51MCU 教學(xué)實(shí)訓(xùn)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

(甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅天水 741000)

0 引言

單片機(jī)課程在中職、高職和本科階段都是一門電類專業(yè)的核心課程,目前全國普遍以51單片機(jī)為基礎(chǔ)講授。該課程學(xué)習(xí)之前要掌握基本的電子技術(shù)知識(shí),同時(shí)在學(xué)習(xí)過程中只對(duì)著書本,因其本身的課程難度,學(xué)生往往很難理解接受,而且該課程是一門帶實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的課程,沒有相應(yīng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備很難學(xué)懂,目前有很多企業(yè)、單位等針對(duì)51單片機(jī),設(shè)計(jì)開發(fā)了多款教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備。這些教學(xué)設(shè)備在市場(chǎng)中,有的價(jià)格昂貴、有的設(shè)計(jì)復(fù)雜,對(duì)于第一次接觸單片機(jī)的同學(xué)來講,上述這些設(shè)備上手較難,容易對(duì)單片機(jī)課程失去學(xué)習(xí)興趣,很難學(xué)懂。本文設(shè)計(jì)的51MCU教學(xué)實(shí)訓(xùn)儀不僅配備硬件電路,同時(shí)也配備了相應(yīng)的軟件學(xué)習(xí)資料,方便教師教學(xué)或者初學(xué)者自學(xué)。同時(shí),大學(xué)中很多比賽以創(chuàng)新為主,教學(xué)實(shí)訓(xùn)儀也適用于開放性比賽,該系統(tǒng)中的核心板可直接拆掉,方便靈活搭建,配合其他模塊電路使用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該51MCU 教學(xué)實(shí)訓(xùn)儀系統(tǒng)分為兩個(gè)部分:核心板電路和底板電路。核心板的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,以51單片機(jī)為核心,設(shè)計(jì)了復(fù)位電路、振蕩電路、電源電路和一鍵下載電路,并引出了IO口和電源等。51單片機(jī)采用STC89C 52RC芯片,該芯片是宏晶科技生產(chǎn)的8位單片機(jī),內(nèi)部采用MCS-51內(nèi)核,十分適合初學(xué)者。底板具備豐富的常用模塊電路,這些模塊和大學(xué)教材內(nèi)容緊密貼合,全部選用教材中的芯片設(shè)計(jì),便于對(duì)書本知識(shí)的理解[1]。模塊電路的輸入輸出全部斷開,采用排針設(shè)計(jì),需用杜邦線連接使用,方便學(xué)習(xí)硬件知識(shí),加強(qiáng)對(duì)硬件的深層次理解,整個(gè)底板四周打孔,采用銅柱支撐,便于固定。

圖1 核心板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Core board structure diagram

該設(shè)備不僅能夠?qū)W習(xí)STC89C52系列的單片機(jī),當(dāng)需要使用AT89S52系列的單片機(jī)時(shí),板載ISP下載接口,該接口與單片機(jī)的P1.5、P1.6、P1.7三個(gè)引腳相連,通過這三個(gè)引腳也可方便下載程序[2]。Arduino UNO當(dāng)前也比較流行,是一種開源的硬件電路,也是一款優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺(tái),當(dāng)采用Arduino UNO作為核心電路,本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也可兼容,只需要去掉51核心板,將Arduino UNO作為核心板,通過杜邦線與底板相連,供入電源與控制信號(hào),編寫好對(duì)應(yīng)的程序,也能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊電路功能。

在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí),初期開發(fā)階段也可采用本系統(tǒng)的核心板作為主控芯片電路,方便燒錄程序、提供5V 或3.3V電源,便于產(chǎn)品的開發(fā)與調(diào)試。該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠兼容51 系列單片機(jī)、Arduino、AVR 單片機(jī)、STM 8 系列、STM32 系列等,具有很強(qiáng)的兼容性,能夠適應(yīng)不同的控制芯片,方便擴(kuò)展。

圖2 電源電路Fig.2 Power supply circuit

圖3 一鍵下載電路Fig.3 One-key download circuit

2 核心板硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源保護(hù)電路在系統(tǒng)中是一種重要的電路,對(duì)整個(gè)電路起到保護(hù)作用,避免燒壞電路中其他元件。電源電路如圖2所示,當(dāng)通入任意電壓時(shí),D1是1N4734穩(wěn)壓管,不管外界電流如何變化,其會(huì)一直穩(wěn)定在5.6V左右。當(dāng)有5V電壓接入時(shí),R4的上端電壓較低,PMOS管Q2導(dǎo)通,Q2的S端電壓送入D端,5V電壓通過F1送到SW1處。如果使用USB供電,USB的5V電壓直接通過F1送至SW1處。當(dāng)按下開關(guān)SW1,接通電源,VCC為5V,同時(shí)電源指示燈D3點(diǎn)亮,VCC到達(dá)Q3管的源極,因Q3管的柵極接電阻與GND連接,Q3柵極將處于低電平狀態(tài),Q3 導(dǎo)通,將源極的5V送至5V OUT處,作為電源輸出使用[3]。

