论文分类号 T P31 密 级 单 位 代 码 1 0 1 8 3 研 究 生 学 号 200153E025

吉 林 大 学

硕 士 学 位 论 文

单片机控制多功能信号发生器 Multi-functional Signal-generator Controlled By Single-chip Micro-computer

作者姓名： 专 业： 导师姓名 及 职 称

江 明

计算机技术 赵 宏 伟 教 授

学位类别：在职攻读工程硕士 论文起止年月：2003 年 9 月至 2004 年 9 月

作者姓名 保密级别 学位类别

江 明

工程硕士

论文分类号 研究生学号 授予学位单 位 培养单位

专业名称

计算机技术 （院、所、中 心）

智能控制与 机器人学 学习时间

研究方向 论文 中文题目 论文 英文题目 关键词 (3-8 个)

TP31 200153E025 吉 林 大 学 计算机信息 与技术学院 2001 年 9 月 年 月

至

单片机控制多功能信号发生器 Multi-functional Signal-generator Controlled By Single-chip Micro-computer

导师情况

姓名 学历 学位 20

单片机 赵宏 伟 博士 控制 职称 工作单 位

信号发生器 教 授 计算机信息与 技术学院 20 年 月 日

年 答 辩 日

论文提交日期

月 日

是否基金资助项目 是/ 否

期 基金 类 别及 编号

出版地（城市名、 省名） 出版日期

如已经出版，请填写以下内容 出版者（ 机 构）名称 出版者地址（包括 邮编）

提 要

近年来，单片微型计算机以其强大的生命力飞速发展，在 工业控制、智能仪器仪表、智能化设备和家用电器等领域得到 了广泛的应用，因而引起了各行各业的极大关注，有着广阔的 发展前景。 论文设计的是一个单片机控制多功能信号发生器。其设 计目的是使学生通过这一实践环节，增强单片机扩展接口设 计及其实际应用能力。本系统的软件可运行于 DOS 及 Windows 系列操作系统平台。完成的主要功能设计有：单片 机所需平稳电压的获得，8K 字节固化程序存储能力，七段数 码显示器，3×4 的 12 位矩阵键盘，波形产生与电压变换功 能，具有 8 位精度的 D/A 转换功能，时钟电路与复位电路以 及完成相关的软件设计。 本系统以 8031 单片机为核心，配置相应的外围接口电 路，用汇编语言开发，组成的一个单片机控制多功能信号发 生器。硬件电路设计包括三部分内容：一是电源部分设计； 二是系统扩展，即单片机内部的功能单元（如 ROM、I/O、定 时/计数器、中断系统等）容量不能满足应用系统要求时， 必须进行片外扩展，选择适当芯片，设计适当电路；三是系 统配置，即按照功能要求配置外围设备，如键盘、D/A 转换 等。系统中的应用软件是根据系统的功能要求而设计的，可 靠地实现了系统的各种功能要求。

关键词：单片机; 控制; 信号发生器

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目 录

第 1 章 绪 论 ................................................................................1 1.1 单片机发展概述................................. 1 1.2 单片机的性能特点............................... 3 1.3 单片机应用系统的结构及构成方式................. 3 1.4 信号发生器综述................................. 5 1.5 论文的主要研究内容............................. 6 第 2 章 系统设计方案 ..................................................................8 2.1 系统分析....................................... 8 2.1.1 问题定义 .......................................................................8 2.1.2 系统可行性研究 ...........................................................9 2.2 系统需求分析.................................. 12 2.2.1 系统功能要求 .............................................................12 2.2.2 系统性能要求 .............................................................12 2.2.3 运行环境要求 .............................................................12 2.3 总体方案设计.................................. 12 2.3.1 算法设计 .....................................................................12 2.3.2 系统总体结构框图设计 .............................................13 第 3 章 系统硬件设计 ................................................................14 3.1 硬件总体设计.................................. 14 3.2 系统部件设计.................................. 16 3.2.1 电源设计 .....................................................................16 3.2.2 存储器接口设计 .........................................................18 3.2.3 显示器接口设计 .........................................................21 3.2.5 时钟与复位电路设计 .................................................29 3.2.6 波形产生与电压变换 .................................................30 第 4 章 软件设计.........................................................................37 4.1 软件总体设计.................................. 37 4.2 功能软件设计.................................. 38 4.2.1 复位系统初始化程序设计 .........................................38 4.2.2 键盘扫描及处理程序 .................................................39 4.2.3 中断服务程序 .............................................................47 4.2.5 方波发生程序 .............................................................50 4.2.6 三角波发生程序 .........................................................51

