基于STC15系列的多功能单片机开发板

孙岚岚 姚世豪 王瑶 高利杰 范忠良

摘要：为了适应现代化单片机学习者、单片机产品开发者，在单片机学习、工作的需求，实现“产-学-研”无缝衔接。文章提出了一种多功能、兼容性更强、低成本单片机开发板设计方案。本设计方案支持STC15全系列直插系列机，该系列单片机自带仿真器、具备超强抗干扰无法解密技术、不需要外部晶振和外部复位电路、4路串口通信、10位高速A/D转换器，超低功耗等特点。与市面上现有的51系列单片机开发板相比较，更加符合现阶段及未来市场的使用需求，更适合用户学习和研发工作。

关键词;单片机;晶振;复位电路;串口通信

中图分类号：TP368.2文献标志码：A

0 引言

单片机应用技术已经逐渐成为了硬件设计以及工程开发人员研究的热点，单片机最早可追溯于微处理器（Microprocessor Unit，MPU）与超大规模集成电路。随着单片机技术的发展，现已应用于多领域，如：儿童玩具、家电设备、工业制造、航天航空等。51单片机技术2自发展以来已有30年历史，传统的89C51系列已不能满足技术生产需求;而且市面上现有的单片机开发板种类繁多，大多单片机固定在开发板上，且存在不易拆卸、替换等问题。为了满足当代单片机开发者的学习、工作的需要，实现“产-学-研”无缝衔接。文章设计了一种多功能的STC15系列单片机开发板，兼容性更强，符合现阶段市场及未来市场的使用。

1开发板设计

文章提出的多功能单片机开发板支持新型STC15全系列直插单片机，支持蓝牙模块、WIFI模块、超声波模块等多种外设，如：LCD12864，LCD1602。各模块之间增加跳线帽，可以有效避免信号干扰和失真。其中功能模块包含了数码管显示电路、全彩LED灯点亮、按键控制电路、单片机程烧写电路、红外接收电路、温度采集电路、2.4G无线接口、蓝牙模块接口等。

2系统硬件设计

2.1单片机程烧写电路

开发板设计了多种供电接口：TYPE-C接口和多功能USB接口;其中，USB接口可以提供下载以及供电服务，支持电压5V与3.3V的自由切换，便于开发者低电压供电，进行超低功耗的学习和开发。电路中设置有自恢复型过流保护器件，和一个低漏失电压调整器。市场上现有的开发板多以老旧的DC口设计，本设计使用TYPE-C接口独立供电，学习者可以直接使用充电宝和TYPE-C线实现供电。

2.2显示电路

8路独立的LED灯、全彩LED灯、数码省显示电路以及蜂鸣器等电路。

2.2.1LED显示电路

LED显示电路由8个独立的发光二极管组成，发光二极管串联电阻与跳线帽后连接电源，指示灯LED信号由电源提供，形成共阳极电路，以减小单片机的电流输出，可以让单片机的电流输出主要用于工作其他的电路。电源接通后，单片机引脚输出低电平时，发光二极管有电流通过，此时二极管点亮，如图1所示。

LED电路设计方案使用IAP15系列单片机的PO口，STC15系列单片机所有I/O口均可由软件配置成4种工作类型之一。4种类型分别为：准双向I/0口，其中弱上拉模式支持传统的8051单片机输出模式、引脚支持强上拉的推挽输出，仅高阻态的输入功能、以及开漏输出。STC15系列单片机每个I/O引脚的工作类型均有两个控制寄存器进行配置。

STC15F系列单片机的所有输入输出引脚，上电复位之后均为兼容传统8051单片机的弱上拉（准双向I/0口模式）。每个引脚的电流输出可达20mA，PDIP40引脚以上封装的单片机芯片最大工作电流不能超过120mA，SKDIP20封装以上及PDIP32封装以下的单片机整个芯片最大电流为90mA。

2.2.2全彩LED灯电路

因本系列单片机总计多达6路的增强型PWM输出的端口P3.7/PWM2、P3.6/PWM3，故本开发板全彩LED一端通过电阻与STC15系列单片机的P35、P36、P37引脚链接。使学习者不仅可是使用本全彩LED做交通灯实验，也可以学习STC15系列单片机内部PWM模块，使用硬件模拟呼吸灯效果，实现全彩LED效果。

STC15W系列型号的单片机，PWM输出相关引脚上电复位后默认为开启的高阻输入模式，若用户需要对LED直接操作（使其能对外做普通的I/O输出），至直接通过程序配置为弱上拉的准双向口或者是强推挽输出模式即可。因此用户需要再进入功能程序之前中将这些端口初始化为自己需求的（比如：准双向口、强推挽模式）。

