基于51单片机的实验板设计与制作

51 单片机多功能实验板的设计与制作 摘要 ：设计了 51 单片机实验板，主要包括单片机最小系统、 LED/LCD 显示模块、按键模块、 AD/DA 转换模块、串行口通信模块等在单片机系统中的常用模块。该实验板可以完成 51 系列单片机的的实验，可以作为很好的学习单片机课程的辅助学习工具，也可用于简单的电子设计。 关键词 ：单片机；实验板；设计 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 系列单片机性能优越、技术成熟可靠、性价比高，是国内单片机领域的主流之一。为了加深对课程内容的进一步认识，巩固所学知识，培养动手能力，扩展有提高性的实验资源，设计制作了这款支持 51 系列的单片机实验板。 1 总体设计 根据单片机实验的教学要求，要完成如流水灯、数码管显示、蜂鸣器演奏音乐、红外解码、矩阵键盘、 AD/DA 转换、 DS18B20 温度设计等常用单片机实验。为方便做扩展实验，单片机芯片的 I/O 口及控制引脚需有引出。 本文设计制作的 51 单片机实验板选用了一些集成芯片，如 DS18B20 数字 温度传感器、 DAC0832 数模转换芯片、 ADC0832 模数转换芯片、 MAX232 电平转换芯片等。该实验板还包括蜂鸣器、继电器、 7 段共阳数码管（ 8 个）、发光二极管（ 8 个）、 4*4 矩阵键盘、独立按键（ 3 个）、 1602 液晶接口、 ISP 接口、红外接收头等。为方便更换单片机芯片，使用了活动 IC 座。实验板个模块布局图如图 1 所示。 图 1 实验板布局图 2 硬件设计 2.1 单片机芯片的选择 随着电子科技的飞速发展， AT89S51 芯片已经满足不了人们学习和研究开发的需要，已逐渐被淘汰，本设计采用现今广泛使用的 AT89S52 芯片。 AT89S52是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。可擦写 1000 次，全静态操作频率为 033MHz。 AT89S52 共 40 个引脚，如图 2 所示。 图 2 AT89S52 引脚图 2.2 电源设计 本实验板电源输入方式有两种： 1） 通过电脑 USB 口供电。电脑 USB 口能直接提供稳定的 5V电源，接通后经 C1、 C2 滤波后可直接供单片机和各功能电路使用。 2） 是通过变压器 DC 座输入，输入电 压为 5V 的直流电压，接通后经 C1、C2 滤波方后可直接供单片机和各功能电路使用。 单片机电源电路如图 2， K 为电源总开关。 10uF 图 3 电源电路图 2.3 复位电路设计 在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞或死机时，就需要进行复位。 复位引脚 RST（ 第 9 管脚） 出现 2 个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 VCC 图 4 复位电路图 复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关手动复位。图 3 中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和 RESET 相连，电压全部加在了电阻上， RESET 的输入为高，芯片被复位。随之 +5V 电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于 0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使 RST 管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般而言，电容 为 10uF，电阻为 10K。 2.4 时钟电路设计 由于单片机芯片内部含有振荡器， XTAL1 为芯片内部振荡电路输入端， XTAL2为芯片内部振荡电路输出端，可以在这两个引脚上外接一个晶振和两个电容构成定时元件，内部的振荡器就能发生自激振荡，如图 5 中所示。 图 5 时钟电路 Y1 为 12MHz 的晶振，以保证定时的准确。 2.5 蜂鸣器、继电器设计 蜂鸣器、继电器的电路图如下，采用 8550PNP 型三极管作为驱动， D0、 D1为续流二极管，防 止继电器断开时，线圈产生感应电动势而击穿原件。继电器引出常开和常闭触点，配有一个跳线帽，当在下载程序等 I/O 端口不稳定时，可能会使继电器不稳定的重复吸合断开，此时可以拔掉跳线帽，断开继电器。 VCC P1.5 图 6 蜂鸣器、继电器电路图 2.6 1602 液晶接口设计 LCD1602 点阵字符液晶模块是由点阵字符液晶显示器件和 专用的行列驱动器，控制器及必要的连接件，结构件装配而成，可以显示数字和英文字符。 LCD1602 采用标准的 16 脚接口，各引脚接口说明为：单片机与 LCD1602通过 P0.0、 P0.1、 P0.2、 P0.3、 P0.4、 P0.5、 P0.6、 P0.7 与 LCD1602 的 D0D7 相连； P1.0、 P1.1、 P1.2 与 LCD1602 的 RS、 RW、 E 相连， P0.0 P0.7 为数据线，P1.0、 P1.1、 P1.2 为控制线。 