《智能测控仪器设计》项目开发板介绍

光电系：王晓萍

开发板功能

1 、 C8051F020 单片机； 2 、键盘显示接口： 5 个独立式按键； 8 个共阳数码管； 方便外扩 LCD 模块。 3 、通信接口： RS232 ； USB （ RS232 转 USB ）。 4 、串行接口： I2C 、 SPI ，方便外扩接口和外设； 5 、模数 / 数模转换接口： 6 路 A/D 输入， 2 路 D/A 输出。 6 、中断、比较器、定时器 / 计数器、 PCA 接口： 均可外扩使用。

C8051F020单片机（ 1）

C8051F 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（ SOC ），具有与 8051 兼容的微控制器内核，与 MC

S-51 指令集完全兼容。 除具有标准 8051 的数字部件外，片内还集成了数据采

集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。

资料网址： http://www.xhl.com.cn/

C8051F020单片机（ 2）

功能部件： ADC （一个 8 位，一个 12 位，均为 8 通道）、可编程增益放大器、 DAC （两路）、电压比较器、电压基准、温度传感器、 SMBus/I2C 、 UART 、SPI 、定时器（ 5 个）、可编程计数器（ PCA ）、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等。

外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也可使系统的整体成本大大降低。

C8051F020输入 /输出端口

C8051F020 有 8 个 8 位端口共 64 个数字 I/O 引脚（对应端口为 P0~P7) 。低端口（ P0~P3) 既可以按位寻址，也可以按字节寻址。高端口（ P4~P7) 只能按字节寻址。芯片供电电压为 3.3V ，但所有引脚都耐 5V 电压，每个引脚可以被配置为漏极开路或推挽输出方式或弱上拉。

