毕业设计正文

安徽工程大学毕业设计（论文）

第2章 硬件电路设计

本次设计的系统总体框图如图1-1，包括按键模块、复位电路模块、振荡电路模块、LCD显示模块以及放大电路模块。下面将具体阐述对各个模块的设计。 2.1 主控芯片的选择

单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。本设计的方波发生器的核心芯片选用的是目前应用极为广泛的 52系列单片机[2]。它的引脚结构图如图2-1所示。之所以采用AT89S52单片机而不采用其他单片机如AT89C51单片机，原因如下所述。首先，从资源上考虑，它已经符合本次设计的要求。其次，本芯片比其他系列芯片有很大的优点，表现在以下几个方面：AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)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ISP Flash存储单元，采用此单片机作为本设计的主控模块，能够多次修改烧写的程序而不浪费资源。引脚功能：管脚几乎相同，变化的有，在AT89S52中P1.5、P1.6、P1.7具有第二功能，即这3个引脚的第二功能组成了串行ISP编程的接口。编程功能：AT89C51仅支持并行编程，而AT89S52不但支持并行编程还支持ISP再线编程。在编程电压方面，AT89C51的编程电压除正常工作的5V外，另Vpp需要12V，而AT89S52仅仅需要4-5V即可。烧写次数更高：AT89S52标称烧写次数是1000次，实为1000-10000次，这样更有利开始学习者反复烧写，降低学习成本。工作频率更高：AT89C51极限工作频率是24MHZ，而AT89S52最高工作频率是33MHZ (AT89S52芯片有两中型号，支持最高工作频率分别为24MHZ和33MHZ) ，从而具有更快的计算速度。 电源范围更宽：AT89S52工作电压范围，达4-5.5V，而AT89C51在底于4.8V和高于5.3V的时侯则无法正常工作。抗干扰性更强：AT89S52内部集成看门狗计时器(Watchdog Timer)，而AT89C51需外接看门狗计时器电路，或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。

采用AT89S52而不采用AT89C51，原因在于AT89S52与AT89C51相比，外型管脚完全相同，AT89C51的HEX程序无须任何转换可直接在AT89S52运行，结果一样[3]。

本次设计选用的微处理器为 AT89S52，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现方波信号的产生。其中P1.0~P1.5口主要用于小键盘接口电路；P0.0~P0.7口用于LCD 显示；P2.7口接放大电路；P2.0~P2.2口与LCD1602的RS、RW、E 口相连。主程序扫描键盘，将设置信息输入，处理后，输出到LCD显示器显示输出频率，经P2.7口输出的信号经放大处理后，在示波器上显示方波信号。

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张伟：可编程方波信号发生器电路设计

T2/P1T2EXP1.2 P1.3 P1.4 MOSIMISOSCK/RST RXD/P3TXD/P3INT0/P3INT1/P3T0/P3T1/P3WR/PRD/PXTALXTALGND

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 VCC P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 EA/VPP ALE/PROGPSEN P2.7/A15 P2.6/A14 P2.6/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8 图2-1 AT89S52的外部引脚图 2.2 复位电路设计

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令[4]。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1－P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。地址锁存信号ALE也为高电平。

复位电路通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。 方案比较：

方案一：采用上电复位。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以自动上电复位。

方案二：除了上电复位电路外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的，按键脉冲复位则是利用RC 微分电路产生的正脉冲来实现的[5]。

综上所述，本次设计的复位电路采用的是方案二，由按键、反向二极管、电容及电阻构成。在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压

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为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平，单片机系统自动复位。本次设计的复位电路如图2-2所示。

RESET

C3 10uF R0 10K +5V

RESET R5 470

图2-2 复位电路原理图

2.3 振荡电路设计

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，AT89S52单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式[6]。 方案比较：

方案一：AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚 XTAL2,。这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2 没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容使用30PF。

方案二：采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个二分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术要求。

综上所述，本次设计的振荡电路采用的是方案一，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡电路。在本设计中，两电容容量为30ρF，起稳定振荡频率、快速起振的作用，晶振频率为12 MHz，起功耗小、抗干扰性强的作。本次设计的振荡电路如图2-3所示。

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图2-3 振荡电路原理图

2.4 按键电路设计

方案比较：

方案一：非编码式键盘。按组成结构又可分为矩阵式键盘和独立式键盘。独立式键盘的工作过程和矩阵式键盘类似，无论是硬件结构还是软件设计都比较简单。按独立式键盘每个按键占用一条I/O线，当按键数量比较多时，I/O口利用效率不高，但程序编制简单。适用于所需按键较少的场合。矩阵式键盘连接复杂，但提高了I/O口的利用率，软件编程较复杂。适用于需使用大量按键的场合。矩阵式键盘键点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。当键盘上没有键闭合时，所有的行和列线都断开，行线都呈高电平。当某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线被短路。

方案二：编码式键盘。编码式键盘的按键触点接于74LS148芯片。当键盘上没有闭合时，所有键都断开，当某一键闭合时，该键对应的编码由74LS148输出[7]。

综上所述，本次设计采用的键盘电路是方案一中的独立键盘。它包括6个键，分别为S0、S1、S2、S3、S4、S5。分别实现频率的加1Hz、减1Hz、加10Hz、减10Hz、加100Hz、减100Hz。小键盘中引出的6根线依次分别接单片机的P1.0至P1.5口。键盘接口电路如图2-4所示。

0 3

P1.0 P1.3 4 1 P1.4 P1.1 2 5 P1.2 P1.5

图2-4 键盘接口电路

30pF 12MHz XTAL1 89S52 XTAL2 30pF

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