基于s3c2440简易学习开发板的设计与制作.doc
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2011届毕业设计任务书
一、课题名称：
基于s3c2440简易学习开发板的设计与制作
二、指导教师：
粟慧龙
三、设计内容与要求（小四、宋体）
1.课题概述（五号、宋体）
s3c2440简易学习开发板以三星公司S3C2440A处理器为核心，集常用硬件资源和下载接口，可以用于ARM嵌入式学习入门和开发，同时结合Linux嵌入式系统实现嵌入式的综合开发设计。
2.设计内容与要求
1）主要功能
能完成ARM嵌入式的基本设计与开发功能
能完成ARM嵌入式学习与开发功能
2）开发板主要资源
核心板：
ØS3C2440A处理器，主频400MHz，可倍频至533MHz；
Ø64M字节SDRAM，可扩展到256M；
Ø4MNORFlash；
Ø256M字节NANDFlash；
Ø12MHz系统外部时钟源；32.768KHz的RTC时钟源；
Ø支持3.3V或5V电压供电；
扩展板：
Ø2个RS232接口；
Ø1个100M网口，采用DM9000AE，带联接和传输指示灯；
Ø内部实时时钟，带有后被锂电池接口；
Ø1个15X2的插针扩展口，包括两路spi、1路IIC、4路AD、1个GND、1个3.3V电源、14个IO（包中断6个）。
ØJTAG调试接口，可进行下载、程序仿真调试；
Ø一个温度传感器接口（提供测试程序及接口，用户可DIY）；
Ø一个红外接收头接口（提供测试程序和接口，用户可DIY）；
Ø一片IIC接口的eeprom；
Ø8位薄码开关；
Ø4*4矩阵按键；
Ø8个LED；
Ø1个PWM控制蜂鸣器。
3.提供相关资料
详细的实验例程
四、设计参考资料
1.《s3c2440中文手册》
2.《cadence软件操作手册》
3.成都国嵌培训视频
五、设计说明书内容
1.封面
2.目录
3.内容摘要（200~400字左右，中英文）
4.引言
5.正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）
6.结束语
7.附录（参考文献、图纸、材料清单等）
六、设计进程安排
第1周：
资料准备与借阅，了解课题思路。
第2周：
设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。
第3-5周：
进行毕业设计，完成说明书初稿。
第6周：
第一次检查，了解设计完成情况。
第7周：
第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。
第8周：
毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求
1、毕业设计答辩要求
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求：
说明书要求打印（除图纸外），不能手写。
文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
图纸要求：
按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求：
所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。
湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）
摘要
在学习单片机的过程中，通过做了一系列的实验，从而比较容易地领会了单片机哪些枯燥、难懂的专业术语，而且此次设计的单片机开发板弥补了市场上常见的单片机实验板的一些不足，有针对性地面向最终的实用控制功能，使整个开发板分解成若干个小模块，并且每个模块引出了一些引脚，这样使用者就可以根据自己的需要连接自己的电路，增加了开发板的灵活性。
本单片机开发板包括：
单片机最小系统、串口、两个四位一体数码管显示电路、4*4矩阵键盘、八个LED灯、IIC电路模块、温度传感器模块、蜂鸣器电路、红外接收电路、下载电路等功能模块。
通过以上的功能模块可以完成基本的单片机学习实验。
关键字：
单片机开发板、模块、功能、实验
ABSTRACT
Inthestudyofsinglechipprocess,throughaseriesofexperiments,easilyandgraspthesinglechipmicrocomputertowhattheboringanddifficultprofessionalterm,andthedesignofthesinglechipmicrocomputerdevelopmentboardtomakeupforthemarketofthecommonSCMexperimentboardsomeshortage,havepointedtothefinalpracticalcontrolfunction,makewholedevelopmentboardisdividedintoseveralsmallmodule,andeachmoduleraisingsomepin,sothatuserscanneedaccordingtooneselfconnectionowncircuit,increasetheflexibilityofthedevelopmentboard.Thesingle-chipmicrocomputerdevelopmentboardincluding:
singlechipminimizesystem,serialports,twoquaternitydigitaltubedisplaycircuit,4*4matrixkeyboard,eightLEDlamp,IICcircuitmodule,thetemperaturesensormodule,abuzzercircuit,infraredreceivingcircuit,downloadcircuitfunctionmodule.Throughtheabovefunctionmodulecancompletebasicsingle-chiplearningexperiments.
