基于ISP下載的89S51單片機實(shí)驗平臺設計及應用

摘要：為了使學(xué)生能在較短的時(shí)間里掌握單片機的原理及應用知識，通過(guò)自制單片機實(shí)驗平臺進(jìn)行學(xué)習，是學(xué)好單片機課程的有效途徑。基于ISP下載的89S51實(shí)驗平臺主要由89S51單片機最小系統、ISP下載電路、輸入模塊、輸出模塊等組成，具有電路簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)。利用該平臺進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)有利于培養學(xué)生自主學(xué)習、自主探索的意識，提高教學(xué)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：89S51；單片機；ISP；實(shí)驗平臺

0 引言
單片機課程是電子電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)及機電類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的專(zhuān)業(yè)課，該課程既要學(xué)習單片機的硬件結構知識，又要學(xué)習軟件知識，往往使學(xué)生不知從何學(xué)起，感覺(jué)入門(mén)很困難。而目前多數職業(yè)學(xué)校學(xué)習課時(shí)較短，實(shí)驗條件較差，實(shí)驗工位也不足，學(xué)生動(dòng)手的機會(huì )少，造成了學(xué)生對學(xué)科不感興趣，難以取得好的教學(xué)效果。基于ISP下載的89S51單片機實(shí)驗平臺具有電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、適合學(xué)生自主動(dòng)手制作，不需要復雜的外部設備，就能完成數十個(gè)基本實(shí)驗，幾乎覆蓋了本課程中大部分實(shí)驗內容。通過(guò)自制簡(jiǎn)單實(shí)用的實(shí)驗平臺進(jìn)行實(shí)驗，增加了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間，解決了學(xué)習課時(shí)少及實(shí)驗設備不足的難題，培養了學(xué)生自主學(xué)習、自主探索的意識，提高了學(xué)生獨立分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力，取得較好的教學(xué)效果。

1 系統設計方案
圖1為系統組成框圖。系統主要由89S51單片機系統及ISP下載電路、輸入模塊、輸出模塊、電源電路等四大部分組成。

為了簡(jiǎn)化電路，核心部分主要由89S51單片機最小系統及ISP下載電路組成，輸入模塊只選用了八路開(kāi)關(guān)輸入電路及4×4矩陣鍵盤(pán)電路，輸出模塊選用四位七段數碼顯示電路、八路LED發(fā)光電路、聲音驅動(dòng)電路、繼電器驅動(dòng)等電路，共二種輸入及四種不同輸出方式供實(shí)驗時(shí)選擇。為了便于實(shí)驗，整個(gè)電路由Protel軟件完成原理圖及PCB圖的設計，將全部元件焊接在一塊PCB電路板中，連接好共用電源線(xiàn)及接地線(xiàn)。這樣，實(shí)驗時(shí)只需連接少量的導線(xiàn)，即可實(shí)現89S51單片機與不同的輸入、輸出模塊組合，構成不同功能及用途的單片機應用系統供實(shí)驗時(shí)使用。

2 相關(guān)模塊介紹
89S51單片機最小系統及ISP下載電路如圖2所示，電路主要由89S51、74HCT541等組成。89S51為Atmel公司生產(chǎn)的芯片，該芯片采用40PI N封裝雙列直插結構，內置4k E2PROM及256RAM，共40個(gè)引腳，四個(gè)八路輸出端口。通過(guò)在第18、19引腳外接12MHz振蕩晶體，第9引腳接復位電路，第31引腳接高電位，即構成了單片機最小系統。ISP(在線(xiàn)編程)是指編程芯片不用從電路板上拆下，可以直接在線(xiàn)上對芯片進(jìn)行程序燒錄，省去編程器等復雜的外部設備，以利于程序的開(kāi)發(fā)，Atmel公司在其官方網(wǎng)站提供免費燒錄軟件ISP-Flash Programmer供下載，大大降低了系統制作成本。89S51的第6、7、8、 9腳為SPI(同步序列式傳輸信號界面)引腳，功能分別是MOSI、MISO、SCK、RST。SPI引腳經(jīng)74HCT 541隔離后分別與電腦打印接口的第7、10、6、9引腳相連接便形成了IPS電路。

輸入模塊電路如圖3(A)、(B)所示，共有二種輸入模式，分別是八路開(kāi)關(guān)輸入電路和4×4矩陣鍵盤(pán)電路，使用時(shí)可根據實(shí)驗內容要求選擇不同的輸入方式及位數。

輸出模塊電路如圖4(A)、(B)、(C)所示，共有四種輸出模式，分別是點(diǎn)亮發(fā)光二極管、喇叭發(fā)聲、繼電器驅動(dòng)、共陽(yáng)極四位七段數碼顯示電路，在實(shí)驗時(shí)可選擇其中的一種或多種方式輸出。

