單片機小系統(tǒng)PCB的設(shè)計開題報告
1.選題意義
隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，單片機技術(shù)已經(jīng)日益成熟并且也滲透到國家經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。因此單片機是作為一個電子相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生必須要學(xué)好的科目，而且通過熟練的掌握單片機技術(shù)能讓人們更好的學(xué)習(xí)更高級有關(guān)電子方面的芯片外部接口擴展的知識和
學(xué)到更多關(guān)于電子行業(yè)的高端技術(shù)；在制作單片機開發(fā)板的時候能夠更深入的了解單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和一些芯片使用和工作原理的知識。在制作單片機開發(fā)板的時候不只是僅僅的掌握硬件電路設(shè)計的知識，還要了解更多的有關(guān)電子方面的一些常用軟件，例如；PROTEL軟件，制作開發(fā)板時能夠讓我們更熟練的掌握電路圖繪圖的方法和PCB的印制方法。在做好硬件電路完備以后還要對功能模塊寫程序進行調(diào)試，從而才能制作出有用的開發(fā)板，在寫程序的時候不僅能加強我們學(xué)習(xí)C51和匯編語言知識的掌握，更能讓我們是一個軟硬件兼?zhèn)涞碾娮尤瞬拧纹瑱C具有成本低、體積小、可靠性高、具有高附加值、通過更改軟件就可以改變控制對象等優(yōu)點，單片機越來越成為電子工程師設(shè)計產(chǎn)品時的首選器件之一。對在校大學(xué)生學(xué)習(xí)單片機意義是很重要的，讓大學(xué)生的理論知識和動手能力得以結(jié)合，因此擁有一塊單片機開發(fā)板對單片機學(xué)習(xí)的人們具有著極其重要的意義。
2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述
單片機大概可以追溯到20世紀(jì)70年代。1970-1974年之間，誕生了第一代4位單片機。這類單片機已經(jīng)具有了并行I/O接口及一些常用的A/D和D/A等資源。這在當(dāng)時來說是非常強大的，通過靈活的控制能力，使其應(yīng)用于電視機、收音機和電子玩具。隨后，潘多拉的盒子便打開。人們認(rèn)識到單片機的潛在能力和市場價值，各個公司便投入了大量的研究力量。在1974-1978年，單片機進入8位時代。這個時期以Intel公司的MCS-48系列單片機最具代表性。此時的單片機內(nèi)部集成了更為強大的8位CPU內(nèi)核、多個并行I/O接口，同時增加了定時器/計數(shù)器及小容量的RAM和ROM等。1978-1983年，Intel公司的MCS-51系列為代表，標(biāo)志著進入高檔8位單片機時代。這個時期的單片機工作頻率、硬件資源和RAM/ROM容量等都有極大的突破，創(chuàng)新地加入了串口通信接口及多級中斷處理系統(tǒng)。我們現(xiàn)在所廣泛使用的單片機都仍以該內(nèi)核為基礎(chǔ)，因此，也常稱為51系列單片機。隨后，單片機市場便進入百花齊放、百家爭鳴時代。各個廠商不僅在增強單片機的性能，還推出了不同類型的單片機，例如PIC系列單片機、ARM系列單
片機、AVR系列單片、C8051F系列單片機，以及Cypress的Psoc系列等。這便是我們現(xiàn)在看到的單片機領(lǐng)域的紛繁復(fù)雜格局[1]。
總的來說，現(xiàn)在的單片機產(chǎn)品線非常豐富，4位、8位、16位單片機乃至32位單片機均有其各自的應(yīng)用領(lǐng)域。單片機的技術(shù)已經(jīng)深入人心，現(xiàn)在如果不會單片機，便很難跟上技術(shù)的發(fā)展。
由于單片機的體積小，成本低，運用靈活，性能價格高，易產(chǎn)品化；研究周期短，能方便地組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器；可靠性性高，抗干擾性強，BUS大多在內(nèi)部，易采取電磁屏蔽，實用的溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境寫都能正常的可靠工作；實時控制能力強，實時響應(yīng)速度快，可直接操作I/O接口；可方便地實現(xiàn)多機和分配控制，提高整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性等特點單片機現(xiàn)在研究的成果已經(jīng)運用到以下領(lǐng)域：
（1）工業(yè)測控：對工業(yè)設(shè)備（如機床、汽車、高檔中西餐廚具、鍋爐、供水系統(tǒng)、生產(chǎn)自動化、自動報警系統(tǒng)、衛(wèi)星信號接收等）進行智能控制，大大的降低了勞動強度和生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