P0~P3 中的每个引脚既可被定义为通用的 I/O 引脚，又可被分配给一个数字外设。可以通过使用优先权交叉开关译码器来进行端口资源的灵活分配。

TMS1

TCK2

TDI3

TDO4

RST5

CP1-6

CP1+7

CP0-8

CP0+9

AGND10

AV+11

VREF12

AGND13

AV+14

VREFD15

VREF016

VREF117

AIN0.018

AIN0.119

AIN0.220

AIN0.321

AIN0.422

AIN0.523

AIN0.624

AIN0.725

XT

AL

12

6

XT

AL

22

7

MO

NE

N2

8

AIN

1.7

/A1

5/P

1.7

29

AIN

1.6

/A1

4/P

1.6

30

AIN

1.5

/A1

3/P

1.5

31

AIN

1.4

/A1

2/P

1.4

32

AIN

1.3

/A11

/P1

.33

3

AIN

1.2

/A1

0/P

1.2

34

AIN

1.1

/A9

/P1

.13

5

AIN

1.0

/A8

/P1

.03

6

VD

D3

7

DG

ND

38

A1

5m

/A7

/P2

.73

9

A1

4m

/A6

/P2

.64

0

A1

3m

/A5

/P2

.54

1

A1

2m

/A4

/P2

.44

2

A11

m/A

3/P

2.3

43

A1

0m

/A2

/P2

.24

4

A9

m/A

1/P

2.1

45

A8

m/A

0/P

2.0

46

AD

7/D

7/P

3.7

47

AD

6/D

6/P

3.6

48

AD

5/D

5/P

3.5

49

AD

4/D

4/P

3.4

50

AD3/D3/P3.351

AD2/D2/P3.252

AD1/D1/P3.153

AD0/D0/P3.054

WR/P0.755

RD/P0.656

ALE/P0.557

P0.458

P0.359

P0.260

P0.161

P0.062

DGND63

VDD64

AD7/D7/P7.765

AD6/D6/P7.666

AD5/D5/P7.567

AD4/D4/P7.468

AD3/D3/P7.369

AD2/D2/P7.270

AD1/D1/P7.171

AD0/D0/P7.072

A15m/A7/P6.773

A14m/A6/P6.674

A13m/A5/P6.575

A1

2m

/A4

/P6

.47

6A

11m

/A3

/P6

.37

7A

10

m/A

2/P

6.2

78

A9

m/A

1/P

6.1

79

A8

m/A

0/P

6.0

80

A1

5/P

5.7

81

A1

4/P

5.6

82

A1

3/P

5.5

83

A1

2/P

5.4

84

A11

/P5

.38

5A

10

/P5

.28

6A

9/P

5.1

87

A8

/P5

.08

8D

GN

D8

9V

DD

90

WR

/P4

.79

1R

D/P

4.6

92

AL

E/P

4.5

93

P4

.49

4P

4.3

95

P4

.29

6P

4.1

97

P4

.09

8D

AC

19

9D

AC

01

00

C8051F020/2

U0

C8051F020/2

C16 0.1uF

C180.1uF

C200.1uF

VDD

C24 0.1uF

C22 0.1uF

VAA

C250.1uF

ADC0.0ADC0.1

C2733pF

C2833pF

Y1

11.0592MHz

VD

D

C290.1uF

11

22

R41K

TMSTCKTDITDO

VDD

VDD

TX1RX1SCKMISOMOSI

SDASCL

RX

2T

X2

NSSVDD

ADC0.2ADC0.3

CE

X0

CE

X1

CE

X2

CE

X3

CE

X4

SB

IT7

SB

IT6

SB

IT5

SB

IT4

SNSSBUZZER

DA

C1

DA

C0

A/D

0B

/D1

C/D

2D

/D3

E/D

4

F/D5G/D6DP/D7DS0DS1DS2DS3DS4DS5DS6DS7

K0

K1

K2

K3

K4

LE

D1

LE

D2

LE

D3

R5

1KRESET

SW-PB

/RST

RB

YT

E0

RB

YT

E1

RB

YT

E2

RB

YT

E3

RB

YT

E4

RB

YT

E5

RB

YT

E6

RB

YT

E7

ADC0.4ADC0.5

CP1-CP1+CP0-CP0+

CP

0

CP

1T

0/I

NT

0T

1/I

NT

1L

CD

0L

CD

1L

CD

2

LCD3LCD4

C8051F020单片机系统

1 23 45 67 89 10

J1

JTAG

+3.3VDR3 4.7K

+3.3VD

TMSTDI

TDOTCK

B1 BUZZER

R6 510

+3.3VD

R51 5.1KBUZZER

E2

C3

B1

Q8S9012

JTAG电路

蜂鸣器电路

P0~P3（ 1） 电路板中： P0 端口使用第二功能： UART0 ， SPI ， I2C 。 SDA 、 SCL 两个引脚通过上拉电阻拉高到 5V 。 SPI 、 I2C 两接口的引脚从 J7 引出，方便通过相应接口外

扩外设芯片。（如 FLASH 、 A/D 等等） P1 端口使用第二功能： UART1 ， PCA ，比较器 0 输出。 P2 端口低 5 位使用第二功能：比较器 1 输出， T0 ， /INT0 ，

T1 ， /INT1 。

1 23 45 67 89 10

J7

SPI&I2C

SCKMOSISGNDSDASGND

MISOSNSSSGNDSCLSGND

R16 5.1K

R17 5.1K

+5VD

SDA

SCL

R18 5.1K

R19 5.1K

R20 5.1K

LCD0

LCD1

LCD2

R21 5.1K

R22 5.1K

LCD3

LCD4J7 SPI&I2C

P0~P3（ 2） 比较器， PCA ，中断 0/1 以及 T0/T1 ，通过（ J3 ）

引出，可以外扩外设芯片。

P2 、 P3 中其余的引脚都做为通用的端口使用。其中： P2.5~P2.7 、 P3.0~P3.1 作为液晶的控制引脚使用； P3.2 作为 SPI 从芯片的片选引脚； P3.3 做为蜂鸣器的控制引脚； P3.4~P3.7 留待他用。

1 23 45 67 89 1011 1213 1415 16

J3

CP&PCA&T&INT

CP0+ CP0-CP1+ CP1-

CEX0 CEX1CEX2 CEX3CEX4 T0/INT0 T1/INT1

CP0 CP1

SGND

J3 CP&PCA&T&INT

P4~P7

P4 端口做为通用的端口引脚使用； P5 端口做为按键和发光二极管的控制引脚使用； P6 端口做为数码管的段码输出口，控制显示的段码； P7 引脚做为数码管的位选输出口，控制动态扫描的位选

