测控技术课程设计

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1. 电路设计说明

1.1单片机最小系统的设计

1.1.1单片机系统介绍

一个基本的MCS-51单片机通常包括：中央处理器、ROM 、RAM 、定时器 /计数器和I/O 口等各功能部件，各个功能由内部的总线连接起来，从而实现数据通信。其内部框图如图1.1.1所示

图1.1.1

1.1.2单片机的引脚功能

常见的51单片机中一般采用双列直插（DIP ）封装，共40个引脚。图1.1.2为引脚排列图。其中的40个引脚大致可以分为4类：电源、时钟、控制和I/O 引脚。

（1）电源

a) VCC ：芯片电源端，一般为+5V ；

b) GND ：接地端。

（2）时钟

a) XTAL1：晶体振荡电路的反相输入端

b) XTAL2：晶体振荡电路的输出端。

（3）控制线

MCS-51单片机的控制线有4根，其中3根

是复用线，具有两种功能。

a) ALE/PROG _____________

：地址锁存允许/编程脉冲

b) PSEN ：外部ROM 读选通信号

c) RST ：复位引脚

d) EA ————/VPP ：内外ROM 选择/EPROM 编程电源

（4）I/O 引脚

MCS-51单片机共有4个8位并行I/O端口，共32个可编程I/O引脚。

1.1.3单片机各模块设计

（1）电源供电模块

图1.1.3--1 电源模块电路图

对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。电源电路中接入了电源指示LED，图1.1.3--1中R11为LED的限流电阻，S1 为电源开关。

（2）复位电路

图1.1.3--2 复位电路图

单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。

复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。

a）上电复位：51单片机为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一

个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。

b）按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。

（3）振荡电路

图1.1.3--3 振荡电路图

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。

1.2键盘与显示接口电路设计

（1）键盘设计

图1.2.1 独立和矩阵键盘电路图

图1.2.1中S2-S3为4个独立按键，与单片机的P3.4-P3.7分别相连。独立键盘与单片机相连时，每个按键都需要单片机的一个I/O口，若按键较多时，占用的I/O口资源就会过多，为此就引入了矩阵键盘。图1.2.1中是将16个按键排成4行4列，这样一共有8根线，节省了8个I/O口。S6-S21即为16个矩阵键盘，8条线分别与单片机飞P3口相连。

（2）显示设计

图1.2.2 数码管电路图

如图1.2.2所示，多位数码管的“位选”是可以独立控制的，而“段选”是连接在一起的，可以用作数码管的动态显示和静态显示。图1.2.2中所示的数码管全

部为共阴极的数码管。74HC573为所存器，利用单片机可以控制所存器的所存端，进而控制锁存器的数据输出，利用分时控制的方法可以方便地控制任意数码管显示任意数字。

1.3模拟量输入电路的设计

图1.3.1 A/D 电路图

集成A/D 转换器品种繁多，一般选用逐次比较型A/D 转换器，图 4.2.6中的ADC0804就是这类单片集成A/D 转换器。它采用CMOS 工艺20引脚的集成芯片，分辨率为8位，转换时间为100us ，输入电压范围为0-5V 。芯片内具有三态输出数据锁存器，可以直接连接数据总线上。图1.3.2为ADC0804双列直插式封装引

脚分布图。

引脚名称及作用：

IN+，IN-：模拟信号输入端，用以接收单极

性、双极性和差模输入信号。

DB0~DB7：具有三态特性数字信号输出口。

ANLG GND ：模拟信号地。

DGTL GND ：数字信号地。

CLK IN ：时钟信号输入端。 图1.3.2 A/D 电路图

CLK OUT ：内部时钟信号发生器的外接电阻端，与CLK IN 配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/(1.1RC)。

CS ———：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS ———

有效，表明A/D 转换器被选中，