基于51單片機的實驗板設(shè)計與制作

51 單片機多功能實驗板的設(shè)計與制作 摘要 ：設(shè)計了 51 單片機實驗板，主要包括單片機最小系統(tǒng)、 LED/LCD 顯示模塊、按鍵模塊、 AD/DA 轉(zhuǎn)換模塊、串行口通信模塊等在單片機系統(tǒng)中的常用模塊。該實驗板可以完成 51 系列單片機的的實驗，可以作為很好的學(xué)習(xí)單片機課程的輔助學(xué)習(xí)工具，也可用于簡單的電子設(shè)計。 關(guān)鍵詞 ：單片機；實驗板；設(shè)計 Abstract Design the 51 SCM experiment board, including single chip minimize system, LED/LCD display module, key module, the AD/DA conversion module, serial communication module in the SCM system of common module. The test plate can complete 51 series SCM experiment, can serve as a good learning SCM course assisted learning tools, can also be used to simple electronic design. Key words: singlechip; brassboard; design 0 引言 51 系列單片機性能優(yōu)越、技術(shù)成熟可靠、性價比高，是國內(nèi)單片機領(lǐng)域的主流之一。為了加深對課程內(nèi)容的進一步認識，鞏固所學(xué)知識，培養(yǎng)動手能力，擴展有提高性的實驗資源，設(shè)計制作了這款支持 51 系列的單片機實驗板。 1 總體設(shè)計 根據(jù)單片機實驗的教學(xué)要求，要完成如流水燈、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器演奏音樂、紅外解碼、矩陣鍵盤、 AD/DA 轉(zhuǎn)換、 DS18B20 溫度設(shè)計等常用單片機實驗。為方便做擴展實驗，單片機芯片的 I/O 口及控制引腳需有引出。 本文設(shè)計制作的 51 單片機實驗板選用了一些集成芯片，如 DS18B20 數(shù)字 溫度傳感器、 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、 ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、 MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片等。該實驗板還包括蜂鳴器、繼電器、 7 段共陽數(shù)碼管（ 8 個）、發(fā)光二極管（ 8 個）、 4*4 矩陣鍵盤、獨立按鍵（ 3 個）、 1602 液晶接口、 ISP 接口、紅外接收頭等。為方便更換單片機芯片，使用了活動 IC 座。實驗板個模塊布局圖如圖 1 所示。 圖 1 實驗板布局圖 2 硬件設(shè)計 2.1 單片機芯片的選擇 隨著電子科技的飛速發(fā)展， AT89S51 芯片已經(jīng)滿足不了人們學(xué)習(xí)和研究開發(fā)的需要，已逐漸被淘汰，本設(shè)計采用現(xiàn)今廣泛使用的 AT89S52 芯片。 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。可擦寫 1000 次，全靜態(tài)操作頻率為 033MHz。 AT89S52 共 40 個引腳，如圖 2 所示。 圖 2 AT89S52 引腳圖 2.2 電源設(shè)計 本實驗板電源輸入方式有兩種： 1） 通過電腦 USB 口供電。電腦 USB 口能直接提供穩(wěn)定的 5V電源，接通后經(jīng) C1、 C2 濾波后可直接供單片機和各功能電路使用。 2） 是通過變壓器 DC 座輸入，輸入電 壓為 5V 的直流電壓，接通后經(jīng) C1、C2 濾波方后可直接供單片機和各功能電路使用。 單片機電源電路如圖 2， K 為電源總開關(guān)。 10uF 圖 3 電源電路圖 2.3 復(fù)位電路設(shè)計 在單片機系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛或死機時，就需要進行復(fù)位。 復(fù)位引腳 RST（ 第 9 管腳） 出現(xiàn) 2 個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。 VCC 圖 4 復(fù)位電路圖 復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電自動復(fù)位和開關(guān)手動復(fù)位。圖 3 中所示的復(fù)位電路就包括了這兩種復(fù)位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時電容的負極和 RESET 相連，電壓全部加在了電阻上， RESET 的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之 +5V 電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于 0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒有被按下的時候電路實現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使 RST 管腳出現(xiàn)高電平達到手動復(fù)位的效果。一般而言，電容 為 10uF，電阻為 10K。 2.4 時鐘電路設(shè)計 由于單片機芯片內(nèi)部含有振蕩器， XTAL1 為芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端， XTAL2為芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端，可以在這兩個引腳上外接一個晶振和兩個電容構(gòu)成定時元件，內(nèi)部的振蕩器就能發(fā)生自激振蕩，如圖 5 中所示。 圖 5 時鐘電路 Y1 為 12MHz 的晶振，以保證定時的準(zhǔn)確。 2.5 蜂鳴器、繼電器設(shè)計 蜂鳴器、繼電器的電路圖如下，采用 8550PNP 型三極管作為驅(qū)動， D0、 D1為續(xù)流二極管，防 止繼電器斷開時，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢而擊穿原件。繼電器引出常開和常閉觸點，配有一個跳線帽，當(dāng)在下載程序等 I/O 端口不穩(wěn)定時，可能會使繼電器不穩(wěn)定的重復(fù)吸合斷開，此時可以拔掉跳線帽，斷開繼電器。 