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项目 4 、单片机实验板制作 PowerPoint PPT Presentation


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项目 4 、单片机实验板制作. 教学内容. 任务 1 :单片机的应用及功能介绍 任务 2 :单片机实验板的设计 任务 3 :单片机实验板的焊接及调试. 任务 1 :单片机的应用及功能介绍. 一、单片机的概念. 1 、微型计算机. 由 CPU 、存储器、定时 / 计数器、并行输入 / 输出接口电路、中断控制器等大规模 IC 芯片安置在一个电路板上,加上键盘、显示器等构成了微型计算机的硬件部分。. 2 、单片机. 将微型计算机系统所用的大多数 IC 芯片集成到一个芯片中。可以认为,单片机就是将微型计算机的 CPU 、存储器、 I/O 端口、中断控制器等全部做在一个芯片中去。.

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项目 4 、单片机实验板制作

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Presentation Transcript


4

项目4、单片机实验板制作


4

教学内容

任务1:单片机的应用及功能介绍

任务2:单片机实验板的设计

任务3:单片机实验板的焊接及调试


4

任务1:单片机的应用及功能介绍


4

一、单片机的概念

1、微型计算机

  • 由CPU、存储器、定时/计数器、并行输入/输出接口电路、中断控制器等大规模IC芯片安置在一个电路板上,加上键盘、显示器等构成了微型计算机的硬件部分。


4

2、单片机

  • 将微型计算机系统所用的大多数IC芯片集成到一个芯片中。可以认为,单片机就是将微型计算机的CPU、存储器、I/O端口、中断控制器等全部做在一个芯片中去。


4

3、微型机与单片机在硬件结构上比较

微型计算机 单片机

CPU

数据RAM

程序ROM

中断控制器

MCS-51单片机

系统总线(DB、AB、CB)

并行I/O

串型端口

定时/计数器

扩展I/O端口

所有单元都组装

在一个IC芯片上

微型计算机的组成框图

(由多个IC芯片组装在一个主电路板上)


4

4、单片机的应用

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。


Mcs 51

二、MCS-51系列单片机介绍

1、MCS-51系列芯片


2 mcs 51

2、 MCS-51单片机内部方框图

时钟电路

4KROM

程序存储器

256BRAM

数据存储器

2X16位

定时/计数器

CPU

处理器

64KB总线

扩展控制器

可编程I/O

端口P0-3

可编程

串行口


4

3、51单片机的性能和特点

  • 内部程序存储器ROM( 以89C51为例 ):4K的存储容量;

  • 内部数据存储器RAM:256B(128B的RAM+21B的SFR) ;

  • 寄存器区:设有4个寄存器区,每一个区有R0-R7八个工作寄存器;

  • 8位并行输入输出端口:P0、P1、P2和P3;

  • 定时/计数器:2个16位的定时/计数器;

  • 串型口:全双工的端口(RXD:接收端,TXD发送端);

  • 中断系统:设有5个中断源;

  • 系统扩展能力:可外接64K的 ROM 和64K的 RAM;


4

三、51单片机的引脚功能


1 mcs 51

1、MCS-51单片机的引脚定义

  • 主电源引脚 :Vcc(+5V--- 40脚)和Vss(GND 20脚);

  • 外接晶体引脚:XTAL1(19脚)、XTAL2(18脚),只要在这两脚之间接入一个晶体震荡器,单片机就可以以此晶体的频率开始工作。常用的晶体频率有0-24M,频率越高,单片机的工作速度就越快,但单片机的功耗就要增加。

  • 控制或与电源复用引脚:RST/Vpd、ALE/PROG、PSEN和Vdd

  • RST/Vpd(9脚):在系统上电震荡器开始工作时, 在内部加在此引脚上有一个两个时钟周期的高电平使单片机复位。但为了使系统复位可靠,建议外加 一个上电复位电路,延长复位的时间。当单片机掉点时,此引脚可以接入备用电源向单片机内部的RAM供电,以防止RAM中的数据丢失。


