基于STC15系列的多功能單片機開發板

孫嵐嵐 姚世豪 王瑤 高利杰 范忠良

摘要：為了適應現代化單片機學習者、單片機產品開發者，在單片機學習、工作的需求，實現“產-學-研”無縫銜接。文章提出了一種多功能、兼容性更強、低成本單片機開發板設計方案。本設計方案支持STC15全系列直插系列機，該系列單片機自帶仿真器、具備超強抗干擾無法解密技術、不需要外部晶振和外部復位電路、4路串口通信、10位高速A/D轉換器，超低功耗等特點。與市面上現有的51系列單片機開發板相比較，更加符合現階段及未來市場的使用需求，更適合用戶學習和研發工作。

關鍵詞;單片機;晶振;復位電路;串口通信

中圖分類號：TP368.2文獻標志碼：A

0 引言

單片機應用技術已經逐漸成為了硬件設計以及工程開發人員研究的熱點，單片機最早可追溯于微處理器（Microprocessor Unit，MPU）與超大規模集成電路。隨著單片機技術的發展，現已應用于多領域，如：兒童玩具、家電設備、工業制造、航天航空等。51單片機技術2自發展以來已有30年歷史，傳統的89C51系列已不能滿足技術生產需求;而且市面上現有的單片機開發板種類繁多，大多單片機固定在開發板上，且存在不易拆卸、替換等問題。為了滿足當代單片機開發者的學習、工作的需要，實現“產-學-研”無縫銜接。文章設計了一種多功能的STC15系列單片機開發板，兼容性更強，符合現階段市場及未來市場的使用。

1開發板設計

文章提出的多功能單片機開發板支持新型STC15全系列直插單片機，支持藍牙模塊、WIFI模塊、超聲波模塊等多種外設，如：LCD12864，LCD1602。各模塊之間增加跳線帽，可以有效避免信號干擾和失真。其中功能模塊包含了數碼管顯示電路、全彩LED燈點亮、按鍵控制電路、單片機程燒寫電路、紅外接收電路、溫度采集電路、2.4G無線接口、藍牙模塊接口等。

2系統硬件設計

2.1單片機程燒寫電路

開發板設計了多種供電接口：TYPE-C接口和多功能USB接口;其中，USB接口可以提供下載以及供電服務，支持電壓5V與3.3V的自由切換，便于開發者低電壓供電，進行超低功耗的學習和開發。電路中設置有自恢復型過流保護器件，和一個低漏失電壓調整器。市場上現有的開發板多以老舊的DC口設計，本設計使用TYPE-C接口獨立供電，學習者可以直接使用充電寶和TYPE-C線實現供電。

2.2顯示電路

8路獨立的LED燈、全彩LED燈、數碼省顯示電路以及蜂鳴器等電路。

2.2.1LED顯示電路

LED顯示電路由8個獨立的發光二極管組成，發光二極管串聯電阻與跳線帽后連接電源，指示燈LED信號由電源提供，形成共陽極電路，以減小單片機的電流輸出，可以讓單片機的電流輸出主要用于工作其他的電路。電源接通后，單片機引腳輸出低電平時，發光二極管有電流通過，此時二極管點亮，如圖1所示。

LED電路設計方案使用IAP15系列單片機的PO口，STC15系列單片機所有I/O口均可由軟件配置成4種工作類型之一。4種類型分別為：準雙向I/0口，其中弱上拉模式支持傳統的8051單片機輸出模式、引腳支持強上拉的推挽輸出，僅高阻態的輸入功能、以及開漏輸出。STC15系列單片機每個I/O引腳的工作類型均有兩個控制寄存器進行配置。

STC15F系列單片機的所有輸入輸出引腳，上電復位之后均為兼容傳統8051單片機的弱上拉（準雙向I/0口模式）。每個引腳的電流輸出可達20mA，PDIP40引腳以上封裝的單片機芯片最大工作電流不能超過120mA，SKDIP20封裝以上及PDIP32封裝以下的單片機整個芯片最大電流為90mA。

2.2.2全彩LED燈電路

因本系列單片機總計多達6路的增強型PWM輸出的端口P3.7/PWM2、P3.6/PWM3，故本開發板全彩LED一端通過電阻與STC15系列單片機的P35、P36、P37引腳鏈接。使學習者不僅可是使用本全彩LED做交通燈實驗，也可以學習STC15系列單片機內部PWM模塊，使用硬件模擬呼吸燈效果，實現全彩LED效果。

