STC51单片机学习板技术报告.docx
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STC51单片机学习板技术报告
STC-51单片机学习板技术报告
第一章实验仪功能简介
1.创新性实验仪简介
本创新性实验仪是一款性价比极高的单片机开发实验系统，提供USB2.0和串口两种通信方式，USB实现供电、编程、仿真、通信多种功能，另外还提供了Atmel单片机的ISP接口。
此板兼容STC、SSTAtmel、Philips等51家族的所有单片机。
本创新性实验仪有着丰富的外部资源，单片机和各种外围设备的接口完全开放，自由度极高，学员可以通过短路冒和跳线完成各种各样的实验。
通过本创新性实验仪提供的实验例程的学习，学员不仅可以轻松快速地掌握单片机软件系统的开发（C语言、汇编语言），而且还能快速掌握硬件电路的设计及嵌入系统开发流程。
本创新性实验仪配有丰富的实例源码、原理图等，特别适合单片机初学者,大中专院校师生，单片机开发工程师选用，也是毕业设计和电子竞赛不可多得的参考板。
2.功能介绍
开发板功能配置:
（提供相应的实例源码）
1.1602液晶屏/12864液晶屏接口（接口引出）
2.4×3的矩阵键盘（用于按键扫描试验，接口引出）
3.红外接收头与发射遥控器
4.继电器输出
5.8位静态数码管显示（接口引出）
6.1位数码管动态显示（可以直接单片机驱动接口、也有74HC595驱动接口，接口引出）
7.步进马达驱动（接口引出，可选配步进马达）
8.八个普通按钮输入（接口引出）
9.8个LED显示（接口引出，可以做跑马灯、流水灯、花样彩灯、各种信号灯等试验）
10.蜂铃器（做单片机发声实验）
11.PCF8563实时时钟（年、月、日、时、分、秒NXP芯片，时间准、精度高）12.PCF8591T（工业级数模/模数转换芯片，其中有4路模拟输入、1路模拟输出，接口引出）
13.A24C02数据存储（可以保存机器中的各种参数）
14.DS18b20温度传感器（检测温度）
15.74HC165并入串出功能（输入锁存器）
16.74HC595串入并出功能（输出锁存器）
17.LS138译码器
18.ULN2003达林顿驱动（输出电流可以达到1A可以驱动步进马达）
19.MAX232串口通信（可以直接用串口与电脑通信，也可以用USB转串口线）20.USB接口（供电、烧程序、通信于一体的接口，无需电源线、DB9串口通信线、USB转串口线）
21.STC89系列增强型C51单片机（可以工作在6T模式下，又快又稳。
）
22.支持PS/2电脑键盘接入（通过PS/2通信协议把电脑键盘与单片机连接，可获得大量的输入按钮）
23.ISP功能电脑直接烧录程序，无需另外购买烧录器和仿真器。
（省钱又方便试验）
24.Atmel的ISP接口（支持Atmel89系列系列和AVRAT90S8515、Atmega8515型号的程序烧录）
25.提供了实时时钟（PCF8563）的后备电源（掉电了时间也能正常走，有需求者可以安装纽扣电池座和电池）
26.另配了外置5V电源插座（方便用户用做别的用途。
）
24.所有单片机I/O均引出，供用户自由安排与发挥自建电路等等。
第二章实验仪系统设计
1、单片机最小系统
CPU为STC89系列增强型8位单片机，频率高达80MHz，可工作于6Clock，32I/O，3定时器，内置WDT、EEPROM。
支持ISP，ESD。
晶振采用12M/11.0592M（可更换）。
2、LCD显示
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H）,显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”
LCD（1602）器件说明:
1602采用标准的16脚接口,其中:
第1脚:
VSS为地电源
第2脚:
VCC接5V正电源
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生重影,使用时可以通过一个1K的电位器调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7,14脚:
D0,D7为8位双向数据线。
第15,16脚:
背光灯电源。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形,如表1所示,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H）,显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”3、数码管
有2个四位动态数码管和1个一位静态态数码管。
当使用四位动态态数码管时，用8P排线将P10与单片机的I/O脚（P0-P3任选）相连,当使用一位静态数码管时，有两种连接方式:
1.用8P排线将P36与单片机的I/O脚（P0-P3任选）相连，实现用单片机脚直接控制数码管。
2.用8P排线将JP2与JP3相连，然后将P16用短路冒全部短接，此时为单片机控制74HC595，74HC595再控制数码的动态扫描。
数码管说明:
数码管实际上是由7个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。
动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。
其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。
CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。
而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。
每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。
如何让一个数码管显示呢，如图:
如果要显示一个3字，首先使得COM为低电平使能数码管，然后可以控制abgcd高电平将会亮;而fe
为低电平不亮。
4、LED灯
P32为8路LED灯的接口，使用此功能时，请将P32与任一I/O口相连，即可实现单片机控制8路LED。
5、独立按键
P13为独立按键的接口，可以与单片机任何脚相连，组成单片机的输入设备，也可做外部中断输入。
6、I2C总线
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。
它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件:
不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。
AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5,5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。
该开发板上带有一片AT24C02芯片可以提供试验。
电路图中AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。
第8脚和第4脚分别为正、负电源。
第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送。