3 燒錄軟件ISP-Flash Programmer簡(jiǎn)介
用打印線(xiàn)將本系統與電腦的打印機接口相連接后，運行從Atmel公司官方網(wǎng)站下載的燒錄軟件ISP-Flash Programmer，即打開(kāi)了ISP-Flash Programmer燒錄界面，如圖5所示。系統可燒錄十多種不同的芯片，在此選擇AT89S51，系統具有讀取、燒錄、校驗、加密芯片等功能，提供的主要功能按鈕有：Read、Verify、Write、Write LBs、Open File、Signature、Save file、Reload File、圖4(C)共陽(yáng)四位七段數碼顯示電路Disp Buffer等，這些功能基本能滿(mǎn)足教學(xué)實(shí)驗及一般應用開(kāi)發(fā)需要。

4 實(shí)驗平臺在實(shí)驗教學(xué)中的應用
實(shí)驗教學(xué)的主要目的是使學(xué)生運用已有知識通過(guò)實(shí)驗的方法研究問(wèn)題及解決問(wèn)題，培養學(xué)生的動(dòng)手操作能力及綜合能力。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗獲得感性認識，培養學(xué)生對學(xué)科的興趣，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習的動(dòng)機，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性。在實(shí)驗教學(xué)中，為了取得較好的教學(xué)效果，一般將課程所需掌握的內容隱含在多個(gè)實(shí)驗項目中，學(xué)生在教師的幫助、指導下，對各個(gè)實(shí)驗項目進(jìn)行自主學(xué)習、自主探究，深入理解每個(gè)實(shí)驗項目所涉及的知識，逐步掌握所學(xué)學(xué)科的知識點(diǎn)及技能點(diǎn)。
4．1 利用實(shí)驗平臺進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)的流程
學(xué)生利用實(shí)驗平臺進(jìn)行實(shí)驗的流程如圖6所示。首先，根據實(shí)驗項目的目的、要求，選擇相應的輸入、輸出模塊，搭建線(xiàn)路；其次，使用Keil C51uVision3 IDE或8051 IDE等編程平臺，用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編寫(xiě)系統應用程序，檢查無(wú)誤后編譯成機器碼(Intel Hex格式)，運行ISP-Flash Programmer，將編譯所得機器碼燒錄到89S51芯片中；最后，運行程序，觀(guān)察、記錄運行現象及有關(guān)數據，判斷檢測系統運行結果是否符合要求，若不符合要求，判斷是編程問(wèn)題還是硬件線(xiàn)路問(wèn)題，若是線(xiàn)路問(wèn)題檢查并修改線(xiàn)路，若是編程問(wèn)題則修改并完善程序，直到運行結果符合實(shí)驗項目的要求。

4．2 利用實(shí)驗平臺進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)的意義
(1)有利于學(xué)生較全面掌握本專(zhuān)業(yè)的知識。單片機課程內容與電子技術(shù)、計算機硬件及軟件等課程內容密切相關(guān)，在教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生獨立完成從用Protel軟件完成原理圖及PCB圖的設計，然后制作PCB板，再將全部元件焊接到PCB電路板上，最后用此電路板進(jìn)行單片機內容的實(shí)驗，學(xué)生通過(guò)全過(guò)程參與，對熟悉系統結構及特點(diǎn)、提高動(dòng)手操作能力及全面掌握本專(zhuān)業(yè)的知識起促進(jìn)作用。
(2)有利于彌補學(xué)校實(shí)驗條件的不足。因學(xué)校擴招使在校生人數增多，造成實(shí)驗室場(chǎng)地、儀器設備不足，從而影響實(shí)驗教學(xué)的正常進(jìn)行，教學(xué)質(zhì)量也難以保證。通過(guò)自制適合本專(zhuān)業(yè)及本課程使用的實(shí)驗器械，一方面可保證教學(xué)的正常進(jìn)行，另一方面可彌補學(xué)校實(shí)驗條件的不足，節約了實(shí)驗經(jīng)費。
(3)有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性、積極性，提高綜合分析能力。單片機課程是以實(shí)驗為基礎的學(xué)科，親身經(jīng)歷和體驗是學(xué)生獲得知識的重要途徑，此實(shí)驗平臺具有獨特的實(shí)用性、趣味性及探究性，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性、積極性，提高實(shí)踐能力和綜合分析能力?？墒箤W(xué)生在實(shí)驗中領(lǐng)悟科學(xué)過(guò)程、體會(huì )科學(xué)方法、樹(shù)立科學(xué)價(jià)值觀(guān)、更加熱愛(ài)科學(xué)。
實(shí)踐證明，通過(guò)本實(shí)驗平臺的引導，大部分學(xué)生能在較短的時(shí)間內，基本掌握課程的基本知識，有部分學(xué)生能設計出有實(shí)用價(jià)值的應用電路，掌握一技之長(cháng)，畢業(yè)后走上了單片機開(kāi)發(fā)應用的工作崗位。