《单片机原理与实验教程》课件第6章

第6章AT89S5X实验系统

6.1实验系统硬件组成6.2

ISP下载器6.3最小系统板制作及测温系统设计6.1实验系统硬件组成本章介绍一种AT89S5X单片机实验系统，该实验系统采用模块化设计：一个系统板（单片机最小系统，包括单片机AT89S5X和一些基本外围模块）和两个扩展板。系统板与扩展板之间采用自定义总线连接，同时用户可以根据自己的特定需要设计自己的扩展板，以与系统板连接。相比传统实验系统，此单片机实验系统具有很强的扩展功能。本章重点介绍本实验系统的系统板，该系统板是基于AT89S52的最小单片机系统，称之为单片机模块。读者可以根据本章介绍的内容和附录B给出的原理图，自己动手焊接和调试。单片机模块的框图如图6－1所示，单片机模块在功能上相当于一个单片机的系统板，可以作为用于电子设计竞赛的单片机最小系统。本章介绍的单片机系统板包括：MAX232串口通信、LED显示、LCD显示、8个流水灯、1个蜂鸣器、16个键盘、复位键、计数器中断按键、中断按键、并口下载线、电源输入、开关等。单片机与这些资源通过跳线连接。下面对各模块电路分别作一介绍。图6－1单片机模块框图6.1.1电源接口

该实验系统的电源有两组输入接口。一组是实验系统内部的电源输入，这组输入从印制板背面的插孔输入，输入电源种类有±12V、地和+5V。另一组是外部电源输入接口，为+5V。输入接口采用通用插孔。该实验系统的电源还包括两组输出接口，用于给扩展板供电。输出接口同样采用两组5针输出。读者在设计自己的单片机系统板的电源部分时，可以选择用计算机的USB接口供电，计算机的一个USB口可以提供500mA的电流，对于一般小系统而言是够用的。这样可以节约成本。6.1.2液晶随着科技的发展，液晶显示模块得到了非常广泛的应用，目前已广泛应用于工业场合和消费类场合，如电子表、计算器、液晶电视机、便携式电脑、掌上型电子玩具、复印机、传真机等。液晶显示(LCD)大体分为笔段型、字符型、点阵图形型等几大类。（1）笔段型LCD（比如电子表上用的）一般只能显示数字、字母或固定字符等，它的特点是价格便宜，但往往需要定做。另外，笔段型LCD与单片机的接口需外接驱动电路，或者选择带液晶驱动的单片机，比如TI公司的MSP430x4xx系列。AT89S5X系列单片机需外接于笔段式LCD的接口芯片才能控制它。（2）字符型液晶显示模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块，它由若干个5×7或5×11等点阵字符组成，每一个点阵字符位都可以显示一个字符，点阵字符位之间的一个点距的间隔起字符间距和行距的作用。目前市面上常用的有16字×1行、16字×2行、20字×2行和40字×2行等字符模型，这些LCD虽然显示的字数各不相同，但是都具有相同的输入/输出界面。这类LCD一般带有基本字库，而且自带驱动电路，可直接与AT89S5X系列单片机接口。AT89S5X的实验系统采用的是TC1602A，它是一种16字×2行的字符型液晶显示模块，其显示面积为64.5×13.8mm2。这是一款普通而且非常常见的LCD（建议初学单片机和LCD的读者可以选用该款LCD），其功能介于笔段式和点阵图形型LCD之间，价格也介于它们之间，在20元左右。（3）点阵图形型LCD除了具备字符型LCD的所有功能外，而且具备显示图形的功能，图形点阵大小有各种规格可选，比如128×64。该类LCD一般自带驱动电路，可以直接与51系列单片机接口，但该类LCD的价格高，而且有时需要字符或图形转换软件配合设计。液晶模块厂家很多，比如肇庆金鹏电子、南京国显，等等。下面简单介绍本实验系统采用的TC1602A液晶模块的功能（基本上所有厂家的1602的LCD模块引脚都是兼容的）。

