51单片机及常用输出器件筛选装置设计.doc

编号：

毕业设计说明书

题 目： 51单片机及常用输出
器件筛选装置设计
院（系）： 电子工程与自动化学院
专 业： 测控技术与仪器
学生姓名：
学 号：
指导教师：
职 称：

题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 ü 工程技术研究 软件开发

2014年5月 10日

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第3页 共3页
摘 要

51单片机及常用输出器件筛选装置，是为了满足实验室对51系列单片机、LCD、数码管、蜂鸣器等被大量使用的输出器件的回收利用的需求而设计的。
系统主要由器件检测电路、控制电路、虚拟仪器软面板组成。器件检测电路以51系列单片机、LCD、数码管、蜂鸣器为检测对象；51单片机为控制电路的微处理器； LabVIEW为虚拟仪器软件开发工具。虚拟仪器软件与微处理器间采用RS-232串口通信。器件检测电路分为LCD、数码管、蜂鸣器检测电路和单片机检测电路两部分，51单片机在前者中是控制器，在后者中既是控制器又是被测对象。用户操作虚拟仪器软面板，向硬件电路发送测试指令、读取测试数据并显示结果。
经过测试，系统可完成对51系列单片机、LCD、数码管、蜂鸣器基本功能的检测。系统具有一定的实用价值。
关键词：虚拟仪器软面板；器件检测；串口通信；

Abstract

51 single and common output devices selecting device, is designed to meet the needs of the laboratory to recovery 51 series, LCD, LED, buzzer, etc. output devices, which are widely used in design.
System consists of device detection circuit、control circuit、and soft virtual instrument panel. The detected objection of device detection circuit is 51 series, LCD, LED, buzzer. 51 single is the microprocessor of control circuit. Virtual instrument software is developed by LabVIEW. RS-232 serial communication is used between virtual instrument and microprocessors. Device detection circuit is divided into two parts—LCD, LED, buzzer detection circuit and microcontroller detection circuit, and 51 single is the controller in the former, both the controller and the measured objection in the latter. Users operate the soft virtual instrument panel, which will send commands to the hardware circuit, read testing data and display the results.
The experiment result indicates that the system could complete the detection of 51 series microcontroller, LCD, LED, buzzer etc. System has a certain practical value.
Keywords: Virtual Instrument Software Panel; devices detection; serial communication

