单片机多功能开发板的设计

中华人民共和国人力资源和社会保障部 CETTIC单片机C语言程序设计师岗位培训 单片机多功能开发板的设计 高丽 沈阳师范大学  物理科学与技术学院 2012年5月18日 单片机多功能开发板的设计 摘要：当我们初学单片机时，我们接触的深圳学林电子有限公司的XL2000单片机综合仿真实验仪的实验箱，集成所有基础实验要求的功能，而外观简洁，实验时操作轻松，是因为它内部是多功能集成，一个I/O口控制，而此文章就这一原则将串行A/D和D/A转换器，4×4 矩阵式键盘控制数码管显示，二极管跑马灯显示集于一体，文中对多功能集成电路板的各个工作模块及系统控制都做了详细的论述。 关键词：单片机  多功能  开发板  系统控制 目 录 第一章  前言…………………………………...…………….………………………1 第二章  多功能集成电路板模块功能介绍…………………………………..……..1 2.1 八位发光二极管显示模块……………………………………………..…...2 2.2 串行A/D模数转换器TLC548及其应用……………………………...…...2 2.3 4×4 矩阵式键盘识别…..………………………………………….………6 2.4 数模转换器TLC7226功能介绍……………………………………….…..9 第三章设计内容和步骤……………………………..………………………..….….12 3.1 系统设计的原则和步骤……………………………………………….…...12 3.2 控制系统的I/O点及地址分配…………………………………….………13 第四章 供电系统及安全措施…………………………………..…………….…….13 4.1 供电系统………………………………………………………….………..13 4.2 安全措施………………………………………………………….………..14 第五章 性能测试和分析………..………………………………………….……….17 5.1 PCB电性测试技术……………………………………………….………..17 5.2 多功能集成电路板的测试结果………………………………….………..17 结束语………………………………………………………………………….…….18 参考文献…………………………...……………………………….……….………19 附录一 控制系统原理图……………………...……………………………………20 附录二 系统程序设计…………………………………………………….………..21 第一章  前言 本次设计的多功能电路板，包括：交通灯循环点亮，串行数模转换和模数转换以及4×4 矩阵式键盘识别。交通灯是由八个发光二级管组成，可实现各种信号灯的模拟实验；串行模数转换是由TLC548芯片进行实现的，此芯片仅有八个管脚，编译简单；数模转换器TLC7226可生成不同波形；4×4 矩阵式键盘识别通过按键可控制四位数码管的显示及八位发光二级管的显示。 一种万能电路魔板，有电路实验板和电路元件所组成，其特征在于电路实验板，它是由双面印制电路板和电路元件插座和插针所组成，插座是焊接在上下两层相互隔开相互绝缘固定在一起的印制板金属 化孔内，在插座的横向中心线为中心的上下两侧，下层印制板或上层印制板上敷印有平行于插座横向中心线的横向线条，上层印制板或下层印制板上敷印有垂直于插座横向中心的纵向线条，横向和纵向的相邻线条中心线间距离，相同于集成件的两个相邻插脚中心向距离为2.54mm，横向和纵向线条宽度，由连接两点间所通的电流来选定，常用0.30mm或更宽，在每根线条上，每间隔2.54mm相同于集成件的两个相邻插脚中心距离，有一个上下两层印制板相互对应相同孔径的金属化孔，孔径大小决定于插针的直径。 上层印制板上的纵向线条与插座的插脚和金属化孔的焊接相连，插针可选用相同于线条上金属化孔径的大头针或其他导电的金属针，这便是本发明一种电路实验板的举侧；电路元件有电子、电器、电机及仪等元件，在本发明电路实验板上所配的电路元件，对电路功能固定不变化的部分，直接焊接在双层印制板固定不变，而对电路功能有多种状态变化的电路连接点，用插针的插入或不插入改变电路的连接状态，达到不同电路功能的实验或演示。 第二章 多功能集成电路板模块功能介绍 2.1 八位发光二极管显示模块 发光二极管简称为LED，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示，磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。LED的光学参数中重要的几个方面就是：光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。发光二极管也与普通二极管一样由PN结构成，也具有单向导电性。它广泛应用于各种电子电路、家电、仪表等设备中、作电源指示或电平指示。 此多功能集成电路板用八位发光二级管做输出显示作用，可用作交通灯显示、模数输出显示及按键输出显示。此八位发光二级管均阳极接排阻，使其共阳极，便于显示。 2.2 串行A/D模数转换器TLC548及其应用 2.2.1 TLC548的特点 TLC548是以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础面构造的CMOS A/D转换器，设计成能通过三态输出与微处理器或外围设备串行接口。TLC548用输入/输出时钟(I/CLOCK)和芯片选择(CS)输入作数据控制，其最高I/O CLOCK频率分别为2.048MHz和1.1MHz。TLC548片内系统时钟工作在4MHz(不需要外部时钟)。