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单片机开发板设计.rar

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    单片机 开发 设计
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    科技学院 2011 届本科毕业论文单片机开发板设计专 业:电子信息科学与技术 指导教师: 马光喜 学生姓名: 罗玉江 学生学号: 072004110816 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 I 页目录摘要 ...................................................................IIIAbstract .................................................................IV第一章 绪论 ..............................................................11.1 单片机及开发板简介 ................................................11.2 单片机的应用领域与发展趋势 ........................................21.3 课题的研究现状及意义 ..............................................4第二章 系统设计方案 ......................................................52.1 总体设计 ..........................................................52.2 设计原则 .........................................................6第三章 设计软件简介 ......................................................73.1 Protel99电路板设计软件 ...........................................73.2 Keil程序编译软件 .................................................73.3 STC-ISP软件 ......................................................8第四章 硬件模块设计 ......................................................94.1 单片机最小系统 ...................................................94.2 八位发光二极管 ...................................................124.3 八位数码管 .......................................................144.4 键盘阵列 .........................................................154.5 LCD1602及 LCD12864液晶模块 ......................................164.6 8*8LED点阵 ......................................................164.7 红外收发模块 .....................................................174.8 DS1302时钟模块 ..................................................184.9 数字温度传感器 DS18B20 ...........................................184.10 E2PROM存储器 AT24C02............................................194.11 A/D、D/A 转换模块 PCF8591........................................194.12 达林顿晶体管 ULN2003驱动模块 ....................................204.13 USB供电及下载模块 ..............................................21贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 II 页4.14 ISP下载接口 ....................................................23第五章 实验项目设计 .....................................................245.1 流水灯、花样灯 ...................................................255.2 矩阵键盘 .........................................................255.3 数码管动态扫描 ...................................................265.4 8*8LED点阵 ......................................................265.5 与电脑的串口通信 .................................................275.6 蜂鸣器发音及乐曲播放 .............................................275.7 红外线收发演示 ...................................................27第六章 PCB 制作与系统测 试 ................................................306.1 PCB 制作 .........................................................306.1.1 电路原理图设计 .............................................306.1.2 PCB整体设计 ................................................326.1.3 PCB设计的注意事项 ..........................................346.2 系统测试 .........................................................34第八章 结论 .............................................................36参考文献 .................................................................37附录一 参考程序 .........................................................38附录二 电路原理图 .......................................................47附录三 PCB ..............................................................48附录四 实物照片 .........................................................49致谢 ....................................................................50贵州大学科技学院毕业论文(设计 ) 第 III 页单片机开发板设计摘要设计一种基于 89C52单片机的开发板,该开发板具有成本低、体积小、易携带、可扩展、硬件模块丰富等特点。