目 录

引言 1
1 51单片机及常用输出器件筛选装置概述 2
1.1 虚拟仪器及LabVIEW 2
1.2 系统设计要求 2
1.3 方案论证 2
1.4 系统功能 4
2 虚拟仪器软件设计 5
2.1 程序结构 5
2.2 串口配置程序 6
2.3 应用程序 7
2.4 软面板程序 7
3 硬件电路设计 9
3.1 USB-TTL电平转换电路 9
3.2 控制电路 11
3.3 51系列单片机检测电路 12
3.4 数码管检测电路 13
3.5 蜂鸣器检测电路 14
3.6 LCD检测电路 15
4 单片机程序设计 16
4.1 LCD、数码管、蜂鸣器检测电路程序设计 16
4.1.1 蜂鸣器检测子程序 18
4.1.2 LCD检测子程序 19
4.2 单片机检测电路程序设计 20
5 系统测试与功能验证 22
5.1 硬件测试 22
5.2 软件测试 22
5.3 功能验证 23
6 结论 26
谢 辞 27
参考文献： 28
附录一：硬件电路原理图 29
附录二：LABVIEW程序图 30
附录三：单片机程序 32

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第46页 共43页
引言
电子元器件的检测是保证元器件能够正常工作的重要环节，也是一项最基本的工作[1]。电子元器件的检测不仅保证了在电路试制的过程中节省时间，减少差错，也保证了制成的电路能够长期稳定地工作。元器件的种类繁多，工作原理和技术特征各不相同，在实际工作中针对不同的元器件要选择不同的检测方法[1]。
我国在电子元器件的质量检测研究上起步较晚。随着改革开放和国内电子工业的发展，我国从1989年开始贯彻军标，引用和制定了电子元器件的有关军用标准和规范，并通过贯彻标准取得了显著，尤其对运载火箭和导弹的发展起到了重要作用[2]。在电子元器件的检测技术上，国内学者对传统的LCR检测方法进行改造，结合微处理器技术，研制出各种智能型自动测试系统[3]。
国外电子元器件的质量检测技术发展很快。国外正逐渐将高、精、尖技术应用到电子元器件的质量检测中，并逐步取得多方面的成果[3]。例如：国外学者将超声波检测技术应用到电子设备工艺控制与实效分析上；W.Claeysa等人对激光探测元件的热性能进行了研究；Michael Hertl,Diane Weidmann等人采用对IC表面形状分析和热应力测试的方法分析集成电路的承受力；P.M.Knowlson对电子元器件的焊接质量进行了分析[3]。
51系列单片机、LCD、数码管、蜂鸣器等器件在实验室、课程设计、毕业设计中被大量使用，对这些器件进行回收利用，具有重要意义。若设计与器件相关软、硬件去验证，看其能否正常工作，会导致耗时过长且不通用等问题，不够方便快捷。为使实验室方便快捷的检测这些器件，以便回收利用，本文设计51单片机及常用输出器件筛选装置，为实验室对已用器件进行筛选提供一种方便、快捷的工具，具有一定实际意义。
本文研究的51单片机及常用输出器件筛选装置以LabVIEW为虚拟仪器软件开发工具，以51系列单片机、常用显示器和扬声器作为主要筛选对象，设计检测电路，用户只需操作虚拟仪器面板，就可对这些器件的基本功能进行检查。PC与检测电路间采用串口方式通信，使用RS-232总线，用于传输控制命令及数据。LabVIEW开发的仪器面板，拥有良好的人机交互界面，能实时显示测量数据、波形或结果。

1 51单片机及常用输出器件筛选装置概述
根据对课题内容和设计要求的分析，51单片机及常用输出器件筛选装置主要由PC和单片机组成。系统设计分两部分：PC机LabVIEW虚拟仪器软件及人机界面设计；单片机硬件电路设计及软件设计。设计过程中需掌握LabVIEW编程技术及其应用，单片机工作原理及应用。
1.1 虚拟仪器及LabVIEW
计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的快速发展，促使新的测试理论、新的测试方法不断应用于实践 ，使测量仪器有了突破性发展，催生了全新的仪器概念——虚拟仪器[6]。虚拟仪器通过应用程序将计算机和测量模块相结合，完成对被测对象的数据采集、分析、处理、存储和显示，其核心概念是“软件就是仪器”。
