项目 4 、单片机实验板制作

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

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。

1 、微型计算机

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。

3 、微型机与单片机在硬件结构上比较微型计算机单片机

数据 RAMCPU

并行 I/O

程序 ROM

定时 / 计数器串型端口

中断控制器

扩展 I/O 端口

系统总线（ DB 、 AB 、 CB ）

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）

MCS-51 单片机

所有单元都组装在一个 IC 芯片上

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。

二、 MCS-51 系列单片机介绍

型号片内 ROM 片内 RAMI/O 口

线备注

8031 无 128B+SFR 8×4 DIP 40 脚

8051 掩膜 4KB 128B+SFR 8×4 DIP 40 脚

8751 EPROM 4KB 128B+SFR 8×4 DIP 40 脚

89C51 FLASH 4KB 128B+SFR 8×4 DIP 40 脚

89C2051 FLASH 2KB 128B+SFR 15简化 DIP 20

脚

8XC552 8K 256B+SFR 8×6 增强多功能型

1 、 MCS-51系列芯片

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

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；

三、 51 单片机的引脚功能

1 、 MCS-51 单片机的引脚定义① 主电源引脚 :Vcc(+5V--- 40脚 ) 和 Vss(GND 20脚 );

② 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。

③ 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。

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 。

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 。

口线定义说明口线定义说明

P3.0 RXD 串行数据输入口 P3.4 T0 计数器０外部输入信号P3.1 TXD 串行数据输出口 P3.5 T1 计数器１外部输入信号

P3.2 INT0 外部中断０输入口 P3.6 / WR 外部数据存储器写信号P3.3 INT1 外部中断１输入口 P3.7 / RD 外部数据存储器读信号

P3 口第二功能表

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。

五、片内 RAM 低 128B 字节功能分配图

位寻址区

3 区

2 区

1 区

0 区

便笺区

08H07H

00H

7FH

30H2FH

20H1FH

18H17H

10H0FH

四个工作寄存器区每个区中有 R0-R7

八个工作寄存器

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

通用的 RAM 区地址： 30H-7FH

继续返回上一次

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。

1 、 P0 口的位结构图

D Q 锁存器CL /Q

P0.x引脚

Vcc

地址 / 数据1/0

控制 (=0 时 )读锁存器

读引脚

内部总线

写锁存器MUX ( 控制 =0 时 )

Vcc

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。

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）。

P0 口特点 :

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。

D Q 锁存器CL /Q

P1.x引脚

Vcc读锁存器

读引脚

内部总线

写锁存器

内部上拉电阻

3 、 P2 口的特点：“通用数据 I/O端口”和“高八位地址总线”端口

D Q 锁存器CL /Q

P2.x引脚

Vcc地址 / 数据1/0

控制读锁存器

读引脚

内部总线

写锁存器MUX ( 地址 / 数据 =0)

内部上拉电阻

4 、 P3 口特点：通用 I/O 端口、多用途端口

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。

D Q 锁存器CL /Q

P3.x引脚

替代输出功能读锁存器

读引脚

内部总线

写锁存器

MUX ( 地址 / 数据 =0)

Vcc

七、并行端口在使用时应注意的几个问题 “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。

Px.y

VddVdd

灌电流方式输出” 0” 点

亮 LED

拉电流方式输出高电平点亮 LED

Px.y

Vdd

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 . J

VccVdd

Px.y

A B

Px.y

负载

Vcc

MCS-51

RST

Vcc

MCS-51

RST

Vcc

1K

10Ω

t

V

T

延长上电复位时间的电路和 RST 端上电电压曲线

具有手动复位功能的复位电路

R

C

九、复位电路

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 ).

XTAL2

XTAL1

NC

外时钟

使用外时钟时的电路连接

十、震荡器、与时钟电路 :

XTAL1 XTAL2

20P 20P

任务 2 ：单片机实验板的设计

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

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。

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。

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。

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：

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 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

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 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

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。

插接板

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：

②液晶显示器的连接

4 、日历模块 DS1302 控制①相关的元器件

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.

五、 P1 口为键盘端口

P1.0~P1.3 接行线 P1.4~P1.7 接列线

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。

七、实验板参考线路图（ 1 ）



八、实验板 3D仿真图（ 1 ）

八、实验板 3D仿真图（ 2 ）

任务 3 ：单片机实验板制作项目驱动

一、制作任务的布置根据图纸制作线路板，要求：

1. 学生自己完成选购电子元器件的工作；2. 准备好多孔板和连接线；3. 准备好必要的制作和检测工具；4. 要求按给定布线图进行焊接。5. 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；6. 焊料要充足，成裙形散开；无裂纹、针孔、无焊剂残留物。

7. 焊接时注意安全。8. 下次课开始为制作课，两周内必须完成。9. 再次上课之前必须上交作品。

二、实验板制作评分标准量化细则总分

评分标准不会一般中等好

安全操作 10 3 6 8 10

读懂任务电路图的程度 10 3 6 8 10

元器件准备 10 3 6 8 10

识别、检测元器件的能力 15 5 10 13 15

焊接水平 15 5 10 13 15

工艺水平 15 5 10 13 15

调试水平 15 5 10 13 15

电路装接完成情况 10 3 6 8 10

Documents

项目 4 、单片机实验板制作