STC15W系列型號的單片機，PWM輸出相關引腳上電復位后默認為開啟的高阻輸入模式，若用戶需要對LED直接操作（使其能對外做普通的I/O輸出），至直接通過程序配置為弱上拉的準雙向口或者是強推挽輸出模式即可。因此用戶需要再進入功能程序之前中將這些端口初始化為自己需求的（比如：準雙向口、強推挽模式）。

本開發板共陽極電路設計方案，全彩LED燈另一端連接電源，當電源輸出高電平時，全彩LED燈點亮。以便于減小單片機的電流輸出，是單片機的電流輸出更加高效率的用于其他的工作電路。

2.2.3數碼管顯示電路

本設計中電路采用四位一體的共陽極數碼管，電源通過退耦電路接入，通過PNP三極管驅動分別于數碼顯示管、單片機引腳相連完成相應的功能顯示。

四位一體的共陽極數碼管的設計（如圖2La）所示），由于STC15系列單片機的P4組口，并沒有提供全8位I/0，故本設計其中四位數碼管的位選段端口分別由P41、P42、P44、P45進行控制，方便學習者無論是靜態數碼管亦或者是動態數碼管的學習的程序操作。

由于數碼管采用共陽極設計，數碼管動態工作所需電流較大。但是單片機的I/O口不足以提供充足的電流啟動數碼管顯示功能，或者是顯示亮度效果較弱，故本開發板數碼管的位選控制端，采用單片機的I/O口控制一個PNP三極管S8550的飽和截止狀態，來控制數碼管的位選狀態，實現了數碼管良好的動態掃描以及顯示效果[5]。

本開發板數碼管段選端設計使用單片機的P2組I/0口整體進行控制，方便學習者實用程序直接操控數碼管進行段選顯示。

2.2.4液晶顯示電路

液晶顯示電路設計（如圖2（b）所示）有LCD1602顯示屏和采用8位并行的接口方式LCD12864液晶顯示屏。通過電壓控制顯示界面，主要借助溫濕度傳感器接口鏈接相應的設備，在同一時間段內，測試環境中的溫濕度數量值在顯示屏上最高可以顯示32字符。

2.3蜂鳴器電路

蜂鳴器電路（如圖3（a）所示）由電源、蜂鳴器、PNP三極管、電阻以及跳線帽等元件構成，三極管的發射極連接電源，基極通過電阻、跳線帽與單片機引腳相連，集電極連接蜂鳴器，形成了無源蜂鳴器驅動電路。

當基極電壓比發射極電壓低0.7V的時候，三極管被打開，電流從發射極流向集電極[7]。當發射極與基極之間的正向壓差不足0.7V的時候，PNP三極管處于截止狀態，發射極與集電極之間不導通。因此，把PNP三極管的基極通過電阻經過跳線連接在單片機引腳上，當引腳輸出高電平時，三極管截止;當引腳輸出低電平時，三極管被打開。

控制蜂鳴器的PCP三極管的基極，為了充分利用STC15系列單片機的I/O口資源，本設計控制引腳使用單片機的P54引腳進行控制。STC15系列單片機的P54引腳是為了兼容傳統的89C52單片機，可以由用戶設定為復位按鍵引腳。

2.4按鍵控制電路

按鍵控制電路（如圖3（b）所示）設計有4位用戶按鍵和1個獨立復位按鍵;其中1位獨立按鍵，使用STC15單片機的P54引腳，由于采用跳線帽式分離設計復位按鍵，P54引腳在本開發板上屬于復用引腳，用戶可以自行選擇使用復位按鍵，還是使用蜂鳴器。這樣在SCT15系列單片機軟件復位功能的前提下，使開發板同時具備了軟件和硬件兩種復位方式。

4個獨立按鍵基本實現電路控制功能，采用STC15系列單片機的P30/P31/P32/P33引腳，其中P32引腳、P33引腳為STC15系列單片機支持的外部中斷引腳，學習者可以使用按鍵的功能學習中斷系統及外部中斷的功能。當按鍵按下時，若單片機引腳輸出為高電平，則電路導通;否則處于截止狀態。

3結論

本單片機開發板在核心控制器的基礎上，對外圍電路進行了設計，包括按鍵電路、蜂鳴電路和顯示電路等部分，實現了程序下載以及相關調試;并且將它們集成到一塊小板子上，可直接插在PC機上下載程序，便于攜帶與學習;另外一些中小型項目也可直接對該開發板進行二次開發，可以極大地節省開發成本，縮短研發周期。由于篇幅問題，很多功能未展示。總之，本開發板操作簡單，靈活性更強，具有一定的使用價值和現實意義。

參考文獻：

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[7]清華大學電子學教研組，童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.