（2）智能設(shè)備：用單片機改造普通儀器，儀表，讀卡器，使其（集測量，處理、控制功能為一體）智能化、微型化。
（3）家用電器：如高檔的洗衣機、空調(diào)、電冰箱、微波爐、彩電、DVD、音響、手機、高檔電子玩具等，用單片機控制。
（4）商用產(chǎn)品：如自動售貨機、電子收款機、電子秤。
（5）網(wǎng)絡(luò)與通信的只能接口：在大型計算機控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或者通信電路域外圍設(shè)備的接口電路中，用單片機控制或者管理，可大大的提高系統(tǒng)的運行速度和接口的管理水平。如圖形終端機、傳真機、復(fù)印機、繪圖儀、磁盤/磁帶機等。
3.主要研究內(nèi)容
單片機學(xué)習(xí)效果的優(yōu)劣直接取決于單片機的選擇，這次設(shè)計制作的開發(fā)板采用的是51系列的單片機，C51系列單片機內(nèi)部具有128字節(jié)RAM、5個中斷源、32條I/O口線、2個16位定時器、4KB的程序存儲器、一個全雙工異步串行口。本開發(fā)板選擇具有ISP在線編程功能的C51單片機，該單片機不需要燒寫器，可在開發(fā)板上ISP在線編程，具有廣泛的應(yīng)用前景。可以滿足絕大多數(shù)的實際應(yīng)用開發(fā)需求，在開發(fā)板上使用十分方便。本課題設(shè)計的C51單片機開發(fā)板，具有一般開發(fā)板通用結(jié)構(gòu)，并基于硬件進行相關(guān)軟件
設(shè)計。利用程序開發(fā)語言開發(fā)程序并實現(xiàn)ISP在線下載到單片機，無需配置單獨的下載器。單片機使用ISP在線下載程序，加快了程序設(shè)計者調(diào)試的進度，使設(shè)計者所設(shè)計的程序盡快得到驗證。通過對開發(fā)板上的模塊進行實驗，可以提高針對不同硬件進行編程的能力，同時通過實驗現(xiàn)象對所用的硬件也有了更深一步的認(rèn)識。
此次設(shè)計的開發(fā)板是以單片機位主控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對單片機外部接口進行擴展。充分利用了單片機的內(nèi)部資源。在外部電路模塊中，分別擴展了一些常用的功能模塊，數(shù)碼管顯示能提供了單片機顯示功能；A/D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計很好的能進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，還有串口通信和USB串口通信很好的實現(xiàn)了通信中實現(xiàn)了發(fā)送和接收等通信功能，擴展接口巧妙的設(shè)計讓IO接口省了很多的資源，提供了外部接口擴展的功能，1602模塊和12864提供了清晰穩(wěn)定的顯示功能，電源供電以及8*8點陣等功能模塊的設(shè)計使每個模塊盡顯其能，充分體現(xiàn)了單片機體積小，功能強大，性價比高等特點。
4.擬采用的研究思路
4.1 開發(fā)板系統(tǒng)功能
單片機開發(fā)板是一個實際應(yīng)用的系統(tǒng)，能夠為相關(guān)的單片機實驗提供支持。此開發(fā)板是參考單片機教材中的實驗內(nèi)容設(shè)計的，能夠?qū)崿F(xiàn)一些測試實驗。本論文包括硬件系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計及C語言程序流程圖的制作。
此開發(fā)板設(shè)計的功能如下：
(1)10位AD轉(zhuǎn)換。
(2)鐵電存儲器讀寫（SMBUS）。
(3)16位PWM輸出。
(4)四位獨立鍵盤。
(5)SPI接口驅(qū)動1602ALCD。
4.2 開發(fā)板的性能要求
基于開發(fā)板的功能定義和各種芯片的性能參數(shù)，總結(jié)系統(tǒng)基本性能要求如下：
(1)各芯片所需的+3.3V平穩(wěn)電壓。
(2)AT89C51單片機時鐘信號為11.0592MHz。
(3)AT89C51單片機手動復(fù)位電路。
(4)顯示器件（1602、12864）。
(5)4位獨立鍵盤。
(6)AD、DA轉(zhuǎn)換。
(7)與PC機串行通信。
(8)I/O口擴展功能。
4.3硬件總體設(shè)計
本人設(shè)計的單片機開發(fā)板是以ST89C51作為主控制芯片,串口通信芯片MAX3232、網(wǎng)絡(luò)芯片CP2200、液晶顯示器、按鍵開關(guān)、AD/DA轉(zhuǎn)換等元器件組成,通過軟硬件結(jié)合實現(xiàn)鍵盤掃描,液晶顯示,與PC機串行通信,I/O口擴展功能等。一方面,它能作為學(xué)生實驗的工具,另一方面,它也是綜合型單片機系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ),可擴展許多其它功能。
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