1．引脚说明

TC1602A的引脚功能如表6－1所示。表6－1

TC1602A的引脚图

2．TC1602A的内部结构

TC1602A的内部结构如图6－2所示，它主要由DDRAM、CGROM、CGRAM、IR、DR、BF、AC等大规模集成电路组成。DDRAM为数据显示用的RAM(DataDisplayRAM，简称DDRAM)，用以存放用LCD显示的数据，只要将标准的ASCII码放入DDRAM，内部控制线路就会自动将数据传送到显示器上，并显示出该ASCII码对应的字符。CGROM为字符产生器ROM(CharacterGeneratorROM，简称CGORM)，它存储了192个5×7的点阵字型，但只能读出不能写入。

CGRAM为字型、字符产生器的RAM(CharacterGeneratorRAM，简称CGRAM)，可供使用者存储特殊造型的造型码，CGRAM最多可存8个造型。IR为指令寄存器(InstructionRegister，简称IR)，负责存储MCU要写给LCD的指令码，当RS及引脚信号为0，且Enable引脚信号由1变为0时，D0~D7引脚上的数据便会存入到IR寄存器中。DR为数据寄存器(DataRegister，简称DR)，它们负责存储微机要写到CGRAM或DDRAM的数据，或者存储MCU要从CGRAM或DDRAM读出的数据。因此，可将DR视为一个数据缓冲区，当RS及引脚信号为1且Enable引脚信号由1变为0时，读取数据；当RS引脚信号为1，引脚信号为0，且Enable引脚信号由1变为0时，存入数据。

BF为忙碌信号(BusyFlag，简称BF)，当BF为1时，不接收微机送来的数据或指令；当BR为0时，接收外部数据或指令。所以，在写数据或指令到LCD之前，必须查看BF是否为0。AC为地址计数器(AddressCounter，简称AC)，负责计数写入/读出CGRAM或DDRAM的数据地址，AC依照MCU对LCD的设置值而自动修改它本身的内容。TC1602A可分2行共显示32个字符，每行显示16个字符。TC1602A的控制指令共11条，其中9条是针对命令寄存器IR的，另外2条是针对数据寄存器DR的，具体指令如表6－2所列。表6－2

TC1602A的指令表

需要说明的是，表中*表示可以为0或1，表中的相关命令字设置如下：

I/D：1——增量方式，0——减量方式；

S：1——不移动，0——移动；

D：1——显示，0——不显示；

C：1——显示光标，0——不显示光标；

B：1——光标闪烁，0——光标不闪烁；

S/C：1——显示器移位，0——光标移位；

D/L：1——右移，0——左移；

DL：1——8bit，4——4bit；

N：1——2行，0——1行；

F：1——5×10字型，0——5×7字型；

BF：1——正在执行内部操作，0——可接收指令。3．与单片机的接口

在该实验系统中，单片机与液晶的接口如表6－3所示。读者在设计液晶电路时，需注意以下几点：（1）注意“判忙”信号（BF）。单片机向液晶模块发送数据后，需等待并判断BF信号为高，所以，BF脚为双向口，设计时需注意。在编写液晶控制程序时，也可以不判断BF信号，只需要延时一段时间就可以，这样可以避免双向口操作的麻烦。（2）有些单片机的I/O口是3.3V，但很多液晶器件的是5V，因此单片机与液晶不能直接相接而需电平转换。电平转换器件可以选用HC245。表6－3单片机与液晶的接口

6.1.3编程接口单片机与ISP编程器接口是一个标准的10针接口。编程器原理详见第6.2节的内容。编程器与单片机的接口如表6－4所示。表6－4编程器与单片机的接口

6.1.4串口

AT89S5X实验系统含一个串口，如图6－3所示，单片机的串口与U3（MAX232）的11、12脚相连。MAX232完成5V到标准232电平(±15V)的转换。MAX232的工作原理读者可参考有关材料。图6－3中，VD1、VD2是TVS二极管，用于防止串口的瞬态脉冲损坏MAX232。Z0是与计算机接口的DB9。读者在自行设计时需考虑DB9的“孔”和“针”的配套。图6－3串口通信原理图6.1.5发光二极管