LabVIEW是一种虚拟仪器软件开发环境，其采用图形化编程方法，具有软件开发周期短、编程容易等优点。LabVIEW拥有丰富的专用函数库，非常适合编写应用于测试、测量及控制的应用程序，此外，LabVIEW还可通过DLL、CIN节点、Active、.NET、MATLAB脚本节点等技术实现与其他编程语言的混合编程，增强了其功能和灵活性[6]。
通过LabVIEW开发虚拟仪器软件，开发者设计良好的人机界面，既具备传统仪器的功能，又给予用户良好的操作体验。
1.2 系统设计要求
51单片机及常用输出器件筛选装置，以LabVIEW作为虚拟仪器软面板开发工具，利用单片机、触发器、数码管、蜂鸣器、LCD等设计检测电路，实现仪器软面板对检测电路的控制、数据采集及显示功能，达到操作仪器软面板即可对51系列单片机、数码管、蜂鸣器、LCD等器件检测的目的。检测电路能同时检测多个同一类型的器件。
系统研究内容及具体设计要求：了解国内外元器件筛选装置研究现状和发展趋势；掌握51单片机的工作原理、基本功能和软硬件开发技术，能够对其基本功能进行检测；掌握常用显示器件、扬声器工作原理和基本功能，能够对它们的基本功能进行检测；掌握LabVIEW软件设计技术，利用LabVIEW开发上位机检测功能面板；PC与单片机的数据通信。
1.3 方案论证
系统中，LCD、蜂鸣器检测电路实现方案相对单一、简单，而数码管检测电路及单片机检测电路则有多种实现方案，需要综合考虑各方案的技术难度及功能实现程度来做出选择。
LCD检测中，LCD与单片机接线相对固定，若要同时检测多个同型号LCD，设想将LCD的相同管脚连在一起，再接到单片机。通过实验，发现在这种接线方法下，单片机能同时控制多个同型号LCD，方案可以实现LCD检测功能。
蜂鸣器检测中，由于单片机IO口有限，若要同时检测多个蜂鸣器，设想用触发器对P0口分时复用，触发器的输出用作数据总线。经实验，此方法下，电路正常运行，可实现蜂鸣器检测功能。
数码管检测中，经理论分析，有以下两种方案可供考虑。
方案1：主控单片机的P0作为1号74LS374的输入，1号74LS374的输出用作所有数码管的段选信号；P0作为2号74LS374的输入， 2号74LS374的输出经三极管放大，用作共阳数码管的位选信号；共阴数码管的位选信号经拨码开关接到地。开关主要用于调试，它可控制共阴数码管的亮灭，数码管处于被测状态时，开关应保持关闭状态。
方案2：P0口分时复用，作为3个74LS374的输入，由主控单片机控制74LS374的状态。3个74LS374的输出分别作为数据总线、共阳数码管位选信号、共阴数码管位选信号。
经测试发现，方案1中，系统不能实现对数码管的智能控制，且共阴、共阳两类数码管的状态会相互影响。原因是74LS374的输出作为数据总线时，其驱动能力不足。方案二中，单片机对两类数码管分别控制，过程明确，功能正常且不会出现驱动不足的问题。综合来看，方案2更优。
单片机检测中，其多项功能需要检测，其中，单片机通信、IO口检测有多种方案可供选择。
（1）IO口检测
方案1：主控单片机的IO口与被测单片机的IO口连接。当检测单片机的IO口输出时，由主控单片机读回被测单片机IO口输出的数据，再传给PC进行判断并显示；当检测单片机的IO口输入时，由主控单片机IO口输出数据，被测单片机读回数据，再传给PC进行判断并显示。
方案2：用灯指示被测单片机IO口输出；用开关控制IO口的数据读回，再由单片机传给PC显示。
通过比较，发现方案1线路连接复杂，PCB布线难度大，且两被测单片机的IO口电平会相互影响，不能同时检测两片单片机。方案2虽然需手动改变IO口数据输入，但其布线容易，电路简单、易于理解、直观、还能同时测两片单片机。综合考虑，方案2更适合此系统设计。
（2）被测单片机的通信方式
方案1：被测单片机直接与PC通信。
方案2：使用单片机的多机通讯技术，被测单片机与主控单片机通信，再由主控单片机与PC通信。
方案2中，使用单片机多机通讯技术，被测单片机与主控单片机通信前要进行地址确认，通信过程容易出错，且被测单片机与PC通信需经过主控单片机，过程繁琐，不易掌握。方案1满足设计要求，且通信过程更直观，易掌握。故选择方案1。