图 7 1602 接口线路图 2.7 串行 E2PROM 设计 本设计采用的 E2PROM 是 AT24C08 存储芯片，它是 8 位的串行 CMOS E2PROM，内部含有 1024 字节，支持 IIC 总线传输协议。 AT24C08 的连接电路如图 8 所示。 SCL 用于串行时钟的输入， SDA 用于串行数据 /地址的传输， SCL、SDA 分别与扩展 I/O 口的 74HC245 芯片相连接。 WP 为写保护引脚信号，当 WP引脚接高电平时，存储芯片的内容都被写保护（只读）；当 WP 引脚接低电平或悬空时，则可以进行读写操作。在这里，将 WP 与 GND 相连接，允许芯片读写操作。 A0、 A1、 A2 引脚用于器件地址的定义，使用时，根据 3 个引脚连接高或低电平的情况，确定器件的地址。本实验板上只有一个 IIC 器件，所以将这 3 个引脚与 GND 连接，将器件地址定为 0x00。 图 8 24C08 E2PROM 电路 2.8 A/D 模块设计 本实验板采用 ADC0832 来设计模拟量转换块， ADC0832 芯片的转换时间仅为 32us，具有双数据输出，可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。通过 DI 数据输入端，可容易实现通道功能的选择。由于 DO 端与 DI端在通信始末同时有效并且单片机的 I/O 口是双向的，所以可将 DO、 DI 并在一根数据线上使用，其数据端口分别接扩展 I/O 口的 74HC245 芯片。 ADC0832 有2 个模拟量通道，分别接电位器，可以采集电 位器的电压，如图 9 所示。 图 9 ADC0832 模拟量采集电路 2.9 D/A 模块设计 如图 10 所示， D/A 转换模块接口电路还是用 74HC573 扩展， 74HC573 数据输入端接单片机 P0 口，输出端接 DAC0832 的数据输入口，锁存端接单片机 P2.2口。为简化接口， DAC0832 的 WR2、 XFER 可以接地， ILE、 VREF 信号接电源。WR1 接单片机 P3.6（ WR）端口， CS 接单片机的 ALE 端。 图 10 DAC0832 数模转换电路 如图 10 所示，如果把 DAC0832 当外部数据存储器来操作， ALE 信号可以实现 DAC0832 片选功能，满足 DAC0832 的时序。例如，向 DAC0832 输出数据0x55，只需输入如下指令： MOV A， #55H ; MOV DPTR， #400H，即 P2.2 为高电平，选通锁存器； MOVX DPTR， A。在最后一条指令执行时， P2 口首先送出地址，选通锁存器，然后出现 ALE 信号， DAC0832 被选通，接着 WR 信号出现，与此同时 P0 口送出数据 0x55，然后 WR、 ALE 依次消失，与 DAC0832时序完全符合。 2.10 串口通讯模块设计 RS232 是由电子工业协会 (Electronic Industries Association， EIA) 所制定的异步传输标准接口。对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。 RS232 与 TTL 电路之间需要进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。 MAX232 芯片可完成 TTL RS232双向电平转换。 MAX232 芯片是 RS232 标准接口 芯片， 使用 +5v 单电源供电 。是 PC 机与 单片机串口进行通讯的电平转换芯片。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由 1、 2、 3、 4、 5、 6 脚和 4 只电容构成。功能是产生 +12v 和 -12v 两个电源，提供给 RS232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14 脚构成两个数据通道。其中 13 脚（ R1IN）、 12 脚（ R1OUT）、 11 脚（ T1IN）、 14 脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（ R2IN）、 9 脚（ R2OUT）、 10 脚（ T2IN）、 7 脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、 T2IN 输入转换成 RS232 数据从T1OUT、 T2OUT 送到电脑 DP9 插头； DP9 插头的 RS232 数据从 R1IN、 R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、 R2OUT 输出。 第三部分是供电。 15 脚 DNG、 16 脚 VCC（ +5V）。 图 11 MAX232 串口通讯电路 单片机与 MAX232 通过 P3.0、 P3.1 相连，分别为发送线、接收线，另外单片机要与 MAX232 共地。 3 结论 本设计制作的实验板可作为单片机入门用的学习板，设计完成后的实验板具有资源广泛、性价比高、使用方便 等特点，可用于单片机实验教学，也可作为课堂教学演示仪器，符合学生实验与单片机教学器件使用的需要。 参考文献