學做一體單片機實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，所以被廣泛應用于生產生活的各個領域。單片機技術發展日新月異，很多大中專院校電子信息類專業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、調試、寫入芯片等工作，可以全面了解單片機的開發過程，進而掌握單片機技術。經過幾年的教學實踐，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，考慮到學生的經濟承受能力，設計的單片機實驗系統應滿足價格低廉、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。設計的實驗系統首先可以滿足單片機基本實驗的要求，比如：流水燈實驗、數碼管實驗、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新的綜合性實驗項目提供技術支持。所以設計的實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模塊，使用時可根據需要靈活搭配，組成不同的實驗系統，完成相關的實驗項目。
1.1 實驗系統的功能模塊
單片機實驗系統由電源模塊(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轉換模塊、D/A 轉換模塊、DS18B20 溫度傳感器模塊、DS1302 時鐘模塊和I2C 模塊等組成。實驗系統的功能框圖如圖1 所示，具體制作時可根據實際需要靈活增減。
1.2 實驗系統的功能特點
(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 集成開發環境，又可把實驗系統當成仿真器使用，對其它目標板進行仿真。
(5)實驗系統上的`RS-232 串口通信接口可實現單片機之間或單片機與PC 機之間的通信。
(6) 實驗系統上設置了1602 和12864 兩種LCD 液晶顯示器接口，既可做字符和漢字顯示實驗，又方便拆卸供其他地方使用。
2 實驗系統的硬件設計
首先根據實驗系統的功能框圖，利用Altium Designer 軟件畫出整個實驗系統的電路原理圖，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 實驗系統總體設計原理圖
實驗系統總體設計原理。
2.2 實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。。
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換電路。這里用MAX232 進行電平轉換，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。本實驗系統選用P1.3 作同步串行時鐘信號端，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 個發光二極管組成，通過上拉電阻連接在P0 口。數碼管是單片機控制系統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。本實驗系統采用2 個四位一體的共陽極數碼管，采用動態顯示方式，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 在系統可編程功能，本實驗系統設計了一個USB 接口的ISP 下載電路， 只需要一條USB 數據線配合微機上的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ISP 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，以滿足實驗需求。
2.2.8 I2C 模塊電路
實驗系統的E2PROM 存儲器模塊采用ATMEL 公司生產的AT24C02，它是一個2Kbit 的串行E2PROM，具有工作電壓寬、擦寫次數多、寫入速度快、數據保存時間長等特點。
2.2.9 其它模塊電路
實驗系統可由USB 接口直接供電，也可以由其它+5V 電源供電。為了滿足需要，實驗系統還配備了蜂鳴器、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，還可根據需要設計其它實驗模塊，搭載在實驗系統上進行相關實驗。
3 實驗系統的安裝調試
3.1 實驗系統的裝配焊接
單片機實驗系統的硬件設計完成之后， 可由老師聯系廠家制作PCB 板，并購買元器件進行安裝。首先安裝電源、單片機最小系統和擴展模塊，然后再根據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
現在的筆記本電腦已經不帶并口和RS232 串口了，就連臺式電腦也逐漸舍去了并口和串口。現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、畢業設計和項目開發等需求。實踐證明，本單片機實驗系統能夠滿足教學需要，提高教學效果，受到師生的一致好評。
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