1.4 系统功能
本系统在PC上以LabVIEW为工具开发虚拟仪器软件，软件为用户提供仪器软面板，使用户实现对系统的控制、观察。硬件功能层主要分两部分：51系列单片机检测电路和数码管、蜂鸣器、LCD检测电路。
51系列单片机检测电路中，单片机既是控制器，也是被测对象，用户操作仪器软面板上单片机检测部分的开关，使PC与单片机通过RS232串口通信。单片机接收PC指令，根据指令执行操作、返回数据，PC读取数据、判断并显示。用户根据硬件电路的设置，经对比或直接观察软面板得知单片机各部分功能的好坏。
数码管、蜂鸣器、LCD检测电路中，51单片机是硬件电路的控制器，它亦通过RS232串口与PC通信。用户操作虚拟仪器软面板，PC向单片机发送检测指令，单片机接收指令并执行相应器件检测程序，使数码管显示字符、蜂鸣器发声、LCD显示字符串，用户通过观察器件的显示或发声，判断器件的基本功能是否正常。系统框图如图1.1。
图1.1 系统框图
2 虚拟仪器软件设计
LabVIEW虚拟仪器软件主要包括仪器驱动程序，应用程序和软面板程序。仪器驱动程序用于初始化虚拟仪器软件，设定仪器参数和工作方式；应用程序用于数据发送、采集和处理，其定义了仪器功能；软面板程序提供用户与虚拟仪器的接口，用户通过操作软面板的开关，实现对仪器的控制，同时，软面板也用于显示测量及处理结果。本系统LabVIEW软件框图如图2.1。相关程序见附录二。
图2.1 LabVIEW软件框图
2.1 程序结构
LabVIEW编程中，结构是系统程序的框架，用好各种结构及处理好他们相互间的关系十分重要。
LabVIEW中程序结构主要包括循环结构、条件结构、顺序结构、事件结构、定时结构、公式节点等。本系统主要使用循环结构、条件结构和顺序结构。
循环结构，包括For循环和While循环，For循环用于指定某段程序循环执行一定的次数，While循环是当程序满足某种条件时继续执行或退出。本系统中，While循环是最大的程序结构，除串口资源配置在循环外，其余程序都在While循环内，当系统运行时，While循环内的程序一直执行，直到系统总开关打开才可停止。
条件结构，指当某种条件满足或不满足时执行某段特定程序，也就是当某个布尔值为真或假时执行某段特定程序，其功能与if…else…语句相当。本系统主要用布尔开关和条件结构相结合，用开关控制某段程序的执行与否，即系统各部分功能的运行或停止。
顺序结构，有平铺式和层叠式，其实质是相同的。顺序结构里的程序是按一定的先后顺序执行的，比如：上位机发出指令，下位机收到指令后向上位机传输数据，上位机再读取数据，这个顺序是不能改变的。
平铺式顺序结构
While循环
条件结构的输入
本系统的程序结构基本构架如图2.2。
程序停止控制开关
条件结构
图2.2 系统程序结构基本构架
2.2 串口配置程序
本系统中PC与单片机通过串口通信传递指令、数据。在LabVIEW中，使用串口通信，必须先在电脑上安装VISA驱动包。LabVIEW的VISA函数库包括串口、GPIB、VXI等总线标准函数，使用时，用户只需调用相应的函数，不必深入研究特定的通信协议，就可对仪器进行控制，有效的缩短了程序开发周期。
串口通信中，仪器驱动程序就是串口资源配置，它直接关系到PC、单片机能否正常通信。串口资源配置内容主要包括VISA资源名称，波特率，数据位数，停止位，校验位等，LabVIEW中直接调用串口资源配置控件对其设置。VISA资源名称输入控件能自动读取串口资源端口号；波特率要和下位机设置为一致，本系统使用最常用的9600bit/s；数据位数为8位；停止位为1；无奇偶校验位。
2.3 应用程序
本系统中，应用程序包括向单片机写数据、采集单片机返回的数据并处理、调用Windows的任意应用程序。
向单片机写数据，主要是利用VISA写入函数。VISA写入函数，是将缓冲区的数据写入VISA资源名称指定的设备或接口，其数据传输可设为同步或异步。这部分程序是PC向单片机发送字符指令，当控制开关打开时，利用VISA写入函数，通过字符串常量控件，将字符写入缓冲区发送出去。
