微機系統與接口技術實驗系統的硬件設計

姚 宇，孫成啟，陳亞力，儀 婷

(東北林業大學 計算機與信息工程學院，哈爾濱 150040)

“微機系統與接口技術”主要講單片機原理及其接口技術，以MCS-51系列單片機為主研究其內部資源和外部接口技術。為使學生對計算機系統有比較深入的了解，需要一定學時的實驗，本系統就是要使學生在簡單實驗的基礎上掌握單片機的開發過程及調試手段，從而增強他們的創新能力。系統是以STC系列單片機為中心擴展必要的外圍電路而構成的[1]。STC系列單片機與51系列完全兼容，開發中具體選用STC12C5A32S2單片機，該單片機為單時鐘/機器周期，比傳統的51系列快8～12倍，且程序存儲器大(32K)片內有1KB的RAM、28K EEPROM、4個16位定時器、8路10位A/D、2路PWM和2個串口。

1 實驗系統總體的結構

根據實際情況本系統能開出的實驗內容有：數摸轉換實驗、運算程序設計實驗、查表程序設計實驗、數據排序實驗、位操作實驗、數字量輸入輸出實驗、中斷系統實驗、定時器/計數器實驗、串口通訊實驗、存儲器擴展實驗、A/D轉換實驗、步進電機實驗和EEPROM存儲器電路實驗等。因此以STC12C5A32S2單片機為中心，外部擴展鍵盤、顯示器、RAM、D/A、時鐘芯片及開關量輸入輸出接口[2～5]。設計出具體的實驗開發平臺，其結構框如圖1所示。

圖1 試驗系統結構框圖

2 實驗系統的硬件電路設計

2.1 STC12C5A32S2單片機

中央處理單元CPU如圖2所示。其主要性能為：

圖2 STC5A32S2 CPU

(1)高速。1個時鐘/機器周期，增強型8051內核，速度比8051快8～12倍。

(2)增加外部掉電檢測電路，可在掉電時，及時將數據保存進EEPROM，正常工作無需操作EEPROM。

(3)時鐘。外部晶體或內部RC振蕩器可選內置32K字節Flash程序存儲器，擦寫次數10萬次以上。

(4)串口編程，不用任何其它硬件就可以在線編程，方便程序調試。

2.2 外部數據存儲器擴展

2.3 LED顯示器和鍵盤接口設計

LED顯示器具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長和成本低等特點，常被選為單片機應用系統中的人機界面。這里是將其做為顯示測試結果。彩動態顯示原理，工作原理是將多個顯示器的段碼同名端連接在一起，位碼分別控制，利用眼睛的余暉暫留效應，分別進行顯示，只要保證一定的頻率，看起來的效果和一直顯示是一樣的。硬件原理如圖3所示，以單片機為核心控制部件，通過地址鎖存器將地址鎖存，經過地址譯碼器后，在單片機寫選通信號的控制下，由邏輯控制電路形成與地址碼唯一對應的數據鎖存器鎖存控制信號，將段碼數據鎖存到相應的數據鎖存器，并送LED數據管顯示。顯示器的段碼及位碼驅動采用ULN2804，鎖存器用74AH273，同時鍵盤電路與顯示電路合并擴展16個鍵盤。74AH244做為開關量輸入接口，用其最低兩位做鍵盤的行線。

2.4 D/A轉換

DAC是一種把二進制數字信號轉換為模擬信號(電壓或電流)的電路。這里采用DAC0832。DAC0832是8位雙緩沖D/A轉換器，其原理如圖4所示。在實際應用中，通常采用外加運算放大器的方法，把DAC0832的電流輸出轉換為±5V電壓輸出。

2.5 串行接口

串行接口如圖5所示，可將電腦串行口RS232信號電平(-10，+10v)轉換為單片機所用到的TTL信號電平(0，+5v)。MAX232就是用來進行電平轉換的，該器件含有2個驅動器、2個接收器和一個電壓發生器，電路提供TIA/EIA-232-C電平。這個接口可用作程序下載和串行通信實驗。

2.6 時鐘電路

為了進行時鐘實驗，實驗系統擴展一個時鐘芯片，型號是DS1307，如圖6所示。DS1307包括時鐘/日歷寄存器和31字節(8位)的數據暫存寄存器，數據通信僅通過一條串行輸入輸出口。實時時鐘/日歷提供包括秒、分、時、日期、月份和年份信息。閏年可自行調整，可選擇12小時制和24小時制，可以設置AM、PM。通過IIC總線與CPU交換信息，數據線SDA接P4.1，時鐘線SCL接P4.0，中斷請求輸出線接P3.2。為保證時鐘芯片的電源不間斷在DS1307的備用電源端接一個1F的電容并用3個二極管串聯降壓為電容充電。

圖 3 LED顯示器和鍵盤接口設計

圖 4 數/模轉換

圖 5 串行接口

圖 6 時鐘電路

3 結 論

基于STC12C5A32S2單片機的實驗開發平臺。以顯示器、鍵盤輸入、D/A轉換和時鐘芯片等為外圍接口電路，形成一個體積小、成本低、穩定的開發系統平臺，方便學生的實驗。到STC網站下載STC_ISP_V483軟件就可實現在線編程，不需要訪真器，調試硬件及軟件非常方便。

【參 考 文 獻】

[1]李 蒙.基于STC89單片機的實驗教學系統[D].天津，天津大學精密儀器與光電子工程學院，2008.

[2]趙 燕.一種基于STC單片機的溫濕度檢測系統的設計[J].南京工業職業技術學院學報，2010，10(3)：43-45.

[3]楊明欣，張 杰，鄭郁正.基于STC單片機的實驗開發平臺的設計[J].成都信息工程學院學報，2005，21(3)：410-412.

[4]林 倩，嚴桂林.基于STC12C5A60S2單片機的SD卡讀寫[J].新特器件應，2010，12(4)：1-3.

[5]宋鳳娟，付 侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機高速A/D轉換方法[J].煤礦機械，2010，31(6)：218-220.