武汉理工大学单片机应用实习
3 方案论证
经过仔细地分析与论证，我认为此次的基于单片机数据显示及串口通信系统可分为单片机STC89C52最小系统、数据输入、数据显示和串口通信模块四部分组成。
3.1 单片机最小系统
方案一： STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。
方案二：STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
经比较，考虑到在课程学习的进度和深度方面，方案二STC89C52的使用可以巩固课内知识的同时也提高可课外动手实践能力，可以在基本不增加硬件复杂性的情况下，大大降低了软件的复杂性，且硬件调节较软件调节具有更高的可操作性，故选择方案二。
3.2 数据输入模块
方案一：独立键盘。独立键盘为一端接地，另一端接I/O口，并且要接上拉电阻。这
种键盘的硬件都很容易实现，但每一个按键就要用一个I/O口，非常的浪费单片机的I/O口资源，不适合本次设计。
方案二：自制编码键盘。这种键盘有编程简单，占用资源少，但其硬件比较复杂，要用很多的二极管，不是很理想。
方案三：4*4矩阵式键盘。这种键盘的硬件简单，使用的I/O口也不多，而且这种键盘的编程方法已很成熟。s
由于本次实验需要15个键，综合复杂性和单片机有限的IO口，最后选择4*4矩阵式键盘作为数据输入模块。
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3.3 数据显示模块
方案一：采用共阴极数码管，共阴极数码管就是二极管的负极并在一起为公共端，正极分别代表A-H；正常工作时，负极要接低电平，A-H接高电平，使二极管导通，就可点亮A-H。
方案二：采用共阳极数码管。共阳极数码管就是二极管的正极并在一起为公共端，负极分别代表A-H。正常工作时，正极要接高电平，A-H接低电平电平，使二极管导通，就可点亮A-H。[2]
图3-1共阴极数码管和共阳极数码管
方案一需要外加74HC573锁存器驱动，从尽量减少元件数目角度上来讲，方案二好一
些，但实际上去店里共阳的数码管无货了，故选择了方案一，采用74HC573锁存器驱动的共阴极数码管。
3.4串口通信模块
方案一：近距离串口通信。对于近距离的单片机与单片机之间的通信，可以使用如图所示方法。由于距离近，不需要使用RS-232电平，仅使用TTL电平即可，所以直接将两个单片机串行线RxD和TxD相连接、GND线连接即可。
方案二：使用232电平进行通信。RS-232直接连接的最大物理距离为15m。最大传输距离说明：RS-232标准规定，若不使用Modem，在码元畸变小于4％的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m。如果距离在15m左右，一般使用RS-232电平进行通信。
比较上述两种方案可以发现，单片机间的通信可以借助RS-232也可以直接连接，区别在于通信的距离。在此次课设中，我们只需要满足两个单片机间的通信就可以了，并没有要求距离。所以方案一即可实现，并且简单方便
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4 硬件电路设计
4.1单片机控制模块设计
本设计中，采取单片机最小系统作为系统中的控制模块。单片机最小系统，是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统。
图4-1 单片机控制模块电路图
4.1.1 时钟电路
STC89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该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石英晶体或8051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。本设计主要是用内部振荡方式完成的[9]。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振频率，以19.2K波特率为例，19.2K波特
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率的晶振为
19200×(256-0FDH)×384×2 =11.0592 (SMOD=1)
选用11.0592MHz只是为了得到精确的通信波特率，串口通信的可靠性高。外接石英晶体及电容C2、C3接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路，起稳定振荡频率、快速起振的作用。对外接电容C2、C3虽然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、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性，一般在20~60pF之间选择，本次采用22pF。时钟电路设计图，如图4-2所示。
图4-2 时钟电路设计图
4.1.2 复位电路
单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，单片机保持复位状态[11]。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，单片机从初始状态开始工作。
对于复位电路，本设计采用上电复位电路，由于89C51是高电平复位，因此通过在RESET端接一个电阻到地，并接一个电容到电源的方式完成上电复位，上电时电源给电容充电，电容导通，因此RESET脚就相当于连接到+5V电源，开始复位，当电容充电完成后，电容断开，RESET脚被下拉电阻钳位在低电平，则退出复位状态。复位电路设计图，如图2-4所示。
复位电路连接图如下
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图4-3 复位电路设计图
单片机在启动运行时都需要进行复位操作，以便使CPU和系统中的其它部件都处于某一确定的初始状态，并从这个状态开始工作。AT89C51单片机有一个引脚RST，它是施密特触发器的输入端，其输出端接复位电路的输入。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即二个机器周期）以上，若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4μs才能完成复位操作。复位之后，使ALE、PSEN、P0、P1、P2口的输出均为高电平（即为输入状态），复位后，内部寄存器的状态如表3、1所示。RST变为低电平后，便又退出复位状态。CPU从初始化工作，由状态表可知，复位后：程序寄存器为0000H开始执行程序，内部RAM不受复位影响。
复位有电复位和按键手动复位两种。按键手动复有电平方式和脉冲方式两种。本次设计中，为方便人的操作，采用按键手动复位的按键电平复位。其复位电路如下表示：
表4-1 复位电路表
PC ACC PSW SP DPTR P0-P3 IP IE
0000H 00H 00H 07H 0000H 0FFH XX000000H 0X000000H 16
TCON TL0 TH0 TL1 TH1 SCON SBUF PCON 00H 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定