“学、做”一体单片机实验系统的设计浅析.docVIP

“学、做”一体单片机实验系统的设计浅析 　　引言 　　由于单片机具有体积小、功能强、功耗低、易扩展等特点，所以被广泛应用于生产生活的各个领域。单片机技术发展日新月异，很多大中专院校电子信息类专业普遍开设了单片机相关课程。单片机是一门实践性很强的课程，只有在了解单片机硬件结构的基础上才能真正理解其工作原理，编写出相应程序，让单片机灵动起来。在老师的指导下由学生自行设计制作一块单片机实验板，通过画图、制板、选元件、焊接、编程、调试、写入芯片等工作，可以全面了解单片机的开发过程，进而掌握单片机技术。经过几年的教学实践，证明“学、做”一体是学习单片机的有效途径。 　　1 实验系统的总体设计 　　虽然单片机的种类繁多，但是学习单片机技术一般还是从MCS-51 单片机入手，考虑到学生的经济承受能力，设计的单片机实验系统应满足价格低廉、元件易买、易学易用、可灵活搭配且具有ISP 在系统编程功能，故选用了ATMEL 公司的AT89S52 作为实验板的MCU。利用单片机的在系统可编程(ISP)功能，在软件仿真正确的前提下，直接对目标单片机进行在系统编程。一来可以省去编程器、仿真器，降低实验成本;二来可以避免因频繁拔插单片机芯片而造成的损坏;三来还可以提高实验效率，把程序下载到目标板芯片，实时运行立马观察到运行效果，直观、快捷、高效。设计的实验系统首先可以满足单片机基本实验的要求，比如：流水灯实验、数码管实验、液晶显示实验、中断实验、蜂鸣器奏乐、串行通信实验等。同时还为今后在此实验平台上进一步开发新的综合性实验项目提供技术支持。所以设计的实验系统应具有良好的扩展性和兼容性，采用模块化设计，把不同功能的电路单独组成一个模块，使用时可根据需要灵活搭配，组成不同的实验系统，完成相关的实验项目。 　　1.1 实验系统的功能模块 　　单片机实验系统由电源模块(包括5V 电源和USB 接口供电)、单片机最小系统模块、8 位LED 灯模块、8 位数码管显示模块、ISP 下载模块(包括ISP 下载线接口和USB-ISP 下载)、I/O 口扩展模块、LCD液晶显示模块、键盘模块(包括矩阵键盘和独立按键)、RS232 串行通信模块、继电器模块、蜂鸣器模块、步进电机模块、红外接收模块、A/D转换模块、D/A 转换模块、DS18B20 温度传感器模块、DS1302 时钟模块和I2C 模块等组成。实验系统的功能框图如图1 所示，具体制作时可根据实际需要灵活增减。 　　1.2 实验系统的功能特点 　　(1)5V 电源除了可从USB 接口直接取电之外， 还另增加了一个电源接口，可由其它外接电源供电，方便使用并满足功能模块扩展之后的用电需求。 　　(2)ISP 下载电路设计了USB-ISP 下载电路和一个ISP 下载线接口， 可以直接利用板载USB-ISP 进行下载， 也可以利用自制的其它ISP 下载线下载。 　　(3)单片机芯片安装在DIP-40 紧锁座上，方便插拔，可把实验系统当编程器使用，为其它单片机芯片提供程序下载服务。 　　(4)把单片机的引脚用扩展槽全部引出，除了可进行I/O 口扩展，方便外接其它实验模块进行相关实验， 增强了实验系统的功能之外，当把单片机芯片更换为SST89E564RD 之后，配合PC 机上的Keil C51mu;Vision3 集成开发环境，又可把实验系统当成仿真器使用，对其它目标板进行仿真。 　　(5)实验系统上的RS-232 串口通信接口可实现单片机之间或单片机与PC 机之间的通信。 　　(6) 实验系统上设置了1602 和12864 两种LCD 液晶显示器接口，既可做字符和汉字显示实验，又方便拆卸供其他地方使用。 　　2 实验系统的硬件设计 　　首先根据实验系统的功能框图，利用Altium Designer 软件画出整个实验系统的电路原理图，并画出PCB 板图，也可以按不同的实验模块单独画电路原理图和PCB 板图。这部分工作可以锻炼和提高学生的电路图绘制能力和布线能力。 　　2.1 实验系统总体设计原理图 　　实验系统总体设计原理。 　　2.2 实验系统主要电路模块的设计 　　2.2.1 单片机模块 　　单片机模块是实验系统的核心部分， 单片机芯片采用DIP-40 紧锁座安装，便于插拔。同时利用扩展槽把40 个引脚全部引出，进行I/O口扩展，便于外接其它功能模块，进行二次开发。。 　　2.2.2 串行通信电路 　　AT89S52 单片机有一个全双工的串行通信口， 所以单片机与PC机之间可以很方便地进行串行通信，但由于两者的电平不同，所以要有一个电平转换电路。这里用MA