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4.2.7 锯齿波发生程序 .........................................................51 第 5 章 系统测试报告 ................................................................52 5.1 系统使用环境.................................. 52 5.2 系统使用说明.................................. 52 5.3 系统性能指标.................................. 54 第 6 章 单片机抗干扰技术研究 ...............................................55 6.1 干扰源........................................ 55 6.2 干扰产生渠道.................................. 55 6.3 硬件抗干扰措施................................ 55 6.4 软件抗干扰措施................................ 56 结 论............................................................................................58 参考文献........................................................................................60 中文摘要 ...........................................................................................i Abstract .......................................................................................... iv 致 谢

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第 1 章 绪 论 1.1 单片机发展概述

近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采 集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了 广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、 可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽 车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来， 单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人 们生活的各个方面。 单片机并没有超脱冯·诺依曼原理下的计算机的结构框 架和工作原则，而是着眼于应用到更广阔的范围：工业控制、 数字显示、智能仪表、电子设备、汽车电控、农机、家电乃 至儿童玩具的控制。它不求规模大，只求小而全。厂家在一 个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器 以及一定数量的输入/输出接口（Interface）。在一个大规 模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片 机[3～6]。 MCS-51系列中的一片8751芯片，内部构造了完整的计算 机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只 要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传 输的信息处理机，MCS-51单片机指令系统中为适应控制的需 要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令；CPU 时钟高达12MHz，完成单字节乘法或除法运算仅需要4μs；具 有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。 一般微处理器和有关元器件分军用和民用两级，民用产 品主要用于办公室及机房环境，工作温度在0～70℃，军用产 品要求在恶劣环境条件下稳定工作，工作温度在-65～+125 ℃；工业级产品的性能介于以上两者之间，在-40～+85℃温

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度环境可正常工作。工业产品可靠性比民用产品强，而价格 较军用品低。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选 择工业级芯片，保证系统可靠性[7]。 近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合 而成的Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这 种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先 进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器 控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时 追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要 求而设计的单片机自然成为机电一体化控制器的最佳选择。 单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器 的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段： 第一阶段：1971～1974 年，4 位微处理器 Intel 4004 及 8 位微处理器 Intel 8008，这些计算机价格便宜、功能有 限，只用于消耗类电子产品。 第二阶段：1974～1978 年，初级单片机阶段，以 Intel 公司的 MCS-48 为代表，8 位单片机。 第三阶段：1978～1983 年，高性能单片机阶段。以 Intel 公司的 MCS-51，Motorola 公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等为代表。这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级 中断处理系统、16 位定时器/计数器，有的片内还带有 A/D 转换器接口，片内 RAM、ROM 容量加大，寻址范围可达 64K 字节。广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局 部网络及家用计算机中。 第四阶段：1983 年至今，8 位单片机巩固发展及 16 位 单片机推出阶段。例如 Mostek 公司的 MK6800、Intel 公司 的 MCS-96 等。MCS-96 集成度为 12 万只晶体管/片，寻址范 围 64K 字节、5 个 8 位并行口、一个全双工串行口、4 个 16 位定时器、8 通道 10 位 A/D 转换器等，另外 MCS-96 指令能 处理位、字节、字，有 16 位乘 16 位乘法、32 位除 16 位除 法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲 美。单片机已经进入一个崭新的阶段[2]。

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1.2 单片机的性能特点 单片机具有以下特点； （1）受集成度限制，片内存储容量较小，一般8位单片 机的ROM小于4/8K字节，RAM小于256字节，但可在外部扩展， 通常ROM、RAM可分别扩展至64K字节。 （2）可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的， 其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令及常数、表格 固化在ROM中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可 靠性高。 （3）易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件。 芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管 脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （4）控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机 的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑 操作以及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制功能及 运行速度均高于同一档次的微处理器。 （5）一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只 放置有用户调试好的应用程序。但近年来也开始出现了在片 内固化有BASIC解释程序的单片机。 1.3 单片机应用系统的结构及构成方式 单片机在各个技术领域的迅猛发展，与单片机所构成的计 算机应用系统的特点有关： （1）单片机构成的应用系统有较大的可靠性。 （2）系统扩展和系统配置比较典型和规范，容易构成各 种规模的应用系统。 （3）由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的 测控功能由软件实现，故具有柔性特点。 （4）有优异的性能价格比。 对广大的应用型技术人员而言，目前所面临的单片机应用

