可靠性比民用产品强，而价格较军用品低。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选择工业级芯片，保证系统可靠性。单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段:第一阶段:1971～1974年，1971年11月美国Inter公司设计成集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004，并配有随机存取存储器RAM，只读存储器RAM和移位寄存器等芯片，构成第一台MCS-4微型计算机。随后又研制成了8位微处理器Intel8008。这些微处理器虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。第二阶段:1974～1978年，初级单片机阶段，以Intel公司的MCS-48为代表，这个阶段的单片机内集成有8位CPU，并行I/O口，8位定时器/计算器，寻址范围不大于4K，且无串行口。第三阶段：1978～1983年，高性能单片机阶段。这一阶段单片机和前阶段相比，不仅存储容量和寻址范围大，而且中断源、并行I/O口和定时器所数器个数有了增加，集成了全双工串行通信接口。在指令系统方面，普遍增设了乘除法和比较指令。MCS-51系列产品由于其优良的性能价格比，在相当一段时间处于主流产品地位。第四阶段：1983年至今。8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。16位单片机工艺先进、集成度高、内部功能强，而且允许用户采用面向工业控制的专用语言。现阶段：32位单片微机系列。继16位单片机出现后不久，几大公司先后推出了代表当前最高性能和技术水平的32位单片微机系列。32位单片机具有极高的集成度，内部采用新颖的RISC(精减指令系统计算机)结构，CPU可与其他微控制器兼容，主频频率可达33MH2以上，指令系统进一步优化，运算速度可动态改变，没有高级语言编译器，具有性能强大的中断控制系统、定时／事件控制系统、同勿异步通信控制系统。这类单片机主要应用于汽车、航空航天、高级机器人、军事装备等方面。它代表着单片机发展中的高、新技术水平。1.2单片机的性能特点单片机芯片作为控制系统的核心部件，除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制的目的。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抗干扰性强．工作温度范围宽。通用微机CPU一般要求在室温下工作．抗干扰能力也较低。②可靠性高。电子高专-3–③控制功能往往很强，数值计算能力较差。通用微机CPU具有很强的数值运算能力控制能力相对较弱。将通用微机用于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路。④指令系统比通用微机系统简单。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OTPEPROM(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自单片机诞生以来的近30年中，单片机已有70多个系列、近500个机种。国际上较有名、影响较大的公司及它们的产品如下：Intel(美国英特尔)公司的MCS—48系列、MCS—51系列、MCS—96系列产品；Motorola(美国摩托罗拉)公司的6801、6802、6803、6805、68HCll系列产品；Zilog(美国齐洛格)公司的Z8，Super8系列产品；Atmel(美国艾特梅尔)公司的AT89系列产品；Fairchild(美国仙童)公司的F8和3870系列产品；TI(美国得克萨斯仪器仪表)公司的TMS7000系列产品；NS(美国国家半导体)公司的NS8070系列产品；NEC(日本电气)公司的UCOM87（UPD7800）系列产品；National(日本松下)公司的MN6800系列产品；Hitachi(日本日立)公司的HD630l、HD63L05、HD6305。上述产品既有很多共性，又各具一定的特色，因而在国际市场上都占有一席之地。根据近年来国外实地考察，Intel公司的单片机在市场上占有量为67％，其中MCS—51系列产品又占54％。在我国虽然上述公司的产品均有引进，但由于各种原因，至今我国所应用的单片机仍然是以MCS—48、MCS—51、MCS—96系列为主流系列。随着这一系列产品的深入开发，其主流系列的地位将会不断巩固。●AT89系列单片机AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位Flash单片机产品。这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器，而其他方面和MCS—51没有太大的区别。该系列有着十分广泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。1．AT89系列单片机的特点(1)内含有Flash存储器电子高专-4–由于片内含有Flash存储器，因此在系统开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。同时，在系统工作过程中，能有效地保存数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。(2)和AT80C51插座兼容AT89系列单片机的引脚和MCS—51系列单片机的引脚是一样的。只要用相同引脚的AT89系列单片机就可以取代MCS—5l系列单片机。(3)静态时钟方式AT89系列单片机采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。2．AT89系列单片机的概况AT89系列单片机共有7种型号，分别为从89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52、AT89C2051、AT89C1051、AT89S8252。其中AT89LV51、AT89LV52分别是AT89C5l、AT89C52的低电压产品。最低电压可以低至2．7V。而AT89C2051、AT89C1051则是低档型的低电压产品。它们只有20条引脚．最低电压也为2．7V，见表1.3.2—1。表1.11AT89系列单片机概况型号AT89C51AT89C52AT89C1051AT89C2051AT89S8252Flash（KB）48128片内RAM（B）12825664128256I/O条3232151532定时器（个）23123中断源（个）68368串行接口（个）11111M加密/级33223片内振荡器有有有有有EEPROM（KB）无无无无2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：硬件部分：1．单片机所需的平稳电压电子高专-5–2．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6．单片机与上位机串行通信电路7．I/O口扩展电路软件部分：8．键盘扫描与处理9．显示键盘输入数据10．调用并显示显示器字库内容11．显示单片机与上位机传送的数据12．实现单片机与上位机串行通信功能2.2实验板的性能要求基于实验板的功能定义（在2.1节中说明）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12MHZ3．AT89C51单片机手动复位电路4．显示器件5．16位行列扫描键盘6．与上位机串行通信7．I/O口扩展功能2.3AT89C51在实验板中的应用AT89C51是美国Ateml公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kb的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128b的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Ateml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，片内置通用中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。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