本论文详细论述了开发板的硬件结构和软件设计,对开发板的整个设计的过程也作了一个大概的介绍。开发板以宏晶公司生产的 STC89C52RC单片机为核心控制器,板上资源主要包括 LED及液晶显示模块、键盘阵列、红外收发模块、DS1302 时钟模块、数字温度传感器DS18B20、E 2PROM 存 储 器 AT24C02、 A/D 和 D/A 转 换 模 块 PCF8591 等 等 。 在各 个 硬 件 模 块 的 基 础 上 , 设 计 出 了 相 应 的 实 验 项 目 以 及 配 套 程 序 。 另 外 ,开发板还采用全开放式的接口设计,既是学习板,也是目标应用板,单片机的40根 I/O线和相关控制线均可通过杜邦线外接,可进行二次开发及相关应用。本开发板可以作为主控制模块安装于控制系统中执行控制任务,应用于电子产品的开发等。也可以用作实验板,完成单片机的各类通用实验,操作简单,性价比高,应用于高校、科研院校的电子综合应用等场合,学生可通过开发板直接进行单片机实验,或是在此基础上自行扩展硬件进行其他电子设计,提高了学生的学习兴趣,具有一定的使用价值和现实意义。关键字:单片机;开发板;键盘;DS1302;DS18B20;P CF8591; 液 晶 显 示贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 IV 页Design Of Single Chip Microcomputer Development BoardAbstractBased on single-chip 89C52 designed the development board, this development board has low cost, small volume, easy to carry, extensible, hardware module rich etc. Characteristics. This paper expounds the development board, hardware structure and software design of the entire development board design process also made a general introduction. Development board production company in the STC89C52RC macro chip microcontroller as the core controller, board resources include LED and LCD module, keyboard arrays, infrared transceiver module, DS1302 clock module, digital temperature sensor DS18B20, E2PROM memory AT24C02, A/D and D/A conversion module PCF8591 etc. On the basis of various hardware modules, the design gives the corresponding experimental project and related programs. In addition, development board also adopts full open interface design, since learning board, also the application board, SCM target 40 root I/O lines and related control can be passed dupont, can undertake second line external development and related applications.This development board can be as the main control modules installed on the control system of executive task, applied in electronic product development, etc. Can also be used as a experimental board, complete MCU general-purpose experiment, simple operation, cost-effective, applied in universities, scientific research colleges electronic comprehensive application occasions, such as students can directly by development board, or SCM experiment based on the hardware to expand to other electronic design, improve the learning interest of the students, has certain use value and practical significance.Keywords: Microcontroller, Development Board, Keyboard, DS1302, DS18B20, PCF8591, LCD Display贵州大学科技学院毕业论文( 设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 单片机及开发板简介自从 1946年美国宾夕法利亚大学研制了世界第一台电子计算机以来,计算机的发展经历了电子管时代、晶体管时代、集成电路时代、大规模及超大规模集成电路时代 4个时代。现代的计算机具有功能强、结构紧凑、系统可靠等特点,其发展趋于巨型化、微型化、网络化及智能化,都属于大规模集成电路计算机 [1]。把计算机的中央处理部件(CPU) 、数据存储器(RAM) 、程序存储器(ROM、EPROM、Flash ROM) 、定时器/计数器和各种输入/输出(I/O)接口 4个基本组成部分集成在一个芯片内,于是就出现了以一个大规模集成电路为主要组成的微型计算机——单片微型计算机(Single Chip Microcomputer) ,简称单片机,由于单片机主要用于控制系统中,一般需要嵌入到某个设备内,所以又称微控制器(Microcontroller Unit,MCU)或嵌入式控制器(Embedded Controller) 。绝大多数现在的单片机都是基于冯·诺伊曼结构的,这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分:一个中央处理器核心,程序存储器(只读存储器或者闪存) 、数据存储器(随机存储器) 、一个或者更多的定时/计时器,还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口——所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。单片机时钟频率通常较同时代的计算机芯片低,但它价格低廉,能够提供充足的程序存储器、丰富的片上接口。某些架构的单片机生产厂商众多,例如8051系列、Z80 系列。一些现代的单片机支持一些内建的高级编程语言,比如BASIC语言、C 语言、C++等。单片机技术自发展以来已走过了近 20年的发展路程。单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发展为先导,以广泛的应用领域拉动,表现出较微处理器更具个性的发展趋势。小到遥控电子玩具,大到航空航天技术等电子行业都有单片机应用的影子。针对 51单片机技术在电子行业自动化方面的重要应用,为满足广大学生、爱好者、产品开发者迅速学会掌握单贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 2 页片机这门技术,于是单片机开发板应运而生,它是用于学习 51、AVR 等各种型号的单片机实验设备,常见配套有外接硬件、实验程序源代码、电路原理图、电路 PCB图等学习资料。