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技术是使用单片机和可编程逻辑器件相结合构成的新一代电子 应用技术。这是工程应用技术发展的一个新趋势。 通常，一个微型计算机系统由微型计算机与外部设备组 成，如图1-1所示。而微型计算机则包含有微处理器（通称 CPU），存储器（存放程序指令或数据的ROM、RAM等），输入 /输出口（I/O）及其他功能部件如定时/计数器、中断系统等。 它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来,通过输入 /输出口线与外部设备及外围芯片相连。CPU中配置有指令系 统，计算机系统中配置有驻机监控程序、系统操作软件及用 户应用软件[8]。

DB

时 钟

CPU

R O M R A M 定时 计数 器 中 断 系统 I/ O 口

复 位

外 部 设 备

AB

CB

图1-1 微型计算机系统结构

目前用户在构成应用系统时，有三种构成方式可供选 （1）专用系统。系统的扩展与配置完全按照应用系统的 择。 功能要求设计的。硬件系统的性能/配置比近于1。系统中 只配备有应用软件，故系统有最佳配置，系统的软、硬件 资源能获得充分利用，但这种系统无自开发能力。采用这 种方式要求有较强的硬件开发基础。 （2）模块化系统。鉴于单片机应用系统的系统扩展与配 置电路具有典型性,因此，有些厂家将这些典型配置做成用

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户系列板，供用户选择使用。用户可根据应用系统的需要 选择适当的模块板组合成各种测、控系统。有些用户系列 板在结构上做成STD总线型。模块化结构是中、大型应用系 统发展方向。它可以大大减少用户在硬件开发上投入的力 量。但目前系统模块化产品水平尚不高，软硬件配套工作 还不完善，有待于进一步发展。 （3）单片单板机系统。受通用CPU单板机的影响，国内 有用单片机来构成单片单板机，其硬件按照典型应用系统 配置，并配有监控程序，具有自开发能力。但是，单板机 的固定结构形式常使应用系统不能获得最佳配置。产品批 量大时，软、硬件资源浪费较大，但可大大减少系统研制 时的硬件工作量，并具有二次开发能力。 1.4 信号发生器综述 目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以 下几种： 超高频：频率范围 1MHz 以上，可达几十兆赫兹。 高频： 几百千赫兹到几兆赫兹。 低频： 频率范围为几十赫兹到几百千赫。 超低频：频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。 超高频信号发生器，产生波形一般用 LC 振荡电路。 高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电 路，即 RC 振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。 用以上原理设计的信号发生器，其输出波形一般只有两种， 即正弦波和脉冲波，其零点不可调。而且价格也比较贵，一般 在几百元左右。 在实际应用中，超低频波和高频波一般是不用的，一般用 中频，即几十赫兹到几十千赫兹。 用单片计算机 Intel8031, 加上一片 DAC0832, 就可以做 成一个简单的信号发生器，其频率受计算机运行的程序的控制。 我们可以把产生各种波形的程序，写在 EPROM 中，装入本机，

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按用户的选择，运行不同的程序，产生不同的波形。再在 DAC0832 输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、 幅值、零点均可调的多功能信号发生器的设计。 这样的机器体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于 携带。 1.5 论文的主要研究内容 本设计采用 Intel8031 及其外围扩展系统，软件方面主要是 应用汇编语言设计程序。 系统以 8031 单片机为核心，配置相应的外设及接口电 路，用汇编语言开发，组成一个多功能信号发生系统。该系 统的软件可运行于 DOS 及 Windows 环境下，硬件电路设计 具有典型性。同时，本系统中任何一部分电路模块均可移植 于实用开发系统的设计中，电路设计具有实用性。 本设计将完成以下几个方面的工作： （1）选芯片，尽量满足一般工业控制要求、以增强其实 用性，同时又要贴近教材，便于实验及教学。 （2）原理图设计在保证其正确的前提下，尽量采用典型 的电路设计，以适应教学及课程设计参考的需要。 （3）印制板设计既要精巧，又要便于摆放及实验。 （4）固化于单片机芯片中的软件采用模块设计，层次 清楚，具有上电自检功能及与微型机通讯的功能，具有很好 的软件开发框架。 （5）掌握电子线路设计软件Protel99的使用。 为此，论文包括以下内容： （1）绪论。概述设计目的、介绍单片机概况。为以后 几章的介绍奠定基础。 （2）系统总体方案设计。本章主要考虑系统性能、功 能和器件选择。包括两个主要内容：系统分析和系统总体方 案设计。其中系统分析包括问题定义、可行性研究和需求分 析。问题定义中对设计的课题进行定义，详述设计环境。可 行性分析中分别从经济可行性、元器件具备程度和对可能遇

