基于51單片機的口袋式實驗平臺的硬件設計與實現

叢玉華 朱惠娟 田文俊 金文璐

摘要：51單片機課程為很多工科專業的基礎課程，為提高教學質量，加強學生動手實踐能力，首先對課程內容進行選擇并優化組織，然后根據授課內容設計一套適用于51單片機的硬件平臺。硬件平臺主要包括：單片機最小系統及程序下載模塊、輸入與顯示模塊、系統擴展模塊、AD和DA模塊。本硬件平臺具注重基礎，有針對性、操作靈活，輕巧便攜。

關鍵詞：51單片機;實驗平臺;硬件設計

中圖分類號：TN99 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）12-0153-03

0 引言

51系列單片機是目前應用非常廣泛的一類微處理器，價格低廉功能強大。主要應用領域有：智能化家用電器，辦公自動化設備，商業營銷設備，工業自動化控制，智能化儀表，智能化通信產品，汽車電子產品，航空航天系統和國防軍事、尖端武器等領域。為此，51單片機作為8位微控制器，一直是高校自動化相關專業學生學習嵌入式知識體系的基礎課程，也是對實踐要求較高的應用型課程。為提高學生的理論聯系實際的能力，加強學生實踐內容的學習。本文將設計一款適用于學生學習的輕型實驗平臺，一方面根據具體教學內容量身設計更有針對性，另一方面平臺小巧便攜可隨時進行實踐操練。

1 授課內容選擇

51單片機的授課內容主要分四部分：分別是片內基礎部件、輸入與顯示、系統擴展以及AD和DA。下面是具體內容：

1.1 片內基礎部件

51單片機片內基礎部件包括：51單片機的內核，即單片機的CPU部件;內存部件，即片內的程序存儲器ROM和片內的數據存儲器RAM;I/O端口，即基本輸入輸出口;Timer部件，即定時/計數器;中斷控制器，即管理5個中斷源的控制部件;RS-232通信控制器，即串行通信控制器。在上述基本部件里，需要實踐應用的是I/O端口，Timer部件，中斷控制器和RS-232串口通信部件。

1.2 輸入與顯示

輸入主要指外部輸入設備提供輸入信號，單片機I/O口采集輸入信號并進行處理的功能。輸入部分主要學習的是按鍵，包括獨立按鍵和矩陣按鍵。顯示主要指單片機輸出顯示信息，通過顯示設備進行顯示的功能，顯示學習的主要內容是：數碼管（靜態數碼管和動態數碼管），LCD1602液晶顯示器。

1.3 系統擴展

51單片機在與外設進行接口設計時，隨著外設部件的增加，需要對系統資源進行優化，并根據情況進行資源的擴展，擴展主要分兩種類型：并行擴展和串行擴展，其中并行擴展包括簡單的并行擴展（比如存儲器擴展/鎖存器擴展）和智能擴展（比如對I/O口進行擴展的8155芯片）;串行擴展主要選擇IIC總線擴展以具有IIC總線的AT24C02芯片為例。

1.4 AD和DA

AD（模數轉換）和DA（數模轉換），這兩個部分是自動控制系統中前向通道和后向通道中常用的模塊，其中AD模塊主要負責將采集到的模擬信號先經過轉化變成數字信號后傳輸給單片機進行處理，DA（數模轉換）是將單片機輸出的數字信號先轉化成模擬量后輸送給外部模擬電路。51單片機內部不具備該功能，所以由相應的芯片實現，AD（模數轉換）選用0808芯片，DA（數模轉換）選用0832芯片。

2 實驗平臺硬件設計

實驗平臺根據課程具體內容進行詳細設計，上述授課內容，實驗平臺可以包括以下幾個模塊。

2.1 單片機最小系統及程序下載模塊

單片機最小系統由單片機、復位電路、振蕩電路構成，是單片機系統可以工作的最小硬件條件。單片機最小系統的電路設計如圖1、圖2和圖3所示。圖3復位電路采用按鍵復位的形式;能產生大小和方向都隨周期發生變化電流的電路稱為振蕩電路如圖2所示，這里采用外部晶振形式，晶振大小選擇12MHZ。