VCC P1.5 圖 6 蜂鳴器、繼電器電路圖 2.6 1602 液晶接口設(shè)計 LCD1602 點陣字符液晶模塊是由點陣字符液晶顯示器件和 專用的行列驅(qū)動器，控制器及必要的連接件，結(jié)構(gòu)件裝配而成，可以顯示數(shù)字和英文字符。 LCD1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，各引腳接口說明為：單片機與 LCD1602通過 P0.0、 P0.1、 P0.2、 P0.3、 P0.4、 P0.5、 P0.6、 P0.7 與 LCD1602 的 D0D7 相連； P1.0、 P1.1、 P1.2 與 LCD1602 的 RS、 RW、 E 相連， P0.0 P0.7 為數(shù)據(jù)線，P1.0、 P1.1、 P1.2 為控制線。 圖 7 1602 接口線路圖 2.7 串行 E2PROM 設(shè)計 本設(shè)計采用的 E2PROM 是 AT24C08 存儲芯片，它是 8 位的串行 CMOS E2PROM，內(nèi)部含有 1024 字節(jié)，支持 IIC 總線傳輸協(xié)議。 AT24C08 的連接電路如圖 8 所示。 SCL 用于串行時鐘的輸入， SDA 用于串行數(shù)據(jù) /地址的傳輸， SCL、SDA 分別與擴展 I/O 口的 74HC245 芯片相連接。 WP 為寫保護引腳信號，當(dāng) WP引腳接高電平時，存儲芯片的內(nèi)容都被寫保護（只讀）；當(dāng) WP 引腳接低電平或懸空時，則可以進行讀寫操作。在這里，將 WP 與 GND 相連接，允許芯片讀寫操作。 A0、 A1、 A2 引腳用于器件地址的定義，使用時，根據(jù) 3 個引腳連接高或低電平的情況，確定器件的地址。本實驗板上只有一個 IIC 器件，所以將這 3 個引腳與 GND 連接，將器件地址定為 0x00。 圖 8 24C08 E2PROM 電路 2.8 A/D 模塊設(shè)計 本實驗板采用 ADC0832 來設(shè)計模擬量轉(zhuǎn)換塊， ADC0832 芯片的轉(zhuǎn)換時間僅為 32us，具有雙數(shù)據(jù)輸出，可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性強。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端，可容易實現(xiàn)通道功能的選擇。由于 DO 端與 DI端在通信始末同時有效并且單片機的 I/O 口是雙向的，所以可將 DO、 DI 并在一根數(shù)據(jù)線上使用，其數(shù)據(jù)端口分別接擴展 I/O 口的 74HC245 芯片。 ADC0832 有2 個模擬量通道，分別接電位器，可以采集電 位器的電壓，如圖 9 所示。 圖 9 ADC0832 模擬量采集電路 2.9 D/A 模塊設(shè)計 如圖 10 所示， D/A 轉(zhuǎn)換模塊接口電路還是用 74HC573 擴展， 74HC573 數(shù)據(jù)輸入端接單片機 P0 口，輸出端接 DAC0832 的數(shù)據(jù)輸入口，鎖存端接單片機 P2.2口。為簡化接口， DAC0832 的 WR2、 XFER 可以接地， ILE、 VREF 信號接電源。WR1 接單片機 P3.6（ WR）端口， CS 接單片機的 ALE 端。 圖 10 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 如圖 10 所示，如果把 DAC0832 當(dāng)外部數(shù)據(jù)存儲器來操作， ALE 信號可以實現(xiàn) DAC0832 片選功能，滿足 DAC0832 的時序。例如，向 DAC0832 輸出數(shù)據(jù)0x55，只需輸入如下指令： MOV A， #55H ; MOV DPTR， #400H，即 P2.2 為高電平，選通鎖存器； MOVX DPTR， A。在最后一條指令執(zhí)行時， P2 口首先送出地址，選通鎖存器，然后出現(xiàn) ALE 信號， DAC0832 被選通，接著 WR 信號出現(xiàn)，與此同時 P0 口送出數(shù)據(jù) 0x55，然后 WR、 ALE 依次消失，與 DAC0832時序完全符合。 2.10 串口通訊模塊設(shè)計 RS232 是由電子工業(yè)協(xié)會 (Electronic Industries Association， EIA) 所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。 RS232 與 TTL 電路之間需要進行電平和邏輯關(guān)系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。 MAX232 芯片可完成 TTL RS232雙向電平轉(zhuǎn)換。 MAX232 芯片是 RS232 標(biāo)準(zhǔn)接口 芯片， 使用 +5v 單電源供電 。是 PC 機與 單片機串口進行通訊的電平轉(zhuǎn)換芯片。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分： 第一部分是電荷泵電路。由 1、 2、 3、 4、 5、 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生 +12v 和 -12v 兩個電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14 腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中 13 腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11 腳（ T1IN）、 14 腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10 腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、 T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS232 數(shù)據(jù)從T1OUT、 T2OUT 送到電腦 DP9 插頭； DP9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從 R1IN、 R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、 R2OUT 輸出。 第三部分是供電。 15 腳 DNG、 16 腳 VCC（ +5V）。 圖 11 MAX232 串口通訊電路 單片機與 MAX232 通過 P3.0、 P3.1 相連，分別為發(fā)送線、接收線，另外單片機要與 MAX232 共地。 3 結(jié)論 本設(shè)計制作的實驗板可作為單片機入門用的學(xué)習(xí)板，設(shè)計完成后的實驗板具有資源廣泛、性價比高、使用方便 等特點，可用于單片機實驗教學(xué)，也可作為課堂教學(xué)演示儀器，符合學(xué)生實驗與單片機教學(xué)器件使用的需要。 參考文獻