學做一體微控制器實驗系統的設計淺析論文
學做一體微控制器實驗系統的設計淺析論文
引言
由於微控制器具有體積小、功能強、功耗低、易擴充套件等特點，所以被廣泛應用於生產生活的各個領域。微控制器技術發展日新月異，很多大中專院校電子資訊類專業普遍開設了微控制器相關課程。微控制器是一門實踐性很強的課程，只有在瞭解微控制器硬體結構的基礎上才能真正理解其工作原理，編寫出相應程式，讓微控制器靈動起來。在老師的指導下由學生自行設計製作一塊微控制器實驗板，透過畫圖、制板、選元件、焊接、程式設計、除錯、寫入晶片等工作，可以全面瞭解微控制器的開發過程，進而掌握微控制器技術。經過幾年的教學實踐，證明“學、做”一體是學習微控制器的有效途徑。
1 實驗系統的總體設計
雖然微控制器的種類繁多，但是學習微控制器技術一般還是從MCS-51 微控制器入手，考慮到學生的經濟承受能力，設計的微控制器實驗系統應滿足價格低廉、元件易買、易學易用、可靈活搭配且具有ISP 在系統程式設計功能，故選用了ATMEL 公司的AT89S52 作為實驗板的MCU。利用微控制器的在系統可程式設計(ISP)功能，在軟體模擬正確的前提下，直接對目標微控制器進行在系統程式設計。一來可以省去程式設計器、模擬器，降低實驗成本;二來可以避免因頻繁拔插微控制器晶片而造成的損壞;三來還可以提高實驗效率，把程式下載到目標板晶片，實時執行立馬觀察到執行效果，直觀、快捷、高效。設計的實驗系統首先可以滿足微控制器基本實驗的要求，比如：流水燈實驗、數碼管實驗、液晶顯示實驗、中斷實驗、蜂鳴器奏樂、序列通訊實驗等。同時還為今後在此實驗平臺上進一步開發新的綜合性實驗專案提供技術支援。所以設計的實驗系統應具有良好的擴充套件性和相容性，採用模組化設計，把不同功能的電路單獨組成一個模組，使用時可根據需要靈活搭配，組成不同的實驗系統，完成相關的實驗專案。
1.1 實驗系統的功能模組
微控制器實驗系統由電源模組(包括5V 電源和USB 介面供電)、微控制器最小系統模組、8 位LED 燈模組、8 位數碼管顯示模組、ISP 下載模組(包括ISP 下載線介面和USB-ISP 下載)、I/O 口擴充套件模組、LCD液晶顯示模組、鍵盤模組(包括矩陣鍵盤和獨立按鍵)、RS232 序列通訊模組、繼電器模組、蜂鳴器模組、步進電機模組、紅外接收模組、A/D轉換模組、D/A 轉換模組、DS18B20 溫度感測器模組、DS1302 時鐘模組和I2C 模組等組成。實驗系統的功能框圖如圖1 所示，具體制作時可根據實際需要靈活增減。
1.2 實驗系統的功能特點
(1)5V 電源除了可從USB 介面直接取電之外， 還另增加了一個電源介面，可由其它外接電源供電，方便使用並滿足功能模組擴充套件之後的用電需求。
(2)ISP 下載電路設計了USB-ISP 下載電路和一個ISP 下載線介面， 可以直接利用板載USB-ISP 進行下載， 也可以利用自制的其它ISP 下載線下載。
(3)微控制器晶片安裝在DIP-40 緊鎖座上，方便插拔，可把實驗系統當程式設計器使用，為其它微控制器晶片提供程式下載服務。
(4)把微控制器的引腳用擴充套件槽全部引出，除了可進行I/O 口擴充套件，方便外接其它實驗模組進行相關實驗， 增強了實驗系統的功能之外，當把微控制器晶片更換為SST89E564RD 之後，配合PC 機上的Keil C51μVision3 整合開發環境，又可把實驗系統當成模擬器使用，對其它目標板進行模擬。
(5)實驗系統上的`RS-232 串列埠通訊介面可實現微控制器之間或微控制器與PC 機之間的通訊。
(6) 實驗系統上設定了1602 和12864 兩種LCD 液晶顯示器介面，既可做字元和漢字顯示實驗，又方便拆卸供其他地方使用。
2 實驗系統的硬體設計
首先根據實驗系統的功能框圖，利用Altium Designer 軟體畫出整個實驗系統的電路原理圖，並畫出PCB 板圖，也可以按不同的實驗模組單獨畫電路原理圖和PCB 板圖。這部分工作可以鍛鍊和提高學生的電路圖繪製能力和佈線能力。
2.1 實驗系統總體設計原理圖
實驗系統總體設計原理。
2.2 實驗系統主要電路模組的設計
2.2.1 微控制器模組
微控制器模組是實驗系統的核心部分， 微控制器晶片採用DIP-40 緊鎖座安裝，便於插拔。同時利用擴充套件槽把40 個引腳全部引出，進行I/O口擴充套件，便於外接其它功能模組，進行二次開發。。