供電及程序下載模塊如圖4所示，選擇USB口進行供電和程序下載，單片機只有串口控制器，所以通信時選擇串口轉USB芯片CH341。在異步串口方式下，CH341提供串口發送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號以及常用的MODEM聯絡信號，用于將普通的串口設備直接升級到USB總線。

2.2 輸入與顯示模塊

2.2.1 按鍵模塊

按鍵設計將獨立按鍵與矩陣按鍵制作在同一套電路里如圖5所示，在Change部分通過短路帽將2、3相連則S4～S7為獨立按鍵，將1、2相連則S4～S19為矩陣按鍵。

2.2.2 數碼管與LCD

數碼管分為靜態數碼管（采用共陽極數碼管）和動態數碼管（采用4位的共陰極數碼管）兩種。其中靜態數碼管如圖6所示，動態數碼管如圖7所示。

液晶顯示器選擇 LCD1602 ，LCD1602是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制來顯示圖形，能夠同時顯示16（個）*2（行）即32個字符。LCD1602引腳圖如圖8所示。接口電路如圖9所示。

2.3 系統擴展模塊

2.3.1 并行擴展

8155芯片是一種可編程的RAM/IO擴展器，其功能可由單片機的指令來改變。8155片內有3個可編程并行I/O接口，有256B的SRAM和一個14位定時/計數器，可用作單片機的外部擴展接口與鍵盤、顯示器等外圍設備連接。其接口電路設計如圖10所示。

2.3.2 串行擴展

IIC總線是一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。是一種常用的芯片級通信形式，很大程度上可節省微控制器的端口資源。AT24C02是一個2K位串行CMOS E2PROM，內部含有256個8位字節，有一個16字節頁寫緩沖器。該器件通過IIC總線接口進行操作。其接口電路設計如圖11所示。

2.4 AD和DA模塊

2.4.1 AD模塊

ADC0808是8位的逐次逼近型A/D 轉換器，具有8 路多路開關，控制邏輯可與單片機兼容。ADC0808芯片的接口電路如圖12所示。

2.4.2 DA模塊

DAC0832是8位的D/A轉換器。由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。控制邏輯與單片機完全兼容。ADC0808芯片的接口電路如圖13所示。

3 結語

本實驗平臺已通過硬件測試，可承載的實驗內容有：定時器及中斷控制器的應用、數碼管及LCD的顯示、按鍵輸入、并行口的擴展、串行IIC總線及AT24C02的應用、AD轉換及DA 轉換的應用、綜合控制系統的應用。平臺每個模塊都是開放的，實驗時接口需要自己設計接線，比較靈活，平臺尺寸較小，可便攜在任何場所都可以進行實驗。

參考文獻

[1]閆玉德，俞虹.MCS-51單片機原理與應用（C語言版）[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]郭天祥.新概念51單片機C語言教程——入門、提高、開發、拓展全攻略（第2版）[M]. 北京：電子工業出版社，2018.

Hardware Design and Implementation of? Pocket-type Experimental Platform Based on 51 Single Chip Microcomputer

CONG Yu-hua，ZHU Hui-juan，TIAN Wen-jun，JIN Wen-lu

（Nanjing University of Science and Technology ZiJin College，Nanjing Jiangsu210046）

Abstract：Course of 51 Single Chip Microcomputer is a basic course for many engineering majors. In order to improve the teaching quality and strengthen students' practical ability. First of all， the course content is selected and optimized. Then， according to the teaching content， a set of hardware platform suitable for 51 Single Chip Microcomputer is designed. The hardware platform mainly includes： minimum system and program download module， input and display module， system expansion module，AD and DA modules. The hardware platform has a focus on the foundation， targeted， flexible operation， lightweight and portable.

Key words：51 single ship computer; experimental platform;hardware design