第7脚需要接地。
24C02中带有片内地址寄存器。
每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。
所有字节均以单一操作方式读取。
为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。
如果用户想详细丁解可以参考光盘上的数据手册。
AT24C02应用:
在HC6800-V1.0开发板上有I2C总线，而上面包括E2PROM、RTC（实时时钟）;现在先介绍E2PROM的使用。
E2PROM的型号是AT24C02，E2PROM的SCL与单片机的P2.0连接，SDA与单片机的P2.1连接。
在24C02的设备地址为:
0xA0。
写保护引脚（WP）接地，也就是说不保护。
7、时钟芯片DS1302
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V,5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
如果用户想详细了解可以参考光盘上的数据手册。
8、DA/AD转换PCF8591T
PCF8591T使用I2C与单片机通信，P2.1（SDA）串行数据线、P2.0（SCL）串行时钟线。
AD0和AD1是两路模拟输入，改变AD0和AD1位置的电位器，实现了2两路模拟输入，在数码管中可以看到数值变化。
当PCF8591T数模端口数据变化时，DA位置的LED亮度随之改变。
PCF8591是一款单电源、低功耗8位COMS型A/D、D/A转换芯片，它具有4路模拟量输入通道、一路模拟量输出通道和1个I2C总线接口。
该器件I2C从地址的低三位由芯片的A0、A1和A2三个地址引脚决定，所以在不增加任何硬件的情况下同一条I2C总线最多
可以连接8个同类型的器件。
该器件具有多路模拟量输入、片上跟踪保持、8位A/D转换
和8位D/A转换等功能。
A/D与D/A的最大转换速率由I2C总线的最大传输速率决定，在
单片机应用系统中得到了广泛的应用。
PCF8591具有以下特点:
1.单电源供电;
2.正常工作电源电压范围为2.5V~6V;
3.通过I2C总线完成数据的输入/输出;
4.器件地址由3个地址引脚决定;
5.采样频率由I2C总线传输速率决定;
6.4路模拟量输入可编程为单端输入或差分输入;
7.可配置转换通道号自动增加功能;
8.模拟电压范围为VSS~VDD;
9.片上跟踪保持功能;
10.8位逐次逼近A/D转换;
11.带有一路模拟量输出的乘法D/A转换。
AIN0~AIN3:
模拟输入（A/D转换）。
AOUT:
模拟输出（D/A转换）。
A0-A2:
硬件设备地址。
GND:
电源负极地。
VREF:
参考电压输入。
EXT:
振荡器输入时，内部/外部的切换开关。
OSC:
振荡器输入/输出。
SCL:
I2CBUS时钟输入。
SDA:
I2CBUS数据输入/输出。
AGND:
模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.9、步进电机
P33为步进马达接口，通过ULN2003D放大驱动步进马达。
由于反应式步进电机工作原理比较简单。
下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1、结构:
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错
开。
0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，
B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图:
2、旋转:
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。
如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A„„通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。
如按A，C，B，A„„通电，电机就反转。
由此可见:
电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC,C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。
甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出:
电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m„„（m-1）/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩:
电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）
成正比。
其磁通量Ф=Br*S。
Br为磁密，S为导磁面
积，F与L*D*Br
成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径Br=N?
I/R
N?
I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。
力
矩=力*半径。
力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成
正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，
励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，
反之亦然。
10、继电器功能使用
继电器由P1.4控制，当要使用此功能时，P28必须短接。
继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。
继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。
一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。
11、RS232通讯
RS232接口是制定用于串行通讯的标准。
该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。
DB25的串口一般只用到的管脚只有2（RXD）、3（TXD）、7（GND）这三个，随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，代替他的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2（RXD）、3（TXD）、5（GND）这三个。
因此现在都把RS232接口叫做DB9。
12、温度传感器DS18B20
DALLAS公司单线数字温度传感器DS18B20是一种新的“一线器件”，它具有体积小、适用电压宽等特点。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55?
+125?
，在-10?
+85?
范围内，精度为?
0.5?
