基于51單片機(jī)的口袋式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

叢玉華 朱惠娟 田文俊 金文璐

摘要：51單片機(jī)課程為很多工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，為提高教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，首先對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行選擇并優(yōu)化組織，然后根據(jù)授課內(nèi)容設(shè)計(jì)一套適用于51單片機(jī)的硬件平臺(tái)。硬件平臺(tái)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)及程序下載模塊、輸入與顯示模塊、系統(tǒng)擴(kuò)展模塊、AD和DA模塊。本硬件平臺(tái)具注重基礎(chǔ)，有針對(duì)性、操作靈活，輕巧便攜。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī);實(shí)驗(yàn)平臺(tái);硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）12-0153-03

0 引言

51系列單片機(jī)是目前應(yīng)用非常廣泛的一類微處理器，價(jià)格低廉功能強(qiáng)大。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：智能化家用電器，辦公自動(dòng)化設(shè)備，商業(yè)營(yíng)銷設(shè)備，工業(yè)自動(dòng)化控制，智能化儀表，智能化通信產(chǎn)品，汽車電子產(chǎn)品，航空航天系統(tǒng)和國(guó)防軍事、尖端武器等領(lǐng)域。為此，51單片機(jī)作為8位微控制器，一直是高校自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式知識(shí)體系的基礎(chǔ)課程，也是對(duì)實(shí)踐要求較高的應(yīng)用型課程。為提高學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的能力，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐內(nèi)容的學(xué)習(xí)。本文將設(shè)計(jì)一款適用于學(xué)生學(xué)習(xí)的輕型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一方面根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容量身設(shè)計(jì)更有針對(duì)性，另一方面平臺(tái)小巧便攜可隨時(shí)進(jìn)行實(shí)踐操練。

1 授課內(nèi)容選擇

51單片機(jī)的授課內(nèi)容主要分四部分：分別是片內(nèi)基礎(chǔ)部件、輸入與顯示、系統(tǒng)擴(kuò)展以及AD和DA。下面是具體內(nèi)容：

1.1 片內(nèi)基礎(chǔ)部件

51單片機(jī)片內(nèi)基礎(chǔ)部件包括：51單片機(jī)的內(nèi)核，即單片機(jī)的CPU部件;內(nèi)存部件，即片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器ROM和片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM;I/O端口，即基本輸入輸出口;Timer部件，即定時(shí)/計(jì)數(shù)器;中斷控制器，即管理5個(gè)中斷源的控制部件;RS-232通信控制器，即串行通信控制器。在上述基本部件里，需要實(shí)踐應(yīng)用的是I/O端口，Timer部件，中斷控制器和RS-232串口通信部件。

1.2 輸入與顯示

輸入主要指外部輸入設(shè)備提供輸入信號(hào)，單片機(jī)I/O口采集輸入信號(hào)并進(jìn)行處理的功能。輸入部分主要學(xué)習(xí)的是按鍵，包括獨(dú)立按鍵和矩陣按鍵。顯示主要指單片機(jī)輸出顯示信息，通過顯示設(shè)備進(jìn)行顯示的功能，顯示學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容是：數(shù)碼管（靜態(tài)數(shù)碼管和動(dòng)態(tài)數(shù)碼管），LCD1602液晶顯示器。

1.3 系統(tǒng)擴(kuò)展

51單片機(jī)在與外設(shè)進(jìn)行接口設(shè)計(jì)時(shí)，隨著外設(shè)部件的增加，需要對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)情況進(jìn)行資源的擴(kuò)展，擴(kuò)展主要分兩種類型：并行擴(kuò)展和串行擴(kuò)展，其中并行擴(kuò)展包括簡(jiǎn)單的并行擴(kuò)展（比如存儲(chǔ)器擴(kuò)展/鎖存器擴(kuò)展）和智能擴(kuò)展（比如對(duì)I/O口進(jìn)行擴(kuò)展的8155芯片）;串行擴(kuò)展主要選擇IIC總線擴(kuò)展以具有IIC總線的AT24C02芯片為例。

1.4 AD和DA

AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換）和DA（數(shù)模轉(zhuǎn)換），這兩個(gè)部分是自動(dòng)控制系統(tǒng)中前向通道和后向通道中常用的模塊，其中AD模塊主要負(fù)責(zé)將采集到的模擬信號(hào)先經(jīng)過轉(zhuǎn)化變成數(shù)字信號(hào)后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，DA（數(shù)模轉(zhuǎn)換）是將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)先轉(zhuǎn)化成模擬量后輸送給外部模擬電路。51單片機(jī)內(nèi)部不具備該功能，所以由相應(yīng)的芯片實(shí)現(xiàn)，AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換）選用0808芯片，DA（數(shù)模轉(zhuǎn)換）選用0832芯片。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)課程具體內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，上述授課內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以包括以下幾個(gè)模塊。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及程序下載模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、復(fù)位電路、振蕩電路構(gòu)成，是單片機(jī)系統(tǒng)可以工作的最小硬件條件。單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)如圖1、圖2和圖3所示。圖3復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位的形式;能產(chǎn)生大小和方向都隨周期發(fā)生變化電流的電路稱為振蕩電路如圖2所示，這里采用外部晶振形式，晶振大小選擇12MHZ。

