基于立創(chuàng)EDA的STC89C52單片機(jī)學(xué)習(xí)板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

位磊 劉怡 鐘彪 杜康 張潮 李子都

摘要：文章用國產(chǎn)EDA軟件設(shè)計(jì)并制作出一款以STC89C52為核心、適用于高校實(shí)踐教學(xué)的單片機(jī)學(xué)習(xí)開發(fā)板。文華學(xué)院作為應(yīng)用型本科院校，越來越重視實(shí)踐教學(xué)改革方面的開發(fā)與探索，而單片機(jī)學(xué)習(xí)板是信息類專業(yè)學(xué)生及電子初學(xué)者必備的學(xué)習(xí)工具，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，以提倡國產(chǎn)軟件，培養(yǎng)工程意識(shí)為宗旨，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該款滿足個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)的51系列多功能單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板。

關(guān)鍵詞：立創(chuàng)EDA；stc89c52；學(xué)習(xí)板；單片機(jī)；個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：TP75? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0076-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在智能儀表、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等方面的使用更加廣泛。單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐課程也成為很多高校的電子信息工程、物聯(lián)網(wǎng)、通信工程等專業(yè)學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間必須完成的一項(xiàng)重要的動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)。單片機(jī)學(xué)習(xí)板作為課程的核心必不可少，自制實(shí)驗(yàn)工具是個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)的根基。

常見的印制線路板開發(fā)軟件有Altium Designer、PADS、Cadence Allegro等，此類軟件功能較為全面，知識(shí)點(diǎn)繁多，并不適合在課時(shí)有限的電子工藝類課程中開展講解[1]。針對這一現(xiàn)實(shí)問題，文華學(xué)院實(shí)驗(yàn)室嘗試將國產(chǎn)立創(chuàng)EDA軟件投入到實(shí)踐教學(xué)中，在提高教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，也使學(xué)生能夠掌握對于國產(chǎn)EDA軟件的使用。目前，該款EDA軟件在國內(nèi)已超過500所高校正在使用[2]。

2 立創(chuàng)EDA介紹

立創(chuàng)EDA是2017年深圳嘉立創(chuàng)公司研發(fā)的一款具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)電子仿真EDA工具，軟件支持在線設(shè)計(jì)電路原理圖和生產(chǎn)PCB印制電路板文件，設(shè)計(jì)過程中的文件可以實(shí)時(shí)上傳到云端，不必?fù)?dān)心文件的丟失與實(shí)訓(xùn)時(shí)間的間斷[3]。

2.1高度的便捷性

立創(chuàng)EDA是開源軟件，支持下載安裝使用，也可以在線設(shè)計(jì)。在線設(shè)計(jì)是基于瀏覽器的EDA，不配置不下載，線上編輯器就能使用該軟件，并且有斷網(wǎng)編輯功能，設(shè)計(jì)者也不必?fù)?dān)心斷網(wǎng)而影響使用。

2.2豐富的元件庫[4]

立創(chuàng)EDA有基礎(chǔ)庫和元件庫兩個(gè)庫文件?；A(chǔ)庫包含了常見的元件及對應(yīng)的封裝，而元件庫最大的優(yōu)點(diǎn)是共享，不同的設(shè)計(jì)者創(chuàng)建的原理圖元件和 PCB 封裝都可以選擇共享在這個(gè)軟件，元件庫里包含了百萬級別的元件及對應(yīng)的封裝[5]。

2.3一站式服務(wù)

立創(chuàng)EDA有仿真和標(biāo)準(zhǔn)兩種工作模式，可以自由切換，標(biāo)準(zhǔn)模式如圖1所示。

這種一站式的使用體驗(yàn)，大大節(jié)省了不必要的非專業(yè)工作，非常有利于學(xué)生利用課余時(shí)間完成自己感興趣的科研項(xiàng)目研發(fā)。立創(chuàng)EDA不僅是一個(gè)系統(tǒng)性的項(xiàng)目管理與設(shè)計(jì)平臺(tái)，還是一個(gè)良好的學(xué)習(xí)資源分享平臺(tái)。

2.4人性化設(shè)計(jì)

立創(chuàng)EDA軟件操作靈活，學(xué)生可以在2個(gè)學(xué)時(shí)課堂內(nèi)快速上手開發(fā)，電子設(shè)計(jì)項(xiàng)目開發(fā)周期縮短。不僅針對學(xué)時(shí)有限的電子工藝類課程、課程設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)，而且在開放式、個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)的學(xué)科競賽、電子產(chǎn)品研發(fā)中發(fā)揮重要作用。立創(chuàng) EDA 還特有一個(gè)專門面向高校教師的教育版，教師利用教育版可以組建班級，快捷地對學(xué)生進(jìn)行管理。

