基于ISP下载的简约型51单片机实验板设计

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    Design  of  roughly type 51 Single-Chip Microcomputer  experiment plank based on  ISP
摘要：本实验板采用具有ISP下载功能的飞利浦P89C51RA2BXX单片机作为核心，利用了当前最流行的一些新器件构成最小系统。整个实验板体现了结构简洁明了，功能新颖实用的优点。与市面上流行的实验板相比，又有性价比高、简单易用的优点。整个实验板包含了模拟量输入、开关量输入、人机交互、ISP下载、供电模块电路、开关量输出、模拟量输出等模块，可以完成单片机的大部分功能。
关键词：ISP  最小系统  简约型实验板
Abstract: This experiment plank adoption has  Single-Chip Microcomputer conduct and actions core in Philip's P89C51RA2BXX that ISP download function, Made use of the front most popular of the some new machine piece constitutes the minimum system. Whole experiment plank now construction roughly  understands, novel and practical advantage in function.Ascend with the market the experiment plank that spread compare,   The function price ratio is high ,in brief and easily the advantage that use.Whole experiment plank included the  Analog input  , Switch input  , Person and machine interactive,  ISP downloads, Power supply mold , Switch output  ,  Analog output. A big and parts of functions for, can completing Single-Chip Microcomputer  .
Key words: ISP; Minimum system; Roughly type experiment plank
0  引言
现在市面上通用的51内核单片机主要有ATMEL公司的AT89S51、AT89S52系列，飞利浦公司的P89C51RXX系列和P89LPC900系列。其中AT公司的52系列是51系列的增强版本，飞利浦公司的P89C51RXX系列的内部功能跟AT89S51基本相同，都是增强型51内核。通过比较选择飞利浦公司的P89C51RA2BN单片机，该单片机内部有8K的FLASH ROM程序存储器，可以满足大部分的实验和小系统设计。而且该单片机跟AT89S52相比，还有内部PCA（可编程计数器阵列），和512字节的数据存储器，7个中断源和集成内部硬件看门狗。该单片机的引脚和普通51单片机完全兼容，可以做为51单片机的代换产品。另外该型号单片机的P1口还有第二功能，有12时钟和6时钟工作模式，其中6时钟工作方式的速度是普通51单片机的2倍。
一、 系统设计
本系统的设计框图如下：


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从图中可以看到，单片机和外部的复位电路、振荡电路构成了单片机工作的最小电路系统。由于P0口属于漏极开路结构，所以在P0口加了一个上拉电阻排，这样可以既用P0口来做数据口也可以用来做普通IO口。跳线J6做为ISP下载  
其中ISP下载电路的设计如下：
飞利浦P89C51RA2BN单片机通过P3.0和P3.1口（也就是串行口）下载程序到片内FLASH ROM，其电路为：



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从上面的电路图中可以看到，单片机的下载电路其实就是一个串行通信电路，这样就可以实现一个电路既用来下载程序也可以用来做串行口通信的实验，一举两得。图中的PORT1是一个USB接口插座，用其来连接一个DB9的母头到PC机串行口输出端下载程序和一个USB插头到PC机的USB接口供电。因为PC机的USB口可以提供5伏500毫安的直流电压，刚好为我们设计的单片机系统供电。
二、单元电路设计
2.1系统开关信号输入电路的设计
开关信号可以由键盘产生，也可以由方波振荡电路产生。由于一个方波振荡
也不复杂，可以由555电路构成，所以我们的实验板加上一个方波振荡电路。键盘电路因为要兼顾易用性，所以采用简单键盘电路。
方波振荡器的振荡频率大概是1000Hz左右，从NE555的3脚输出，利用这个电路可以做一个频率计的实验，通过单片机检测输出方波的频率在显示部分显示出来。简单键盘电路可以接到单片机的外部中断引脚，用来产生中断信号，可以用来做中断的实验和普通键盘程序的实验。

