單片機綜合性實驗電路板的設計?

彭建英，彭光含，曾志剛

（湖南文理學院，湖南 常德 415000）

0 引言

單片機實驗電路板，無論對單片機初學人員還是開發人員都具有十分重要的意義，初學人員可以利用實驗電路板逐漸了解單片機的設計原理與功能，開發人員可以進行編程實現工業控制。利用單片機實驗電路板，能夠讓初學者迅速掌握單片機的應用技術特點與實際要求。學生及單片機愛好者可以根據自己的愛好興趣，結合實驗電路板的各功能模塊，設計實現單片機作品，從而提高學生的動手能力和綜合設計能力。

1 實驗電路板設計原理

本實驗板可分為多個子模塊，包括單片機最小系統模塊、鍵盤模塊、A／D模塊、D／A模塊、DS1302時鐘模塊、測溫模塊、串口通信模塊、電機模塊、紅外發送接收模塊、LCD1602液晶模塊、流水燈模塊和蜂鳴器模塊。實驗電路板設計原理框圖如圖1所示。

圖1 電路板設計原理框圖

2 各硬件模塊的設計

2.1 單片機最小系統模塊

AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）的8位微控制器，具有4kB系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。

2.2 A／D模塊

轉換器芯片ADC0809適用于8路模擬信號的分時采集，片內有8路模擬選通開關以及相應的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉換時間為100μs左右，A／D轉換后得到的數據應及時傳送給單片機處理。數據傳送的關鍵問題是如何確認A／D轉換的完成，因為只有確認完成后才能進行傳送，為此可采用下述3種方式，分別為定時方式、查詢方式和中斷方式。

2.3 D／A模塊

D／A轉換器品種繁多，如有權電阻DAC、變形權電阻DAC、T型電阻DAC、電容型DAC和權電流DAC等。DAC0832是采樣頻率為8位的D／A轉換芯片，其集成電路內部有兩極輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通3種輸入方式，適用于各種電路的需要（如要求多路D／A異步輸入、同步轉換等），所以該芯片的應用很廣泛。本實驗開發板中利用DAC0832可以實現各種波形的輸出。

2.4 溫控模塊

溫控模塊采用目前廣泛應用的數字溫度傳感器DS18B20，它采用1-wire總線接口的數字溫度傳感器，測試溫度范圍為-55℃～+125℃，精度可達0.067 5℃，最大轉換時間為200ms。1-wire總線支持一主多從通信，所以支持該總線的器件在交互數據過程中需要完成器件尋址（ROM匹配），以確認是哪個從機接收數據，器件內部ROM包含了該器件的唯一ID，對一主一從結構，ROM匹配過程可以省略。采集的數據是數字信號，不需要經過ADC的轉換［1-2］。該模塊同時還可以實現溫度的多點測控。

2.5 紅外模塊

紅外線遙控信息碼由AT89C51單片機的定時器1中斷產生38kHz紅外線方波信號，由P1.4引腳輸出，經過三極管9013放大，由紅外線發送管發送。若改變電阻R3的大小則可以改變發射距離［3］。

紅外線接收處理采用通用的集成模塊三管腳紅外接收器，輸出為檢波整形過的方波信號。

2.6 串口通信模塊

RS-232C是最早的串行通信接口的電氣標準，該標準定義了數據終端（DTE）和數據通信設備（DCE）間按位串行傳輸的接口信息，合理安排了接口的電氣信號和機械要求，在世界范圍內得到了廣泛的應用。串行通信接口可與PC機超級終端進行通信實驗，也是程序下載時必需的，學生在進行調試時，可隨時進行程序的下載。

2.7 時鐘模塊

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內含有一個實時時鐘／日歷和31字節靜態RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。實時時鐘／日歷電路提供秒、分、時、日、月、年的信息，每月的天數和閏年的天數可自動調整，時鐘操作可通過AM／PM指示決定采用24h或12h格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到RES復位、I／O數據線、SCLK串行時鐘3個口線。對時鐘、RAM的讀／寫數據以一個字節或多達31個字節的字符組方式進行，DS1302工作時功耗很低，保持數據和時鐘信息時功率小于1mW［4］。

2.8 電機模塊

通過對每相圈中電流的順序切換來使電機作步進式旋轉。驅動電路由脈沖信號來控制，所以調節脈沖信號的頻率便可改變步進電機的轉速。本次設計的步進電機采用直流+5V電壓，每相電流為0.3A，電機線圈由四相組成。

3 實驗開發板可以進行的實驗項目

（1）溫度控制器實驗：利用DS18B20設計一個溫度控制器，在液晶顯示器上顯示溫度值，并對溫度進行測試和設定，當檢測溫度達到溫度上限時開風扇（即開啟電動機），低于下限時關閉風扇并加熱，LED上顯示十進制溫度值。

（2）實時時鐘編程實驗：可以在液晶顯示屏上顯示年、月、日、時、分、秒，可以對時間進行調整，24h實現多次定時功能。

（3）遙控發送和接收實驗：遙控信息通過按鍵發送，接收信息可以通過小燈、蜂鳴器等演示。

（4）函數發生器實驗：利用D／A設計一個函數發生器，并利用按鍵選擇輸出波形，能分別產生三角波、階梯波（每階梯1V）、正向鋸齒波、負向鋸齒波和方波。還可利用鍵盤改變其輸出波形的幅值和頻率。

（5）串行通信實驗：能與PC機通信，在PC機的超級終端上顯示中文字符或其他字符，能用PC機發命令控制單片機功能操作。

（6）音樂編程實驗：能用蜂鳴器演奏自編歌曲。

（7）十字路口交通燈實驗：按照時間控制原則，利用并行接口和定時器，采用時間中斷方式設計一套十字路口的交通燈管理系統，可用流水燈模擬路口交通燈。

（8）步進電機實驗：通過按鍵實現步進電機正轉和反轉控制及其速度的控制，同時實現步數的控制，可以通過按鍵實現速度的控制。

4 部分實驗項目的仿真結果

4.1 溫度控制器實驗的仿真結果

溫度控制器實驗的仿真結果如圖2所示。LCD1602液晶顯示器顯示了當前DS18B20采集的溫度值。溫度數據送單片機處理，由液晶LCD1602實時顯示溫度值為28°。

圖2 溫度控制器實驗仿真結果圖

4.2 實時時鐘編程實驗的仿真結果

實時時鐘編程實驗的仿真結果如圖3所示，液晶顯示器顯示了時鐘的年、月、日、時、分、秒。DS1302時鐘芯片的數據能夠由單片機處理，并由液晶LCD1602實時顯示。同時，可通過按鍵進行相應調節。

圖3 實時時鐘編程實驗仿真結果圖

5 小結

本文以AT89C51單片機為核心，設計了一款單片機綜合性實驗電路板，主要設計了單片機綜合實驗電路板的原理圖，并對各功能模塊進行了硬件設計和介紹，列舉了實驗開發板能進行的實驗項目，并結合PROTEUS和Keil軟件對各功能模塊進行了仿真，仿真結果較準確。

［1］ 謝維成，楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計［M］.北京：清華大學出版社.，2009.

［2］ 樓然苗.單片機課程設計指導［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［3］ 張永楓.單片機應用實訓教程［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2005.

［4］ 郭天祥.51單片機C語言教程［M］.北京：電子工業出版社，2010.