多模塊單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用要求，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠支持多種不同的應(yīng)用，擴(kuò)展方便，同時(shí)能夠與多種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兼容，在日常的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和研發(fā)中應(yīng)用廣泛。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 多模塊

單片機(jī)作為一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程，平時(shí)的實(shí)驗(yàn)練習(xí)不可缺少。因此作為實(shí)驗(yàn)載體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)非常重要。常規(guī)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其功能比較單一，與別的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之間也毫無(wú)聯(lián)系，能夠完成的實(shí)驗(yàn)都是單一的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室中一般都有多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如EDA實(shí)驗(yàn)箱、模電實(shí)驗(yàn)箱、數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱、信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)箱等。如何使得單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，能夠進(jìn)行更多、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，利用更多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，多模塊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為我們指出了一種設(shè)計(jì)思路。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的條件，設(shè)計(jì)了一種模塊化的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)有的多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提高單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的靈活性和利用率。其主要模塊有電源模塊、核心模塊、功能模塊、下載模塊等，下面分別介紹。

1 電源模塊

作為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的供電部分，電源模塊非常重要，直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定，為了便于擴(kuò)展，同時(shí)方便實(shí)驗(yàn)，電源模塊采用多種方式供電。利用跳線或者開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇，其電路圖如圖1所示。利用外部供電時(shí)電源通過(guò)J1輸入，當(dāng)電壓大于5V時(shí)，一般常見(jiàn)的有9V和12V，需要將J2跳線拔掉；當(dāng)電源為5V時(shí)，將跳線閉合，直接供電。同時(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以通過(guò)USB直接供電，外部供電和USB供電的切換通過(guò)開(kāi)關(guān)S1來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保護(hù)電腦，在USB供電中增加了保險(xiǎn)絲。

2 CPU模塊

CPU模塊是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的中心，也即芯片所在的部分，為了能夠最大限度的利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的資源，本核心模塊采用鎖緊卡座設(shè)計(jì)，便于芯片的安裝與卸載，并且將卡座的40個(gè)引腳全部引出，便于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。同時(shí)設(shè)計(jì)了兩種不同的復(fù)位電路，以適應(yīng)普通的51單片機(jī)和AVR單片機(jī)，使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠支持兩種不同的單片機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，主要通過(guò)一個(gè)跳線實(shí)現(xiàn)不同的復(fù)位電平，如圖2所示?？梢酝ㄟ^(guò)跳帽來(lái)選擇51單片機(jī)的高電平復(fù)位和AVR單片機(jī)的低電平復(fù)位，而芯片本身的引腳差異可以通過(guò)一個(gè)小轉(zhuǎn)換板子來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要將I/0口對(duì)應(yīng)起來(lái)，一些功能引腳進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可，通過(guò)這種處理方式，可以在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上調(diào)試兩種不同的單片機(jī)系統(tǒng)，大大提高了外設(shè)的利用率。

3 功能模塊

作為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要作用就是用來(lái)進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，因此功能模塊的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能模塊主要由兩大部分組成:第一部分由能發(fā)光，發(fā)聲，能觸摸的組件構(gòu)成，如LED顯示、LCD顯示、數(shù)碼管、蜂鳴器、按鍵等組成；第二部分由串口、測(cè)溫芯片、PS2接口、步進(jìn)電機(jī)、繼電器、AD/DA等擴(kuò)展功能模塊組成。

3.1 基本模塊

LED顯示由8個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)光二極管組成，直接由P1口進(jìn)行控制，電路簡(jiǎn)單這里就不給出了。LCD顯示除了要能夠顯示簡(jiǎn)單的1602液晶外，還需要能夠兼容128x64液晶，因此這里利用相同的數(shù)據(jù)接口，不同的插座來(lái)滿足這個(gè)需要，如圖3所示。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，其中位選端利用74HC138譯碼器通過(guò)譯碼實(shí)現(xiàn)，段選端利用P0口連接74HC573實(shí)現(xiàn)。按鍵模塊采用鍵盤(pán)矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用P3口來(lái)驅(qū)動(dòng)。其中P3口的低四位接矩陣的行，P3口的高四位接矩陣的列，可以實(shí)現(xiàn)4X4共16個(gè)按鍵的矩陣。

3.2 擴(kuò)展模塊

擴(kuò)展部分的串口通信通過(guò)芯片MAX232來(lái)實(shí)現(xiàn)，在單片機(jī)的RXD和TXD引腳上連接了兩個(gè)發(fā)光二極管，在進(jìn)行通信是可以通過(guò)觀察LED的發(fā)光情況來(lái)判斷通信是否進(jìn)行，如圖4所示。測(cè)溫功能利用芯片DS18B20來(lái)實(shí)現(xiàn)，此芯片連接非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)引腳就可以控制，如圖5所示。

步進(jìn)電機(jī)和繼電器的驅(qū)動(dòng)需要較大的電流，直接用單片機(jī)的引腳無(wú)法驅(qū)動(dòng)，這里采用ULN2003這個(gè)芯片，電路連接見(jiàn)圖6。需要注意的是，P0口驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須接上拉電阻，否則驅(qū)動(dòng)會(huì)有問(wèn)題。

AD/DA采集模塊采用PCF8591來(lái)實(shí)現(xiàn)，PCF8591是一款單電源、低功耗8位COMS型A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片，其正常工作電源電壓范圍為2.5V~6V；通過(guò)I2C總線完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出；4路模擬量輸入可編程為單端輸入或差分輸入；可配置轉(zhuǎn)換通道號(hào)自動(dòng)增加功能；8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換；帶有一路模擬量輸出的乘法D/A轉(zhuǎn)換，限于篇幅電路圖就不給出了。

4 下載調(diào)試模塊

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要不斷進(jìn)行程序調(diào)試和下載，為了方便實(shí)驗(yàn)，也為了防止下載電纜的丟失和損壞，將下載模塊集成到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上。在實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要一根USB連接線就可以連接到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行供電和下載。下載調(diào)試模塊利用ATMega8芯片，模擬USB接口可以對(duì)常見(jiàn)的AT89S51，AT89S52，以及AVR芯片進(jìn)行下載。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在日常的實(shí)驗(yàn)中，不但可以單獨(dú)作為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)使用，因?yàn)楦鱾€(gè)模塊的獨(dú)立性，還可以與別的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如PLD，模電、數(shù)電等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，而且每個(gè)模塊是可以獨(dú)立分開(kāi)的，便于后續(xù)的開(kāi)發(fā)和修改.經(jīng)實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值，在日常的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒應(yīng)全，劉建成.模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版.2010，2(2):185-189.

[2]陳鑒富.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備.2008，3:90-92.

[3]李丹峰，龍迎春.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2000，5：84-86.

江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目，課題編號(hào)2010133.

作者簡(jiǎn)介:

董李江(1981-)，江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，工程技術(shù)學(xué)院，講師，工學(xué)碩士，主要研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其應(yīng)用。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文