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到的问题的可解决性几个方面论证设计是否可行。需求分析 对系统功能要求、性能要求和运行环境要求说明。系统总体 方案设计包括算法设计、系统总体框图设计以及系统中使用 的主要芯片。 （3）系统的硬件设计。本章完成系统的硬件总体设计， 详细说明了设计思路。 （4）系统软件设计实现。本章是系统的具体实现。对 系统按功能模块进行介绍。 （5）系统测试报告。分别对系统的功能测试、调试过 程和系统的使用方法进行介绍。 （6）技术经济分析。对本设计的经济效益进行分析。 论文中介绍的任何功能模块均可直接应用于其他的设计 中。

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第 2 章 系统设计方案 2.1 系统分析 2.1.1 问题定义

基于单片机的信号发生系统是一个实际应用系统，可为 相关实验及实际应用提供支持。本论文包括硬件系统的详细 设计及汇编语言在基本控制中的应用。 此系统具有的功能如下： 硬件部分 （1）单片机所需的平稳电压； （2）8K字节固化程序存储能力； （3）七段数码显示器； （4）3×4的12位矩阵键盘； （5）时钟电路与复位电路； （6）具有8位精度的D/A转换功能； （7）波形产生与电压变换功能； 软件部分 （8）系统复位初始化； （9）键盘扫描与处理； （10）MON键服务程序 （11）定时器0中断服务程序； （12）正弦波发生程序； （13）三角波发生程序； （14）方波发生程序； （15）锯齿波发生程序。

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2.1.2 系统可行性研究 1、设计环境 （1）硬件环境 CPU：PⅢ733H 显示器：15寸，GF显卡、8M显存 硬盘：20G 单片机开发系统 （2）软件环境 本设计主要用Protel电子设计软件进行电子线路的设 计。 Protel电子线路设计软件是在TANGO基础上改进的电路 CAD软件，它在原理图文件格式、印制板文件格式、原理图器 件库文件格式、印制板封装库文件格式、原理图编译和网络 表转换与检查等方面保持了与TANGO版本一致或兼容的前提 下，对原TANGO版本做了一些改动。 Protel电子线路设计软件由原理图编辑、印制板设计、 原理图输出、印制板输出、原理图器件库编辑和其他应用程 序组成。 电路原理图的设计是印制电路板设计中的第一步，也是 非常重要的一步。电路原理图设计得好坏将直接影响到后面 的工作。首先，原理图的正确性是最基本的要求，因为在一 个错误的基础上所进行的工作是没有意义的；其次，原理图 应该布局合理，这样不仅可以尽量避免出错，也便于读图、 便于查找和纠正错误；最后，在满足正确性和布局合理的前 提下应力求原理图的美观。 电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤： ① 设置电路图纸参数及相关信息 根据电路图的复杂程度设置图纸的格式、尺寸、方向等 参数以及与设计有关的信息，为以后的设计工作建立一个合 适的工作平面。 ② 装入所需要的元件库

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将所需的元件库装入设计系统中，以便从中查找和选定 所需的元器件。 ③ 设置元件 将选定的元件放置到已建立好的工作平面上，并对元件 在工作平面上的位置进行调整，对元件的序号、封装形式、 显示状态等进行定义和设置，以便为下一步的布线工作打好 基础。 ④ 电路图布线 利用Protel 99所提供的各种工具、命令进行画图工作， 将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等 连接起来，布线结束后，一张完整的电路原理图基本完成。 ⑤ 调整、检查和修改 利用Protel 99所提供的各种工具对前面所绘制的原理 图做进一步的调整和修改。 ⑥ 补充完善 对原理图做一些相应的说明、标注和修饰，增加可读性 和可观性。 ⑦ 保存和打印输出 这部分工作主要是对设计完成的原理图进行保存，包括 存盘、打印输出等，以供以后的工作中使用。