4

  • ALE/PROG(30脚):以一个不变的频率(系统时钟 fosc/6 )周期性输出正脉。 当单片机使用外部存储器时,此信号可作为低八位地址的锁存信号。 对于EPROM型的单片机,此脚还是用于写程序时,输入编程脉冲。

  • PSEN(29脚):外部程序程序存储器的选通信号。当单片机使用外部程序存储器时,此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲。注意,访问外部数据存储器时,此信号无效。

  • EA / Vpd (31脚):外部程序存储器的选择端控制端:当此脚加入“1”电平是,单片机使用内部的程序存储器;当EA加入低电平时,系统只使用外部的程序存储器。

    但要特别注意:如果EA=1既使用单片机内部的程序存储器时,如果程序计数器PC的值超过0FFFH时,单片机将自动转向外部程序存储器1000H开始的单元。

    对于EPROM型的单片机,此脚还是用于写程序时,加入21伏的编程电压。


4

  • 并行输入输出端口引脚(P0-P3)

  • P0.0 - P0.7 P0端口线(39-32脚):输出能力最强的端口,可以带动8个TTL负载。驱动一个MOS负载时,应接一个10K左右的上拉电阻。如果系统使用外接存储器时,该口还作为地址(低八位)总线和数据总线,注意在这种情况下,P0口就不能通用的I/O端口。

  • P1.0 - P1.7 P1端口线(1 – 8脚):负载能力为4个TTL负载。

  • P2.0 – P2.7 P2端口线(21 – 28脚):通用I/O端口。

  • 除了做通用I/O端口外,当系统使用外接存储器时,该口还作为地址(高八位)总线,在这种情况下,P0口就不能通用的I/O端口。负载能力为4个TTL。


4

  • P3.0 – P3.7 P3端口线 (10 – 17脚):

    P3口除了做通用的I/O端口外,同时它还有第二功能),负载能力为4个TTL。

P3口第二功能表


4

四、51单片机存储器的配置特点

  • 在MCS-51单片机的内部集成了4K的程序存储器和256B的数据存储器,同时还可以使用片外的程序存储器和数据存储器,其扩展能力都是64K。

  • 从物理结构的角度讲,51单片机的存储系统可以分为四个存储空间:既片内ROM,RAM和片外ROM、RAM。

  • 从逻辑上讲(既用户编程的角度讲)51单片机的存储系统又可分为三个存储空间。既片内RAM,片外RAM和片内、外的程序存储器ROM。


Ram 128b

五、片内RAM低 128B 字节功能分配图

7FH

便笺区

通用的RAM区

地址:30H-7FH

30H

2FH

位寻址区

16个单元20H-2FH,

共有128 可寻址位个位。

位地址:00H-7FH

注意:位地址与字节地址的区别

位寻址区

20H

1FH

3区

18H

17H

四个工作寄存器区

每个区中有R0-R7

八个工作寄存器

2区

10H

0FH

1区

08H

07H

00H

0区

返回上一次

继续


51 i o

六、51单片机的I/O端口结构

  • 对单片机的控制,其实就是对I/O口的控制。51单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口,每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个I/O端口都能作输入输出口用,其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问。

  • 51系列单片机有4个I/O端口,每个端口都是8位准双向口,共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0~P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口笼统地表示为P0~P3。

  • 在无片外扩展存储器的系统中,这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中,P2口作为高8位地址线,P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。


4

Vcc

Vcc

读锁存器

控制(=0时)

地址/数据

1/0

内部总线

P0.x

引脚

D Q

锁存器

CL /Q

写锁存器

MUX (控制=0时)

读引脚

1、P0口的位结构图

下图为P0口的某位P0.n(n=0~7)结构图,它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。从图中可以看出,P0口既可以作为I/O用,也可以作为地址/数据线用。


4

P0口特点:

  • 做通用数据I/O端口时,输出级上端的FET处于截止状态,所以与MOS器件连接时,必须接“上拉电阻”,否则不能正确的输出高电平;

  • 在输入操作前,为了保证输入正确,必须先向端口“写1”;

  • “读引脚”与“读锁存器”是不同的两个数据通道。凡是“读—修改—写” 的操作,CPU读的都是端口锁存器中的数据。

  • 为了提高电路的可靠性,端口引脚不要直接与三极管一类器件直接连接,应加隔离电路或与三极管之间加一个电阻。

  • 在总线方式时,P0口不能再做通用的I/O端口。它分时输出地址、数据总线的信息(此时引脚不用外接上拉电阻)。


4

Vcc

读锁存器

内部上拉电阻

P1.x

引脚

D Q

锁存器

CL /Q

内部总线

写锁存器

读引脚

2、 P1口的位结构图

特点:单纯的通用I/O端口,负载能力为3个TTL输入。与P0口的区别在于内部具有上拉电阻,所以输出时不用外接上拉电阻。


4

地址/数据

1/0

Vcc

控制

读锁存器

内部上拉电阻

内部总线

P2.x

引脚

D Q

锁存器

CL /Q

MUX (地址/数据=0)

写锁存器

读引脚

3、 P2口 的特点:

“通用数据I/O端口”和“高八位地址总线”端口


4 p3 i o

4、P3口 特点:通用I/O端口、多用途端口

Vcc

读锁存器

替代输出功能

  • 在多用途情况下,P3口分别作为串行口、外中断输入、外部计数输入和系统扩展时使用的WR和RD信号的端口。在这种情况下,锁存器Q端为“1”电平以保证与门是打开的。

  • 在通用I/O模式下,“替代输出功能”端为“1”电平,以保证与门打开。

P3.x

引脚

内部总线

D Q

锁存器

CL /Q

写锁存器

MUX (地址/数据=0)

读引脚


4

“拉电流”还是“灌电流”----与大电流负载的连接

使用灌电流的方式与电流较大的负载直接连接时, 端口可以吸收约20mA的电流而保证端口电平不高于0.45V(见右上图)。

采用拉电流方式连接负载时,AT89C51所能提供“拉电流”仅仅为80μA,否则输出的高电平会急剧下降.如果我们采用右下图的方式,向端口输出一个高电平去点亮LED,会发现,端口输出的电平不是“1”而是“0”!

当然,不是所有的单片机都是这样,PIC单片机就可以提供30mA的拉电流和灌电流。单对于大多数IC电路,最好还是使用“灌电流”去推动负载。

Vdd

Vdd

Px.y

灌电流方式

输出”0”点

亮LED

Vdd

Px.y

七、并行端口在使用时应注意的几个问题

拉电流方式

输出高电平

点亮LED


4

Vcc

负载

Px.y

八、单片机与继电器等大电流负载的接口

  • 我们知道:AT89C51的端口可以吸收约20mA的电流.对于继电器等大于20mA的负载,单片机可以采用右图的接法,用一个三极管来承担负载所需的大电流.

  • 若于负载电流易造成干扰单片机的环境,应采用右下图”光电隔离”的方式.其中:

    A 、B两处没有

    任何电的联系.

Vdd

Vcc

J

Px.y

B

A


4

九、复位电路

Vcc

Vcc

V

MCS-51

RST

MCS-51

RST

10Ω

C

1K

R

T

t

具有手动复位功能

的复位电路

延长上电复位时间的电路

和RST端上电电压曲线


4

MCS-51内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器.在单片机引脚的XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端.与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激震荡器(见右上图).

如果使用外部震荡器信号,其外来的信号加在XTAL1的引脚上(见右下图).