2.2.2 序列通訊電路
AT89S52 微控制器有一個全雙工的序列通訊口， 所以微控制器與PC機之間可以很方便地進行序列通訊，但由於兩者的電平不同，所以要有一個電平轉換電路。這裡用MAX232 進行電平轉換，採用三線制連線串列埠，也就是和PC 機的9 針串列埠只連線其中的3 根線，實驗板上採用DB9 母口插座。
2.2.3 4×4 矩陣鍵盤電路
矩陣鍵盤又叫行列式鍵盤，就是利用I/O 口線組成行、列結構，按鍵設定在行列的交匯點上。本實驗系統採用4×4 矩陣鍵盤形式，其中P2 口的P2.0- P2.3 作為行線，P2.4-P2.7 為列線。
2.2.4 基於SPI 匯流排的時鐘電路
DS1302 採用簡單的三線SPI 與CPU 進行同步通訊， 只需要微控制器的三個I/O 口線即可。本實驗系統選用P1.3 作同步序列時鐘訊號端，P1.6 作資料輸入輸出端，P1.5 作復位端。晶振選用典型值32.768KHz，沒有備用電源。
2.2.5 LED 燈和數碼管顯示電路
顯示模組有LED 燈顯示模組和數碼管顯示模組兩種。LED 燈顯示模組由8 個發光二極體組成，透過上拉電阻連線在P0 口。數碼管是微控制器控制系統中最常見的顯示器件之一，一般用來顯示處理結果或輸入輸出訊號的狀態。本實驗系統採用2 個四位一體的共陽極數碼管，採用動態顯示方式，並透過2 個74LS373 進行控制。其中U2 控制段，U3 控制位。
2.2.6 ISP 下載電路
為了充分利用AT89S52 的ISP 在系統可程式設計功能，本實驗系統設計了一個USB 介面的ISP 下載電路， 只需要一條USB 資料線配合微機上的ISP 程式設計器軟體就可使用，能夠很方便地把編寫好的程式燒寫進微控制器晶片中，然後執行觀察實際效果，從而避免了頻繁拔插晶片帶來的諸多不便。同時在電路板上還另外加裝了一個10 針ISP 下載器介面JP2，方便學生自己製作其它ISP 下載器時使用。
2.2.7 A/D 轉換和D/A 轉換電路
A/D 轉換電路選用美國國家半導體公司生產的序列通訊8 位解析度、雙通道A/D 轉換晶片ADC0832。D/A 轉換電路選用美國德州儀器(TI)公司生產的帶序列控制的四路8 位CMOS 電壓輸出的數模轉換晶片TLC5620，以滿足實驗需求。
2.2.8 I2C 模組電路
實驗系統的E2PROM 儲存器模組採用ATMEL 公司生產的AT24C02，它是一個2Kbit 的序列E2PROM，具有工作電壓寬、擦寫次數多、寫入速度快、資料儲存時間長等特點。
2.2.9 其它模組電路
實驗系統可由USB 介面直接供電，也可以由其它+5V 電源供電。為了滿足需要，實驗系統還配備了蜂鳴器、繼電器、步進電機、紅外接收、DS18B20 溫度感測器、1602 和12864 液晶顯示等電路。除此之外，還可根據需要設計其它實驗模組，搭載在實驗系統上進行相關實驗。
3 實驗系統的安裝除錯
3.1 實驗系統的裝配焊接
微控制器實驗系統的硬體設計完成之後， 可由老師聯絡廠家製作PCB 板，併購買元器件進行安裝。首先安裝電源、微控制器最小系統和擴充套件模組，然後再根據微控制器學習任務和實驗專案的需求，逐個安裝其它實驗模組。在實驗板的安裝過程中不但可以鞏固和提高學生的焊接水平，還能夠加深對硬體電路的理解。
3.2 USB-ISP 下載線的製作
現在的膝上型電腦已經不帶並口和RS232 串列埠了，就連臺式電腦也逐漸捨去了並口和串列埠。現在的年青人喜歡用膝上型電腦進行微控制器的學習，因此設計一款USB-ISP 下載線就顯得很有必要。按照圖8 所示的USB-ISP 下載電路原理圖，安裝好器件後要先給AVR微控制器晶片ATMEGA8L 燒錄韌體。注意在進行韌體燒錄時，不能直接在微控制器實驗板上用USB 介面進行， 而是要借用其它的並口ISP下載器進行燒錄。韌體燒錄好之後再把晶片裝在實驗板上就可以使用了。
4 結束語
本文設計的微控制器實驗系統採用模組化設計，體積小、擴充套件方便。具有ISP 下載、程式設計器、模擬器、開發板等功能，價格低廉、使用靈活。既可以完成微控制器的實驗教學任務，又可以滿足課程設計、畢業設計和專案開發等需求。實踐證明，本微控制器實驗系統能夠滿足教學需要，提高教學效果，受到師生的一致好評。