单片机开发板是一块单片机和诸多器件组合在一起的电路板,可供平时学习、实验、开发等使用。我们学习单片机,开始是对理论知识的学习,学习了一些指令和相关单片机结构的知识,而单片机开发板就是我们实践的工具,通过开发板我们可以做一些实验,从而充分掌握所学的知识。再比如说我们在正式批量生产产品前,可用开发板对产品进行设计和调试仿真。简单概括说开发板实际上就是一个多功能的实验板,是学习单片机和开发单片机产品的好帮手,上面集成了许多的外围器件 ,如 LED灯、数码管、按键、蜂鸣器、步进电机、直流电机、液晶显示等等,由于具有非常丰富的硬件资源,所以利用一个开发板就可以编制不同的程序实现各种各样的功能,不管是学习单片机,还是开发单片机产品,它都为我们提供了一个良好的平台,提高了我们学习和工作的效率。1.2 单片机的应用领域与发展趋势目 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 。单片机有着广阔的应用前景,可以说现在单片机是百花齐放的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从 8位、16 位到 32位,数不胜数,应有尽有,它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势。 低功耗化MCS-51系列的 8031推出时的功耗达 630mW,而现在的单片机普遍都在贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 3 页100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。80C51 就采 HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和 CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS 虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而 CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征更适合于在要求低功耗,电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径 [2]。 微型集成化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如 A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将 LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中 SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。  主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多、各具特色,但仍以 80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS公司的产品,ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond系列单片机。所以 C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而 Microchip公司的 PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的 HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。此外还有 MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路。 大容量、高性能 以往单片机内的 ROM为 1KB~4KB,RAM 为 64~128B。但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。目前,单片机内 ROM 最大可达贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 4 页64KB,RAM 最大为 2KB。另外单片机进一步改变 CPU的性能,加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术,可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达 100MIPS(Million Instruction Per Seconds,即兆指令每秒),并加强了位处理、中断和定时控制功能,这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度,可以使用软件模拟其 I/O 功能,由此引入了虚拟外设的新概念。 串行扩展技术 在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位 OTP(One Time Programble)及各种特殊类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是 I2C、SPI 等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。1.3 课题的研究现状及意义目前,各大高等院校做单片机实验所用的都是体积庞大、价格昂贵的单片机实验设备,并且实验资源有限,课时较少。而现在市场上所卖的单片机开发板,大多是硬件模块都比较固定、有完整的配套程序,限制了广大学生或产品开发者独立自主的进行实验或产品的开发,不具有可扩展性。本课题主要采用 STC89C52RC 单 片 机 ( 兼 容 8051 单 片 机 ) 为 模 板 进 行 开发 板 的 设 计 , 针 对 现 在 单 片 机 实 验 的 各 种 现 状 与 不 足 , 设计出成本低、体积小、易携带、可扩展、硬件模块丰富的单片机开发板,适合于目前想要学习单片机技术的人士,其主要包括在校的工科类大学生、业余的电子爱好者以及有一定理论但缺少经验的开发者等等。让学者不论是从理论还是实践上,都能得到很好的锻炼,并且为产品开发提供了一定的平台。本作品既能帮助单片机初学者快速学习单片机技术,而且还可以实现从校园的理论走向社会的实际运用,同时又为有一定基础的学者提供了二次开发的接口。另外,此开发板还可用于AVR单片机的开发应用,学者可在熟悉 51单片机的基础上,进一步了解和学习AVR系列的单片机。贵州大学科技学院毕业论文(设计) 第 5 页第二章 系统设计方案2.1 总体设计本 开 发 板 采 用 了 STC89C52RC 单 片 机 , 在 构 建 其 单 片 机 最 小 系 统 的 基础 上 , 扩 建 了 大 量 的 外 围 电 路 系 统 , 其总体硬件结构如图 2.1所示。图 2.1 硬件结构图我 们 根 据 学 生 单 片 机 应 用 的 需 求 确 定 本 开 发 板 的 整 体 系 统 结 构 , 通 过Protel99( 电 路 板 设 计 软 件 ) 设 计 出 整 个 开 发 板 硬 件 模 块 的 电 路 原 理 图 , 并绘 制 出 PCB(电 路 印 刷 版 ),然 后 由 工 厂 加 工 制 作 出 PCB,最 后 再 由 自 己 焊 接 上各 个 电 子 元 件 ,一 块 开 发 板 就 算 做 出 来 了 。 但 只 有 硬 件 , 没 有 软 件 是 不 行 的 ,还 要 编 译 出 相 应 的 程 序 , 开 发 板 才 能 实 现 不 同 的 功 能 。 我 们 采 用 keil( 编译 软 件 ) 编 译 出 基 于 单 片 机 开 发 板 的 实 验 程 序 , 再 通 过 软 硬 件 的 调 试 仿 真 ,下 载 到 单 片 机 上 , 从 而 可 以 设 计 出 多 种 多 样 的 实 验 项 目 。 综 上 所 述 , 大 致 的设 计 流 程 如 图 2.2 所 示 :
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