學做一體單片機實驗系統(tǒng)的設計淺析論文
引言
由于單片機具有體積小、功能強、功耗低、易擴展等特點，所以被廣泛應用于生產(chǎn)生活的各個領域。單片機技術發(fā)展日新月異，很多大中專院校電子信息類專業(yè)普遍開設了單片機相關課程。單片機是一門實踐性很強的課程，只有在了解單片機硬件結構的基礎上才能真正理解其工作原理，編寫出相應程序，讓單片機靈動起來。在老師的指導下由學生自行設計制作一塊單片機實驗板，通過畫圖、制板、選元件、焊接、編程、調(diào)試、寫入芯片等工作，可以全面了解單片機的開發(fā)過程，進而掌握單片機技術。經(jīng)過幾年的教學實踐，證明“學、做”一體是學習單片機的有效途徑。
1 實驗系統(tǒng)的總體設計
雖然單片機的種類繁多，但是學習單片機技術一般還是從MCS-51 單片機入手，考慮到學生的經(jīng)濟承受能力，設計的單片機實驗系統(tǒng)應滿足價格低廉、元件易買、易學易用、可靈活搭配且具有ISP 在系統(tǒng)編程功能，故選用了ATMEL 公司的AT89S52 作為實驗板的MCU。利用單片機的在系統(tǒng)可編程(ISP)功能，在軟件仿真正確的前提下，直接對目標單片機進行在系統(tǒng)編程。一來可以省去編程器、仿真器，降低實驗成本;二來可以避免因頻繁拔插單片機芯片而造成的損壞;三來還可以提高實驗效率，把程序下載到目標板芯片，實時運行立馬觀察到運行效果，直觀、快捷、高效。設計的實驗系統(tǒng)首先可以滿足單片機基本實驗的要求，比如：流水燈實驗、數(shù)碼管實驗、液晶顯示實驗、中斷實驗、蜂鳴器奏樂、串行通信實驗等。同時還為今后在此實驗平臺上進一步開發(fā)新的綜合性實驗項目提供技術支持。所以設計的實驗系統(tǒng)應具有良好的擴展性和兼容性，采用模塊化設計，把不同功能的電路單獨組成一個模塊，使用時可根據(jù)需要靈活搭配，組成不同的實驗系統(tǒng)，完成相關的實驗項目。
1.1 實驗系統(tǒng)的功能模塊
單片機實驗系統(tǒng)由電源模塊(包括5V 電源和USB 接口供電)、單片機最小系統(tǒng)模塊、8 位LED 燈模塊、8 位數(shù)碼管顯示模塊、ISP 下載模塊(包括ISP 下載線接口和USB-ISP 下載)、I/O 口擴展模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤模塊(包括矩陣鍵盤和獨立按鍵)、RS232 串行通信模塊、繼電器模塊、蜂鳴器模塊、步進電機模塊、紅外接收模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、DS18B20 溫度傳感器模塊、DS1302 時鐘模塊和I2C 模塊等組成。實驗系統(tǒng)的功能框圖如圖1 所示，具體制作時可根據(jù)實際需要靈活增減。
1.2 實驗系統(tǒng)的功能特點
(1)5V 電源除了可從USB 接口直接取電之外， 還另增加了一個電源接口，可由其它外接電源供電，方便使用并滿足功能模塊擴展之后的用電需求。
(2)ISP 下載電路設計了USB-ISP 下載電路和一個ISP 下載線接口， 可以直接利用板載USB-ISP 進行下載， 也可以利用自制的其它ISP 下載線下載。
(3)單片機芯片安裝在DIP-40 緊鎖座上，方便插拔，可把實驗系統(tǒng)當編程器使用，為其它單片機芯片提供程序下載服務。
(4)把單片機的引腳用擴展槽全部引出，除了可進行I/O 口擴展，方便外接其它實驗模塊進行相關實驗， 增強了實驗系統(tǒng)的功能之外，當把單片機芯片更換為SST89E564RD 之后，配合PC 機上的Keil C51μVision3 集成開發(fā)環(huán)境，又可把實驗系統(tǒng)當成仿真器使用，對其它目標板進行仿真。
(5)實驗系統(tǒng)上的`RS-232 串口通信接口可實現(xiàn)單片機之間或單片機與PC 機之間的通信。
(6) 實驗系統(tǒng)上設置了1602 和12864 兩種LCD 液晶顯示器接口，既可做字符和漢字顯示實驗，又方便拆卸供其他地方使用。
2 實驗系統(tǒng)的硬件設計
首先根據(jù)實驗系統(tǒng)的功能框圖，利用Altium Designer 軟件畫出整個實驗系統(tǒng)的電路原理圖，并畫出PCB 板圖，也可以按不同的實驗模塊單獨畫電路原理圖和PCB 板圖。這部分工作可以鍛煉和提高學生的電路圖繪制能力和布線能力。
2.1 實驗系統(tǒng)總體設計原理圖
實驗系統(tǒng)總體設計原理。
2.2 實驗系統(tǒng)主要電路模塊的設計
2.2.1 單片機模塊
單片機模塊是實驗系統(tǒng)的核心部分， 單片機芯片采用DIP-40 緊鎖座安裝，便于插拔。同時利用擴展槽把40 個引腳全部引出，進行I/O口擴展，便于外接其它功能模塊，進行二次開發(fā)。。
2.2.2 串行通信電路
