51MCU 教学实训仪的设计与实现*

(甘肃机电职业技术学院,甘肃天水 741000)

0 引言

单片机课程在中职、高职和本科阶段都是一门电类专业的核心课程,目前全国普遍以51单片机为基础讲授。该课程学习之前要掌握基本的电子技术知识,同时在学习过程中只对着书本,因其本身的课程难度,学生往往很难理解接受,而且该课程是一门带实验实训的课程,没有相应实训设备很难学懂,目前有很多企业、单位等针对51单片机,设计开发了多款教学实训设备。这些教学设备在市场中,有的价格昂贵、有的设计复杂,对于第一次接触单片机的同学来讲,上述这些设备上手较难,容易对单片机课程失去学习兴趣,很难学懂。本文设计的51MCU教学实训仪不仅配备硬件电路,同时也配备了相应的软件学习资料,方便教师教学或者初学者自学。同时,大学中很多比赛以创新为主,教学实训仪也适用于开放性比赛,该系统中的核心板可直接拆掉,方便灵活搭建,配合其他模块电路使用。

1 系统结构

该51MCU 教学实训仪系统分为两个部分:核心板电路和底板电路。核心板的结构框图如图1所示,以51单片机为核心,设计了复位电路、振荡电路、电源电路和一键下载电路,并引出了IO口和电源等。51单片机采用STC89C 52RC芯片,该芯片是宏晶科技生产的8位单片机,内部采用MCS-51内核,十分适合初学者。底板具备丰富的常用模块电路,这些模块和大学教材内容紧密贴合,全部选用教材中的芯片设计,便于对书本知识的理解[1]。模块电路的输入输出全部断开,采用排针设计,需用杜邦线连接使用,方便学习硬件知识,加强对硬件的深层次理解,整个底板四周打孔,采用铜柱支撑,便于固定。

图1 核心板结构图Fig.1 Core board structure diagram

该设备不仅能够学习STC89C52系列的单片机,当需要使用AT89S52系列的单片机时,板载ISP下载接口,该接口与单片机的P1.5、P1.6、P1.7三个引脚相连,通过这三个引脚也可方便下载程序[2]。Arduino UNO当前也比较流行,是一种开源的硬件电路,也是一款优秀的硬件开发平台,当采用Arduino UNO作为核心电路,本文设计的系统也可兼容,只需要去掉51核心板,将Arduino UNO作为核心板,通过杜邦线与底板相连,供入电源与控制信号,编写好对应的程序,也能实现相应模块电路功能。

在设计电子产品时,初期开发阶段也可采用本系统的核心板作为主控芯片电路,方便烧录程序、提供5V 或3.3V电源,便于产品的开发与调试。该实训系统能够兼容51 系列单片机、Arduino、AVR 单片机、STM 8 系列、STM32 系列等,具有很强的兼容性,能够适应不同的控制芯片,方便扩展。

图2 电源电路Fig.2 Power supply circuit

图3 一键下载电路Fig.3 One-key download circuit

2 核心板硬件电路设计

2.1 电源电路设计

电源保护电路在系统中是一种重要的电路,对整个电路起到保护作用,避免烧坏电路中其他元件。电源电路如图2所示,当通入任意电压时,D1是1N4734稳压管,不管外界电流如何变化,其会一直稳定在5.6V左右。当有5V电压接入时,R4的上端电压较低,PMOS管Q2导通,Q2的S端电压送入D端,5V电压通过F1送到SW1处。如果使用USB供电,USB的5V电压直接通过F1送至SW1处。当按下开关SW1,接通电源,VCC为5V,同时电源指示灯D3点亮,VCC到达Q3管的源极,因Q3管的栅极接电阻与GND连接,Q3栅极将处于低电平状态,Q3 导通,将源极的5V送至5V OUT处,作为电源输出使用[3]。

当系统的电流过大时,F1是PTC自恢复保险丝,其由高分子聚合物制作而成,传统的保险丝仅能保护一次,过流烧断后需要更换,比较麻烦,这种PTC自恢复保险丝可限制大电流通过,当电流过大时切断电源输入,起到保护作用,同时可以重复使用,撤掉大电流电源,过一段时间PTC 自恢复保险丝自动恢复导通。当POWER 端输入过高电压,稳压管D1维持在5.6V左右,此时三极管Q1导通,Q1集电极电位升高,发光二极管D2达到自身的导通电压,D2指示灯报警点亮,同时PMOS管Q2的栅极电位升高,并切断自身源极和漏极之间的通路,相应也就切断了输入电压,对整个电路起到了保护的作用。

2.2 一键下载电路设计

一键下载电路有很多种方法可以实现,普遍都是通过CH340G的RTS和DTR两个信号来控制。STC系列单片机在下载过程中,需要做冷启动,此时要关闭电源重新上电,每下载一次就要重复冷启动,不方便使用,所以设计了一个一键下载电路。有很多种方法可以实现,第一种方法通过增加一个单片机,当处于下载的时候,使用STC15 F0 14 W单片机检测串口下载命令,确认此时处于下载状态,切断STC89C52RC的电源,实现自动下载。第二种方法是,通过在已经编写的程序中放入一段代码,下载中会先检测这段代码,通过这种方式实现一键下载,但每次编程都需要这段代码,新建立一个工程就需要重复操作一次,不方便使用。第三种方法使用硬件电路,通过三极管和MOS管配合CH 340芯片的MOD EM联络信号搭建,可靠性高,利于实现。

