51单片机开发教学用板.doc

“51单片机教学、开发、竞赛专用板”的原理“51单片机教学、开发、竞赛专用板”（以下简称专用板）是为培养学生基本动手能力，提高学习兴趣以及提升学生科技创新能力而设计的一款专用电路板。希望学生通过电路焊接与调试达到以下目的：l 了解电子产品生产制作的全过程，训练学生动手能力，培养工程实践观念。l 了解和熟悉单片机开发的全过程，掌握其相关的知识要点l 实习制作的“51单片机教学、开发、竞赛用板”可用于后继课程的实验，作业，以及在校参加各种制作竞赛。第一部分 系统简介专用板是一个完整的单片机应用系统。板上配有6位简单键盘，6位LED数码管，PWM驱动电路，串行通讯电路，蜂鸣电路等。在板上可以实现，LED数码管循环显示，键盘扫描与查询，串口通讯，蜂鸣器控制，直流电动机的调速，液晶显示的控制，定时器控制与中断试验等。专用板应用先进的实验理念，摒弃了陈旧的仿真调试手段，利用单片机本身具有的ISP功能，将程序下载到单片机上，借助硬件的通讯功能和上位机软件实现实时通讯加快软件调试进程，使得调试环境更近似实际工程环境。在实现以上功能的基础上，专用板还可以与小车配合，组成轮式机器人参加“机器人灭火”，“机器人走迷宫”竞赛，以及用于“蚂蚁机器人”控制研究等。1.1、电路板的系统框图与原理1.1.1 、系统框图图1-1：系统框图专用板根据就其所能实现的功能，大致分为七个模块，分别是：(1)CPUSTC89C51单片机模块；(2)按键和显示模块； (3)电机驱动模块； (4)RS232串行通讯及程序下载模块；(5)蜂鸣器模块；(6)LCD模块(7)电源模块等。1.1.2 系统各模块的工作原理1 CPU模块：(1)中央处理器专用板采用STC89C51单片机作为中央控制器，这款单片机在引脚和指令上与通用的MCS89S51完全兼容，因此可以十分方便的与后续的“微机原理”专业课程相衔接。另外，该型号单片机比传统的51系列单片机增加了“在系统”可编程功能：编程时只需借助单片机自身的串行口，外接一块RS232芯片即可实现程序下载，比传统的并行下载减少了编程器这一硬件累赘；与在系统并行下载比较，连线该方式显得更为简洁方便。本系统所采用的STC89C51控制器的引脚及及引脚功能如下图所示：图1-2：引脚图（2）STC89C51控制器的主要性能指标见下表 兼容MCS51指令系统 4k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 可编程UARL通道 两个16位可编程定时/计数器 全静态操作0-24MHz 1个串行中断 128x8bit内部RAM 两个外部中断源 共6个中断源 可直接驱动LED 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能表1-1：主要性能指标：（3）单片机的基本外围电路复位电路：在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿RESET上时，将使得单片机复位。复位后P0P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的0000H处开始运行程序。复位电路如图所示。图1-3：复位电路晶振电路：STC89C51系统工作时钟可以采用内部时钟和外部时钟两种方式。考虑成本原因在电路中采用了内部时钟电路。时钟电路见右图：图中考虑通讯时波特率准确，以及系统工作频率在满足工作要求的基础上应采取较低值得要求，选择晶振频率为11.0592MHz.2、电源模块考虑到专用板的使用者是在校学生，为方便学生在宿舍使用以及参加比赛方便，电路板采用4节5号普通电池供电。电源降压机房反接措施：因STC89C51芯片的电源范围在3.8伏到5.5伏之间，而新电池电压大于6伏以及学生容易将电源接错等情况，在电池正端串联了一个二极管D1，利用二极管本身的0.7伏压降使得电源VCC基本满足单片机的要求；同时避免了电源反接时可能造成的，对单片机及其他电路的损害。电源电路如下图：图1-4：电源电路电源指示： 为便于了解电源工作情况电路中采用发光二极管L10作为电源指示，图中电阻R52是发光管的限流电阻。抗干扰措施：由于在后续的试验中有可能使用直流电机，考虑电机工作对电源造成的冲击，因此，电路中增加了电解电容EL1，起到储能，平波和吸收浪涌的作用。同时电路中增加了C1,C4,C100等0.1u电容，以滤除有可能来自工频的干扰信号。3电机驱动模块电机驱动部分采用H桥驱动。H桥式电机驱动电路由两只PNP三极管（Q1和Q3）和两只NPN三极管构成。当使电机运转时，必须使得对角线上的一对三极管开通。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。H桥驱动电路原理如下：图1-5：H桥电路原理图实际H桥驱动电路如下图：图1-6：实际H桥驱动电路实际电路中采用光电耦合器作为驱动前级，其驱动信号为低电平信号。克服了利用NPN三极管驱动时，在上电一瞬间由于单片机引脚瞬时高电平可能带来的H桥桥臂的直通现象。考虑学生参加轮式机器人竞赛的需要，专用板上应用了两路H桥驱动电路。