AT89S5X实验系统包括8个发光二极管，发光二极管部分电路如图6－4所示。RP5是8×1kΩ的电阻。在完成发光二极管实验时，由于单片机的P0口是共用I/O口的，因此在选择发光二极管时需将J17接上，J17是跳线。发光二极管与单片机的接口如表6－5所示。AD0为高电平时，发光二极管D100熄灭；AD0为低电平时，发光二极管D100点亮，其余类似。表6－5发光二极管与单片机接口表

图6－4发光二极管的原理图6.1.6

4位LED

1．LED显示器的结构与原理

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种结构，如图6－5所示。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地，如图6－5（a）所示，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接，如图6－5(b)所示。通常的七段LED显示块中有8个发光二极管，故也有人称为八段显示器。其中七个发光二极管构成七笔字型“8”，一个发光二极管构成小数点。图6－5七段LED显示块七段显示块与单片机接口非常容易，只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。8位并行输出口输出不同的字节数据即可显示不同数字或字符，如表6－6所示。通常把控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳和共阴的段选码互为补数。表6－6七段LED的段选码

2．LED控制原理在单片机应用系统中，使用LED显示块构成N位LED显示器。多位LED显示器的显示方式有静态显示和动态显示两种。LED动态显示的基本原理在于分时轮流选通数码管的公共端，使得各数码管轮流导通，在选通相应LED后，即在显示字段上得到显示字形码。这种方式不但能提高数码管的发光效率，而且由于各个数码管的字段是并联使用的，从而大大简化了硬件线路。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间大约是1ms，由于人眼的视觉惰性，及发光二极管的余晖效应，尽管实际上各位显示器并没有同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的视觉效果是没有闪烁感。

3．AT89S52实验系统中应用

AT89S52实验系统的数码管采用共阳极动态数码管。8位数码管的8位选通线通过单片机I/O口驱动三极管3409选通。8位选通线通过拨动开关与单片机相连，具体原理图可参考附录B。表6－7是单片机与数码管的接口表。表6－7发光二极管与单片机的接口表

6.1.7扩展接口实验系统与扩展板的接口通过标准24针连接，可同时与两个扩展接口连接，所以需要两组相同的24针接口。实验箱上的扩展板相当于单片机的外设，实验箱定义的总线如图6－6所示，定义的总线信号是单片机的AD0~AD7、A8~A15、WR、RD、ALE、INT0、T0。单片机通过这些信号线完成与所有外设的通信。图6－6扩展接口的原理图6.1.8单片机

AT89S5X实验系统的单片机可以采用AT89S52、AT89S51或AT89S53。AT89S52单片机是Atmel公司推出的一款在线可编程单片机，通过相应的ISP软件，用户可对单片机程序存储器Flash中的代码进行方便的改变。AT89S52和AT89C52引脚完全兼容。其技术参数如下：

·8KB在线可编程Flash程序存储器，3级安全保护，128B的内部数据存储器；

·4.0～5.5V的工作电压；

·最高工作频率为33MHz；

·32个可编程I/O引脚；

·两个16位的计数器/计时器；

·六个中断源，可以在掉电模式下响应中断；

·一个全双工的串行通信口。6.1.9键盘键盘采用4*4键盘，另有中断、定时器中断、复位共19个按键。键盘的工作方式采用查询方式。键盘软件的查询方法和消抖请读者参考其他资料或参考第7章的程序部分。键盘的原理图如图6－7所示。图6－7矩阵键盘的原理图键盘与单片机之间的接口表如表6－8所示。表6－8单片机与键盘接口表

6.1.10蜂鸣器蜂鸣器是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方。通常，它的工作电流比较大，单片机I/O口一般驱动不了它，需要增加一个电流放大电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。