片内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入/输出时序并允许TLC548像许多软件和硬件所要求的那样工作。I/O CLOCK和内部系统时钟可以实现高速数据传送，对于TLC548为每秒45500次转换. 2 TLC548采用差分参考电压高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换范围, VREF - 接地, VREF + - VREF - ≥1V ,可用于较小信号的采样。 2.2.2 TLC548的内部框图和管脚名称 TLC548的内部框图和引脚名称如图1所示。 图 1  TLC548 内部框图 2.2.3 极限参数 TLC548 的极限参数如下: ● 电源电压：6. 5V； ● 输入电压范围：0. 3V～VCC + 0. 3V； ● 输出电压范围：0. 3V～VCC + 0. 3V； ● 峰值输入电流(任一输入端)：±10mA；; ● 总峰值输入电流(所有输入端)：±30mA； ● 工作温度：TLC548C：0 ℃～70 ℃，TLC548I：- 40 ℃～85 ℃， TLC548M：- 55 ℃～125 ℃。 2.2.4 工作原理 TLC548均有片内系统时钟, 该时钟与I/ O CLOCK 是独立工作的, 无须特殊的速度或相位匹配。其工作时序如图2 所示。 图 2  工作时序图 当CS为高时,数据输出(DATA OU T)端处于高阻状态，此时I/ O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许同时使用多片TLC548、TLC549时,共用I/O CLOCK，以减少多路(片) A/D并用时的I/O控制端口。一组通常的控制时序为： (1) 将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后, 然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。 (2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3) ,片上采样保持电路在第4 个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。 (3) 接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。 (4) 最后, 片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8 (D2 、D1 、D0)个转换位。保持功能将持续4 个内部时钟周期,然后开始进行32 个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后, CS必须为高, 或I/O CLOCK保持低电平,这种状态需要维持36 个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲, 则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平, 则将使引脚重新初始化, 从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前, 实施步骤(1) - (4) ，可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止, 此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号,，应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应,因为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样,却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。 图3  串行I/O接口 图4  程序图 2.3  4×4 矩阵式键盘识别 2.3.1 矩阵式键盘结构与工作原理 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O的占用，通常把按键排列成矩阵形式，如图5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建（9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。 图5  矩阵式按键原理图 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，所有的输入端都是高电平，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。为了保证按键没闭合一次CPU仅做一次处理，必须消除按键抖动。 图6  键盘扫描流程 2.3.2 四位数码管的结构与工作原理 本次设计用四位数码管做按键显示功能。LED数码管(LED Segment Displays)是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。分共阳极和共阴极，如图7为四位LED数码管的管脚图，S1.S2.S3.S4是4个LED的公共端，如果是共阳的话你想要第一个“日”亮就给S1接个电源的正极，a段，b段，c段，d段，e段，f段，g段分别是这个“日”的各个笔划，叫做段选，S1.S2.S3.S4分是位选。