AT89S51單片機開發(fā)板的設計

1 引言
    單片機系統(tǒng)傳統(tǒng)的編程方式是將單片機先從電路板上取下，放入專用的編程器進行編程，再放人電路板進行調(diào)試。其缺點是頻繁的拔插器件容易損壞器件的引腳；如果頻繁的調(diào)試程序，必須重復拔插，大大降低了開發(fā)效率。ISP技術(shù)是未來發(fā)展的方向，其優(yōu)勢是無需編程器就可進行單片機的實驗和開發(fā)，單片機器件可直接焊接到電路板上，調(diào)試結(jié)束即為成品，免去調(diào)試時由于頻繁插入取出對器件和電路板造成的損壞和帶來的不便。 ISP可降低研發(fā)成本；縮短從設計、制造到現(xiàn)場調(diào)試的時間，簡化生產(chǎn)流程，大大提高工作效率；在試驗新品或?qū)W生試驗等常需用不同的程序調(diào)試器件的場合中，在線編程技術(shù)尤為重要。
    設計AT89S51單片機開發(fā)板，采用ISP下載線實現(xiàn)在Keil C軟件開發(fā)環(huán)境下調(diào)試的匯編語言程序機器碼能即時下載到AT89S51單片機片內(nèi)Flash中，并可在線修改。

2 單片機開發(fā)板硬件設計
    AT89S51單片機開發(fā)板南AT89S51單片機最小系統(tǒng)、ISP下載編程器、上位機與下位機之間的串行通信電路、4×4矩陣鍵盤鍵號的識別與顯示電路4部分組成，如圖1所示。

2．1 單片機ISP下載編程器
    在系統(tǒng)可編程ISP(In-System Programmable)，指電路板上的空白器件可編程寫入最終用戶代碼，而無需從電路板取下器件，已編程的器件也可用ISP方式擦除或再編程。ISP 的工作原理：單片機可通過SPI或其他串行接口接收上位機傳來的數(shù)據(jù)并寫入存儲器中。所以即使將器件焊接在電路板上，只要留出和上位機接口的串口，配合 ispdown的下載電纜，就可實現(xiàn)器件內(nèi)部存儲器的改寫，而無需取下器件。ISP的提出改變了傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)開發(fā)的流程，大大方便了開發(fā)者，加快了開發(fā)速度。下載電纜是一種使用計算機的并行端口通過軟件的仿零點實現(xiàn)ATAG或ISP接口協(xié)議，訪問可編程器件的廉價工具。
    圖2為下載線電路圖。AT89S51單片機的ISP接口通過指令輸入MISO(P1．5引腳)、數(shù)據(jù)輸入MOSI(P1．6引腳)、時鐘輸入SCK(P1．7引腳)3根信號線，以串行模式為系統(tǒng)提供對MCU器件的編程寫入和讀出功能。

2．2 串行通信接口
    上位機PC機與下位機單片機通過RS-232C串行接口總線進行的串行通信。80C51系列單片機帶有一個全雙工的串行接口，因此用RS-232C串行接口總線非常方便。PC機配置RS-232C標準接口，RS-232C信號電平為負邏輯(邏輯“0”：+12 V；邏輯“1”：-12 v)，80C51單片機輸入、輸出電平為，TTL電平(邏輯“0”：≤0．5 V；邏輯“1”：≥2．4 V)。所以8051與PC機間點對點異步通信需加電平轉(zhuǎn)換電路，否則將燒壞TTL電路。MAX232器件是MAXIM公司生產(chǎn)的具有兩路接收器和驅(qū)動器的 IC器件，其內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可將輸入的+5 V電壓變換成RS-232C輸出電平所需的±12 V電壓。MAX232器件的引腳1～6(C1+、V+、C1-、C2+、C2-、V-)用于電源電壓轉(zhuǎn)換，只需在外部接入相應電解電容即可；引腳7～10 和引腳11～14構(gòu)成兩組，TTL信號電平與RS-232C信號電平的轉(zhuǎn)換電路，對應引腳可直接與單片機串行口的TTL電平引腳和PC機的RS232電平引腳相連。
    圖3為采用MAX232器件的PC機和單片機串行通信接口電路，采用9針標準插座與PC機相連。MAX232實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能，該器件可將單片機TXD端輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成標準的RS-232C標準電平，由MAX232的14引腳通過9針接口送入PC機；同樣，PC機輸出的RS-232C標準電平，從 MAX232的13引腳輸入并轉(zhuǎn)換成單片機所需的TTL電平，經(jīng)單片機的RXD端接收。

2．3 矩陣鍵盤鍵號的識別與顯示電路
    在AT89S51單片機的I／O口設計4×4行列式鍵盤，采用程序掃描法識別按下的鍵，當有按鍵按下時，其鍵號顯示在共陰極LED數(shù)碼管上。其電路如圖4所示。

    一個4×4的行、列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成一個含有16個按鍵的鍵盤。按鍵的位置由行號和列號唯一確定。將圖4中的4×4鍵盤鍵號編碼為：01H、02H、03H、…、0EH、0FH、10H16個鍵號。
    (1)用全掃描法判斷有無鍵按下行線在無鍵按下時處在高電平，按鍵按下時，與此鍵相連的行線與列線導通。如果讓所有列線處于低電平。當無鍵按下時，則讀人的行信息全為1；有鍵按下時，讀入的行信息不全為1，按下鍵所在的行電平會由高電平變?yōu)榈碗娖?。CPU根據(jù)行電平的變化，便能判定相應的行有鍵按下。
    (2)用逐列置0掃描法確定具體鍵按為進一步確定具體鍵，在某一時刻只讓一條列線處于低電平，其余列線均處于高電平，另一時刻，讓下一列處在低電平，依此循環(huán)，實現(xiàn)鍵盤掃描。
    鍵盤工作在編程掃描方式，單片機在完成其他工作后的空閑時間調(diào)用鍵盤掃描子程序響應鍵盤輸入的要求，在執(zhí)行鍵功能程序時CPU不再響應鍵輸入要求，直到CPU重新掃描鍵盤。

3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫，鍵盤編程掃描子程序采用全掃描法判斷有無鍵按下，采用逐列置0掃描法確定具體哪個鍵按下，計算閉合鍵的鍵號，等鍵釋放后將鍵號存入內(nèi)RAM30H單元。
    鍵號顯示子程序采用查表法將30H單元中閉合鍵鍵號轉(zhuǎn)換為共陰極數(shù)碼管的字段碼并將其送至P3端口顯示。主程序通過反復調(diào)用鍵盤掃描子程序和鍵號顯示子程序?qū)崿F(xiàn)閉合鍵的鍵號實時顯示。該系統(tǒng)設計的主程序流程如圖5所示，系統(tǒng)的鍵盤掃描子程序流程如圖6所示。

4 結(jié)論
    AT89S51單片機開發(fā)板采用ISP技術(shù)，實現(xiàn)了程序代碼的在線寫入和修改，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的編程器完成程序代碼燒寫，免去了反復插拔單片機器件的麻煩，降低了單片機引腳的損壞機率，具有成本低、使用方便、可靠等優(yōu)點。通過設計矩陣鍵盤的鍵號識別與顯示應用系統(tǒng)，證明該開發(fā)板在 Keil C軟件環(huán)境下可實現(xiàn)程序調(diào)試，容易在線寫入程序代碼。