信号。

AD&DA 在电路板中，引出了 6 个模拟输入引脚（ J2 ），外部模

拟信号可以通过该接口，输入到 C8051F020 单片机进行A/D 转换。

两个 DAC 输出也通过（ J2 ）引出，可以产生各种波形，或经功放后驱动直流电机等。

1 23 45 67 89 10

J2

AD&DA

ADC0.0 ADC0.1ADC0.2 ADC0.3ADC0.4 ADC0.5AGND DAC0DAC1 AGND

J2 AD&DA

电源电路

在电路中，需要 +3.3V 电压提供给 C8051F020 单片机，+5V 电压提供给外围芯片（ 74LS244 等芯片）；

电源电路设计思路是： 9V 交流电压经过 4 个二极管全波整流和电容滤波，提供给 L7805 稳压输出 +5V 直流电压，该电源通过两个 NCP500SN33 产生两路 +3.3V 信号（模拟和数字）。

+5VD

+ C8

10uF/16V

C5

1uF

C6

1uF

Vin1

GND2

EN3 NC 4

Vout5

U7

NCP500SN33

Vin1

GND2

EN3 NC 4

Vout 5U8

NCP500SN33

+3.3VD

VAA

R2 2

R1 2 VDD

+ C7

10uF/16VC91uF

C111uF

C131uF

12

J0

9V AC

A1 K 2D1

DIODE

A1 K 2D2

DIODE

D3

DIODE

D4

DIODEC1

470uF

C3

470uF

1 2SSWITCH

R01K

POWER

LED

C21uF C4

1uF

OUT 3

IN1

GND2

U6

L7805

电源电路

数码显示电路 电路中：使用了八个共阳数码管。 P6端口用于段码选择控制，同时 P6也做为液晶的数据线使用。在实际使用过程中，二者只取其一。在做段码控制时，需要通过短路帽需要将 J8同 J9的对应部分连接起来。为了提高驱动能力， P6用 74HC244做驱动。

P7端口用于位码控制，通过 PNP三极管提高驱动能力。 所有的段码和位码控制都通过上拉电阻拉高。

数码显示电路

/OE11

I02

I14

I26

I38

I417

I515

I613

I711

GND10

O79

O67

O55

O43

O312

O214

O116

O018

/OE219

Vcc20

HC244SJ

U3

HC244SJ

A B C D

EG F

A11

B7

C4

D2

E1

F10

G5

DP3

DIG2

9

DIG3

8

DIG4

6

DIG1

12

U4DS

A B C D

EG F

A11

B7

C4

D2

E1

F10

G5

DP3

DIG2

9

DIG3

8

DIG4

6

DIG1

12

U5DS

R7

5.1K

R8

5.1K

R9

5.1K

R10

5.1K

R11

5.1K

R12

5.1K

R13

5.1K

R14

5.1K

DS0 DS1 DS2 DS3 DS4 DS5 DS6 DS7

ABCDEFGDP

A'B'C'D'E'F'G'DP'

A' B' C' D' E' F' G' DP'

A' B' C' D' E' F' G' DP'

+5VD

R43 1KR44 1KR45 1KR46 1KR47 1KR48 1KR49 1KR50 1K

E2

C3

B1

Q0S9012

Q1S9012

Q2S9012

Q3S9012

Q4S9012

Q5S9012

Q6S9012

Q7S9012

+5VD +5VD +5VD +5VD +5VD +5VD+5VD+5VD

C1000.1uF

R55 5.1K

R56 5.1K

R57 5.1K

R58 5.1K

R59 5.1K

R60 5.1K

R61 5.1K

R62 5.1K

+5VD

DS0

DS1

DS2

DS3

DS4

DS5

DS6

DS7

R32 5.1K

R33 5.1K

R34 5.1K

R35 5.1K

R36 5.1K

R37 5.1K

R38 5.1K

R39 5.1K

+5VD

A/D0

B/D1

C/D2

D/D3

E/D4

F/D5

G/D6

DP/D7

按键和 LED电路

P5 端口用于按键和 LED 电路控制。 当有键按下时，按键对应的端口为低电平，否则为高电平； 按键可以采用查询方式，也可以采用中断方式。 中断方式时，需要用短路帽将 J4 的两个引脚短路起来，即将

