基于AT89C51单片机实验开发板系统设计
摘 要... I Abstract.. II
第1章 绪 论... 1
1.1 单片机现状及发展概述... 1 1.2 单片机的性能特点... 2
1.3 单片机的主要产品及系列... 3 第2章 实验板总体设计方案... 6 2.1 实验板系统功能... 6 2.2 实验板的性能要求... 6
2.3 AT89C51 在实验板中的应用... 7 第3章 实验板的硬件设计... 8 3. 1 硬件总体设计... 8 3. 2 各功能模块设计... 9 3.3.1 单片机外围电路... 9 3.2.2 4×4矩阵键盘电路... 11 3.2.3 液晶显示电路... 13 3.2.4 串行通信电路... 14 3.2.5 IO口扩展电路... 15 3.2.6 电源电路... 15
3.3 实验板元器件清单... 17 第4章 实验板的软件设计... 18 4.1 软件总体设计... 18
4.2 各模块设计流程图... 19 4.2.1 键盘扫描子程序... 19 4.2.2 液晶显示子程序... 24 第5章 实验板调试... 29 5.1 调试的目的... 29 5.2 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3 pcb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（Central Processing Unit），随机存取存储器RAM（Random Access Memrty），只读存储器ROM（Read Only Memory）,定时器计数器以及IO接口电路等主要计算部件集成
在一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Intel 4004，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Intel 8008。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IO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IO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。
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OTP EPROM(一次性编程的EPR()M，简称TOP ROM。
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IO接口，扩展了IO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
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1.1 1AT89 系列单片机概况 型 号 Flash（KB） IO条 定时器（个） 中断源（个） M加密级 片内振荡器 AT89C51 4 32 2 6 3 有 AT89C52 8 256 32 3 8 1 3 有 无 AT89C1051 1 64 15 1 3 1 2 有 无 AT89C2051 2 128 15 2 6 1 2 有 无 AT89S8252 8 256 32 3 8 1 3 有 2 片内RAM（B） 128 串行接口（个） 1 EEPROM（KB） 无
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 2．时钟电路 3．复位电路