學(xué)做一體單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)淺析論文
引言
由于單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、功耗低、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)技術(shù)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(shè)了單片機(jī)相關(guān)課程。單片機(jī)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，只有在了解單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上才能真正理解其工作原理，編寫出相應(yīng)程序，讓單片機(jī)靈動(dòng)起來。在老師的指導(dǎo)下由學(xué)生自行設(shè)計(jì)制作一塊單片機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)的開發(fā)過程，進(jìn)而掌握單片機(jī)技術(shù)。經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，證明“學(xué)、做”一體是學(xué)習(xí)單片機(jī)的有效途徑。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
雖然單片機(jī)的種類繁多，但是學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)一般還是從MCS-51 單片機(jī)入手，考慮到學(xué)生的經(jīng)濟(jì)承受能力，設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)滿足價(jià)格低廉、元件易買、易學(xué)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(shí)驗(yàn)板的MCU。利用單片機(jī)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(biāo)單片機(jī)進(jìn)行在系統(tǒng)編程。一來可以省去編程器、仿真器，降低實(shí)驗(yàn)成本;二來可以避免因頻繁拔插單片機(jī)芯片而造成的損壞;三來還可以提高實(shí)驗(yàn)效率，把程序下載到目標(biāo)板芯片，實(shí)時(shí)運(yùn)行立馬觀察到運(yùn)行效果，直觀、快捷、高效。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先可以滿足單片機(jī)基本實(shí)驗(yàn)的要求，比如：流水燈實(shí)驗(yàn)、數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)、液晶顯示實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)、蜂鳴器奏樂、串行通信實(shí)驗(yàn)等。同時(shí)還為今后在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)一步開發(fā)新的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供技術(shù)支持。所以設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具有良好的擴(kuò)展性和兼容性，采用模塊化設(shè)計(jì)，把不同功能的電路單獨(dú)組成一個(gè)模塊，使用時(shí)可根據(jù)需要靈活搭配，組成不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能模塊
單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電源模塊(包括5V 電源和USB 接口供電)、單片機(jī)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(kuò)展模塊、LCD液晶顯示模塊、鍵盤模塊(包括矩陣鍵盤和獨(dú)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(jī)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(shí)鐘模塊和I2C 模塊等組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能框圖如圖1 所示，具體制作時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要靈活增減。
1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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，方便使用并滿足功能模塊擴(kuò)展之后的用電需求。
(2)ISP 下載電路設(shè)計(jì)了USB-ISP 下載電路和一個(gè)ISP 下載線接口， 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 下載線下載。
(3)單片機(jī)芯片安裝在DIP-40 緊鎖座上，方便插拔，可把實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)編程器使用，為其它單片機(jī)芯片提供程序下載服務(wù)。
(4)把單片機(jī)的引腳用擴(kuò)展槽全部引出，除了可進(jìn)行I/O 口擴(kuò)展，方便外接其它實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)， 增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能之外，當(dāng)把單片機(jī)芯片更換為SST89E564RD 之后，配合PC 機(jī)上的Keil C51μVision3 集成開發(fā)環(huán)境，又可把實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)成仿真器使用，對其它目標(biāo)板進(jìn)行仿真。
(5)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的`RS-232 串口通信接口可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與PC 機(jī)之間的通信。
(6) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上設(shè)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(yàn)，又方便拆卸供其他地方使用。
2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能框圖，利用Altium Designer 軟件畫出整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電路原理圖，并畫出PCB 板圖，也可以按不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K單獨(dú)畫電路原理圖和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能力。
2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理。
2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要電路模塊的設(shè)計(jì)
2.2.1 單片機(jī)模塊
單片機(jī)模塊是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分， 單片機(jī)芯片采用DIP-40 緊鎖座安裝，便于插拔。同時(shí)利用擴(kuò)展槽把40 個(gè)引腳全部引出，進(jìn)行I/O口擴(kuò)展，便于外接其它功能模塊，進(jìn)行二次開發(fā)。。
2.2.2 串行通信電路
AT89S52 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通信口， 所以單片機(jī)與PC機(jī)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(zhuǎn)換電路。這里用MAX232 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用三線制連接串口，也就是和PC 機(jī)的9 針串口只連接其中的3 根線，實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交匯點(diǎn)上。本實(shí)驗(yàn)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(shí)鐘電路
DS1302 采用簡單的三線SPI 與CPU 進(jìn)行同步通信， 只需要單片機(jī)的三個(gè)I/O 口線即可。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用P1.3 作同步串行時(shí)鐘信號(hào)端，P1.6 作數(shù)據(jù)輸入輸出端，P1.5 作復(fù)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(gè)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(jī)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(jié)果或輸入輸出信號(hào)的狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用2 個(gè)四位一體的共陽極數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)顯示方式，并通過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(tǒng)可編程功能，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)USB 接口的ISP 下載電路， 只需要一條USB 數(shù)據(jù)線配合微機(jī)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(jìn)單片機(jī)芯片中，然后運(yùn)行觀察實(shí)際效果，從而避免了頻繁拔插芯片帶來的諸多不便。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(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(dǎo)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(shí)驗(yàn)需求。
2.2.8 I2C 模塊電路
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的E2PROM 存儲(chǔ)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、擦寫次數(shù)多、寫入速度快、數(shù)據(jù)保存時(shí)間長等特點(diǎn)。
2.2.9 其它模塊電路
實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還配備了蜂鳴器、繼電器、步進(jìn)電機(jī)、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(shè)計(jì)其它實(shí)驗(yàn)?zāi)K，搭載在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝調(diào)試
3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的裝配焊接
單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)完成之后， 可由老師聯(lián)系廠家制作PCB 板，并購買元器件進(jìn)行安裝。首先安裝電源、單片機(jī)最小系統(tǒng)和擴(kuò)展模塊，然后再根據(jù)單片機(jī)學(xué)習(xí)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需求，逐個(gè)安裝其它實(shí)驗(yàn)?zāi)K。在實(shí)驗(yàn)板的安裝過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(tái)式電腦也逐漸舍去了并口和串口。現(xiàn)在的年青人喜歡用筆記本電腦進(jìn)行單片機(jī)的學(xué)習(xí)，因此設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(yàn)板上就可以使用了。
4 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，體積小、擴(kuò)展方便。具有ISP 下載、編程器、仿真器、開發(fā)板等功能，價(jià)格低廉、使用靈活。既可以完成單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，又可以滿足課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和項(xiàng)目開發(fā)等需求。實(shí)踐證明，本單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠滿足教學(xué)需要，提高教學(xué)效果，受到師生的一致好評。
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