基于51单片机的口袋式实验平台的硬件设计与实现

丛玉华 朱惠娟 田文俊 金文璐

摘要：51单片机课程为很多工科专业的基础课程，为提高教学质量，加强学生动手实践能力，首先对课程内容进行选择并优化组织，然后根据授课内容设计一套适用于51单片机的硬件平台。硬件平台主要包括：单片机最小系统及程序下载模块、输入与显示模块、系统扩展模块、AD和DA模块。本硬件平台具注重基础，有针对性、操作灵活，轻巧便携。

关键词：51单片机;实验平台;硬件设计

中图分类号：TN99 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0153-03

0 引言

51系列单片机是目前应用非常广泛的一类微处理器，价格低廉功能强大。主要应用领域有：智能化家用电器，办公自动化设备，商业营销设备，工业自动化控制，智能化仪表，智能化通信产品，汽车电子产品，航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域。为此，51单片机作为8位微控制器，一直是高校自动化相关专业学生学习嵌入式知识体系的基础课程，也是对实践要求较高的应用型课程。为提高学生的理论联系实际的能力，加强学生实践内容的学习。本文将设计一款适用于学生学习的轻型实验平台，一方面根据具体教学内容量身设计更有针对性，另一方面平台小巧便携可随时进行实践操练。

1 授课内容选择

51单片机的授课内容主要分四部分：分别是片内基础部件、输入与显示、系统扩展以及AD和DA。下面是具体内容：

1.1 片内基础部件

51单片机片内基础部件包括：51单片机的内核，即单片机的CPU部件;内存部件，即片内的程序存储器ROM和片内的数据存储器RAM;I/O端口，即基本输入输出口;Timer部件，即定时/计数器;中断控制器，即管理5个中断源的控制部件;RS-232通信控制器，即串行通信控制器。在上述基本部件里，需要实践应用的是I/O端口，Timer部件，中断控制器和RS-232串口通信部件。

1.2 输入与显示

输入主要指外部输入设备提供输入信号，单片机I/O口采集输入信号并进行处理的功能。输入部分主要学习的是按键，包括独立按键和矩阵按键。显示主要指单片机输出显示信息，通过显示设备进行显示的功能，显示学习的主要内容是：数码管（静态数码管和动态数码管），LCD1602液晶显示器。

1.3 系统扩展

51单片机在与外设进行接口设计时，随着外设部件的增加，需要对系统资源进行优化，并根据情况进行资源的扩展，扩展主要分两种类型：并行扩展和串行扩展，其中并行扩展包括简单的并行扩展（比如存储器扩展/锁存器扩展）和智能扩展（比如对I/O口进行扩展的8155芯片）;串行扩展主要选择IIC总线扩展以具有IIC总线的AT24C02芯片为例。

1.4 AD和DA

AD（模数转换）和DA（数模转换），这两个部分是自动控制系统中前向通道和后向通道中常用的模块，其中AD模块主要负责将采集到的模拟信号先经过转化变成数字信号后传输给单片机进行处理，DA（数模转换）是将单片机输出的数字信号先转化成模拟量后输送给外部模拟电路。51单片机内部不具备该功能，所以由相应的芯片实现，AD（模数转换）选用0808芯片，DA（数模转换）选用0832芯片。

2 实验平台硬件设计

实验平台根据课程具体内容进行详细设计，上述授课内容，实验平台可以包括以下几个模块。

2.1 单片机最小系统及程序下载模块

单片机最小系统由单片机、复位电路、振荡电路构成，是单片机系统可以工作的最小硬件条件。单片机最小系统的电路设计如图1、图2和图3所示。图3复位电路采用按键复位的形式;能产生大小和方向都随周期发生变化电流的电路称为振荡电路如图2所示，这里采用外部晶振形式，晶振大小选择12MHZ。

供电及程序下载模块如图4所示，选择USB口进行供电和程序下载，单片机只有串口控制器，所以通信时选择串口转USB芯片CH341。在异步串口方式下，CH341提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM联络信号，用于将普通的串口设备直接升级到USB总线。

2.2 输入与显示模块

2.2.1 按键模块

按键设计将独立按键与矩阵按键制作在同一套电路里如图5所示，在Change部分通过短路帽将2、3相连则S4～S7为独立按键，将1、2相连则S4～S19为矩阵按键。

2.2.2 數码管与LCD

数码管分为静态数码管（采用共阳极数码管）和动态数码管（采用4位的共阴极数码管）两种。其中静态数码管如图6所示，动态数码管如图7所示。

液晶显示器选择 LCD1602 ，LCD1602是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制来显示图形，能够同时显示16（个）*2（行）即32个字符。LCD1602引脚图如图8所示。接口电路如图9所示。

2.3 系统扩展模块

2.3.1 并行扩展

8155芯片是一种可编程的RAM/IO扩展器，其功能可由单片机的指令来改变。8155片内有3个可编程并行I/O接口，有256B的SRAM和一个14位定时/计数器，可用作单片机的外部扩展接口与键盘、显示器等外围设备连接。其接口电路设计如图10所示。

2.3.2 串行扩展

IIC总线是一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。是一种常用的芯片级通信形式，很大程度上可节省微控制器的端口资源。AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节，有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作。其接口电路设计如图11所示。

2.4 AD和DA模块

2.4.1 AD模塊

ADC0808是8位的逐次逼近型A/D 转换器，具有8 路多路开关，控制逻辑可与单片机兼容。ADC0808芯片的接口电路如图12所示。

2.4.2 DA模块

DAC0832是8位的D/A转换器。由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。控制逻辑与单片机完全兼容。ADC0808芯片的接口电路如图13所示。

3 结语

本实验平台已通过硬件测试，可承载的实验内容有：定时器及中断控制器的应用、数码管及LCD的显示、按键输入、并行口的扩展、串行IIC总线及AT24C02的应用、AD转换及DA 转换的应用、综合控制系统的应用。平台每个模块都是开放的，实验时接口需要自己设计接线，比较灵活，平台尺寸较小，可便携在任何场所都可以进行实验。

参考文献

[1]闫玉德，俞虹.MCS-51单片机原理与应用（C语言版）[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展全攻略（第2版）[M]. 北京：电子工业出版社，2018.

Hardware Design and Implementation of  Pocket-type Experimental Platform Based on 51 Single Chip Microcomputer

CONG Yu-hua，ZHU Hui-juan，TIAN Wen-jun，JIN Wen-lu

（Nanjing University of Science and Technology ZiJin College，Nanjing Jiangsu210046）

Abstract：Course of 51 Single Chip Microcomputer is a basic course for many engineering majors. In order to improve the teaching quality and strengthen students' practical ability. First of all， the course content is selected and optimized. Then， according to the teaching content， a set of hardware platform suitable for 51 Single Chip Microcomputer is designed. The hardware platform mainly includes： minimum system and program download module， input and display module， system expansion module，AD and DA modules. The hardware platform has a focus on the foundation， targeted， flexible operation， lightweight and portable.

Key words：51 single ship computer; experimental platform;hardware design