2.2系统模拟量输入电路的设计
模拟量输入电路可以采用并行的AD转换电路也可以采用串行的AD转换电
路，并行AD的优点就是传输速率高，一次性可以一个字节，缺点是要占用太多的IO口，而且控制信号多。串行AD刚好相反，只要很少的几个引脚就可以完成控制功能，但是传输速率较低。并行的AD可以采用ADC0809实现，该芯片可以完成8路模拟量的输入采集。
实验板串行AD转换可以使10位的单通道AD转换芯片TLC1549，使用该芯片有较高的性价比，而且使用10位的串行AD转换可以达到较高的分辩率和使用较少的I/O口的效果。
由于该型号的芯片内部有采样保持电路，所以外部电路设计简单，只需接上电源还有MCU接口的相应连线就可以正常工作，只用根控制线与MPU接口就可以控制该器件了。
2.3人机交互电路的设计
人机交互电路是单片机系统和人交换作息的一个主要通道，其中上面提到的键盘输入就是一个输入通道的人机交互电路，本节主要介绍显示部分。
根据显示的种类分有液晶显示、LED数码管显示、LED点阵显示。LED数码管显示器有显示亮度高，操作简单的特点，液晶显示器有显示内容丰富、功率低的特点。LED点阵显示则兼容了两种显示器的显示亮度高和显示内容丰富的优点。液晶显示器又分为段码和字符点阵、图形点阵等种类，各种不同种类的液晶显示器有不同的操作方法。
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2.3.1数码管显示电路的设计
本系统综合两种主流显示的特点把三种显示器都集成到实验板上。采用两个三位的LED数码管接成一个六位的LED数码管显示电路。这样设计的思想是这个实验板既可以做一般的显示电路实验，也可以做数字钟的实验（可以显示时分秒）。由于单片机的IO口输出驱动能力比较弱，所以每一位数字都采用了一个三极管9013来驱动。而且在接到P0口的那些LED数据口要在P0口加一个小阻值的电阻排，才可以让P0口输出的段码驱动数码管。
2.3.2 LED点阵电路的设计
LED点阵驱动电路的设计采用了单个16*16的LED点阵，因为LED点阵达到16*16的话就可以在点阵里面显示分辩比较高的汉字的，这样可以丰富LED的显示效果。列驱动采用了两个8位的移位寄存器74LS164接成了一个16位的移位寄存器，第一个74LS164的Q7输出接到了第二个的数据输入口，这样经过16个串行时钟周期就可以将一个16位的显示码送到了列驱动器。采用串行的目的就是一可以增大每个线的驱动能力，还有就是节省IO口。经过这样的设计之后就可以只用两个IO口就把显示码送到了列驱动器端。由于每一行有16个LED，设每个LED的驱动电流是5mA，那么最坏的情况就是一行的所有LED都亮，一共就有80mA的电流流过行驱动器的行选择端，如果不加驱动的话用TTL集成电路就无法驱动该点阵。又因为行驱动器又选择74LS164的移位方式的话，在送出显示数据后再送行选择码的时候会让相邻行的LED也会点亮，出现显示模糊的情况。所以行驱动器不用74LS164设计，在此选择两个74LS138接成一个四线译十六线的译码器来选择行。相应的行驱动电路如下图：



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从上图可以看到，两个138组成的一个4译16线译码器的输出经过一个10K的电阻接到三极管9012的基极。三极管在此做为一个开关的驱动作用，当16线译码器输出低电平时，对应的三极管会导通将电源接到点阵的输入端，若对应的列驱动器输出列是低电平时就会让行和列交叉的那个发光二极管点亮。
2.3.3 液晶显示电路的设计
液晶显示电路采用 1602字符点阵液晶显示和12864图形点阵液晶显示器。
该电路采用总线接法,这样做的好处是可以把液晶显示器当作一个外部的存储单元来操作。  RW为读写控制线，高电平是读低电平是写，RS为命令和数据控制线，高电平是命令，低电平是数据，E使能信号端，当E有一个高电平时液晶模块使能。这样要对液晶模块访问时，只要把RW、RS设置好再把数据或者命令送到外部RAM的任一个地址去就可以了，或者把外部RAM的任何地址的数读进来。因为产生一次读或者写外部RAM都会使单片机RD、WR两个引脚的其中之一产生一个低电平，经过与非门74LS00后产生一个高电平使液晶显示器使能。
12864图形点阵液晶显示器 有20个引脚，而且引脚跟1602字符液晶显示器兼容，所以驱动电路可以采用跟1602的驱动电路共用的方法。因为两个液晶显示器不同时使用，这样一来可以节省元件，二来可以减少布线的难度，又可以完成两种液晶显示器的实验。                                                                                               
2.4 开关信号输出模块的设计
2.4.1 开关信号输出控制继电器电路的设计
本设计的开关信号输出是用单片机控制一个继电器的动作,因为开关信号输出一个最普遍的应用就是继电器的控制。该部分的电路如下图所示：


