基于ISP 的簡(jiǎn)約型51單片機實(shí)驗板的設計

0 引言

現在市面上通用的51內核單片機主要有ATMEL公司的AT89S51、AT89S52系列，飛利浦公司的P89C51RXX系列和P89LPC900系列。其中AT公司的52系列是51系列的增強版本，飛利浦公司的P89C51RXX系列的內部功能跟AT89S51基本相同，都是增強型51內核。通過(guò)比較選擇飛利浦公司的P89C51RA2BN單片機，該單片機內部有8K的FLASH ROM程序存儲器，可以滿(mǎn)足大部分的實(shí)驗和小系統設計。而且該單片機跟AT89S52相比，還有內部PCA（可編程計數器陣列），和512字節的數據存儲器，7個(gè)中斷源和集成內部硬件看門(mén)狗。該單片機的引腳和普通51單片機完全兼容，可以做為51單片機的代換產(chǎn)品。另外該型號單片機的P1口還有第二功能，有12時(shí)鐘和6時(shí)鐘工作模式，其中6時(shí)鐘工作方式的速度是普通51單片機的2倍。

一、 系統設計

本系統的設計框圖如下：

其中ISP下載電路的設計如下：

飛利浦P89C51RA2BN單片機通過(guò)P3.0和P3.1口（也就是串行口）下載程序到片內FLASH ROM，其電路為：

從上面的電路圖中可以看到，單片機的下載電路其實(shí)就是一個(gè)串行通信電路，這樣就可以實(shí)現一個(gè)電路既用來(lái)下載程序也可以用來(lái)做串行口通信的實(shí)驗，一舉兩得。圖中的PORT1是一個(gè)USB接口插座，用其來(lái)連接一個(gè)DB9的母頭到PC機串行口輸出端下載程序和一個(gè)USB插頭到PC機的USB接口供電。因為PC機的USB口可以提供5伏500毫安的直流電壓，剛好為我們設計的單片機系統供電。

二、單元電路設計

2.1系統開(kāi)關(guān)信號輸入電路的設計

開(kāi)關(guān)信號可以由鍵盤(pán)產(chǎn)生，也可以由方波振蕩電路產(chǎn)生。由于一個(gè)方波振蕩

也不復雜，可以由555電路構成，所以我們的實(shí)驗板加上一個(gè)方波振蕩電路。鍵盤(pán)電路因為要兼顧易用性，所以采用簡(jiǎn)單鍵盤(pán)電路。

方波振蕩器的振蕩頻率大概是1000Hz左右，從NE555的3腳輸出，利用這個(gè)電路可以做一個(gè)頻率計的實(shí)驗，通過(guò)單片機檢測輸出方波的頻率在顯示部分顯示出來(lái)。簡(jiǎn)單鍵盤(pán)電路可以接到單片機的外部中斷引腳，用來(lái)產(chǎn)生中斷信號，可以用來(lái)做中斷的實(shí)驗和普通鍵盤(pán)程序的實(shí)驗。

2.2系統模擬量輸入電路的設計

模擬量輸入電路可以采用并行的AD轉換電路也可以采用串行的AD轉換電

路，并行AD的優(yōu)點(diǎn)就是傳輸速率高，一次性可以一個(gè)字節，缺點(diǎn)是要占用太多的IO口，而且控制信號多。串行AD剛好相反，只要很少的幾個(gè)引腳就可以完成控制功能，但是傳輸速率較低。并行的AD可以采用ADC0809實(shí)現，該芯片可以完成8路模擬量的輸入采集。

實(shí)驗板串行AD轉換可以使10位的單通道AD轉換芯片TLC1549，使用該芯片有較高的性?xún)r(jià)比，而且使用10位的串行AD轉換可以達到較高的分辯率和使用較少的I/O口的效果。

由于該型號的芯片內部有采樣保持電路，所以外部電路設計簡(jiǎn)單，只需接上電源還有MCU接口的相應連線(xiàn)就可以正常工作，只用根控制線(xiàn)與MPU接口就可以控制該器件了。

2.3人機交互電路的設計

人機交互電路是單片機系統和人交換作息的一個(gè)主要通道，其中上面提到的鍵盤(pán)輸入就是一個(gè)輸入通道的人機交互電路，本節主要介紹顯示部分。

根據顯示的種類(lèi)分有液晶顯示、LED數碼管顯示、LED點(diǎn)陣顯示。LED數碼管顯示器有顯示亮度高，操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，液晶顯示器有顯示內容豐富、功率低的特點(diǎn)。LED點(diǎn)陣顯示則兼容了兩種顯示器的顯示亮度高和顯示內容豐富的優(yōu)點(diǎn)。液晶顯示器又分為段碼和字符點(diǎn)陣、圖形點(diǎn)陣等種類(lèi)，各種不同種類(lèi)的液晶顯示器有不同的操作方法。

