基于立創EDA的STC89C52單片機學習板設計與實現

位磊 劉怡 鐘彪 杜康 張潮 李子都

摘要：文章用國產EDA軟件設計并制作出一款以STC89C52為核心、適用于高校實踐教學的單片機學習開發板。文華學院作為應用型本科院校，越來越重視實踐教學改革方面的開發與探索，而單片機學習板是信息類專業學生及電子初學者必備的學習工具，結合實驗室的實際實驗教學需求，以提倡國產軟件，培養工程意識為宗旨，設計并實現了該款滿足個性化實踐教學的51系列多功能單片機實驗開發板。

關鍵詞：立創EDA；stc89c52；學習板；單片機；個性化實驗教學

中圖分類號：TP75? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0076-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著物聯網技術的發展，單片機在智能儀表、通訊設備、導航系統、家用電器等方面的使用更加廣泛。單片機原理與應用實驗、單片機課程設計等實踐課程也成為很多高校的電子信息工程、物聯網、通信工程等專業學生在校學習期間必須完成的一項重要的動手實踐活動。單片機學習板作為課程的核心必不可少，自制實驗工具是個性化實踐教學的根基。

常見的印制線路板開發軟件有Altium Designer、PADS、Cadence Allegro等，此類軟件功能較為全面，知識點繁多，并不適合在課時有限的電子工藝類課程中開展講解[1]。針對這一現實問題，文華學院實驗室嘗試將國產立創EDA軟件投入到實踐教學中，在提高教學質量的同時，也使學生能夠掌握對于國產EDA軟件的使用。目前，該款EDA軟件在國內已超過500所高校正在使用[2]。

2 立創EDA介紹

立創EDA是2017年深圳嘉立創公司研發的一款具有獨立知識產權的國產電子仿真EDA工具，軟件支持在線設計電路原理圖和生產PCB印制電路板文件，設計過程中的文件可以實時上傳到云端，不必擔心文件的丟失與實訓時間的間斷[3]。

2.1高度的便捷性

立創EDA是開源軟件，支持下載安裝使用，也可以在線設計。在線設計是基于瀏覽器的EDA，不配置不下載，線上編輯器就能使用該軟件，并且有斷網編輯功能，設計者也不必擔心斷網而影響使用。

2.2豐富的元件庫[4]

立創EDA有基礎庫和元件庫兩個庫文件。基礎庫包含了常見的元件及對應的封裝，而元件庫最大的優點是共享，不同的設計者創建的原理圖元件和 PCB 封裝都可以選擇共享在這個軟件，元件庫里包含了百萬級別的元件及對應的封裝[5]。

2.3一站式服務

立創EDA有仿真和標準兩種工作模式，可以自由切換，標準模式如圖1所示。

這種一站式的使用體驗，大大節省了不必要的非專業工作，非常有利于學生利用課余時間完成自己感興趣的科研項目研發。立創EDA不僅是一個系統性的項目管理與設計平臺，還是一個良好的學習資源分享平臺。

2.4人性化設計

立創EDA軟件操作靈活，學生可以在2個學時課堂內快速上手開發，電子設計項目開發周期縮短。不僅針對學時有限的電子工藝類課程、課程設計、實訓，而且在開放式、個性化實踐教學的學科競賽、電子產品研發中發揮重要作用。立創 EDA 還特有一個專門面向高校教師的教育版，教師利用教育版可以組建班級，快捷地對學生進行管理。

3 系統需求分析

STC89C52單片機學習板系統需求主要內容包括兩個方面。

1）總體設計思路與功能要求，根據系統需求分析確定單片機學習開發所要達到的目的，不僅是要增強學生動手能力，還可以讓學生系統地學習單片機設計開發知識，并且根據課程教學計劃來對實驗平臺所需要的各項功能進行分析和規劃，明確實驗訓平臺所需要的主要芯片類型，下載方式，功能模塊，編程方法等。

2）學習板的硬件設計，該單片學習開發板是以STC公司的STC89C52單片機為核心，最大限度利用其片上資源，并在外圍配置LED燈、數碼管、蜂鳴器、矩陣按鍵、DS18B20等多個模塊。本開發板不僅可以完成單片機課程的實驗教學，同時學生可以利用開發板完成單片機相關項目的開發，在實際應用中，通過開發板實現單片機項目化教學，提高了學生學習單片機的興趣。

4 總體設計思路與功能要求

4.1設計思路

設計制作一款單片機學習開發板，首先要明確它是用來做什么的，要實現一個怎么樣功能，達到怎么樣的效果，需要考慮的因素有如下3個方面。

1）學習板設計，不僅滿足單片機理論課內實驗教學中的要求，而且要滿足學生課外的個性化實踐學習需求。并且進行單片機開發板實驗在增強學生動手能力的同時，也能讓學生更系統地學習單片機設計開發知識，并讓學生掌握軟件編程的技巧。

2）考慮到眾多的電子器件都在往更小、更快、更便捷發展，所以學習板的體積要小、實現串口下載和USB下載供電一體化，有電腦即可學習。

3）各功能模塊之間布置合理，直觀明了，方便學生觀察實驗現象，提升課堂教學效果。

該學習板的硬件組成，如圖2所示。

4.2功能要求

依據文華學院信息科學與技術學部實驗室的單片機教學計劃，開發板核心控制元件采用由經典的MCS—51核心的STC89C52單片機，該芯片的速度是普通51單片機速度的8～12倍。對于程序的下載，選用了當前比較主流的且成本較低的USB轉串口下載方式，一臺電腦、一根USB線即可完成程序的下載，更加便捷。