2、可行性分析 （1）元器件的选择及其可行性讨论 根据技术指标及系统设计目的，经研究芯片的选择如下： ①采用6MHz的晶振器为8031提供时钟信号 ②稳压块选用7812与7805相串联，提供12V和5V电压； ③对于8031的P0口的数据/地址复用采用74LS373进行分 离锁存； ④程序存储器选用EPROM2764； ⑤采用74LS138进行地址的高三位译码； ⑥数码显示器采用高亮数码管； ⑦8位D/A转换器采用DAC0832； ⑧采用74LS04芯片在数据送往数码管之前进行驱动，

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并提高稳定性。 这些器件在实验室大部分有备件，只有极少的芯片及器 件需要购买，所以器件的选择完全可行。 （2）设计中可能存在的问题及解决方案——排除问题 的可行性讨论 此设计要求最终制作出电路板，因此，设计原理图时应 着重考虑设计最终的电路板的可行性。书本中的一些原理图 为了突出重点，故意将其中对电路实际工作必须的电阻及电 容省略掉，这样使得完全按照书本知识设计不能达到预期的 效果。针对此情况，在设计时要对每一个电路模块仔细检查， 查阅其他书籍进行校对，还要进行实物实验，以确保设计的 可实现性。 在电路印制板的设计中，最容易出现的现象为过孔太小、 细线太细、线与线的间距过窄以及电源线不够宽导致印制板 在工艺上无法实现甚至系统上电后损坏。故在印制板的设计 中要了解印制板商实际能达到的做工精度，并根据此精度设 计印制板，才能万无一失。 在原理图转化为印制板设计图时，最大的问题存在于器 件的封装选择上，错误的选择将导致器件无法安装在印制板 上。所以，选择时要了解实物的具体尺寸，切实做到器件能 恰好安装在印制板的指定位置。 在最后的电路板的调试阶段，需要诊断模块程序和单片 机仿真机合作进行，从而克服调试程序本身的不可靠性，可 方便地进行调试及错误诊断。 以上对设计中可能遇到的较为重要的问题进行了分析并 提出了解决方法，基本上可以解决。 （3）经济上的可行性讨论 本设计是一个实验系统，芯片的选择在前面己经讨论， 从前面的讨论中可见芯片大部分可在实验室中找到。因此， 设计费用主要集中在印制板的制作上。而系统制作成功将省 去一部分实验器材的购置费用。所以，经济上本设计完全可 行，并将节省实验设备投资。

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2.2 系统需求分析 2.2.1 系统功能要求 系统具有D/A转换功能，七段数码显示功能，上电自动 复位功能，3×4键盘输入接口。 2.2.2 系统性能要求 （1）系统的D/A转换功能具有8位精度； （2）七段数码显示器具有500HZ的动态刷新频率； （3）8031单片机时钟信号为6MHZ； （4）系统上电自动复位； （5）系统具有12位行列扫描键盘。 2.2.3 运行环境要求 多功能实验系统电路板运行于实验室环境； 微机与实验系统电路板的通讯软件包运行环境如下： 硬件环境：CPU奔腾586机100MHz上，内存16M，VGA显 示器，串行通讯口； 软件平台：Windows系列。 2.3 总体方案设计 2.3.1 算法设计 本设计涉及的算法较少，将在第4章软件设计中介绍。

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2.3.2 系统总体结构框图设计 一个单片机主系统的硬件电路设计包含有两部分内容： 一是单片机系统扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩 展。存储器扩展指EPROM、EEPROM和RAM的扩展。接口扩展是 指各接口芯片以及其他功能器件的扩展。二是各功能模块的 设计，如信号检测功能模块、信号控制功能模块、人机对话 功能模块、通讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的 D/A、键盘、显示器等外围设备。 本机硬件设计包括两部分，即电源部分设计和主系统设 计。电源部分设计硬件框图如图2-1所示。

~220V 50Hz 交流 ＋16V

变压 整流 滤波 稳压 +12V +5V

－12V

－16V

图 2-1 电源部分框图

主系统设计硬件框图如图2-2所示。

显 示 器

INTEL

电压 变换 DAC 0832

存 贮 器

8031

键 盘

波形输出

图 2-2 主系统结构图 13

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第 3 章 系统硬件设计 3.1 硬件总体设计

单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是 系统扩展，即单片机内部的功能单元（如 ROM、I/O、定时 /计数器等）容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外 进行扩展，选择适当的芯片，设计适当的电路。二是系统配 置，即按照功能要求配置外围设备如显示器、D/A 转换等， 要设计合适的电路。 系统的扩展和模块设计应遵循下列原则： (1)尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计 的成功率和结构的灵活性。 (2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用 系统的功能要求。 (3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结果 与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的 功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意， 由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件响应来 的长，而且占用CPU时间。所以，选择软件方案时，要考虑到 这些因素。 (4)整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，例 如选用的晶振频率较高时，存贮器的存取时间有限，就该选 择允许存取速度较高的芯片；选择CMOS芯片单片机构成低功 耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。 (5)可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的 部分，它包括芯片、器件选择，去耦滤波等。 (6)单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱 动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能 力，增设线驱动器或减少芯片功耗，降低总线负载。 (7)系统的扩展及各功能模块的设计在满足系统功能要 求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。