2.3.1數碼管顯示電路的設計

本系統綜合兩種主流顯示的特點(diǎn)把三種顯示器都集成到實(shí)驗板上。采用兩個(gè)三位的LED數碼管接成一個(gè)六位的LED數碼管顯示電路。這樣設計的思想是這個(gè)實(shí)驗板既可以做一般的顯示電路實(shí)驗，也可以做數字鐘的實(shí)驗（可以顯示時(shí)分秒）。由于單片機的IO口輸出驅動(dòng)能力比較弱，所以每一位數字都采用了一個(gè)三極管9013來(lái)驅動(dòng)。而且在接到P0口的那些LED數據口要在P0口加一個(gè)小阻值的電阻排，才可以讓P0口輸出的段碼驅動(dòng)數碼管。

2.3.2 LED點(diǎn)陣電路的設計

LED點(diǎn)陣驅動(dòng)電路的設計采用了單個(gè)16*16的LED點(diǎn)陣，因為L(cháng)ED點(diǎn)陣達到16*16的話(huà)就可以在點(diǎn)陣里面顯示分辯比較高的漢字的，這樣可以豐富LED的顯示效果。列驅動(dòng)采用了兩個(gè)8位的移位寄存器74LS164接成了一個(gè)16位的移位寄存器，第一個(gè)74LS164的Q7輸出接到了第二個(gè)的數據輸入口，這樣經(jīng)過(guò)16個(gè)串行時(shí)鐘周期就可以將一個(gè)16位的顯示碼送到了列驅動(dòng)器。采用串行的目的就是一可以增大每個(gè)線(xiàn)的驅動(dòng)能力，還有就是節省IO口。經(jīng)過(guò)這樣的設計之后就可以只用兩個(gè)IO口就把顯示碼送到了列驅動(dòng)器端。由于每一行有16個(gè)LED，設每個(gè)LED的驅動(dòng)電流是5mA，那么最壞的情況就是一行的所有LED都亮，一共就有80mA的電流流過(guò)行驅動(dòng)器的行選擇端，如果不加驅動(dòng)的話(huà)用TTL集成電路就無(wú)法驅動(dòng)該點(diǎn)陣。又因為行驅動(dòng)器又選擇74LS164的移位方式的話(huà)，在送出顯示數據后再送行選擇碼的時(shí)候會(huì )讓相鄰行的LED也會(huì )點(diǎn)亮，出現顯示模糊的情況。所以行驅動(dòng)器不用74LS164設計，在此選擇兩個(gè)74LS138接成一個(gè)四線(xiàn)譯十六線(xiàn)的譯碼器來(lái)選擇行。相應的行驅動(dòng)電路如下圖：

從上圖可以看到，兩個(gè)138組成的一個(gè)4譯16線(xiàn)譯碼器的輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)10K的電阻接到三極管9012的基極。三極管在此做為一個(gè)開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)作用，當16線(xiàn)譯碼器輸出低電平時(shí)，對應的三極管會(huì )導通將電源接到點(diǎn)陣的輸入端，若對應的列驅動(dòng)器輸出列是低電平時(shí)就會(huì )讓行和列交叉的那個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮。

2.3.3 液晶顯示電路的設計

液晶顯示電路采用 1602字符點(diǎn)陣液晶顯示和12864圖形點(diǎn)陣液晶顯示器。

該電路采用總線(xiàn)接法,這樣做的好處是可以把液晶顯示器當作一個(gè)外部的存儲單元來(lái)操作。 RW為讀寫(xiě)控制線(xiàn)，高電平是讀低電平是寫(xiě)，RS為命令和數據控制線(xiàn)，高電平是命令，低電平是數據，E使能信號端，當E有一個(gè)高電平時(shí)液晶模塊使能。這樣要對液晶模塊訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，只要把RW、RS設置好再把數據或者命令送到外部RAM的任一個(gè)地址去就可以了，或者把外部RAM的任何地址的數讀進(jìn)來(lái)。因為產(chǎn)生一次讀或者寫(xiě)外部RAM都會(huì )使單片機RD、WR兩個(gè)引腳的其中之一產(chǎn)生一個(gè)低電平，經(jīng)過(guò)與非門(mén)74LS00后產(chǎn)生一個(gè)高電平使液晶顯示器使能。

12864圖形點(diǎn)陣液晶顯示器有20個(gè)引腳，而且引腳跟1602字符液晶顯示器兼容，所以驅動(dòng)電路可以采用跟1602的驅動(dòng)電路共用的方法。因為兩個(gè)液晶顯示器不同時(shí)使用，這樣一來(lái)可以節省元件，二來(lái)可以減少布線(xiàn)的難度，又可以完成兩種液晶顯示器的實(shí)驗。

2.4 開(kāi)關(guān)信號輸出模塊的設計

2.4.1 開(kāi)關(guān)信號輸出控制繼電器電路的設計

本設計的開(kāi)關(guān)信號輸出是用單片機控制一個(gè)繼電器的動(dòng)作,因為開(kāi)關(guān)信號輸出一個(gè)最普遍的應用就是繼電器的控制。該部分的電路如下圖所示：