該款單片機學習板功能模塊包括：繼電器、蜂鳴器、8個LED燈、矩陣鍵盤、4個獨立按鍵、2個四位一體數碼管、CH340B下載電路、復位、時鐘源等基本模塊。此外，還加入了紅外接收、超聲波、DS18B20溫度傳感器模塊，可供有個性化教學需求的學生去做拓展學習。

5 硬件電路設計

在設計和制作的過程中，首先是由復位電路和晶振電路及單片機構成的最小系統。單片機學習板最小系統如圖3所示[6]。

單片機開發板的制作涉及單片機最小系統、指示模塊、電源模塊、輸入模塊和擴展模塊。指示模塊由8個共陽極LED燈，兩個四位一體共陰極數碼管和蜂鳴器、繼電器構成。電源模塊由CH340 USB總線轉接芯片構成，實現USB轉串口并為單片機供電。輸入模塊由4×4矩陣按鍵構成，可通過跳冒與獨立按鍵之間進行切換。擴展模塊由DS18B20溫度傳感器構成。

以單片機最小系統為中心，繪制各功能模塊的原理圖，將各部分模塊拼接起來即可完成整體搭建，單片機學習板電路原理圖如圖4所示。

6 印制電路板組裝

采用立創EDA教學版繪制原理圖后，檢查核對電路的合理性，正確性，電氣特性。結合元件尺寸，給每個元件設置好封裝類型；使用軟件自動布線生成PCB板。檢查封裝元件布局有無缺陷，注意考慮如下4個因素。

1）濾波電容需要放置在盡量靠近被濾波的對象處；

2）晶振應該放置在盡量靠近芯片晶振引腳處，且晶振中間不能走線，比如濾波電容就應該放在相應的芯片附近；

3）相鄰兩層的走線不要重合；

4）完整具有實際使用價值的PCB是需要符合相應的PCB規則的，這些規則就是設計要求。

單片機學習板最終PCB板封裝面、元件焊接孔、焊接面，如圖5～圖7所示。

根據電路原理圖、PCB圖裝配圖導出材料清單表，采購對應的元器件。并將元件有序地安裝、焊接到PCB板上，安裝與焊接過程中注意以下細則：

1）引腳加工尺寸及成形應符合裝配工藝要求；

2）元件高度及字符方向應符合工藝要求；

3）元件安裝橫平豎直；

4）焊點大小適中，無漏、假、虛、連焊，焊點光滑、圓潤、干凈，無毛刺；

5）焊盤不應脫落；

6）修腳長度適當，一致，美觀；

7）元器件安裝牢固，排列整齊；

8）無燙傷和劃傷，整機清潔無污物見成品，如圖8～圖9所示。

7 學習板的測試

使用USB2.0數據線連接至電腦，安裝USB轉串口CH340驅動，采用stc-isp-15xx-v6.86r下載軟件可燒錄程序，即可測試開發板功能。以中斷實驗為例對組裝好的學習板進行功能測試。測試實驗項目是“使用外部中斷來控制LED燈的亮滅”。

由開發板原理圖如圖4所示可看出，外部中斷接在單片機的P3.2和P3.3引腳，而這兩個引腳又與獨立按鍵S9和S13相連，所以使用這兩個按鍵其中的一個作為觸發源，利用Keil軟件編輯好測試程序。

測試程序如下：

/**/

#include

sbit p2_0=P2^0;

void exti0_init（void）

{

IT0=1;//跳變沿觸發方式（下降沿）

EX0=1;//打開 INT0 的中斷允許

EA=1;//打開總中斷

}

void main（）

{

exti0_init（）;

while（1）

{

}

}

void LED_control（） interrupt 0

{

p2_0=～p2_0;

}

用USB線將開發板和電腦連接成功后，把編譯后?產生的.hex文件通過stc-isp下載軟件燒入到芯片內；實現現象為按鍵獨立按鍵S9即可實現LED2狀態的翻轉，測試成功，現象如圖10所示。

8 結束語

以文華學院信息科學與技術學部實驗室實踐教學需求為背景，使用國產立創EDA軟件，圍繞實踐項目內容為導向的設計思路，設計與制作了一款教學型單片機學習板，能夠滿足初學者基本需要。

下一階段，將在該學習板基礎上做擴展模塊，如電機驅動、撥動開關，揚聲器、存儲芯片、AD/DA等模塊。同時，增加USB、RS232接口、Wi-Fi接口及2.5G無線接口。這一列的過程都是不斷地完善和落實通訊的應用，保障整體的功能，為物聯網的廣泛應用做好技術儲備[7]。以此滿足大三、大四學生做課程設計和畢業設計的功能需要，有利于學生在本科期間對單片機的理論，有利于實踐知識有更深層次的理解，有利于個性化實踐教學項目的開展。

參考文獻：

[1] 龍順宇，楊偉，鄺國旺，等.立創EDA軟件在電子工藝課程BJT共射放大電路實訓中的應用[J].電子制作，2019（21）：74-76.

[2] 楊蕊.工程教育專業認證目標下的電子類課程教學質量研究——基于中外電子仿真軟件的比較[J].電子制作，2021（24）：61-63.

[3] 楊偉，龍順宇，鄺國旺，等.立創EDA教育版軟件在電子信息類課程實訓中的應用[J].電子測試，2019（23）：119-120，126.

[4] 葉成彬，陳賢鈺，陳凌峰.立創EDA在高校電子類創新實驗室的應用[J].微型電腦應用，2022，38（1）：164-166，177.

[5] 權海平.巧用立創EDA軟件和Altium Designer軟件設計電路[J].電子制作，2019（24）：26-28.

[6] 李群芳，肖看，關新，等.單片機微型計算機與接口技術[M].5版.北京：電子工業出版社，2015（10）.

[7] 程鵬飛.淺析單片機開發板的設計與制作[J].電子測試，2019（1）：33-34.

【通聯編輯：謝媛媛】