學(xué)做一體單片機實(shí)驗系統的設計淺析論文
引言
由于單片機具有體積小、功能強、功耗低、易擴展等特點(diǎn)，所以被廣泛應用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。單片機技術(shù)發(fā)展日新月異，很多大中專(zhuān)院校電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設了單片機相關(guān)課程。單片機是一門(mén)實(shí)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(xiě)出相應程序，讓單片機靈動(dòng)起來(lái)。在老師的指導下由學(xué)生自行設計制作一塊單片機實(shí)驗板，通過(guò)畫(huà)圖、制板、選元件、焊接、編程、調試、寫(xiě)入芯片等工作，可以全面了解單片機的開(kāi)發(fā)過(guò)程，進(jìn)而掌握單片機技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，證明“學(xué)、做”一體是學(xué)習單片機的有效途徑。
1 實(shí)驗系統的總體設計
雖然單片機的種類(lèi)繁多，但是學(xué)習單片機技術(shù)一般還是從MCS-51 單片機入手，考慮到學(xué)生的經(jīng)濟承受能力，設計的單片機實(shí)驗系統應滿(mǎn)足價(jià)格低廉、元件易買(mǎi)、易學(xué)易用、可靈活搭配且具有ISP 在系統編程功能，故選用了ATMEL 公司的AT89S52 作為實(shí)驗板的MCU。利用單片機的在系統可編程(ISP)功能，在軟件仿真正確的前提下，直接對目標單片機進(jìn)行在系統編程。一來(lái)可以省去編程器、仿真器，降低實(shí)驗成本;二來(lái)可以避免因頻繁拔插單片機芯片而造成的損壞;三來(lái)還可以提高實(shí)驗效率，把程序下載到目標板芯片，實(shí)時(shí)運行立馬觀(guān)察到運行效果，直觀(guān)、快捷、高效。設計的實(shí)驗系統首先可以滿(mǎn)足單片機基本實(shí)驗的要求，比如：流水燈實(shí)驗、數碼管實(shí)驗、液晶顯示實(shí)驗、中斷實(shí)驗、蜂鳴器奏樂(lè )、串行通信實(shí)驗等。同時(shí)還為今后在此實(shí)驗平臺上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的綜合性實(shí)驗項目提供技術(shù)支持。所以設計的實(shí)驗系統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(gè)模塊，使用時(shí)可根據需要靈活搭配，組成不同的實(shí)驗系統，完成相關(guān)的實(shí)驗項目。
1.1 實(shí)驗系統的功能模塊
單片機實(shí)驗系統由電源模塊(包括5V 電源和USB 接口供電)、單片機最小系統模塊、8 位LED 燈模塊、8 位數碼管顯示模塊、ISP 下載模塊(包括ISP 下載線(xiàn)接口和USB-ISP 下載)、I/O 口擴展模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤(pán)模塊(包括矩陣鍵盤(pán)和獨立按鍵)、RS232 串行通信模塊、繼電器模塊、蜂鳴器模塊、步進(jìn)電機模塊、紅外接收模塊、A/D轉換模塊、D/A 轉換模塊、DS18B20 溫度傳感器模塊、DS1302 時(shí)鐘模塊和I2C 模塊等組成。實(shí)驗系統的功能框圖如圖1 所示，具體制作時(shí)可根據實(shí)際需要靈活增減。
1.2 實(shí)驗系統的功能特點(diǎn)
(1)5V 電源除了可從USB 接口直接取電之外， 還另增加了一個(gè)電源接口，可由其它外接電源供電，方便使用并滿(mǎn)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(gè)ISP 下載線(xiàn)接口， 可以直接利用板載USB-ISP 進(jìn)行下載， 也可以利用自制的其它ISP 下載線(xiàn)下載。
(3)單片機芯片安裝在DIP-40 緊鎖座上，方便插拔，可把實(shí)驗系統當編程器使用，為其它單片機芯片提供程序下載服務(wù)。
(4)把單片機的引腳用擴展槽全部引出，除了可進(jìn)行I/O 口擴展，方便外接其它實(shí)驗模塊進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗， 增強了實(shí)驗系統的功能之外，當把單片機芯片更換為SST89E564RD 之后，配合PC 機上的Keil C51μVision3 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，又可把實(shí)驗系統當成仿真器使用，對其它目標板進(jìn)行仿真。
(5)實(shí)驗系統上的`RS-232 串口通信接口可實(shí)現單片機之間或單片機與PC 機之間的通信。
(6) 實(shí)驗系統上設置了1602 和12864 兩種LCD 液晶顯示器接口，既可做字符和漢字顯示實(shí)驗，又方便拆卸供其他地方使用。
2 實(shí)驗系統的硬件設計
首先根據實(shí)驗系統的功能框圖，利用Altium Designer 軟件畫(huà)出整個(gè)實(shí)驗系統的電路原理圖，并畫(huà)出PCB 板圖，也可以按不同的實(shí)驗模塊單獨畫(huà)電路原理圖和PCB 板圖。這部分工作可以鍛煉和提高學(xué)生的電路圖繪制能力和布線(xiàn)能力。
2.1 實(shí)驗系統總體設計原理圖
實(shí)驗系統總體設計原理。
2.2 實(shí)驗系統主要電路模塊的設計
2.2.1 單片機模塊