當(dāng)系統(tǒng)的電流過大時(shí),F1是PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲,其由高分子聚合物制作而成,傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲僅能保護(hù)一次,過流燒斷后需要更換,比較麻煩,這種PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲可限制大電流通過,當(dāng)電流過大時(shí)切斷電源輸入,起到保護(hù)作用,同時(shí)可以重復(fù)使用,撤掉大電流電源,過一段時(shí)間PTC 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲自動(dòng)恢復(fù)導(dǎo)通。當(dāng)POWER 端輸入過高電壓,穩(wěn)壓管D1維持在5.6V左右,此時(shí)三極管Q1導(dǎo)通,Q1集電極電位升高,發(fā)光二極管D2達(dá)到自身的導(dǎo)通電壓,D2指示燈報(bào)警點(diǎn)亮,同時(shí)PMOS管Q2的柵極電位升高,并切斷自身源極和漏極之間的通路,相應(yīng)也就切斷了輸入電壓,對(duì)整個(gè)電路起到了保護(hù)的作用。

2.2 一鍵下載電路設(shè)計(jì)

一鍵下載電路有很多種方法可以實(shí)現(xiàn),普遍都是通過CH340G的RTS和DTR兩個(gè)信號(hào)來控制。STC系列單片機(jī)在下載過程中,需要做冷啟動(dòng),此時(shí)要關(guān)閉電源重新上電,每下載一次就要重復(fù)冷啟動(dòng),不方便使用,所以設(shè)計(jì)了一個(gè)一鍵下載電路。有很多種方法可以實(shí)現(xiàn),第一種方法通過增加一個(gè)單片機(jī),當(dāng)處于下載的時(shí)候,使用STC15 F0 14 W單片機(jī)檢測(cè)串口下載命令,確認(rèn)此時(shí)處于下載狀態(tài),切斷STC89C52RC的電源,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下載。第二種方法是,通過在已經(jīng)編寫的程序中放入一段代碼,下載中會(huì)先檢測(cè)這段代碼,通過這種方式實(shí)現(xiàn)一鍵下載,但每次編程都需要這段代碼,新建立一個(gè)工程就需要重復(fù)操作一次,不方便使用。第三種方法使用硬件電路,通過三極管和MOS管配合CH 340芯片的MOD EM聯(lián)絡(luò)信號(hào)搭建,可靠性高,利于實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)采用第三種方法如圖3所示,當(dāng)CH340通電時(shí),RTS和DTR都輸出高電平,CH340下載的時(shí)候,RTS先拉低,DTR后拉低。當(dāng)RTS拉低,DTR未拉低時(shí),PNP三極管Q4導(dǎo)通,高電平電壓將分配到R18和R19兩個(gè)電阻上,此時(shí),R19阻值遠(yuǎn)大于R18,R19上將分得高電壓,高電壓剛好控制PMOS管Q5的柵極,Q5內(nèi)部有個(gè)二極管,作為開關(guān)管,要注意方向,當(dāng)Q5的柵極得到高電平時(shí),Q5斷開,VCC送不到51 VCC,單片機(jī)斷電,冷啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)RTS 拉低,DTR拉低時(shí),PNP三極管Q4關(guān)斷,PMOS管Q5的柵極為0V,Q5將導(dǎo)通,VCC重新送至51VCC,單片機(jī)上電完成。當(dāng)程序下載到芯片后,CH340的RTS和DTR恢復(fù)輸出到高電平狀態(tài),等待下次下載。這種一鍵下載電路設(shè)計(jì)巧妙,制作簡(jiǎn)單,需要挑選開關(guān)速度快的MOS管和三極管,相比較前兩種方法,選用第三種方案,方便下載程序。

3 底板硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)碼管電路設(shè)計(jì)

數(shù)碼管是常見的一種電子顯示設(shè)備,具有價(jià)格便宜,控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn),是常見的輸出方式。按照內(nèi)部的結(jié)構(gòu),分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管。本系統(tǒng)采用兩個(gè)0.36英寸的共陰數(shù)碼管做為顯示器件,電路如圖4 所示,采用74HC138芯片控制位選信號(hào),74HC573芯片控制段選信號(hào)。采用74HC138可以減少IO端口,利用3個(gè)IO口可以實(shí)現(xiàn)8位位選信號(hào)的控制,設(shè)計(jì)中只留出一個(gè)使能端,當(dāng)G2A和G2B輸入低電平,G1輸入高電平時(shí),芯片使能,正常工作。段選信號(hào)通過74HC573鎖存器控制,其內(nèi)部為D觸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具有保持?jǐn)?shù)據(jù)的特點(diǎn),同時(shí)可以增加驅(qū)動(dòng)能力,也只留出一個(gè)使能控制端,用來控制芯片工作[4]。

圖4 數(shù)碼管電路Fig.4 Digital tube circuit

3.2 8×8點(diǎn)陣電路設(shè)計(jì)

