基于单片机的实验教学开发系统设计(2)

本设计的任务主要分为硬件和软件两大部分，其主要硬件设计框图如图2-1

所示：

图2-1 总体设计框图

此开发系统的主要内容包括： （1）单片机最小系统电路。 （2）蜂鸣器发声电路。 （3）按键电路。 （4）流水灯实验电路。 （5）LCD1602显示电路。 （6）DS18B20温度显示电路。 （7）七段数码管显示电路。 （8）串口通信电路。 （9）按键模块程序设计。 （10）DS18B20温度测量程序。

（11）7段数码管显示程序。 （12）LCD1602模块程序。 （13）流水灯实验程序。 （14）蜂鸣器实验程序。 （15）串口通信模块实验。

2.2 主要芯片介绍

2.2.1 AT89S52单片机简介

计算机芯片MCS-51是一个电脑晶片,英特尔公司生产系列。它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。所推出的系列产品有AT89S52、8031、8751。其代表就是AT89S52。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是AT89S52单片机。CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU包括两个部分:运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理[4]。

整个系统电控部分以ATMEL公司的AT89S52为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4K的EPROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够；而AT89S52却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LED

数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。

图2-2 AT89S52管脚图

上图是AT89S52的引脚配置，在40个引脚中，有正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：

引脚40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM抄写程序时，接+5V电源。 引脚19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。 引脚18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。

AT89S52的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10PF-30PF。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。本设计采用外部时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。输入输出(I/O)引脚：引脚39-引脚32为P0.0-P0.7输入输出脚，引脚1-引脚8为P1.0-P1.7输入输出脚, 引脚21-引脚28为P2.0-P2.7输入输出脚，引脚10-引脚17为P3.0-P3.7输入输出脚。

在对单片机设计中，P0口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出接口，另外也作为模数转换的数据传输口,P2口为程序存储器扩展口的高8位地

V

址总线口，P1口为输入/输出口。引脚9:RESET/pd复位信号复用脚，当AT89S52通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现2个时钟周期以上的高平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H， P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，

系统即从0000H地址开始执行程序[1]。AT89S52的初始态如下：

表2-1 寄存器初始状态

2.2.2 LCD1602显示器

LCD1602液晶显示由于显示效果好,体积小，损耗小等特点成为很多设计中的常选器件。LCD1602液晶显示的主要参数: 显示容量为16×2个字符；接5V电压时的工作电流为2mA；字符尺寸为2.95×4.35(WXH)mm；模块最佳工作电压为5V；芯片工作电压为4.5～5.5V。LCD1602显示器的接口信号说明如表2-2所示。

表2-2 LCD1602显示器的接口信号说明

基本操作程序：

读状态：令RS=L，RW=L， E=H 读数据：令RS=H，RW=H， E=H

写指令：令RS=L，RW=L，D0~D7=指令码，E=高脉冲 写数据：令RS=H，RW=L，D0~D7=数据，E=高脉冲

2.3 单片机各功能模块硬件设计

2.3.1 单片机最小系统设计

复位电路：复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于锁死状态时，为摆脱困境也需按复位键以重新启动。AT89S52芯片内部有复位电路，RST引脚是复位信号的输入端高电平有效，复位方式有自动复位和手动复位两种。本实验板采用手动复位方式复位。

AT89S52的复位电路如图2-2所示：

图2-3 复位电路

当电源刚开始送电瞬间，电容相当于短路，RST端输入高电平，AT89S52复位。短路瞬间之后，电容充电，RST端低电平。AT89S52需要复位时，按下手动复位键，电容通过电阻放电，当电容放电结束后，RST为高电平，AT89S52进入复位状态；松手后，电容充电，RST端高电位下降，CPU脱离复位状态。

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。在AT89S52单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTALl和XTAL2引脚接入定时控制元件(晶体振荡器和电容)，即可构成一个稳定的自激振荡器。在AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTALl和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。AT89S52的时钟电路如图

2-3所示：

图2-3 晶振时钟电路原理图

用晶振和电容构成谐振电路，在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。

2.3.2 键盘电路设计

键盘是人与AT89S52联系的重要手段，用于向CPU输入运行参数和控制系统的运行状态。键盘电路形式分为直接编码输入键盘和矩阵键盘。前者接口电路简单，一般应用于需要少量按键的控制系统。后者因占用引脚数少，常被按键较多的控制系统所采用。本实验板用于学生实验，故接口较为简单，采用直接编码输入键盘[6]。

实验板的键盘电路如图

2-4所示：

图2-4键盘模块原理图

当开始扫描时，在判断有键被按下后，检测到输出端口为0的键就是被按下的键。

此外按键在闭合和断开时，触点会存在抖动现象。按键的抖动时间一般为5-10ms ,抖动可能造成一次按键的多次处理问题。应采取措施消除抖动的影响，软件编程时常采用软件的方法消除抖动，在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的延时子程序后再确认该按键电平是否仍然保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。在这里可以编写一个延时程序来消除抖动。

2.3.3 LED数码管显示电路设计

LED数码管是单片机控制系统中最常见的显示器件之一，一般用来显示结果或输入／输出信号的状态。对于单片机实验开发来说非常重要。

通常的数码管是由发光二极管构成的，发光二极管的压降是比较固定的，通常红色为1.6V左右，绿色有2V和3V两种，黄色和橙色约为2.2V，蓝色为3.2V左右。

对于常用的几毫米大小的二极管，其工作电流一般在2毫安至20毫安之间，电流越大亮度越高，用电源电压减去二极管的压降，再除以设定的工作电流，就得出限流电阻的阻值。本设计采用680Ω的限流电阻，其数码管亮度较为适中[7]。

实验板数码管显示电路如图

2-5所示：

图2-5单片机的动态显示电路

2.3.4液晶显示电路设计

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