AT89S5X实验系统中，蜂鸣器采用压电蜂鸣器，实验系统中的蜂鸣器控制原理图如图6－8所示。图中，J18是选择蜂鸣器电路的跳线，在完成蜂鸣器实验时将跳线插上，蜂鸣器用三极管3904驱动。蜂鸣器是用单片机的P3.4控制的。图6－8蜂鸣器的原理图蜂鸣器的正极性的一端接到三极管的发射极，另一端连接到地，三极管的基级由单片机的P3.4管脚控制，高电平时蜂鸣器响，低电平时蜂鸣器不响。用户可以通过程序控制P3.4管脚的置低和置高来使蜂鸣器发出声音和关闭。蜂鸣器的声音大小及音调可以通过调整P3.4管脚的置高时间及输出的波形进行控制，这一点可以在调试程序时试验。6.2

ISP下载器

AT89S5X单片机是Atmel公司推出的一款在系统可编程单片机，通过相应的ISP软件，用户可对单片机程序存储器Flash中的代码进行方便的擦写。AT89S5X和AT89C5X引脚完全兼容。

Atmel公司提供相应的ISP软件AtmelMicrocontrollerISPSoftware，用于对S系列单片机进行动态编程。这个软件可以在Win98，WinNT4.0(需要ServicePack3)以及Win2000、WinXP系统上运行。其对PC机系统的最低要求如下：

·Pentium166或者更高的处理器；

·32MB以上的RAM，推荐使用64MB；

·光驱、显示器以及鼠标等；

·Atmel公司的ISP在线可编程电缆，或自制电缆。

Atmel公司的ISP软件可在Atmel公司的网站上免费下载，网址为：/dyn/products/tools_card.asp?family_id=604&family_[JP]name=8051+Architecture&tool_id=2877。读者也可以在

中下载。

ISP编程电缆既可向Atmel公司购买，也可自行制作。本节将介绍如何设计ISP电缆以及ISP电缆和AT89S52等芯片的接口。

ISP电缆和AT89S52通过一个10针的IDC口进行连接，图6－9给出了IDC－10的引脚定义图。图6－9

ISP电缆和AT89S52的连接从计算机并行口出来的信号在到达IDC－10之前需要一个缓冲，同时也可对目标MCU和并口起到一个保护作用。下面的系统使用的是74HC244三态门作为缓冲，其与并口、电缆的连接如图6－9和图6－10所示。图6－11是Atmel公司提供的ISP电缆连接图，其中D1的作用是防止电流“倒灌”，R25等电阻起限流作用。图6－11

ISP并口的连接在调试这个ISP系统时，一定要注意限流电阻的使用。如果限流电阻过小，将导致电流过大，有可能导致计算机的并口烧毁，所以在使用前一定要仔细地检查。上面讲述了如何设计AT89S52的ISP系统的硬件部分，接下来就Atmel公司的AtmelMicrocontrollerISPSoftware的使用作一些简要的介绍。

(1)安装。直接点击Setup.exe即可。

(2)选择设备。软件启动后界面如图6－12所示，将电路系统通过ISP电缆连接到计算机的并口并打开电源；在端口选择中选择Port并口；从图6－13所示的列表中选择一种单片机器件；输入系统提供的外部时钟频率。接下来选择是从设备中读出数据，还是将数据写入设备中去。图6－13为设备选择对话框。图6－12

Atmel公司的ISP软件的启动界面图6－13设备选择对话框

(3)连接成功后，出现如图6－14所示的对话框，对话框中显示的是器件的内部数据。图6－14器件内部数据框电路系统板可在选择完器件之后再上电，但是需要在系统菜单中选择Options/InitializeTarget命令。从图6－13中可以看到，本软件支持多器件的ISP编程。当该器件本身不支持PAGE页操作时，对话框中的该选项将为无效状态。（4）查空操作（blankcheck）。选择了该命令之后，器件将返回以下四种情况之一：