XTAL1

XTAL2

20P

20P

十、震荡器、与时钟电路:

XTAL2

XTAL1

NC

外时钟

使用外时钟时的电路连接


4

任务2:单片机实验板的设计


4

一、实验板系统功能要求

  • 流水灯实验

  • 数码管实验

  • 键盘实验

  • 温度测量及显示实验

  • 日历时钟显示实验

  • 液晶显示实验


4

二、单片机的选型及复位、时钟电路

1、单片机的选型:

AT89S52,它是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,内含8k bytes的可反复擦鞋的制度程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL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8位中央处理器和Flash存储单元,内置功能强大的微型计算机的AT89S52提供了高性价比的解决方案。其内部有足够本系统对存储器的要求,不用外扩电路简单。


4

2、系统时钟

时钟电路设计采用内部方式。引脚XTAL1和XTAL2是时钟电路的连接端。系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值约为22pF。在焊接刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。


4

3、复位电路的设计

MS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位俩种方式,此电路系统采用的是上电与按钮复位电路,如图所示当时钟频率选用12MHz时,C1取10uF,R1约为10k欧。


4

三、P0口的功能定义

1、限流电阻模板的设计

  • P0口作为公共的显示通道,用来驱动发光二极管及数码管各码段的显示,显示电流10mA左右,限流电阻为330欧姆。

  • 制作一个电阻排插件,用于选择发光管、数码管及液晶显示器的显示数据通道。如图:


4

2、液晶显示器数据通道的设置

  • P0口作为液晶显示器的数据通道,传输高电平数据时需要10K的上拉电阻。选择10K电阻排如图:


3 led

3、LED二极管显示电路

  • 在线路板上设置8个LED小灯通过插接电阻板连接到单片机的P0口上,通过程序控制巡回闪亮。

插接板


4

四、P2口的功能定义

1、温度传感器的连接

  • P2.0作为温度传感器DS18B20的数据及控制通道,传输控制命令,读取温度值。


2 led

2、LED数码显示的控制

①数码管的选择及引脚图

  • LED数码管型号为:LD-5461BS

  • 时钟数码管,红色,共阳


4

插接板

②数码管电路的连接③④

  • P2.1~P2.4作为数码管的位选端,经三极管9012把高电平加到每位数码管的阳极。

  • 每段数码管的阴极由P0口控制显示相应的码段。


3 lcd

3、LCD液晶显示控制

①液晶显示器的选型及引脚

  • 选择LCD1602字符型液晶显示器,两行显示,每行可显示16个字符。外形及引脚如图:


4

②液晶显示器的连接


4 ds1302

4、日历模块DS1302控制

①相关的元器件


Ds1302

②DS1302的连接

  • P2.5接I/O脚,P2.6接SCLK脚,P2.7接RST脚;

  • 备用电源选择CR2032纽扣电池;

  • 晶振频率:32768Hz.


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五、P1口为键盘端口

  • P1.0~P1.3接行线

  • P1.4~P1.7接列线


4

六、P3口功能定义

  • P3.3、P3.7为按键输入量,其中 P3.3有中断功能;

  • P3.6为继电器输出量,本例控制发光管点亮。


4

七、实验板参考线路图(1)


4

七、实验板参考线路图(2)


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七、实验板参考线路图(3)


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八、实验板3D仿真图(1)


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八、实验板3D仿真图(2)


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任务3:单片机实验板制作项目驱动


4

一、制作任务的布置

根据图纸制作线路板,要求:

  • 学生自己完成选购电子元器件的工作;

  • 准备好多孔板和连接线;

  • 准备好必要的制作和检测工具;

  • 要求按给定布线图进行焊接。

  • 焊点要光亮、平滑;焊料层均匀薄润,且与焊盘大小比例合适,结合处的轮廓隐约可见;

  • 焊料要充足,成裙形散开;无裂纹、针孔、无焊剂残留物。

  • 焊接时注意安全。

  • 下次课开始为制作课,两周内必须完成。

  • 再次上课之前必须上交作品 。


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二、实验板制作评分标准


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