供電及程序下載模塊如圖4所示，選擇USB口進(jìn)行供電和程序下載，單片機(jī)只有串口控制器，所以通信時(shí)選擇串口轉(zhuǎn)USB芯片CH341。在異步串口方式下，CH341提供串口發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號(hào)以及常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào)，用于將普通的串口設(shè)備直接升級(jí)到USB總線。

2.2 輸入與顯示模塊

2.2.1 按鍵模塊

按鍵設(shè)計(jì)將獨(dú)立按鍵與矩陣按鍵制作在同一套電路里如圖5所示，在Change部分通過短路帽將2、3相連則S4～S7為獨(dú)立按鍵，將1、2相連則S4～S19為矩陣按鍵。

2.2.2 數(shù)碼管與LCD

數(shù)碼管分為靜態(tài)數(shù)碼管（采用共陽極數(shù)碼管）和動(dòng)態(tài)數(shù)碼管（采用4位的共陰極數(shù)碼管）兩種。其中靜態(tài)數(shù)碼管如圖6所示，動(dòng)態(tài)數(shù)碼管如圖7所示。

液晶顯示器選擇 LCD1602 ，LCD1602是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制來顯示圖形，能夠同時(shí)顯示16（個(gè)）*2（行）即32個(gè)字符。LCD1602引腳圖如圖8所示。接口電路如圖9所示。

2.3 系統(tǒng)擴(kuò)展模塊

2.3.1 并行擴(kuò)展

8155芯片是一種可編程的RAM/IO擴(kuò)展器，其功能可由單片機(jī)的指令來改變。8155片內(nèi)有3個(gè)可編程并行I/O接口，有256B的SRAM和一個(gè)14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可用作單片機(jī)的外部擴(kuò)展接口與鍵盤、顯示器等外圍設(shè)備連接。其接口電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

2.3.2 串行擴(kuò)展

IIC總線是一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。是一種常用的芯片級(jí)通信形式，很大程度上可節(jié)省微控制器的端口資源。AT24C02是一個(gè)2K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，有一個(gè)16字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過IIC總線接口進(jìn)行操作。其接口電路設(shè)計(jì)如圖11所示。

2.4 AD和DA模塊

2.4.1 AD模塊

ADC0808是8位的逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器，具有8 路多路開關(guān)，控制邏輯可與單片機(jī)兼容。ADC0808芯片的接口電路如圖12所示。

2.4.2 DA模塊

DAC0832是8位的D/A轉(zhuǎn)換器。由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成?？刂七壿嬇c單片機(jī)完全兼容。ADC0808芯片的接口電路如圖13所示。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已通過硬件測(cè)試，可承載的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：定時(shí)器及中斷控制器的應(yīng)用、數(shù)碼管及LCD的顯示、按鍵輸入、并行口的擴(kuò)展、串行IIC總線及AT24C02的應(yīng)用、AD轉(zhuǎn)換及DA 轉(zhuǎn)換的應(yīng)用、綜合控制系統(tǒng)的應(yīng)用。平臺(tái)每個(gè)模塊都是開放的，實(shí)驗(yàn)時(shí)接口需要自己設(shè)計(jì)接線，比較靈活，平臺(tái)尺寸較小，可便攜在任何場(chǎng)所都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]閆玉德，俞虹.MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用（C語言版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略（第2版）[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2018.

Hardware Design and Implementation of? Pocket-type Experimental Platform Based on 51 Single Chip Microcomputer

CONG Yu-hua，ZHU Hui-juan，TIAN Wen-jun，JIN Wen-lu

（Nanjing University of Science and Technology ZiJin College，Nanjing Jiangsu210046）

Abstract：Course of 51 Single Chip Microcomputer is a basic course for many engineering majors. In order to improve the teaching quality and strengthen students' practical ability. First of all， the course content is selected and optimized. Then， according to the teaching content， a set of hardware platform suitable for 51 Single Chip Microcomputer is designed. The hardware platform mainly includes： minimum system and program download module， input and display module， system expansion module，AD and DA modules. The hardware platform has a focus on the foundation， targeted， flexible operation， lightweight and portable.

Key words：51 single ship computer; experimental platform;hardware design