·不能够和设备进行通信（notabletocommunicatewithdevice）:这种情况一般是由于系统没有加电所造成的；

·可擦写，可编程（erasedandprogrammable）：器件完全是空的，可以进行编程及擦除操作；

·可供编程（programmedandprogrammable）：器件没有被锁定，可以进行编程操作；

·锁定（locked）:器件被锁定，如果要进行编程，则必须选择片擦除（erasechip）操作。注意：进行了片擦除操作之后，片内以前的程序将不再存在。（5）打开待写程序文件。在File/LoadBuffer中打开一个.HEX文件并选定，如图6－15所示。图6－15选择待编程文件

(6)编程（programmingthedevice）。单击自动编程（Instructions/AutoProgrammingDevice）按钮进行编程，出现如图6－16所示的对话框。图6－16自动编程对话框整个编程过程如下：

·擦除器件；

·写入器件；

·检验写入内容；

·提示用户设置保密位；

·提示用户设置熔断位。6.3最小系统板制作及测温系统设计

单片机的开发包括软件和硬件开发，软件开发需要具备汇编和C语言的知识，硬件开发一般需要基本的电路板设计（PCB设计）、焊接和调试等基本技能，所以单片机的学习不仅仅是单片机本身的学习，还包括其他的一些基本功的训练。实现这一学习过程一般有三种途径。（1）在实验室完成规定实验。这是绝大多数学校单片机教学采用的手段，也是一种成熟和较为有效的学习手段，但由于实验本身的缺陷，一般情况下即使完成了实验，我们仍然对单片机的开发一知半解。一知半解对从事单片机开发是远远不够的。（2）购买开发板学习。由于实验室的单片机实验仪价格贵，而且体积大，所以不适合自主学习，很多读者选择购买开发板。现在市场上有很多单片机开发板可供选择，开发板价格适中，性能稳定，很适合那些对于焊接不知如何下手的初学者。（3）自行焊接单片机小系统。根据成熟的原理图，自己购买器件，然后焊接和调试，比如自己焊接和调试一个简单的测温系统。实现这样一个系统的成本远低于购买开发板的价格，一般几十元就可以实现。建议初学单片机的读者可以根据本书附录C中的单片机测温系统原理图，自行焊接和调试一个单片机系统，通过这样一个焊接和调试过程能够很快熟悉单片机基本的开发流程和单片机的入门学习。而且根据附录给出的原理图焊接的单片机系统也能完成第7章和第8章的多数实验。本节就是给读者介绍如何焊接和调试这样一个单片机小系统。自行焊接测温系统的步骤：（1）设计原理图。不管设计什么样的系统，原理图设计是第一步，而且是最重要的一步。建议读者在设计自己的单片机系统时一定要设计出一个完整的原理图，包括所有的器件和连线，因为后面的焊接都是根据原理图进行的，而且这样便于调试。初学者可能没有学过protel等，建议在一张大纸上用铅笔实现。（2）列出器件清单。包括所有器件、导线和印制板等。（3）焊接和调试。建议焊接和调试时按照原理图焊接一部分调试一部分。一般先焊接电源，调试电源，然后焊接单片机及其下载部分，调试单片机及其下载部分，保证单片机能够可靠下载后再焊接并调试其他部分，比如显示器、键盘等。（4）调试应用程序。该单片机测温系统实现的功能就是第8章综合实验一的功能，实验程序完全可以采用综合实验一的参考程序。下面主要从硬件制作方面作一介绍。

1．功能要求（1）能测量环境温度信息，要求能用2位或多位LED显示。（2）要求能有报警功能，当温度超过报警上限时要能报警，报警上限要能够通过键盘设定。（3）电源能通过计算机的USB口供电，以节约制作成本。

2．原理图设计

附录C给出了参考原理图，读者也可以自行设计实现该功能要求的原理图。（1）原理图中，ISP接口部分是一个10芯的接线柱，接ISP下载器。ISP下载器读者可以自行焊接或购买。ISP下载器的制作可以参考6.2节的内容，或从网上下载可供参考的原理图及设计资料。（2