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(8)在考虑硬件总体结构的同时要注意通用性的问题。 根据以上原则，进行硬件设计。 系统采用较为普及的8031单片机作为系统的核心。它不 但容易实现设计指标，而且还有较好的性能/价格比。由于是 教学用实验系统，各元器件的选择较固定，电路设计方面也 与教科书中内容相近。从整体系统来看地址译码方法也只能 采用地址译码法。但在存贮器扩展、键盘接口、总线驱动器、 可靠性设计等方面还应多考虑。 （1）程序存贮器 Intel8031片内不带ROM，需扩展程序存储器。从容量、 速度和价格等方面考虑，目前市场上不同容量的EPROM电路价 格相仿，而且容量大的芯片，速度也高，故选用容量较大的 2764EPR0M（8K），这样可简化硬件结构。 （2）键盘接口 矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，系统采用了行 列式键盘设计即矩阵键盘，用I/O线组成行、列结构，按键设 置在行列的交点上，3×4的行列结构可构成12个键的键盘。 因此，在按键数量较多时，可以节省I/O线。按键的识别方法 有两种，一种为扫描法，另一种为线反转法。此设计采用了 行列式及与之相适应的行列扫描法。 （3）数码管驱动 本设计实现了8031的I/O口对 3×4键盘和8位数码管显 示的控制。为增加对数码管显示器的驱动能力及稳定性，在 它与8031之间设置了提高驱动能力的非门。 （4）可靠性方面 在使用应用系统时，可能会受到多种干扰的侵袭，直接 影响到系统的可靠性，因此，本系统适当加入去耦电容，制 版时使地线在电路板周围形成环形抗干扰填充区。以减少干 扰，确保精度。

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3.2 系统部件设计 3.2.1 电源设计 本机使用三种共地电源：+12V，－12V，+5V，硬件设计 中采用自带电源方式。 因为本机有 Intel 8031 单片机，还有许多逻辑芯片，这些芯 片的工作电源电压为+5V，所以电源中必须有+5V 电源。另外 由于本机设计为小信号输出，而且信号幅值可调，零点可调， 可正可负，所以采用±12V 电源。 电源部分原理图如图 3-1 所示。

图 3-1 电源部分原理图

对于图 3-1 有几点说明： 1. 7805 稳压块与 7812 稳压块相串联，是为了使 7805 上的 功耗降低，以免功耗太大而使用散热片。

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稳压块的功耗按下式计算：W =Ｉ×ΔU = I × (UI-UO) 其中：I 是稳压片的通过电流 UI 是稳压片的输入电压 UO 是稳压片的输出电压 ΔU 是稳压片上的电压降 由上式可以看出：稳压块上的压降ΔU 越大，其功耗越大。 如果 7805 直接接到整流桥输出端，则 U1 必会大于 12V，功耗 必然加大。 2. Intel 8031 的功耗 < 100mA 显示器采用动态显示，每一瞬间只有一个数码管发亮，而 数码管电流 ≤ 100mA。其它芯片总电流 < 50~70mA。 所以+5V 电流的总电流可 ≤ 300mA, 查三端集成稳压器 说明书，可以选用 7805,其电流 Im=0.5A，这样电流可以留有一 定裕量。 3.大滤波电容的选择 由于变压器副线圈的额定电压选用 16V，那么瞬时电压峰 值为 Um=16×1.414≈23V 因为大电容耐压值越高，价格越高，所以选用 1000μF/25V 电容。 4.整流桥的选择 虽然要求的电源电流 <1A，但变压器副线圈电压为脉动电 压，电流为脉动电流，其电流瞬时值远远超过 1A，尤其在电源 刚接通时，为留有一定裕量，而且不损坏整流桥，选用 2A 的。 由于整流桥的每个二极管都是半相通，半相不通，所以其 反向耐压值要求很高，为留有一定裕量，选用 50V。 最后选定整流桥为 2A/50V。 5.变压器的选择 要求电源电压为±12V，而稳压块压降≤2V，所以变压器 副线圈电压≥±16V，因此选用 32V 的电源。 又因电源电压≤500mA，所以选用 16W／32V 变压器(带三 抽头)。 6.电路中 0.1μF 电容的作用 电路中在集成三端稳压器输入端、输出端与公共端之间，