;通过编程可实现9,12位的数字值读数方式;可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化为9位和12位的数字量。
每个DS18B20具有唯一的64位长序列号，存放于DS18B20内部ROM只读存储器中。
DS18B20温度传感器的内部存储器包括1个高速暂存RAM和1个非易失性的电可擦除E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前2字节为测得的温度信息，第1个字节为温度的低8位，第2个字节为温度的高8位。
高8位中，前4位表示温度的正（全“0”）与负（全“1”）;第3个字节和第4个字节为TH、TL的易失性拷贝;第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝，此三个字节内容在每次上电复位时被刷新;第6、7、8个字节用于内部计算;第9个字节为冗余检验字节。
所以，读取温度信息字节中的内容，可以相应地转化为对应的温度值。
表1列出了温度与温度字节间的对应关系。
13、红外接收与发射
将J1跳线短接时，P3.2脚与红外输出端相连，此时开启了红外功能。
当P3.2脚做别的用途时最好断开，以免影响。
红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。
它一般由红外发射和接收系统两部分组成。
发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。
红外接收头一般是接收、放大、解调一体头，一般红外信号经接收头解调后，数据“0”和“1”的区别通常体现在高低电平的时间长短或信号周期上，单片机解码时，通常将接收头输出脚连接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部中断间隔的时间从而获取数据。
重点是找到数据“0”与“1”间的波形差别。
14、蜂鸣器
P20跳线短接时，P1.5脚与蜂鸣器相连，开启了蜂鸣器功能，当P1.5脚做别的用途时最好断开，以免影响。
该单片机开发板上有一个直流蜂呜器（Buzzer）。
，蜂呜器通过单片机的P1.5脚，当单片机的管脚输出固定电平时蜂呜器响;声音是由震动所产生的，一定频率的震动就产生了一定频率的声音。
如果我们控制P1.5引脚以固定的电平输出蜂鸣器会发出一个固定的声音，改变频率将会发出其他的声音。
我们可以通过控制频率来控制音阶通过控制一个频率维持的时间来控制音长，如果控制得当这样就可以让蜂鸣器发出悦耳的音乐了。
15、矩阵按键
P1为矩阵键盘的接口，P1.4、P1.5、P1.6为行，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3为列。
使用8P排线把JP4与JP8——JP11中任何接口相连，实现矩阵键盘功能矩阵原理图:
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图所示。
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（16键）。
由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。
这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。
行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
具体的识别及编程方法如下所述。
确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。
行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下:
1.判断键盘中有无键按下将全部行线P10-P13置低电平，然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
2.判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是:
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
注:
创新性实验仪每一部分都安排了对应的实验方便学员学习。
所有设计实例可以参见电子版设计实例。
最常用到的一些基础实验可参见《创新性单片机实验仪实验指导书》。
附录
附录A实验仪电路原理图
附录A图实验仪电路原理图附录B实验仪印刷版图
附录B_1实验仪顶层视图
附录B_2实验仪底层视图
附录B_3实验仪顶层与底层完整视图
附录B_4敷铜后实验仪顶层视图
附录B_5敷铜后实验仪底层视图
附录B_6敷铜后实验仪顶层与底层完整视图（从顶层看）
附录B_7敷铜后实验仪顶层与底层完整视图（从底层看）
附录B_8实验仪3D视图
附录C实验仪元器件清单
编号名称元件编号规格型号单位数量备注1电容C16,C1710pF只22电容C4,C530pF只23电容C2,C310uF只24电容C10100uF只1
C1,C6,C7,C8,C9,C11,C12,0.1uF5电容只13C13,C14,C15,C18,C19,C20（104）
D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,
D9,D10,D11,D12,D13,D14,6发光二极管只19
D15,D16,D17,D18,D19
0QM364174位数码管DS1,DS2只2AE
SM410568八段数码管DS3只11K
单总线数字91015C4DS18B20只1温度传感器
10红外传感器IR只111继电器K1,K2HRS2H-S个2
点阵字符型
12液晶显示控P8LCD1602个1
制器
中文点字形LCD128613液晶显示控P4个14制器
14USB接口P29个115电源接口P,（图中这里就是P,）个116三极管8550Q1只1
R1,R2,R15,R1617电位器10K个4
R9,R10,R11,R12,R13,1K,
R14,R17,R18,R19,R20,4.7K,
R21,R22,R23,R24,R25,10,
18电阻只40R26,R27,R28,R29,R30,10K,
R31,R32,R33,R34,R35,27K,
R36,R37,R38,R39,R40,100,
R41,R42,R43,R44470
18电阻6R3,R4,R5,R6,R7,R81.5KΩ
19电阻R9,R10,R11,R12,R131KΩ
20电阻R14,R17,R18,R19,R204.7KΩ
21电阻R21,R22,R23,R24,R2510Ω
22电阻R26,R27,R28,R29,R3010KΩ
23电阻R31,R32,R33,R34,R3527KΩ
24电阻R36,R37,R
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