4串行通讯和程序下载模块 STC89C51的ISP功能（在系统可编程功能）要求使用RS232标准。该标准指标要求如下：在TXD和RXD上：逻辑1(MARK)=-3V-15V逻辑0(SPACE)=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压) =-3V-15为满足RS-232C转换的要求，必须将单片机的标准TTL信号转换成232标准，为此各半导体芯片厂家生产了大量的专用转换芯片。最为常用的转换芯片是MAX232芯片。该芯片采用电荷泵技术，将5伏电压泵升为12伏，所用外接器件只有四支电容。电路原理图见下图：在设计手册中，该四支电容的容值为0.1u，考虑实际工作时，输出电流变化较大，从可靠角度考虑叫电容的容值提高到10u.图1-7：RS232接口电路 5,数码管显示电路和按键模块：专用板上自带有六个数码管，六支发光二极管和六个按键，以供学生学习循环显示和键盘扫描的原理；掌握显示和键盘扫描的编程技巧。（1）数码管显示部分：共阴型数码管：半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的8个发光二极管的阳极接在一起，而8个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反，8个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。当共阴极数码管的某一阳极接高电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阴极数码管需要输出高电平有效的反向器去驱动。共阳极数码管则需输出低电平有效的反向器去驱动。图1-8中所示为数码管在原理图中的图形；图1-9中所示为共阴险数码管的内部接线图。专用板中共采用六个共阴极数码管，构成六位数字显示器，供学生用作电子时钟和键盘设置使得显示。图1-8 数码管在原理图中的表示方法图1-9共阴险数码管的内部接线图。数码管的动态扫描显示：在原理图中，六个数码管的信号线（A-DP）通过八个同相门（7407）与单片机的P1口相连，其公共阴极经过六个反向门（7406）与P2口的P2.0-P2.5相连。因此当P1口上输出数据时，P2.0-P2.5上那一位上的电平为“1”相应的数码管才能被点亮。当需要六个数码管显示的内容可以被人们同时看到的时候，可以利用视觉信号在人们眼中的视觉暂留原理，轮流控制各个显示器，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。（2）行列键盘扫描： 专用板的键盘分为3行和2列，按键一端接在P0.0（或P0.1）上，并被上拉电阻拉到高电平，另一端接在7406反向器的输出端上。当P2.0-P2.2口上的某条线电平为高时，U3的12，10或8脚上则产生低电平，这个低电平在点亮相应数码管的同时，如果有按键按下，则将与键盘连接的P0.0（或P0.1）拉到低电平。因此，在软件中知道当前选择的是那一位数码管（行值），通过采集P0.0和P0.1引脚（列值）既可以算出按下按键行列键值。然后，根据软件要求作出相应处理。下图是数码管显示和键盘单元的原理图：图1-9：数码管显示和按键单元电路图6音频模块专用板上自带一个简易喇叭，可发声。信号由单片机的P0.3口提供。以下是电路原理图：图1-10：音频部分电路图7 LCD显示模块为便于学生学习掌握控制液晶显示的编程技巧，板上预留了LCD显示接口。在这一接口上可以连接LCM12832ZK液晶显示器。该显示器可以采用串行控制，四位数据和八位数据线控制。芯片内部带有标准汉字库。扩展接口电路如下图。图1-10：LCD显示模块电路有必要说明的是：在采用两线或四线控制液晶屏的同时，多余的引脚还可以作为输入或输出使用。第二部分 焊接流程在焊接前同学们要认真对照原理图，仔细查看印刷电路板，找到对应元件的功能区后，开始准备元件和工具。此电路板焊接要使用25W左右尖烙铁，下面详细叙述焊接过程：第一步：裸板检测1 电源部分：目的：检测51板裸板电源部分是否短路。方法：利用万用表检测51板上J111的第一脚和第三脚之间是否短路，无短路说明51板电源部分正常。2端口部分：目的：检测51板裸板相邻端口部分是否短路。方法：利用万用表检测51板上相邻端口之间是否短路，无短路说明端口部分正常。第二步：检测元器件、并作器件整形用万用表检测电容是否短路，电阻，二极管，三极管或正常。损坏的器件需更换。1 利用万用表检测4个按键，按键按下后看按键的1，3脚是否接通，是则说明按键正常。2 将所有检测过的电阻，电容，二极管，三极管按电路板间距巴引脚折弯，以便插到电路板上。第三步：元器件分类 小个子元器件（个）：晶振1个，二极管3个，电阻18个。 中个子元器件（个）：电容7个，按键7个，发光二极管9个，数码管6个，三极管13个。 大个子元器件（个）：插座3个，电位器1个，电解电容7个。