單片機模塊是實(shí)驗系統的核心部分， 單片機芯片采用DIP-40 緊鎖座安裝，便于插拔。同時(shí)利用擴展槽把40 個(gè)引腳全部引出，進(jìn)行I/O口擴展，便于外接其它功能模塊，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。。
2.2.2 串行通信電路
AT89S52 單片機有一個(gè)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(jìn)行串行通信，但由于兩者的電平不同，所以要有一個(gè)電平轉換電路。這里用MAX232 進(jìn)行電平轉換，采用三線(xiàn)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(xiàn)，實(shí)驗板上采用DB9 母口插座。
2.2.3 4×4 矩陣鍵盤(pán)電路
矩陣鍵盤(pán)又叫行列式鍵盤(pán)，就是利用I/O 口線(xiàn)組成行、列結構，按鍵設置在行列的交匯點(diǎn)上。本實(shí)驗系統采用4×4 矩陣鍵盤(pán)形式，其中P2 口的P2.0- P2.3 作為行線(xiàn)，P2.4-P2.7 為列線(xiàn)。
2.2.4 基于SPI 總線(xiàn)的時(shí)鐘電路
DS1302 采用簡(jiǎn)單的三線(xiàn)SPI 與CPU 進(jìn)行同步通信， 只需要單片機的三個(gè)I/O 口線(xiàn)即可。本實(shí)驗系統選用P1.3 作同步串行時(shí)鐘信號端，P1.6 作數據輸入輸出端，P1.5 作復位端。晶振選用典型值32.768KHz，沒(méi)有備用電源。
2.2.5 LED 燈和數碼管顯示電路
顯示模塊有LED 燈顯示模塊和數碼管顯示模塊兩種。LED 燈顯示模塊由8 個(gè)發(fā)光二極管組成，通過(guò)上拉電阻連接在P0 口。數碼管是單片機控制系統中最常見(jiàn)的顯示器件之一，一般用來(lái)顯示處理結果或輸入輸出信號的狀態(tài)。本實(shí)驗系統采用2 個(gè)四位一體的共陽(yáng)極數碼管，采用動(dòng)態(tài)顯示方式，并通過(guò)2 個(gè)74LS373 進(jìn)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 在系統可編程功能，本實(shí)驗系統設計了一個(gè)USB 接口的ISP 下載電路， 只需要一條USB 數據線(xiàn)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(xiě)好的程序燒寫(xiě)進(jìn)單片機芯片中，然后運行觀(guān)察實(shí)際效果，從而避免了頻繁拔插芯片帶來(lái)的諸多不便。同時(shí)在電路板上還另外加裝了一個(gè)10 針I(yè)SP 下載器接口JP2，方便學(xué)生自己制作其它ISP 下載器時(shí)使用。
2.2.7 A/D 轉換和D/A 轉換電路
A/D 轉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 轉換芯片ADC0832。D/A 轉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 電壓輸出的數模轉換芯片TLC5620，以滿(mǎn)足實(shí)驗需求。
2.2.8 I2C 模塊電路
實(shí)驗系統的E2PROM 存儲器模塊采用ATMEL 公司生產(chǎn)的AT24C02，它是一個(gè)2Kbit 的串行E2PROM，具有工作電壓寬、擦寫(xiě)次數多、寫(xiě)入速度快、數據保存時(shí)間長(cháng)等特點(diǎn)。
2.2.9 其它模塊電路
實(shí)驗系統可由USB 接口直接供電，也可以由其它+5V 電源供電。為了滿(mǎn)足需要，實(shí)驗系統還配備了蜂鳴器、繼電器、步進(jìn)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，還可根據需要設計其它實(shí)驗模塊，搭載在實(shí)驗系統上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗。
3 實(shí)驗系統的安裝調試
3.1 實(shí)驗系統的裝配焊接
單片機實(shí)驗系統的硬件設計完成之后， 可由老師聯(lián)系廠(chǎng)家制作PCB 板，并購買(mǎi)元器件進(jìn)行安裝。首先安裝電源、單片機最小系統和擴展模塊，然后再根據單片機學(xué)習任務(wù)和實(shí)驗項目的需求，逐個(gè)安裝其它實(shí)驗模塊。在實(shí)驗板的安裝過(guò)程中不但可以鞏固和提高學(xué)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(xiàn)的制作
現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在的年青人喜歡用筆記本電腦進(jìn)行單片機的學(xué)習，因此設計一款USB-ISP 下載線(xiàn)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(jìn)行固件燒錄時(shí)，不能直接在單片機實(shí)驗板上用USB 接口進(jìn)行， 而是要借用其它的并口ISP下載器進(jìn)行燒錄。固件燒錄好之后再把芯片裝在實(shí)驗板上就可以使用了。
4 結束語(yǔ)
本文設計的單片機實(shí)驗系統采用模塊化設計，體積小、擴展方便。具有ISP 下載、編程器、仿真器、開(kāi)發(fā)板等功能，價(jià)格低廉、使用靈活。既可以完成單片機的實(shí)驗教學(xué)任務(wù)，又可以滿(mǎn)足課程設計、畢業(yè)設計和項目開(kāi)發(fā)等需求。實(shí)踐證明，本單片機實(shí)驗系統能夠滿(mǎn)足教學(xué)需要，提高教學(xué)效果，受到師生的一致好評。
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