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分别接有 0.1μF 电容，这是为了更好地改变集成三端稳压片的 瞬态响应，防止稳压块自激振荡，保证正常工作。 3.2.2 存储器接口设计 803l通过16位的地址线能分别对外部64K程序存储器 或64K数据存储器寻址。这是因为程序存储器用8031的 PSEN 信号选通，而数据存储器则用 RD、WR信号选通。 1.存储器片选控制 在用多片存储器芯片构成外部存储器时,除了低8位地 址需要锁存以外,还要由高位地址产生片选信号,产生片选 信号两种方法。 （1）线选法：如外扩的存储器芯片数目较少，那么只 需用P2口的某几根多余的高位地址线，作为存储器的片选 信号就可实现外扩存储器的目的。这种方法由于剩余的高 位地址不参加译码，可为任意状态，所以将有很多地址空 间重叠。也就是说，每一个存储单元可以对应有若干个地 址，但这不会引起混乱，也不会影响正常使用。对使用者 而言，只要用其中任一组地址即可。 （2）译码选通法：当外扩存储器芯片数目较多时，就 要用译码选通法，这种方法由译码器组成译码电路，译码 电路将地址空间划分若干块，其输出分别选通各存储器芯 片。这样既充分利用了存储空间，又克服了空间分散的缺 点。此法常采用的译码器是74LS138、74LS139、74LS154、 74LS42等。 2.程序存贮器的扩充特性： （1）程序存储器有单独的地址编号（0000H～FFFFH）， 虽然与数据存储器地址重叠，但不会被占用；它使用单独的 控制信号和指令，程序存储器的指令、数据读取控制不用数 据存储器的 RD控制信号和MOVX指令，而是由 PSEN 控制信号 控制，读取数据用MOVC查表指令。 （2）程序存储器与数据存储器共用地址总线与数据总

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线。对于本系统，由于所用8031单片机的片内没有程序存储 器，必须外接EPROM电路作为程序存储器。8031最多可直接访 问64K字节的EPROM。根据系统需要只外接了一片2764（8K×8） 作为外部程序存储器。8031的程序存储器的取指信号 PSEN 控制端接2764的读管脚OE 。对于片外程序存储器选择信号 EA，由于8031无片内程序存储器，故 EA必须接地，CPU总是 执行外部EPROM（2764）中的固化程序，又由于程序存储器只 有一片，故2764的片选信号CE直接接地。 8031的P0口外接一个地址锁存器74LS373。8031访问外部 程序存储器时，P0口和P2口的16根I/O线输出地址码，其中P0 口作为分时复用的地址/数据总线，它送出程序计数器中的低 八位地址（PCL），由ALE信号选通进入地址锁存器，地址锁 存器输出的地址信息Q0～Q7接到2764地址线A0～A7，P2口输 出地址信息高8位P2.0～P2.4输出接2764的A8～A12。地址锁 存器的输入端和2764的数据线D0～D7接8031的P0口。 8031 芯片内部具有 128 个字节 RAM 存储器，它们可以作 为寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器，CPU 对其内部 RAM 有丰富的操作指令，因此，这个 RAM 是十分珍贵的资源，我 们应该合理地应用片内 RAM 存储器，使它充分地发挥作用。 在应用系统中，很多时候仅仅依靠片内的 128 字节的 RAM 存 储器是不够的，在这种情况下，可利用 8031 的扩展功能， 外接 RAM 电路，作为外部数据存储器扩展。 3.EPROM2764 MCS-51的程序存储器空间、数据存储器空间是相互独 立的。程序存储器寻址空间为64K字节（0000H～FFFFH）， 由于8031片内不带ROM，需扩展程序存储器。 2764A是一种8K字节的紫外线擦除、电可编程只读存贮 器，单一供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出 时间最大为250ns，是一种高速大容量的存贮器。2764A为 28线双列直插式封装，其管脚功能如表3-1所示。