Keyword:
SCMdevelopmentboard,modules,functions,theexperiment
目录
摘要 9
ABSTRACT 10
目录 11
绪论 12
第一章方案论证和选择 13
1.1单片机的选用 13
1.2时钟芯片的选用 13
1.3温度传感器的选用 13
1.4红外接收头的选用 1
1.5蜂鸣器驱动方式的选用 1
1.6方案确定 1
第二章开发板硬件设计 2
2.1硬件设计方框图 2
2.2AT89S51单片机模块 3
2.3DS18B20温度传感器 7
2.4IIC总线接口 10
2.5PWM控制蜂鸣器 14
2.6RS232接口 16
2.7红外接收头接口 19
2.84*4矩阵按键 20
2.9八个LED 21
第三章开发板软件设计 22
第四章开发板电路制作、调试分析 26
4.1电路的制作 26
4.2电路的调试 26
第五章设计心得 27
第六章开发板设计的参考资料 29
致谢 30
附录 31
附录一 31
附录二 32
附录三 33
绪论
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
在计算机出现以前，有不少能工巧匠做出了不少精巧的机械。
进入电器时代后，人们借助电气技术实现了自动控制机械，自动生产线甚至自动工厂，并且大大地发展了控制理论。
然而，在一些大中型系统中自动化结果均不理想。
只有在计算机出现后，人们才见到了希望的曙光。
如今借助计算机逐渐实现了人类的梦想。
但是，计算机出现后的相当长的时间里，计算机作为科学武器，在科学的神圣殿堂里默默地工作，而工业现场的测控领域并没有得到真正的应用。
只有在单片机（Microcontroller）出现后，计算机才真正地从科学的神圣殿堂走入寻常百姓家，成为广大工程技术人员现代化技术革新，技术革命的有利武器。
目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用。
彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地溶入我们每个人的生活之中。
第1章方案论证和选择
根据设计要求，结合设计情况和设计成本，对系统主要部分的电路方案的叙述如下。
1.1单片机的选用
方案一：
选用AT89S52单片机，AT89S52单片机是一种低功耗，高性能的CMOS微处理器，片内有8K字节的存储空间，128字节RAM、4个8位并口、一个全双工串行口、2个16位定时/计数器，寻址范围64K。
并且可以在线进行重复编程、快速擦除、快速写入程序，能重复擦除/写入1000次左右，数据保存时间为10年。
方案二：
选用AT89S51单片机，AT89S51单片机片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
综上所述，在本设计中，考虑到本人对单片机的运用熟练程度和单片机的功能领域，选择ATMEL公司生产的AT89S51单片机作为本设计的微控制器。
1.2时钟芯片的选用
方案一：
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。
工作电压在2.5V-5.5V。
微功耗、外围电路简单、精度高、工作稳定可靠等优点。
方案二：
DS12887是DALLAS公司生产的实时日历时钟芯片，其主要功能包括非易失性时日历时钟、报警器、百年历和114字节的非易失静态RAM，内部还有128字节的RAM的单元，但是由于它是串行接口，外界单片机需要接许多引脚，才能达到很好的控制。
综上所述，在本设计中，结合实际问题及其单片机的I/O线，选用DS1302，控制方便，体积小，价格便宜，方便本设计的使用。
1.3温度传感器的选用
方案一：
温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。
超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，精度可达土0.5摄氏度，测量温度范围为–55°C~+125°C（–67°F~+257°F），体积小，价格便宜等特点。
方案二：
采用红热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范文，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。
而且适用热敏电阻，需要用到十分复杂的算法，一定程度上增加了了软件实现的难度。
综上所述，在本设计中，考虑到本人对DS18B20运用熟练程度，选择DS18B20的温度传感器。
1.4红外接收头的选用
方案一：
采用红外对管进行数据传输，红外对管是红外线发射管与关敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用的时候的总称。
人们习惯把红外线发射管和红外线接收管称为红外对管。
红外对管的外形与普通圆形的发光二极管类似。
因此，初接触红外对管者，较难区分发射管和接收管。
方案二：
红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。
内部电路包括外测二极管，放大器，限副器，带通滤波器，积分电路，比较器等。
红外接收头的种类很多，引脚定义也不同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。
根据发射端调制载波的不同应选用相应解调频率的接收头。
综上所述，在本设计中，结合实际问题，我们选用方案二红外接收头。
1.5蜂鸣器驱动方式的选用
方案一：
采用PWM输出口直接驱动，PWM输出口直接驱动是利用PWM输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。
在单片机的软件设置中有几个系统寄存器是用来设置PWM口的输出的，可以设置占空比、周期等等，通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求的频率的波形之后，只要打开PWM输出，PWM输出口就能输出该频率的方波，这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。
比如频率为2000Hz的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为500μs，这样只需要把PWM的周期设置为500μs，占空比电平设置为250μs，就能产生一个频率为2000Hz的方波，通过这个方波再利用三极管就可以去驱动这个蜂鸣器了。
方案二：
采用I/O定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。
利用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。
比如为2500Hz的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400μs，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200μs翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。
综上所述，在本设计中，考虑到本人对单片机的熟悉和联系本设计的要求，我们选择了较简单的方案一，PWM控制蜂鸣器。