采集数据及处理程序，主要包括数据采集、处理两部分。数据采集，主要是对VISA读取函数的利用。VISA读取函数，是从VISA资源名称指定的设备或接口中读取指定数量的字节，并将数据返回至读取缓冲区中，数据传输可设为同步或异步。本系统中，主要利用VISA读取函数读出指定字节数的字符串或通过属性节点读取缓冲区所有字符串。数据处理的过程多种多样，主要按“提取数据”、“执行操作”的步骤进行。本系统中，“提取数据”的方法主要是截取字符串和字符串转化。LabVIEW中，截取字符串函数是根据偏移量和截取长度，对输入字符串截取，产生新的字符串；也可利用字符串转化函数，对字符串进行转化，存入相应数组。对处理后的字符串或数组，程序中可以进行相关判断，使程序执行相应操作，也可让它们直接显示。
系统检测51系列单片机，需对单片机进行烧写程序检测。鉴于软面板操作及功能需要，程序需具有直接用开关打开progisp.exe单片机程序烧写软件的功能。此项功能的实现主要依靠“执行系统命令函数VI”，其功能是在LabVIEW VI内部执行或启动其他基于windows的应用程序或命令行程序[8]。利用执行系统命令函数VI运行一个可执行程序，需要在执行系统命令函数VI的命令行中输入“cmd /c+可执行程序文件的绝对路径”，当文件路径中有空格字符时，需要用引号将整个路径括起来[5]。
2.4 软面板程序
仪器软面板位于PC机，面板提供良好的人机交互界面，用户操作仪器面板上不同部分的开关，即可对硬件系统上的相应器件进行检测。仪器面板如图2.3。
数码管检测部分，可对一位共阴、一位共阳、四位一体共阴、四位一体共阳四种类型的数码管进行检测，对于一位数码管，有两种检测模式——同时检测和逐个检测，点击开关，就按对应模式检测相应数码管。每个按键按下后，单片机接收指令，控制数码管循环显示“1—F”、“全亮”、“全灭”18种状态。数码管检测面板参考图2.3。
图2.3 仪器面板整体结构
LCD检测部分，面板有12864、1602、5110三种常用液晶屏检测开关。单片机接收相应指令，控制液晶显示字符串。“液晶12864”开关检测ST7920型12864，开关打开，液晶应循环显示“ST7920型液晶模块并行测试程序 汪金达”、“坏点检测”、“显示汉字”、“黄河远上白云间，羌笛何须怨杨柳，一片孤城万仞山，春风不度玉门关。”、“汽车图片”等信息；“液晶1602”开关对应检测1602液晶，可同时测两片1602，液晶应分两行流动显示"PRETTY BOY"、"I LOVE XIAOCHUN"；“液晶5110”开关对应检测nokia5110型液晶，可同时测两片5110，运行时液晶应流动显示“唯有你，是我此生，向往的，所有风景。”字样。LCD检测面板参考图2.3。
蜂鸣器检测部分，有“蜂鸣器检测”、“停止”开关，分别启动、停止蜂鸣器检测。“蜂鸣器检测”开关打开时，单片机接收指令并同时检测8个蜂鸣器，当某个蜂鸣器处于被测状态时，面板上会有指示灯显示是几号蜂鸣器。蜂鸣器检测面板参考图2.3。
51系列单片机检测部分，能同时对两片单片机进行检测，分别单片机的几个功能：ISP检测、IO口检测、串口和定时器T1测试、定时器T0检测、外部中断检测、计数器0检测。
ISP检测，通过开关打开单片机程序烧写软件，对单片机烧入已生成的hex文件，检测单片机的程序烧写功能是否正常。
IO口检测，包括IO口输出和数据读回，“IO口输出”开关打开时，被测单片机控制IO口输出，使与IO口相连的灯闪烁；“IO口数据读回”开关打开时，被测单片机实时读取IO口值（通过硬件电路上的开关进行设置）并传给上位机显示。程序烧写、IO口检测面板参考图2.3。
串口和定时器T1检测，当开关打开时，PC向两个被测单片机分别发送固定字符 ’b’、’c’，再分别由被测单片机传回给PC，通过判断PC发送和接收字符是否相等确定通信状态，即“串口和T1正常”、“串口和T1异常”。
外部中断检测，可同时检测两片单片机。当“外部中断”开关打开时，由主控单片机产生电平变化，作为被测单片机的外部中断事件，若被测单片机产生中断，则向PC发送特定字符，PC读取字符并与特定字符比较，若两种相等，就点亮布尔灯，表示外中断正常；否则，单片机不发字符，灯不亮，表示被测单片机的外部中断损坏。串口和定时器T1、外部中断面板参考图2.3。
定时器T0检测，可分别检测1号和2号单片机，当开关打开时，由相应单片机连续发送数据‘0’、‘1’给PC，PC接收数据并产生波形。通过设计定时周期下拉菜单，可获取不同周期的实时波形，使检测结果更可靠。定时器T0检测面板参考图2.3。
