学做一体单片机实验系统的设计浅析论文
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 C51μVision3 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MAX232 进行电平转换，采用三线制连接串口，也就是和PC 机的9 针串口只连接其中的3 根线，实验板上采用DB9 母口插座。
2.2.3 4×4 矩阵键盘电路
矩阵键盘又叫行列式键盘，就是利用I/O 口线组成行、列结构，按键设置在行列的交汇点上。本实验系统采用4×4 矩阵键盘形式，其中P2 口的P2.0- P2.3 作为行线，P2.4-P2.7 为列线。
2.2.4 基于SPI 总线的时钟电路
DS1302 采用简单的三线SPI 与CPU 进行同步通信， 只需要单片机的三个I/O 口线即可。本实验系统选用P1.3 作同步串行时钟信号端，P1.6 作数据输入输出端，P1.5 作复位端。晶振选用典型值32.768KHz，没有备用电源。
2.2.5 LED 灯和数码管显示电路
显示模块有LED 灯显示模块和数码管显示模块两种。LED 灯显示模块由8 个发光二极管组成，通过上拉电阻连接在P0 口。数码管是单片机控制系统中最常见的显示器件之一，一般用来显示处理结果或输入输出信号的状态。本实验系统采用2 个四位一体的共阳极数码管，采用动态显示方式，并通过2 个74LS373 进行控制。其中U2 控制段，U3 控制位。
2.2.6 ISP 下载电路
为了充分利用AT89S52 的ISP 在系统可编程功能，本实验系统设计了一个USB 接口的ISP 下载电路， 只需要一条USB 数据线配合微机上的ISP 编程器软件就可使用，能够很方便地把编写好的程序烧写进单片机芯片中，然后运行观察实际效果，从而避免了频繁拔插芯片带来的诸多不便。同时在电路板上还另外加装了一个10 针ISP 下载器接口JP2，方便学生自己制作其它ISP 下载器时使用。
2.2.7 A/D 转换和D/A 转换电路
A/D 转换电路选用美国国家半导体公司生产的串行通信8 位分辨率、双通道A/D 转换芯片ADC0832。D/A 转换电路选用美国德州仪器(TI)公司生产的带串行控制的四路8 位CMOS 电压输出的数模转换芯片TLC5620，以满足实验需求。
2.2.8 I2C 模块电路
实验系统的E2PROM 存储器模块采用ATMEL 公司生产的AT24C02，它是一个2Kbit 的串行E2PROM，具有工作电压宽、擦写次数多、写入速度快、数据保存时间长等特点。
2.2.9 其它模块电路
实验系统可由USB 接口直接供电，也可以由其它+5V 电源供电。为了满足需要，实验系统还配备了蜂鸣器、继电器、步进电机、红外接收、DS18B20 温度传感器、1602 和12864 液晶显示等电路。除此之外，还可根据需要设计其它实验模块，搭载在实验系统上进行相关实验。
3 实验系统的安装调试
3.1 实验系统的装配焊接
单片机实验系统的硬件设计完成之后， 可由老师联系厂家制作PCB 板，并购买元器件进行安装。首先安装电源、单片机最小系统和扩展模块，然后再根据单片机学习任务和实验项目的需求，逐个安装其它实验模块。在实验板的安装过程中不但可以巩固和提高学生的焊接水平，还能够加深对硬件电路的理解。
3.2 USB-ISP 下载线的制作
现在的笔记本电脑已经不带并口和RS232 串口了，就连台式电脑也逐渐舍去了并口和串口。现在的年青人喜欢用笔记本电脑进行单片机的学习，因此设计一款USB-ISP 下载线就显得很有必要。按照图8 所示的USB-ISP 下载电路原理图，安装好器件后要先给AVR单片机芯片ATMEGA8L 烧录固件。注意在进行固件烧录时，不能直接在单片机实验板上用USB 接口进行， 而是要借用其它的并口ISP下载器进行烧录。固件烧录好之后再把芯片装在实验板上就可以使用了。
4 结束语
本文设计的单片机实验系统采用模块化设计，体积小、扩展方便。具有ISP 下载、编程器、仿真器、开发板等功能，价格低廉、使用灵活。既可以完成单片机的实验教学任务，又可以满足课程设计、毕业设计和项目开发等需求。实践证明，本单片机实验系统能够满足教学需要，提高教学效果，受到师生的一致好评。
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