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观察上图可以看到开关信号输出模块的电路图，图中的继电器是一个通用的单刀双掷开关5V继电器。其1、2脚为输入线圈，3、4脚为常开开关端，4、5脚为常闭开关端。因为继电器的吸合电流比较大，不适合直接用单片机的IO口驱动，所以设计中采用了一个三极管9012来驱动。图中的R55是三极管的基极限流电阻，可以防止Q2的电流过大。D25是一个续流二极管，可以吸收继电器线圈释放时的反向电动势。因为当继电器吸合的时候电流是从VCC经过Q2、继电器线圈到地的，D25反向截止。继电器从吸合的状态释放时，线圈会产生一个反向的电动势，此时Q2是截止的，线圈就通过D25构成回路释放能量。如果没有D25，反向的电动势有可能会使Q2击穿损坏。图中还有一个发光三极管D15，是用来指示继电器的状态的，当继电器吸合的时候电流从VCC经过Q2、R58、D15到GND，发光二极管得电发光。R58为发光二极管的限流电阻，防止发光二极管的电流过大损坏。
2.4.2 发光二极管组成的八路流水灯电路的设计
流水灯控制是单片机实验板开关信号输出控制的一个经典电路，可以通过灯的亮灭来观察单片机I/O口的状态，使实验学习更加直观。
各个发光二极管都是共阳接法的，因为51单片机的高电平输出驱动能力不强，不可以驱动一个发光二极管发光。而51单片机的低电平输出驱动能力却比较大，这由51单片机的I/O口结构决定的，所以采用共阳接法。
2.4.3 开关信号输出控制蜂鸣器电路设计
蜂鸣器作为一个发声器件,由于其控制电压低,控制简单等原因,常常用于各种电子仪器的报警信号,比如计算机主板上就有蜂鸣器提示计算机的工作状态。本实验板上的蜂鸣器采用5V的直流蜂鸣器，可以发出响亮的鸣叫声，用来做声音的实验。
2.5 模拟信号输出模块的设计
模拟信号输出就是把单片机机过的数字信号转换成模块信号输出控制外部的设备，完成这一过程的元件就是DA转换。为了保持本实验板设计思想的一致性、简化电路设计和节省IO口，还是采用串行DA转换芯片 TLC5615。它有标准的SPI接口，一个数据线DATA、一个时钟线SCLK和一个片选信号引脚CS。正是通过这个接口使该器件和单片机接口通信，所以采用串行的DA芯片可以大减少单片机IO口的使用。TLC5615的REFIN引脚是DA转换参考电压输入端，通过电阻R1和R2的分压提供参考电压。OUT引脚是DA转换后的模拟电压输出端口，可以把被控制的器件接到此端口上实现均匀控制，比如把一个发光二极管接到此端口，随着输出电压的改变就可以看到发光二极管的亮度随着改变。

三、结束语
基于ISP下载的简约型51单片机实验板，在本校计算机04级学生中实验完成。实际使用效果良好，系统的各项功能符合设计要求。整个实验板的设计思想明确，各个模块按照功能分类设计，设计过程清晰明了。 设计过程中各个部分都是以串行取代并行为主要原则，操作简单，在各个模块中大多数的芯片都是采用串行接口为主。
   
参考文献
1. 《新编单片机原理与应用》 /潘永雄 编著.  --西安：西安电子科技大学出版社， 2003.2
2.  任晓荣 . 单片机系统可靠性设计 。  计算机测量与控制 ，2003，11（8）：621-623
3. 《MCS-51系列单片机应用及接口技术》/徐建军主编。--北京：人民邮电出版社，2003.6
4． 《MCS-51系列单片机应用及接口技术》/徐建军主编。--北京：人民邮电出版社，2003.6上一页  [1] [2]
         
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