3 系統(tǒng)需求分析

STC89C52單片機(jī)學(xué)習(xí)板系統(tǒng)需求主要內(nèi)容包括兩個(gè)方面。

1）總體設(shè)計(jì)思路與功能要求，根據(jù)系統(tǒng)需求分析確定單片機(jī)學(xué)習(xí)開發(fā)所要達(dá)到的目的，不僅是要增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，還可以讓學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)知識(shí)，并且根據(jù)課程教學(xué)計(jì)劃來對實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需要的各項(xiàng)功能進(jìn)行分析和規(guī)劃，明確實(shí)驗(yàn)訓(xùn)平臺(tái)所需要的主要芯片類型，下載方式，功能模塊，編程方法等。

2）學(xué)習(xí)板的硬件設(shè)計(jì)，該單片學(xué)習(xí)開發(fā)板是以STC公司的STC89C52單片機(jī)為核心，最大限度利用其片上資源，并在外圍配置LED燈、數(shù)碼管、蜂鳴器、矩陣按鍵、DS18B20等多個(gè)模塊。本開發(fā)板不僅可以完成單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)學(xué)生可以利用開發(fā)板完成單片機(jī)相關(guān)項(xiàng)目的開發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中，通過開發(fā)板實(shí)現(xiàn)單片機(jī)項(xiàng)目化教學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣。

4 總體設(shè)計(jì)思路與功能要求

4.1設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)制作一款單片機(jī)學(xué)習(xí)開發(fā)板，首先要明確它是用來做什么的，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)怎么樣功能，達(dá)到怎么樣的效果，需要考慮的因素有如下3個(gè)方面。

1）學(xué)習(xí)板設(shè)計(jì)，不僅滿足單片機(jī)理論課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的要求，而且要滿足學(xué)生課外的個(gè)性化實(shí)踐學(xué)習(xí)需求。并且進(jìn)行單片機(jī)開發(fā)板實(shí)驗(yàn)在增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，也能讓學(xué)生更系統(tǒng)地學(xué)習(xí)單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)知識(shí)，并讓學(xué)生掌握軟件編程的技巧。

2）考慮到眾多的電子器件都在往更小、更快、更便捷發(fā)展，所以學(xué)習(xí)板的體積要小、實(shí)現(xiàn)串口下載和USB下載供電一體化，有電腦即可學(xué)習(xí)。

3）各功能模塊之間布置合理，直觀明了，方便學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提升課堂教學(xué)效果。

該學(xué)習(xí)板的硬件組成，如圖2所示。

4.2功能要求

依據(jù)文華學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)部實(shí)驗(yàn)室的單片機(jī)教學(xué)計(jì)劃，開發(fā)板核心控制元件采用由經(jīng)典的MCS—51核心的STC89C52單片機(jī)，該芯片的速度是普通51單片機(jī)速度的8～12倍。對于程序的下載，選用了當(dāng)前比較主流的且成本較低的USB轉(zhuǎn)串口下載方式，一臺(tái)電腦、一根USB線即可完成程序的下載，更加便捷。

該款單片機(jī)學(xué)習(xí)板功能模塊包括：繼電器、蜂鳴器、8個(gè)LED燈、矩陣鍵盤、4個(gè)獨(dú)立按鍵、2個(gè)四位一體數(shù)碼管、CH340B下載電路、復(fù)位、時(shí)鐘源等基本模塊。此外，還加入了紅外接收、超聲波、DS18B20溫度傳感器模塊，可供有個(gè)性化教學(xué)需求的學(xué)生去做拓展學(xué)習(xí)。

5 硬件電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)和制作的過程中，首先是由復(fù)位電路和晶振電路及單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)。單片機(jī)學(xué)習(xí)板最小系統(tǒng)如圖3所示[6]。

單片機(jī)開發(fā)板的制作涉及單片機(jī)最小系統(tǒng)、指示模塊、電源模塊、輸入模塊和擴(kuò)展模塊。指示模塊由8個(gè)共陽極LED燈，兩個(gè)四位一體共陰極數(shù)碼管和蜂鳴器、繼電器構(gòu)成。電源模塊由CH340 USB總線轉(zhuǎn)接芯片構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口并為單片機(jī)供電。輸入模塊由4×4矩陣按鍵構(gòu)成，可通過跳冒與獨(dú)立按鍵之間進(jìn)行切換。擴(kuò)展模塊由DS18B20溫度傳感器構(gòu)成。