AT89S52 單片機有一個全雙工的串行通信口， 所以單片機與PC機之間可以很方便地進行串行通信，但由于兩者的電平不同，所以要有一個電平轉(zhuǎn)換電路。這里用MAX232 進行電平轉(zhuǎn)換，采用三線制連接串口，也就是和PC 機的9 針串口只連接其中的3 根線，實驗板上采用DB9 母口插座。
2.2.3 4×4 矩陣鍵盤電路
矩陣鍵盤又叫行列式鍵盤，就是利用I/O 口線組成行、列結構，按鍵設置在行列的交匯點上。本實驗系統(tǒng)采用4×4 矩陣鍵盤形式，其中P2 口的P2.0- P2.3 作為行線，P2.4-P2.7 為列線。
2.2.4 基于SPI 總線的時鐘電路
DS1302 采用簡單的三線SPI 與CPU 進行同步通信， 只需要單片機的三個I/O 口線即可。本實驗系統(tǒng)選用P1.3 作同步串行時鐘信號端，P1.6 作數(shù)據(jù)輸入輸出端，P1.5 作復位端。晶振選用典型值32.768KHz，沒有備用電源。
2.2.5 LED 燈和數(shù)碼管顯示電路
顯示模塊有LED 燈顯示模塊和數(shù)碼管顯示模塊兩種。LED 燈顯示模塊由8 個發(fā)光二極管組成，通過上拉電阻連接在P0 口。數(shù)碼管是單片機控制系統(tǒng)中最常見的顯示器件之一，一般用來顯示處理結果或輸入輸出信號的狀態(tài)。本實驗系統(tǒng)采用2 個四位一體的共陽極數(shù)碼管，采用動態(tài)顯示方式，并通過2 個74LS373 進行控制。其中U2 控制段，U3 控制位。
2.2.6 ISP 下載電路
為了充分利用AT89S52 的ISP 在系統(tǒng)可編程功能，本實驗系統(tǒng)設計了一個USB 接口的ISP 下載電路， 只需要一條USB 數(shù)據(jù)線配合微機上的ISP 編程器軟件就可使用，能夠很方便地把編寫好的程序燒寫進單片機芯片中，然后運行觀察實際效果，從而避免了頻繁拔插芯片帶來的諸多不便。同時在電路板上還另外加裝了一個10 針I(yè)SP 下載器接口JP2，方便學生自己制作其它ISP 下載器時使用。
2.2.7 A/D 轉(zhuǎn)換和D/A 轉(zhuǎn)換電路
A/D 轉(zhuǎn)換電路選用美國國家半導體公司生產(chǎn)的串行通信8 位分辨率、雙通道A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0832。D/A 轉(zhuǎn)換電路選用美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的帶串行控制的四路8 位CMOS 電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5620，以滿足實驗需求。
2.2.8 I2C 模塊電路
實驗系統(tǒng)的E2PROM 存儲器模塊采用ATMEL 公司生產(chǎn)的AT24C02，它是一個2Kbit 的串行E2PROM，具有工作電壓寬、擦寫次數(shù)多、寫入速度快、數(shù)據(jù)保存時間長等特點。
2.2.9 其它模塊電路
實驗系統(tǒng)可由USB 接口直接供電，也可以由其它+5V 電源供電。為了滿足需要，實驗系統(tǒng)還配備了蜂鳴器、繼電器、步進電機、紅外接收、DS18B20 溫度傳感器、1602 和12864 液晶顯示等電路。除此之外，還可根據(jù)需要設計其它實驗模塊，搭載在實驗系統(tǒng)上進行相關實驗。
3 實驗系統(tǒng)的安裝調(diào)試
3.1 實驗系統(tǒng)的裝配焊接
單片機實驗系統(tǒng)的硬件設計完成之后， 可由老師聯(lián)系廠家制作PCB 板，并購買元器件進行安裝。首先安裝電源、單片機最小系統(tǒng)和擴展模塊，然后再根據(jù)單片機學習任務和實驗項目的需求，逐個安裝其它實驗模塊。在實驗板的安裝過程中不但可以鞏固和提高學生的焊接水平，還能夠加深對硬件電路的理解。
3.2 USB-ISP 下載線的制作
現(xiàn)在的筆記本電腦已經(jīng)不帶并口和RS232 串口了，就連臺式電腦也逐漸舍去了并口和串口�，F(xiàn)在的年青人喜歡用筆記本電腦進行單片機的學習，因此設計一款USB-ISP 下載線就顯得很有必要。按照圖8 所示的USB-ISP 下載電路原理圖，安裝好器件后要先給AVR單片機芯片ATMEGA8L 燒錄固件。注意在進行固件燒錄時，不能直接在單片機實驗板上用USB 接口進行， 而是要借用其它的并口ISP下載器進行燒錄。固件燒錄好之后再把芯片裝在實驗板上就可以使用了。
4 結束語
本文設計的單片機實驗系統(tǒng)采用模塊化設計，體積小、擴展方便。具有ISP 下載、編程器、仿真器、開發(fā)板等功能，價格低廉、使用靈活。既可以完成單片機的實驗教學任務，又可以滿足課程設計、畢業(yè)設計和項目開發(fā)等需求。實踐證明，本單片機實驗系統(tǒng)能夠滿足教學需要，提高教學效果，受到師生的一致好評。
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