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吉林大学硕士学位论文 表3-1 2764管脚说明

CE 片选线

OE 数据输出 选通线 A0～A12 地址线 Q0～Q7 数据 输出线 PGM 编程脉冲 输入 VPP 编程 电源

存贮器部分的电路图如图3-2所示。

图3-2 存贮器部分原理图 4.存贮器部分有几点说明 （1）2764 与 74LS373 的作用 2764 是 8K 紫外线擦除电可写只读存贮器，其数据线是 8 根，地址线是 13 根 A12～A0。其读出受两个脚上的信号控制，即

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CE(20 脚)和OE (22 脚)。CE为片选端，OE 为读出允许端。 我们知道，INTEL8031 的数据存贮器与程序存贮器空间是分开 的，各为 64KB。程序存贮器由PSEN 信号选通。所以OE 直连 PSEN 。 74LS373 是 8 位数据锁存器。由于 8031 的低 8 位地址线与 数据线分时复用。74LS373 就用来锁存低 8 位地址信号。 由图 3-2 以看出 2764 的地址为 0000H～1FFFH，或者 2000H～3FFFH 等等。

_______

（2）2764 CE常接地的原因

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因为本机只需 8K ROM，只需一片 2764，又因本机程序已事 先编好，储存在 2764 中，所以不会误找其它程序存贮器。所以 本芯片常选通，而不必再连译码器，增加硬件代价。 另外，由于在单片开发机 DVCC-51-III 上调试的程序，地 址只能从 2000H 开始，而 8031 的各个中断服务程序首地址、复 位程序首地址已由硬件决定必须从 00××H 地址开始，这样在 开发机上调试好的程序单机独立运行时需要修改许多绝对地 址。但这些程序不必修改地址就可在本机上独立运行。这就省 了许多时间。因为本机高三位地址 A15A14A13对 EPROM 不起作用。 即使程序要求转至 1FFFH 以外的地址，也只能按低 13 位地址寻 址，自然就在本机中找到了正确地址。 （3）本机中未接 RAM 的原因 因为本机中使用的 RAM 字节数较少，8031 内自含 128 字节 RAM，已经够用，所以未加。 3.2.3 显示器接口设计 1.LED器件分类 LED发光器件一般常用的有两类：数码管和点阵。常用的 数码管一般为8字型数码管，分为A、B、C、D、E、F、G、DP 八段，其中DP为小数点。数码管常用的有10根管脚，每一段 有一个管脚，另外两根管脚为一个数码管的公共端。 从尺寸上分，LED数码管的种类很多，常用的有0.3、0.5、 0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.3、3.0、4.0、5.0等。一般小 于1.0的为单管芯，1.2～1.5为双管芯，1.8以上的为3个以上 管芯，因而它们的供电电压要求不同，一般每个管芯的压降 为2.1V左右。通常，0.8以下采用5V供电，1.0～2.3采用12V 供电，3.0以上的选择更高电压供电。 从电路上分，数码管又可分为共阴和共阳两种。 2.LED显示的基本原理 用单片机驱动的LED数码管有很多方法，按显示方式， 可分为静态显示和动态显示，按译码方式，可分为硬件译码

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和软件译码。 （1）LED静态显示方式 所谓静态显示方式，就是当显示器显示某一个字符时， 相应的发光二极管恒定地导通或截止。静态显示时，较小的 电流能得到较高的亮度。这是由于显示器的各位相互独立， 而且各位的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不 变，直到显示另一个字符为止。当显示器位数很少（仅一、 二位）时，采用静态显示方式是合适的。当位数较多时，用 静态显示所需的I/O口太多，占用太多的硬件资源。故在位数 较多时往往采用动态显示方式。 （2）LED显示器动态显示方式 在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，可采用 动态显示方式。所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各 位显示器（扫描）。通常将所有位的段选线相应地并联在一 起，由一个（7段LED）8位I/O口控制，形成段选线的多路复 用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O口线控制，实 现各位的分时选通。对于每一位显示器来说，每隔一段时间 点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间 和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现较高 较稳定的显示。 这两种显示方式各有利弊：静态显示虽然数据显示稳 定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示 驱动电路，使用的电路硬件较多；动态显示虽然有闪烁感， 占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。在 动态显示方式下，每位显示器的点亮时间是极为短暂的，约 1ms左右，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数据，不会有闪烁感。 可以看出，动态显示方案具有一定的实用性，也是目前 单片机数码显示中较为常用的一种显示方法。所以，本设计 采用动态显示方案。 3.LED的驱动和显示 在单片机系统中，LED数码管显示是反映系统输出和操作