第四步：焊接的步骤焊接原则是由低到高，为确保一次成功，我们采用分块焊接的方法，请仔细阅读附录中的51板各区分块图和51板元器件清单，并根据以下的步骤来完成：焊接电源焊接电源部分元件电源整体初测焊接电机驱动部分元件焊接按键和显示区元件数码管焊接下载区元件按键和显示区测试下载区检测电机驱动部分测试焊接所有电解电容焊接音频区元件音频区测试复位区检测焊接复位区元件焊接端口区元件端口区检测焊接芯片电路板整体测试图2-1：焊接流程第五步：测试的步骤（1）电源部分： 用万用表查J111管脚、，看电阻是否为零，若为零，则电路中有损坏，查清短路原因。 焊接完电源插座，电源部分已全部焊完，上电会看到电源指示灯亮。如果不亮，立即断开电源，按照原理图，逐级排查各元件。原因一：发光二极管不亮；解决办法：用万用表检查发光二极管是否坏掉，或接反。原因二：E1或EL1反向导通原因三：脚与地短路，焊接错误。（2）电机驱动部分： 电路板上电后，R100下管脚通高电平，用万用表测J101的1，2口，应有5V以上的正电压；R106下管脚通高电平，用万用表测J101的1，2口，应有5V以上的负电压。则电机驱动部分正常。（3）按键和显示部分：测试键盘输入是否正确。 万用表选择电压档，万用表负端接电源VCC，正端接89C51的38，39脚，按下按键若电压为零，则按键不正常，需更换按键；若电压为高电平，则按键正常。 测试数码管显示部分： （4）音频区 上电后，给R23的左引脚高电平，喇叭发声，则电路正常。（5）复位区 上电后，按下S1按键，在89C51的第九脚处，若可测出出现高电平，则电路正常。（6）晶振部分：测试晶振工作是否正常。焊接全部完成之后，给51板通电。示波器接51板18，19脚，并观察波形。若可以看到18432HZ正弦波形，则晶振正常。51板的各区分块图及各区的元器件排序见下图：STC89C51液晶显示复位与晶振RS232数码管显示区按键740674HC11电源部分740774077407电机驱动部分图2-1：51板各区分块图 电阻二极管和电容三极管芯片及其他元件主芯片部分R51(103)C2/C3(27P或30P)CRY(11.0592MHZ)U5A(74HC11)主芯片：STC89C51 电源部分R52(501)D1(二极管)L10(发光二级管) C4C1C100(104)E1EL1(100UF)J111(插座)电机驱动部分R201(102)R202(102)R101(102)R102(102)R100(1K)R106(1K)R200(1K)R206(1K)R107(2K)R108(2K)R207(2K)R208(2K)Q100(8550)Q101(8550)Q200(8550)Q201(8550)Q102(8050)Q103(8050)Q202(8050)Q203(8050)Q104(9014)Q105(9014)Q204(9014)Q205(9014)J101(电机插座）J102(电机插座）R139(PC187光耦)R140(PC187光耦)R141(PC187光耦)R142(PC187光耦)下载部分EL2 EL3 EL4 EL5(10UF)J232(插座)芯片：MAX232ACPE按键和显示区R18(103)R19(103)L0-L7(发光二级管)LED8-1LED8-6(共阴极数码管个) S2-S7(按键个)U1/U2/U4 (LS7407) U3 (LS7406)音频区R23(4.7K)D11(二极管)C8(104)P1(9012或8550)LS(喇叭)复位区RRST(10K)C105(10UF)S1(开关)端口区RLCD(10K)电位器3096D21(二极管)J100(20针)表2-1: 51板元器件清单第三部分 编程调试与程序下载专用板在编程和调试中摒弃了传统的仿真器模式，采取编程模拟仿真程序下载串口通讯传递参数的方式，使编程和调试更接近现场实际情况。编程依本校条件借用“万利仿真器”的编程环境，该环境采用中文界面，便于学生学习和掌握，是一款入门级软件。考虑学生将来从事本专业应用需要建议学生熟悉和掌握KILL C环境。程序下载和通讯调试则采用 STC89C51生产厂家“宏晶科技”公司的专用下载软件STC-ISP V3.9.EXE.3.1 “万利仿真器”编程环境的使用：3.1.1进入编程环境，输入程序及编译和汇编源程序。1进入编程环境： 双击桌面上“万利仿真器”编程环境的图标。 系统自动打开画面提示选择仿真器或模拟仿真：选择模拟仿真。屏幕中间出现下图：接着程序进入编辑界面：2创建文件名：点击文件-新建，出现以下画面，在文件名一栏中填入文件名和后缀。其中，后缀.asm表示将要编写的是汇编程序，后缀为.c的表示将要编辑的是C语言文件。3输入程序：在以上画面中，点击打开，系统进入编辑界面，输入程序。4编译和汇编程序：程序输入结束后。点击项目管理编译/汇编。系统自动编译汇编源程序。编译后屏幕下方出现提示错误信息。同时将错误行以红色显示出来，经修改正确后错误行变成正确颜色。最后当全部错误改正后，屏幕下方显示：0 WARNING(S) ,0 ERROR(S)时，则可以进入仿真调试了3.1.2 仿真环境：“万利仿真环境”提供了十分人性化的编程调试环境。1 “万利仿真环境”可以显示所有外围部件和所有寄存器内容。（1）显示外围部件：点击“外围部件”，系统出现以下内容：如接下来点击“中断”，则有关中断的所有信息会出现在画面中。点击“端口”则会出现如下画面，在运行程序时，代表四个端口的彩灯将通过明灭变换表示端口当前输出状态，其中