觀(guān)察上圖可以看到開(kāi)關(guān)信號輸出模塊的電路圖，圖中的繼電器是一個(gè)通用的單刀雙擲開(kāi)關(guān)5V繼電器。其1、2腳為輸入線(xiàn)圈，3、4腳為常開(kāi)開(kāi)關(guān)端，4、5腳為常閉開(kāi)關(guān)端。因為繼電器的吸合電流比較大，不適合直接用單片機的IO口驅動(dòng)，所以設計中采用了一個(gè)三極管9012來(lái)驅動(dòng)。圖中的R55是三極管的基極限流電阻，可以防止Q2的電流過(guò)大。D25是一個(gè)續流二極管，可以吸收繼電器線(xiàn)圈釋放時(shí)的反向電動(dòng)勢。因為當繼電器吸合的時(shí)候電流是從VCC經(jīng)過(guò)Q2、繼電器線(xiàn)圈到地的，D25反向截止。繼電器從吸合的狀態(tài)釋放時(shí)，線(xiàn)圈會(huì )產(chǎn)生一個(gè)反向的電動(dòng)勢，此時(shí)Q2是截止的，線(xiàn)圈就通過(guò)D25構成回路釋放能量。如果沒(méi)有D25，反向的電動(dòng)勢有可能會(huì )使Q2擊穿損壞。圖中還有一個(gè)發(fā)光三極管D15，是用來(lái)指示繼電器的狀態(tài)的，當繼電器吸合的時(shí)候電流從VCC經(jīng)過(guò)Q2、R58、D15到GND，發(fā)光二極管得電發(fā)光。R58為發(fā)光二極管的限流電阻，防止發(fā)光二極管的電流過(guò)大損壞。

2.4.2 發(fā)光二極管組成的八路流水燈電路的設計

流水燈控制是單片機實(shí)驗板開(kāi)關(guān)信號輸出控制的一個(gè)經(jīng)典電路，可以通過(guò)燈的亮滅來(lái)觀(guān)察單片機I/O口的狀態(tài)，使實(shí)驗學(xué)習更加直觀(guān)。

各個(gè)發(fā)光二極管都是共陽(yáng)接法的，因為51單片機的高電平輸出驅動(dòng)能力不強，不可以驅動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管發(fā)光。而51單片機的低電平輸出驅動(dòng)能力卻比較大，這由51單片機的I/O口結構決定的，所以采用共陽(yáng)接法。

2.4.3 開(kāi)關(guān)信號輸出控制蜂鳴器電路設計

蜂鳴器作為一個(gè)發(fā)聲器件,由于其控制電壓低,控制簡(jiǎn)單等原因,常常用于各種電子儀器的報警信號,比如計算機主板上就有蜂鳴器提示計算機的工作狀態(tài)。本實(shí)驗板上的蜂鳴器采用5V的直流蜂鳴器，可以發(fā)出響亮的鳴叫聲，用來(lái)做聲音的實(shí)驗。

2.5 模擬信號輸出模塊的設計

模擬信號輸出就是把單片機機過(guò)的數字信號轉換成模塊信號輸出控制外部的設備，完成這一過(guò)程的元件就是DA轉換。為了保持本實(shí)驗板設計思想的一致性、簡(jiǎn)化電路設計和節省IO口，還是采用串行DA轉換芯片 TLC5615。它有標準的SPI接口，一個(gè)數據線(xiàn)DATA、一個(gè)時(shí)鐘線(xiàn)SCLK和一個(gè)片選信號引腳CS。正是通過(guò)這個(gè)接口使該器件和單片機接口通信，所以采用串行的DA芯片可以大減少單片機IO口的使用。TLC5615的REFIN引腳是DA轉換參考電壓輸入端，通過(guò)電阻R1和R2的分壓提供參考電壓。OUT引腳是DA轉換后的模擬電壓輸出端口，可以把被控制的器件接到此端口上實(shí)現均勻控制，比如把一個(gè)發(fā)光二極管接到此端口，隨著(zhù)輸出電壓的改變就可以看到發(fā)光二極管的亮度隨著(zhù)改變。

三、結束語(yǔ)

基于ISP下載的簡(jiǎn)約型51單片機實(shí)驗板，在本校計算機04級學(xué)生中實(shí)驗完成。實(shí)際使用效果良好，系統的各項功能符合設計要求。整個(gè)實(shí)驗板的設計思想明確，各個(gè)模塊按照功能分類(lèi)設計，設計過(guò)程清晰明了。設計過(guò)程中各個(gè)部分都是以串行取代并行為主要原則，操作簡(jiǎn)單，在各個(gè)模塊中大多數的芯片都是采用串行接口為主。

參考文獻

1. 《新編單片機原理與應用》 /潘永雄 編著(zhù). --西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2003.2

2. 任曉榮 . 單片機系統可靠性設計 。 計算機測量與控制 ，2003，11（8）：621-623

3. 《MCS-51系列單片機應用及接口技術(shù)》/徐建軍主編。--北京：人民郵電出版社，2003.6

4． 《MCS-51系列單片機應用及接口技術(shù)》/徐建軍主編。--北京：人民郵電出版社，2003.6