按键信号连接到 MCU 的 INT0 引脚。 3 个 LED由 3根口线控制， LED 的电流引自 3.3V 电源，所

以 3根口线不需拉高到 5.5V 。 控制信号为低时， LED点亮；控制信号为高时， LED熄灭。

A1

K2

L1 LED

L2 LED

L3 LED

LED1

LED2

LED3

R40

5.1K

R41

5.1K

R42

5.1K

+3.3VD E2

C3

B1

Q9S9012

Q10S9012

Q11S9012

R52 510

R53 510

R54 510+3.3VD

+3.3VD

KEY0 SW-PB

KEY1 SW-PB

KEY2 SW-PB

KEY3 SW-PB

KEY4 SW-PB

R275.1K

R285.1K

R295.1K

R305.1K

R315.1K

K0

K1

K2

K3

K4

+5VD

32

1

54

U20A

CD4082BM

109

13

1211

14

14

77

U20B

CD4082BM

K0K1

K2K3

K4

OUT

OUT

KEY_INT0

+5VD+5VD

+5VD C88

0.1uF

按键电路

LED电路

与门逻辑

12

J4

KEY_INT

/INT0KEY_INT0

?J4

通信接口电路 电路板中： UART0 ， ART1 通过芯片 SP3232E 进行电

平转换，方便同计算机进行通信； 通过芯片 CP2101/2/3 完成 RS232 到 USB 的转换，使电

路板能与计算机进行 USB 通信。（在计算机要安装一个软件）

TX2RX2

C310.1uF

C330.1uF

C320.1uF

C340.1uF

C350.1uF

VCC 16

V+ 2V- 6

GND 15T1OUT14R1IN 13

T2IN 10R2OUT 9

C1+1

C1-3C2+4

T1IN11

C2-5

R1OUT12T2OUT7 R2IN8

SP3232

E

U2

SP3232E

RX1TX1

+3.3VD

162738495

J11

RS232

123

J21

RS232

RS-232电平转换电路

D-5

VDD 6

DCD1

RI 2

GND 3

D+ 4

REGIN 7V

BU

S8

RS

T9

NC

10

SU

SP

EN

D11

SU

SP

EN

D1

2

NC

13

NC

14

NC15

NC16

NC17

NC18

NC19

NC20

NC21

NC

22

CT

S2

3

RT

S2

4

RX

D2

5

TX

D2

6

DS

R2

7

DT

R2

8

CP2101/2/3

U1

CP2101/2/3

1234

J12

USB

+

C36

10uF

C371u

C380.1uF

R15510

L4

LED

D-D+

VBUS

/RS

T

TX1 RX1

USB通信电路

端口的引出

为了方便电路板功能的扩展，电路板引出了板内没有使用的MCU 的全部引脚。

P3 端口的高四位、 P4 端口用于外扩功能，外扩口线对应着电路板上的 J5 。

对 P3 的高四位，为了适应与 +5V 电路的连接，可以方便地用短路帽短接 J6 来实现。

另外，电路板还外扩了液晶控制口线（ J9 ），液晶控制引脚都通过上拉电阻拉高。

SBIT4 SBIT5SBIT6 SBIT71 2

3 45 67 89 1011 1213 1415 16

J5

I/O

SGNDRBYTE0RBYTE2RBYTE4RBYTE6

+5VD

SGND

RBYTE1RBYTE3RBYTE5RBYTE7SGND

R23 5.1K

R24 5.1K

R25 5.1K

R26 5.1K

+5VD

1 23 45 67 8

J6

SBIT

SBIT4SBIT5SBIT6SBIT7

J5 I/O J6 SBIT

A/D0B/D1C/D2D/D3E/D4F/D5G/D6DP/D7

LCD0LCD1LCD2LCD3LCD4

+5VDSGND

1 23 45 67 89 1011 1213 1415 16

J9

LCD

/RST

R16 5.1K

R17 5.1K

+5VD

SDA

SCL

R18 5.1K

R19 5.1K

R20 5.1K

LCD0

LCD1

LCD2

R21 5.1K

R22 5.1K

LCD3

LCD4

12345678

J8

DS(SS)

ABCDEFGDP

J9 LCD DS（ SS）