單片機(jī)綜合性實(shí)驗(yàn)電路板的設(shè)計(jì)?

彭建英，彭光含，曾志剛

（湖南文理學(xué)院，湖南 常德 415000）

0 引言

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)電路板，無論對單片機(jī)初學(xué)人員還是開發(fā)人員都具有十分重要的意義，初學(xué)人員可以利用實(shí)驗(yàn)電路板逐漸了解單片機(jī)的設(shè)計(jì)原理與功能，開發(fā)人員可以進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制。利用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)電路板，能夠讓初學(xué)者迅速掌握單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)與實(shí)際要求。學(xué)生及單片機(jī)愛好者可以根據(jù)自己的愛好興趣，結(jié)合實(shí)驗(yàn)電路板的各功能模塊，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)作品，從而提高學(xué)生的動手能力和綜合設(shè)計(jì)能力。

1 實(shí)驗(yàn)電路板設(shè)計(jì)原理

本實(shí)驗(yàn)板可分為多個(gè)子模塊，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、鍵盤模塊、A／D模塊、D／A模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、測溫模塊、串口通信模塊、電機(jī)模塊、紅外發(fā)送接收模塊、LCD1602液晶模塊、流水燈模塊和蜂鳴器模塊。實(shí)驗(yàn)電路板設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 電路板設(shè)計(jì)原理框圖

2 各硬件模塊的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

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

2.2 A／D模塊

轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809適用于8路模擬信號的分時(shí)采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)以及相應(yīng)的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs左右，A／D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A／D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后才能進(jìn)行傳送，為此可采用下述3種方式，分別為定時(shí)方式、查詢方式和中斷方式。

2.3 D／A模塊

D／A轉(zhuǎn)換器品種繁多，如有權(quán)電阻DAC、變形權(quán)電阻DAC、T型電阻DAC、電容型DAC和權(quán)電流DAC等。DAC0832是采樣頻率為8位的D／A轉(zhuǎn)換芯片，其集成電路內(nèi)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(zhuǎn)換等），所以該芯片的應(yīng)用很廣泛。本實(shí)驗(yàn)開發(fā)板中利用DAC0832可以實(shí)現(xiàn)各種波形的輸出。

2.4 溫控模塊

溫控模塊采用目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它采用1-wire總線接口的數(shù)字溫度傳感器，測試溫度范圍為-55℃～+125℃，精度可達(dá)0.067 5℃，最大轉(zhuǎn)換時(shí)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(shù)據(jù)過程中需要完成器件尋址（ROM匹配），以確認(rèn)是哪個(gè)從機(jī)接收數(shù)據(jù)，器件內(nèi)部ROM包含了該器件的唯一ID，對一主一從結(jié)構(gòu)，ROM匹配過程可以省略。采集的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，不需要經(jīng)過ADC的轉(zhuǎn)換［1-2］。該模塊同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)溫度的多點(diǎn)測控。

2.5 紅外模塊

紅外線遙控信息碼由AT89C51單片機(jī)的定時(shí)器1中斷產(chǎn)生38kHz紅外線方波信號，由P1.4引腳輸出，經(jīng)過三極管9013放大，由紅外線發(fā)送管發(fā)送。若改變電阻R3的大小則可以改變發(fā)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(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)終端（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）間按位串行傳輸?shù)慕涌谛畔?，合理安排了接口的電氣信號和機(jī)械要求，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。串行通信接口可與PC機(jī)超級終端進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)，也是程序下載時(shí)必需的，學(xué)生在進(jìn)行調(diào)試時(shí)，可隨時(shí)進(jìn)行程序的下載。

2.7 時(shí)鐘模塊

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷電路提供秒、分、時(shí)、日、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時(shí)鐘操作可通過AM／PM指示決定采用24h或12h格式。DS1302與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到RES復(fù)位、I／O數(shù)據(jù)線、SCLK串行時(shí)鐘3個(gè)口線。對時(shí)鐘、RAM的讀／寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的字符組方式進(jìn)行，DS1302工作時(shí)功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于1mW［4］。

2.8 電機(jī)模塊

通過對每相圈中電流的順序切換來使電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路由脈沖信號來控制，所以調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率便可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本次設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)采用直流+5V電壓，每相電流為0.3A，電機(jī)線圈由四相組成。

3 實(shí)驗(yàn)開發(fā)板可以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（1）溫度控制器實(shí)驗(yàn)：利用DS18B20設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器，在液晶顯示器上顯示溫度值，并對溫度進(jìn)行測試和設(shè)定，當(dāng)檢測溫度達(dá)到溫度上限時(shí)開風(fēng)扇（即開啟電動機(jī)），低于下限時(shí)關(guān)閉風(fēng)扇并加熱，LED上顯示十進(jìn)制溫度值。

（2）實(shí)時(shí)時(shí)鐘編程實(shí)驗(yàn)：可以在液晶顯示屏上顯示年、月、日、時(shí)、分、秒，可以對時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，24h實(shí)現(xiàn)多次定時(shí)功能。

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

（4）函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)：利用D／A設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)發(fā)生器，并利用按鍵選擇輸出波形，能分別產(chǎn)生三角波、階梯波（每階梯1V）、正向鋸齒波、負(fù)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(shí)驗(yàn)：能與PC機(jī)通信，在PC機(jī)的超級終端上顯示中文字符或其他字符，能用PC機(jī)發(fā)命令控制單片機(jī)功能操作。

（6）音樂編程實(shí)驗(yàn)：能用蜂鳴器演奏自編歌曲。

（7）十字路口交通燈實(shí)驗(yàn)：按照時(shí)間控制原則，利用并行接口和定時(shí)器，采用時(shí)間中斷方式設(shè)計(jì)一套十字路口的交通燈管理系統(tǒng)，可用流水燈模擬路口交通燈。

（8）步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)：通過按鍵實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制及其速度的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)步數(shù)的控制，可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)速度的控制。

4 部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的仿真結(jié)果

4.1 溫度控制器實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果

溫度控制器實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果如圖2所示。LCD1602液晶顯示器顯示了當(dāng)前DS18B20采集的溫度值。溫度數(shù)據(jù)送單片機(jī)處理，由液晶LCD1602實(shí)時(shí)顯示溫度值為28°。

圖2 溫度控制器實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果圖

4.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘編程實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果

實(shí)時(shí)時(shí)鐘編程實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果如圖3所示，液晶顯示器顯示了時(shí)鐘的年、月、日、時(shí)、分、秒。DS1302時(shí)鐘芯片的數(shù)據(jù)能夠由單片機(jī)處理，并由液晶LCD1602實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，可通過按鍵進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘編程實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果圖

5 小結(jié)

本文以AT89C51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一款單片機(jī)綜合性實(shí)驗(yàn)電路板，主要設(shè)計(jì)了單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)電路板的原理圖，并對各功能模塊進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和介紹，列舉了實(shí)驗(yàn)開發(fā)板能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并結(jié)合PROTEUS和Keil軟件對各功能模塊進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果較準(zhǔn)確。

［1］ 謝維成，楊加國.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社.，2009.

［2］ 樓然苗.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［3］ 張永楓.單片機(jī)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

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