计数器0检测，当开关打开时，由主控单片机向被测单片机发计数脉冲，被测单片机开始计数，完成后将计数值传给上位机显示。计数器0检测面板参考图2.3。
3 硬件电路设计
检测电路硬件主要由USB-TTL电平转换电路、51单片机最小系统、51系列单片机检测电路、数码管检测电路、蜂鸣器检测电路、LCD检测电路六部分组成。各部分电路间关系可参考图1.1。硬件电路完整原理图见附录一。
3.1 USB-TTL电平转换电路
笔记本电脑没有串口，鉴于使用方便的考虑，使用USB转串口连接线。PC与检测电路采用RS-232串口通信方式，只要符合RS-232通信协议的USB转串口线，都符合设计要求。
RS-232是目前被广泛使用的异步串行数字通信电气标准。RS-232有许多用途，比如连接鼠标、打印机，也可以连接工业仪器仪表。RS-232通信分为单工、半双工、全双工三种方式，本次设计中，采用半双工方式。DB-9针连接头是RS-232标准推荐的物理连接器。
DB-9针连接头介绍如下[5]：
数据信号：
TXD（pin3）：串口数据输出(TransmitData)
RXD（pin2）：串口数据输入(ReceiveData)
握手信号：
RTS（pin7）：发送数据请求(RequesttoSend)
CTS（pin8）：清除发送(CleartoSend)
DSR（pin6）：数据发送就绪(DataSendReady)
DCD（pin1）：数据载波检测(DataCarrierDetect)
DTR（pin4）：数据终端就绪(DataTerminalReady)
地线：
GND（pin5）：地线（GND）
事实上，两设备进行双向通信，最少需要三根线即可：TXD,RXD,GND[5]。本设计采用三线通信方式。
由于51单片机串行通信管脚上的电压是TTL标准，即0v-5v，而RS-232信号电压一般是-12v-+12v，且两者的逻辑1和逻辑0定义也完全不同，两者直接相连会烧坏芯片，故中间必须加入一个电平和逻辑转换环节[5]。
MAX232是一种RS-232接口信号到TTL信号电平相互转换的芯片，芯片电路由三个部分构成。第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成，功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道，其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道，8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是芯片供电。15脚接GND、16脚接VCC。VCC和GND之间还需接一个滤波电容。电路中5个电容的容值都是1uf。
利用MAX232组成的电平转换电路，可以实现PC机和51单片机的正常通信。电平转换电路如图3.1。图中9、10脚与51单片机的RXD、TXD相连，两管脚还接有两指示灯，用来指示通信正常与否。
图3.1 USB-TTL电平转换电路
3.2 控制电路
该模块主要包括AT89S52芯片、时钟电路、复位电路、ISP（程序下载）电路、IO口驱动电路。控制电路原理图如图3.2。
AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含有8K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS—51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。AT89S52单片机可灵活应用于各种控制领域。
图3.2 51单片机最小系统
复位就是在满足单片机最小系统其他工作条件下，让RST管脚保持高电平（通常0.7VCC以上电压）维持至少两个机器时钟，以引导单片机复位，之后RST管脚恢复为低电平。
单片机复位的措施主要有以下三种方式。
第一，上电复位，加电后给RST一个高电平脉冲。简单的措施是阻容串联，电容接电源、电阻接地、中间节点接RST。加电瞬间，电容两侧的电压差为0，两侧均为高，RST脚为高，随后电容C通过电阻R放电使RST节点到0；