點(diǎn)陣也是常見的輸出設(shè)備,通常顯示一個(gè)漢字至少需要四個(gè)8×8點(diǎn)陣模塊。點(diǎn)陣按照內(nèi)部的連接方式,分為共陽極點(diǎn)陣和共陰極點(diǎn)陣。本系統(tǒng)在控制時(shí),只設(shè)計(jì)了一個(gè)點(diǎn)陣模塊,理解原理即可。當(dāng)點(diǎn)亮點(diǎn)陣某一個(gè)LED,只需要將對(duì)應(yīng)的行線和列線的電平設(shè)置好就可以,如果需要顯示圖案、文字等,就要頻繁的掃描行線和列線,動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)顯示。8×8點(diǎn)陣有16個(gè)管腳,采用16個(gè)IO控制太浪費(fèi)資源,故設(shè)計(jì)兩片74HC595驅(qū)動(dòng),通過這種方式擴(kuò)展IO端口。電路如圖5所示,74HC595是一種8位串行輸入、并行輸出的位移緩存器,并行輸出方式為三態(tài)方式,8×8點(diǎn)陣在控制時(shí),可分別通過行和列進(jìn)行掃描。本電路已經(jīng)通過PCB制作成模塊,控制時(shí)連接排針即可[5]。

圖5 LED 點(diǎn)陣電路Fig.5 LED dot matrix circuit

3.3 模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

工程應(yīng)用中,經(jīng)常會(huì)對(duì)很多物理量進(jìn)行檢測(cè),比如流量、溫度、壓力、濕度等。這些物理量都是非電量模擬信號(hào),通常會(huì)采用傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將非電量轉(zhuǎn)換為電量,但轉(zhuǎn)換后的這個(gè)電量大部分是模擬信號(hào),計(jì)算機(jī)無法直接使用,需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)使用,當(dāng)計(jì)算機(jī)將處理后的信號(hào)去控制模擬外設(shè),這時(shí)就要將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換是電路的重要部分,大部分的新型單片機(jī)都集成到了內(nèi)部,通過相應(yīng)指令啟動(dòng)。很多初學(xué)者第一次接觸數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片都是在課本中,我們特意選用了ADC0809和DAC0832,電路如圖6所示,這兩個(gè)芯片雖然比較老舊,但是對(duì)理解轉(zhuǎn)換過程有很大幫助。ADC0809能夠輸入8路信號(hào),通過地址線分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后為一個(gè)8 位的數(shù)據(jù),通過相應(yīng)的控制信號(hào)得到輸出。在電路中,我們通過電位器輸出電壓信號(hào),轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制送到單片機(jī)。DAC0832是一種8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,將8 位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為電流輸出,在輸出端接入一個(gè)LED做為顯示,或者可通過自己搭建外部電路轉(zhuǎn)換為其他信號(hào)。

圖6 模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Fig.6 Analog-to-digital-to-analog conversion circuit

4 教學(xué)實(shí)訓(xùn)儀綜合評(píng)價(jià)

51MCU教學(xué)實(shí)訓(xùn)儀經(jīng)過電路設(shè)計(jì),實(shí)物制作等過程,最終產(chǎn)品如圖7 所示。實(shí)訓(xùn)儀結(jié)構(gòu)布局合理,底板和核心板采用排針與排母連接,便于拆裝。前期試驗(yàn)過程中,針對(duì)一個(gè)組的高職學(xué)生,在講授單片機(jī)課程時(shí),采用理實(shí)一體教學(xué)方式,通過理論講解和實(shí)訓(xùn)儀實(shí)驗(yàn)配合,在一個(gè)月內(nèi)掌握了51單片機(jī),為后續(xù)學(xué)習(xí)STM32、參加技能大賽等打下了良好的基礎(chǔ)。編程時(shí),采用keil軟件作為編譯器,這也是常見的編譯軟件,下載程序提供多種方式,如STC-ISP等。隨著電子仿真技術(shù)的進(jìn)步,51單片機(jī)也可以做到仿真,Proteus是一款優(yōu)秀的單片機(jī)仿真軟件,教學(xué)過程中可作為補(bǔ)充使用。

圖7 51MCU 教學(xué)實(shí)訓(xùn)儀實(shí)物圖Fig.7 Physical map of 51MCU teaching and training instrument

5 結(jié)論

綜上所述,本文設(shè)計(jì)的51MCU教學(xué)實(shí)訓(xùn)儀理論正確,通過PCB制作、手工焊接等過程,最終產(chǎn)品制作完工。相比原先其他公司的實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備,該實(shí)訓(xùn)儀成本低、體積相對(duì)較小,軟件安裝方便,下載程序一鍵完成,便于初學(xué)者使用。成品設(shè)計(jì)完成后,針對(duì)一小組備戰(zhàn)技能大賽的學(xué)生,通過理論講解和該設(shè)備的綜合訓(xùn)練,在一個(gè)月內(nèi)掌握了51單片機(jī),取得了預(yù)期的效果,為后期學(xué)習(xí)STM32做好了準(zhǔn)備。本教學(xué)實(shí)訓(xùn)儀,在完成了課堂教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)的同時(shí),為備戰(zhàn)大賽、拓展學(xué)習(xí)起到了重要作用,提高了教學(xué)質(zhì)量、提升了學(xué)生的技能。