本开发板共阳极电路设计方案，全彩LED灯另一端连接电源，当电源输出高电平时，全彩LED灯点亮。以便于减小单片机的电流输出，是单片机的电流输出更加高效率的用于其他的工作电路。

2.2.3数码管显示电路

本设计中电路采用四位一体的共阳极数码管，电源通过退耦电路接入，通过PNP三极管驱动分别于数码显示管、单片机引脚相连完成相应的功能显示。

四位一体的共陽极数码管的设计（如图2La）所示），由于STC15系列单片机的P4组口，并没有提供全8位I/0，故本设计其中四位数码管的位选段端口分别由P41、P42、P44、P45进行控制，方便学习者无论是静态数码管亦或者是动态数码管的学习的程序操作。

由于数码管采用共阳极设计，数码管动态工作所需电流较大。但是单片机的I/O口不足以提供充足的电流启动数码管显示功能，或者是显示亮度效果较弱，故本开发板数码管的位选控制端，采用单片机的I/O口控制一个PNP三极管S8550的饱和截止状态，来控制数码管的位选状态，实现了数码管良好的动态扫描以及显示效果[5]。

本开发板数码管段选端设计使用单片机的P2组I/0口整体进行控制，方便学习者实用程序直接操控数码管进行段选显示。

2.2.4液晶显示电路

液晶显示电路设计（如图2（b）所示）有LCD1602显示屏和采用8位并行的接口方式LCD12864液晶显示屏。通过电压控制显示界面，主要借助温湿度传感器接口链接相应的设备，在同一时间段内，测试环境中的温湿度数量值在显示屏上最高可以显示32字符。

2.3蜂鸣器电路

蜂鸣器电路（如图3（a）所示）由电源、蜂鸣器、PNP三极管、电阻以及跳线帽等元件构成，三极管的发射极连接电源，基极通过电阻、跳线帽与单片机引脚相连，集电极连接蜂鸣器，形成了无源蜂鸣器驱动电路。

当基极电压比发射极电压低0.7V的时候，三极管被打开，电流从发射极流向集电极[7]。当发射极与基极之间的正向压差不足0.7V的时候，PNP三极管处于截止状态，发射极与集电极之间不导通。因此，把PNP三极管的基极通过电阻经过跳线连接在单片机引脚上，当引脚输出高电平时，三极管截止;当引脚输出低电平时，三极管被打开。

控制蜂鸣器的PCP三极管的基极，为了充分利用STC15系列单片机的I/O口资源，本设计控制引脚使用单片机的P54引脚进行控制。STC15系列单片机的P54引脚是为了兼容传统的89C52单片机，可以由用户设定为复位按键引脚。

2.4按键控制电路

按键控制电路（如图3（b）所示）设计有4位用户按键和1个独立复位按键;其中1位独立按键，使用STC15单片机的P54引脚，由于采用跳线帽式分离设计复位按键，P54引脚在本开发板上属于复用引脚，用户可以自行选择使用复位按键，还是使用蜂鸣器。这样在SCT15系列单片机软件复位功能的前提下，使开发板同时具备了软件和硬件两种复位方式。

4个独立按键基本实现电路控制功能，采用STC15系列单片机的P30/P31/P32/P33引脚，其中P32引脚、P33引脚为STC15系列单片机支持的外部中断引脚，学习者可以使用按键的功能学习中断系统及外部中断的功能。当按键按下时，若单片机引脚输出为高电平，则电路导通;否则处于截止状态。

3结论

本单片机开发板在核心控制器的基础上，对外围电路进行了设计，包括按键电路、蜂鸣电路和显示电路等部分，实现了程序下载以及相关调试;并且将它们集成到一块小板子上，可直接插在PC机上下载程序，便于携带与学习;另外一些中小型项目也可直接对该开发板进行二次开发，可以极大地节省开发成本，缩短研发周期。由于篇幅问题，很多功能未展示。总之，本开发板操作简单，灵活性更强，具有一定的使用价值和现实意义。

参考文献：

[1]李沛彬，嵌入式系统核心组件单片机技术[J].电子技术与软件工程，2019（11）：197-198.

[2]关德君.单片机在电子信息技术中的应用与开发[J].无线互联科技，2021，18（9）：99-100.

[3]冯蓉珍.基于51单片机和无线通信的红外智能密码锁设计[J].甘肃科技纵横，2019，48（4）：1-3.

[4]陈瞳.基于AT89S52单片机的遙控电子钟设计[J].电子测试，2019（20）：12-13.

[5]顾亚龙.基于AT89S52单片机的温度监测报警系统[J].电子制作，2021（12）：76-78.

[6]倪瑞，张万达，基于AT89S51单片机的温湿度监测与控制系统设计[J].自动化与仪表，2019，34（5）：53-55.

[7]清华大学电子学教研组，童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.