第二，复位芯片，电源监控芯片（能完成上电复位、电源异常的复位）；
第三，按键复位，用按键短接RST和电源。
本设计采用比较常见且效果明显的上电复位和按键复位方式，电路原理图如图3.2。
晶振全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振所提供的时钟频率越高，单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率基础上的。单片机晶振为系统提供稳定的的时钟信号。一个系统只有一个晶振，便于系统各部分运行的同步[6]。本电路使用11.0592M的晶振，更准确，保证单片机和PC进行正常的串口通信。原理图如图3.2。
AT89S51系列单片机支持ISP（In System Programming）在线编程，使用专用的烧写器，只需连接P1.5、P1.6、P1.7、RST几根线即可烧写程序，程序烧写接口如图3.2。
AT89S51系列单片机的P0口较其他口驱动能力较弱，需对P0口加上拉电阻，增强驱动能力，如图3.5。P1、P2、P3口直接由插针引出，便于其他模块使用。
3.3 51系列单片机检测电路
本系统设计的51系列单片机检测电路，主要针对AT89S51、AT89S52、STC89C51、STC89C52等几种类型单片机。单片机的基本功能，主要包括ISP、串口、定时计数器、IO口、外部中断。51单片机检测电路原理图见附录一。
51系列单片机检测电路可同时检测两片单片机，电路中的单片机底座，便于51单片机的插拔。单片机的检测是利用RS-232串口和上位机通信实现的，将电路中的TXD、RXD分别与USB-TTL电平转换电路的TXD、RXD相连即可。检测电路中的复位电路、时钟电路、P0口驱动电路与控制电路中完全相同。下面着重介绍程序烧写电路、IO口检测电路、外部中断检测电路，计数器0、串口和定时器T1、定时器T0的检测方法。
对于AT89S51、AT89S52单片机，检测电路的程序烧写实质上和控制电路的程序烧写一样，不同的是这里利用四个拨码开关，通过拨动开关控制对哪个单片机烧写程序，进而判断单片机这项功能的好坏。电路原理图如图3.3。对于STC89C51、STC89C52单片机，由于STC单片机具有串口ISP功能，故可直接使用串口，将程序下载进单片机。
IO口检测，既要测试IO口的输出，也要测试IO口的输入。IO口的输出，利用LED灯进行指示；IO口的数据读取，利用拨码开关改变其读取值。电路工作时，开关的默认状态是断开的，通过控制IO口输出高低电平，来控制灯的“亮”、“灭”状态，从而判断IO口输出正常与否；读取IO口值时，若开关断开，读回的是‘1’，若开关闭合，读回的是‘0’，对比开关状态和PC显示的IO口值，判断IO口输入正常与否。电路原理图如图3.4。
外部中断和计数器0检测中，控制电路的P3.2、P3.3端口与两被测单片机的P3.2、P3.3相连，由程序控制控制电路中51单片机的P3.2、P3.3产生电平跳变，作为被测单片机的外部中断；同时，控制电路的P3.6与被测单片机的P3.4相连，程序控制P3.6产生连续脉冲，作为被测单片机计数器0的计数输入，再由被测单片机传给PC显示。
在串口通信中，T1用于设置通信的波特率，串口和T1同时使用，检测时，对两者同时检测，使被测单片机接收、发送字符，通过测试通信正常与否，判断串口和T1的状态。
定时器T0检测中，被测单片机接收PC指令，使T0产生50ms定时，再通过软件产生周期分别为1s、2s、4s的方波，通过串口按定时周期将‘0’、‘1’发给PC,并显示相应波形。
图3.3 ISP接口电路 图3.4 IO口电路
3.4 数码管检测电路
检测数码管，需让单片机控制数码管，使其显示指定字符，观察其显示是否正常即可。
根据数码管的驱动方式的不同，有静态显示和动态显示两种方式。
静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用译码器译码进行驱动。静态驱动编程简单，显示亮度高，但占用I/O端口多。