以單片機(jī)最小系統(tǒng)為中心，繪制各功能模塊的原理圖，將各部分模塊拼接起來即可完成整體搭建，單片機(jī)學(xué)習(xí)板電路原理圖如圖4所示。

6 印制電路板組裝

采用立創(chuàng)EDA教學(xué)版繪制原理圖后，檢查核對電路的合理性，正確性，電氣特性。結(jié)合元件尺寸，給每個(gè)元件設(shè)置好封裝類型；使用軟件自動(dòng)布線生成PCB板。檢查封裝元件布局有無缺陷，注意考慮如下4個(gè)因素。

1）濾波電容需要放置在盡量靠近被濾波的對象處；

2）晶振應(yīng)該放置在盡量靠近芯片晶振引腳處，且晶振中間不能走線，比如濾波電容就應(yīng)該放在相應(yīng)的芯片附近；

3）相鄰兩層的走線不要重合；

4）完整具有實(shí)際使用價(jià)值的PCB是需要符合相應(yīng)的PCB規(guī)則的，這些規(guī)則就是設(shè)計(jì)要求。

單片機(jī)學(xué)習(xí)板最終PCB板封裝面、元件焊接孔、焊接面，如圖5～圖7所示。

根據(jù)電路原理圖、PCB圖裝配圖導(dǎo)出材料清單表，采購對應(yīng)的元器件。并將元件有序地安裝、焊接到PCB板上，安裝與焊接過程中注意以下細(xì)則：

1）引腳加工尺寸及成形應(yīng)符合裝配工藝要求；

2）元件高度及字符方向應(yīng)符合工藝要求；

3）元件安裝橫平豎直；

4）焊點(diǎn)大小適中，無漏、假、虛、連焊，焊點(diǎn)光滑、圓潤、干凈，無毛刺；

5）焊盤不應(yīng)脫落；

6）修腳長度適當(dāng)，一致，美觀；

7）元器件安裝牢固，排列整齊；

8）無燙傷和劃傷，整機(jī)清潔無污物見成品，如圖8～圖9所示。

7 學(xué)習(xí)板的測試

使用USB2.0數(shù)據(jù)線連接至電腦，安裝USB轉(zhuǎn)串口CH340驅(qū)動(dòng)，采用stc-isp-15xx-v6.86r下載軟件可燒錄程序，即可測試開發(fā)板功能。以中斷實(shí)驗(yàn)為例對組裝好的學(xué)習(xí)板進(jìn)行功能測試。測試實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是“使用外部中斷來控制LED燈的亮滅”。

由開發(fā)板原理圖如圖4所示可看出，外部中斷接在單片機(jī)的P3.2和P3.3引腳，而這兩個(gè)引腳又與獨(dú)立按鍵S9和S13相連，所以使用這兩個(gè)按鍵其中的一個(gè)作為觸發(fā)源，利用Keil軟件編輯好測試程序。

測試程序如下：

/**/

#include

sbit p2_0=P2^0;

void exti0_init（void）

{

IT0=1;//跳變沿觸發(fā)方式（下降沿）

EX0=1;//打開 INT0 的中斷允許

EA=1;//打開總中斷

}

void main（）

{

exti0_init（）;

while（1）

{

}

}

void LED_control（） interrupt 0

{

p2_0=～p2_0;

}

用USB線將開發(fā)板和電腦連接成功后，把編譯后?產(chǎn)生的.hex文件通過stc-isp下載軟件燒入到芯片內(nèi)；實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象為按鍵獨(dú)立按鍵S9即可實(shí)現(xiàn)LED2狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，測試成功，現(xiàn)象如圖10所示。

8 結(jié)束語

以文華學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)部實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)需求為背景，使用國產(chǎn)立創(chuàng)EDA軟件，圍繞實(shí)踐項(xiàng)目內(nèi)容為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)與制作了一款教學(xué)型單片機(jī)學(xué)習(xí)板，能夠滿足初學(xué)者基本需要。

下一階段，將在該學(xué)習(xí)板基礎(chǔ)上做擴(kuò)展模塊，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、撥動(dòng)開關(guān)，揚(yáng)聲器、存儲(chǔ)芯片、AD/DA等模塊。同時(shí)，增加USB、RS232接口、Wi-Fi接口及2.5G無線接口。這一列的過程都是不斷地完善和落實(shí)通訊的應(yīng)用，保障整體的功能，為物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備[7]。以此滿足大三、大四學(xué)生做課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的功能需要，有利于學(xué)生在本科期間對單片機(jī)的理論，有利于實(shí)踐知識(shí)有更深層次的理解，有利于個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的開展。

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