1.6方案确定
综合上面方案：
本设计采用“AT89S51单片机、DS18B20温度传感器、红外接收头接口、PWM控制蜂鸣器等”。
第2章开发板硬件设计
2.1硬件设计方框图
AT89S51单片机最小系统
数码管显示模块
DS1302时钟模块
按键模块
IIC电路
红外接收头电路
LED电路
串口电路
PWM控制蜂鸣器电路
图2.1硬件设计方框图
2.2AT89S51单片机模块
AT89S51为ATMEL所生产的可电气烧录清洗的8051相容单芯片，其内部程序代码容量为4KB，低功耗，高性能的单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
ATMEL公司的功能强大，低价位。
AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，如图2-1。
2.2.1主要性能参数
1.与MCS-51产品指令系统完全兼容
2.4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
3.1000次擦写周期
4.4.0-5.5V的工作电压范围
5.全静态工作模式：
0HZ-33MHZ
6.三级程序加密锁
7.128*8字节内部RAM
8.32个可编程I/O口线
9.2个16位定时/计数器
106个中断源
11全双工串行UART通道
12低功耗空闲和掉电模式
13中断可从空闲模式唤醒系统
14看门狗（WDT）及双数据指针
15掉电标示和快速编程特性
16灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）
图2.2AT89S51单片机引脚图和实物图
2.2.2功能特性概述以及引脚功能
AT89S51提供以下标准功能：
4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬件复位。
引脚功能说明：
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片
Vcc:
电源电压
GND:
地
（1）P0.0~P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。
（2）P1.0~P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。
（3）P2.0~P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。
（4）P3.0~P3.7P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。
（5）这4个I/O口具有不完全相同的功能
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
P2口：
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.1所示：
表2.1单片机P3口的第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/R0（外部数据存储器读选通）
RST:
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
ALE/~PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址所存允许）输出脉冲用于所存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
~PSEN：
程序储存允许（~PSEN）输出是外部程序存储器的选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次~PSEN有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，没有两次有效的~PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H---FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需要注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会所存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压VPP。
XTAL1：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
2.2.3单片机中断
AT89S51共有5个中断向量：
2个外部中断（INT0和INT1），两个定时中断（Timer0和Timer1）和一个串行中断。
这些中断源各自的禁止和使能位参见特殊功能寄存器的IE。
IE也包含总中断控制位EA，EA清0，将关闭所有中断。
值得注意的是表中的IE.6和IE.5没有定义，用户也不要访问这些位，它是保留为以后的AT89产品作扩展用途。
定时器0和定时器1的中断标志TF0和TF1，它是定时器溢出时的S5P2时序周期被置位，该标志保留至下个时序周期。
表2.2中断控制寄存器
DS1302的日历、时间寄存器及其控制字
寄存器名
命令字
取值范围
各位内容
写操作
读操作
7
6
5
4
3
2
1
0
秒寄存器
80H
81H
00-59
CH
10SEC
SEC
分钟寄存器
82H
83H
00-59
0
10MIN
MIN
小时寄存器
84H
85H
01-12或00-23
12\24
0
10/AP
HR
HR
日期寄存器
86H
87H
0-28，29，30，31
0
0
10DATE
DATE
月份寄存器
88H
89H
01—12
0
0
0
10M
MONTH
周年寄存器
8AH
8BH
01—07
0
0
0
0
0
DAY
年份寄存器
8CH
8DH
00-99
10YEAR
YEAR
2.3DS18B20温度传感器
DS18B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度，信息经过单线接口送人DS18B20或从DS18B20送出，因此从主机到DS18B20仅需一条线（和地线）。
DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
因为每一个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DS18B20可以存放在同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。
DS18B20的测量范围从-55℃到+125℃，增量值为0.5℃，可在1s（典型值）内把温度变换成数字。
每一个DS18B20包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DS18B20内部的ROM（只读存贮器）中。
开始8位是产品类型编码（DS18B20编码均为10H）。
接着的48位是每个器件唯一的序号。
最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。
DS18B20
升级会员 