动态显示是将所有数码管段选线连在一起，再为每个数码管的公共极增加位选控制电路，位选由各自独立的I/O线控制。当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通端电路的控制，只要将需要显示的数码管的位选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的位选通端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。本设计就采用动态显示方式。
本系统中，设置了检测一位共阳、一位共阴、两位一体共阳、两位一体共阴、四位一体共阳、四位一体共阴六种类型的数码管，其中，一位数码管（共阳极或共阴极）可同时检测三个，其余四种类型各一个。数码管检测电路中，用3个D触发器（74LS374），对51单片机最小系统的P0口分时复用，1号触发器用于锁存数码管段选码，所有数码管的段选码都相应的连接在一起，触发器输出用作数据总线，2号触发器用于锁存共阴数码管的位选码，3号触发器用于锁存共阳数码管的位选码。3个触发器的触发信号（LE端）分别由P1.0、P1.1、P1.2控制，三态允许控制（OE端）一直接低电平。当LE有效时，数据从P0口经触发器输出，当LE为低电平时，输出保持不变。
74LS374的输出端Q0~Q7 可直接与总线相连。当三态允许控制端OE 为低电平时，Q0~Q7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE 为高电平时，Q0~Q7 呈高阻态，既不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当时钟端在脉冲上升沿的作用下，输出随数据输入而变。真值表如表3-1。
表3-1 74LS374真值表
Dn
LE
OE
Qn
H
上升沿
L
H
L
上升沿
L
L
X
L
L
Q0
X
X
H
Z
对于共阳数码管，为增强电路的驱动能力，每个数码管的位选端还要用PNP型三极管（电路中用8550）增加驱动电流。电路原理图如图3.5。电路中PNP用做电流放大：当3号74LS374输出低电平时，PNP管的Vc<Vb<Ve，集电结反偏，发射结正偏，管子的发射极电流流入管子，基极电流和集电极电流流出管子，且集电极电流跟基极电流之间成β关系，，从而起到放大电流、驱动数码管的作用；当3号74LS374输出高电平时，Ve<=Vb，三极管截止，基极电流很小，导致集电极电流不能点亮数码管，达到数码管灭的目的。
图3.5 共阳数码管驱动电路
3.5 蜂鸣器检测电路
蜂鸣器检测电路中，使用一个74LS374型D触发器（见上节介绍），其触发信号（LE端）由51单片机最小系统的P1.3口控制，P0口是其数据输入，触发器的数据输出端接8个蜂鸣器，单片机控制触发器的触发信号和输入数据，使8个蜂鸣器依次发声，进而检测8个蜂鸣器的好坏。
连接电路时，若蜂鸣器一端与触发器输出端相连，另一端连接+5v电源，会出现电流过小，蜂鸣器响声小甚至不响的问题。故驱动蜂鸣器时，需加三极管对电流进行放大，以使蜂鸣器获得响亮的声音。电路原理图如图3.6。当74LS374输出低电平时，蜂鸣器发声，否则，不发声，三极管驱动蜂鸣器原理与三极管驱动共阳数码管原理相似，可参考上一节。
图3.6 蜂鸣器驱动电路
3.6 LCD检测电路
实验室常用液晶有LCD1602、LCD5110、LCD12864，电路设计目标是可以对这三种液晶进行基本功能的检测——显示是否正常。电路能对多片同一类型的液晶同时检测，如：可同时测两片1602，两片5110。
各类型液晶详细资料可查阅相关数据手册。LCD硬件检测电路设计如下：
LCD1602和LCD12864有8位并行数据线，51单片机的P0口作为液晶的数据总线。LCD1602的D0- D7接到数据总线，控制线RS、RW、EN分别接到单片机的P2.5、P2.6、P2.7，两片1602共用三条控制线，以使单片机同时控制两片1602；电源与10K滑动变阻器相连后接到背光调节引脚，用于调节液晶背光。LCD12864在此采用并行工作模式，其DB0-DB7亦接到数据总线，控制线RS、R/W、E、PSB、RST、分别接到P2.0—P2.4，其背光调节引脚的接线与1602相同。LCD5110的RST、CE、DC