本设计采用第三种方法如图3所示,当CH340通电时,RTS和DTR都输出高电平,CH340下载的时候,RTS先拉低,DTR后拉低。当RTS拉低,DTR未拉低时,PNP三极管Q4导通,高电平电压将分配到R18和R19两个电阻上,此时,R19阻值远大于R18,R19上将分得高电压,高电压刚好控制PMOS管Q5的栅极,Q5内部有个二极管,作为开关管,要注意方向,当Q5的栅极得到高电平时,Q5断开,VCC送不到51 VCC,单片机断电,冷启动实现。当RTS 拉低,DTR拉低时,PNP三极管Q4关断,PMOS管Q5的栅极为0V,Q5将导通,VCC重新送至51VCC,单片机上电完成。当程序下载到芯片后,CH340的RTS和DTR恢复输出到高电平状态,等待下次下载。这种一键下载电路设计巧妙,制作简单,需要挑选开关速度快的MOS管和三极管,相比较前两种方法,选用第三种方案,方便下载程序。

3 底板硬件电路设计

3.1 数码管电路设计

数码管是常见的一种电子显示设备,具有价格便宜,控制简单的特点,是常见的输出方式。按照内部的结构,分为共阴极数码管和共阳极数码管。本系统采用两个0.36英寸的共阴数码管做为显示器件,电路如图4 所示,采用74HC138芯片控制位选信号,74HC573芯片控制段选信号。采用74HC138可以减少IO端口,利用3个IO口可以实现8位位选信号的控制,设计中只留出一个使能端,当G2A和G2B输入低电平,G1输入高电平时,芯片使能,正常工作。段选信号通过74HC573锁存器控制,其内部为D触发器结构设计,具有保持数据的特点,同时可以增加驱动能力,也只留出一个使能控制端,用来控制芯片工作[4]。

图4 数码管电路Fig.4 Digital tube circuit

3.2 8×8点阵电路设计

点阵也是常见的输出设备,通常显示一个汉字至少需要四个8×8点阵模块。点阵按照内部的连接方式,分为共阳极点阵和共阴极点阵。本系统在控制时,只设计了一个点阵模块,理解原理即可。当点亮点阵某一个LED,只需要将对应的行线和列线的电平设置好就可以,如果需要显示图案、文字等,就要频繁的扫描行线和列线,动态实现显示。8×8点阵有16个管脚,采用16个IO控制太浪费资源,故设计两片74HC595驱动,通过这种方式扩展IO端口。电路如图5所示,74HC595是一种8位串行输入、并行输出的位移缓存器,并行输出方式为三态方式,8×8点阵在控制时,可分别通过行和列进行扫描。本电路已经通过PCB制作成模块,控制时连接排针即可[5]。

图5 LED 点阵电路Fig.5 LED dot matrix circuit

3.3 模数数模转换电路设计

工程应用中,经常会对很多物理量进行检测,比如流量、温度、压力、湿度等。这些物理量都是非电量模拟信号,通常会采用传感器进行转换,将非电量转换为电量,但转换后的这个电量大部分是模拟信号,计算机无法直接使用,需要对模拟信号进行转换变为数字信号使用,当计算机将处理后的信号去控制模拟外设,这时就要将数字信号转换成模拟信号,数模模数转换是电路的重要部分,大部分的新型单片机都集成到了内部,通过相应指令启动。很多初学者第一次接触数模模数转换芯片都是在课本中,我们特意选用了ADC0809和DAC0832,电路如图6所示,这两个芯片虽然比较老旧,但是对理解转换过程有很大帮助。ADC0809能够输入8路信号,通过地址线分别进行转换,转换后为一个8 位的数据,通过相应的控制信号得到输出。在电路中,我们通过电位器输出电压信号,转换为8位二进制送到单片机。DAC0832是一种8位的数模转换芯片,将8 位二进制数转换为电流输出,在输出端接入一个LED做为显示,或者可通过自己搭建外部电路转换为其他信号。

图6 模数数模转换电路Fig.6 Analog-to-digital-to-analog conversion circuit

4 教学实训仪综合评价

51MCU教学实训仪经过电路设计,实物制作等过程,最终产品如图7 所示。实训仪结构布局合理,底板和核心板采用排针与排母连接,便于拆装。前期试验过程中,针对一个组的高职学生,在讲授单片机课程时,采用理实一体教学方式,通过理论讲解和实训仪实验配合,在一个月内掌握了51单片机,为后续学习STM32、参加技能大赛等打下了良好的基础。编程时,采用keil软件作为编译器,这也是常见的编译软件,下载程序提供多种方式,如STC-ISP等。随着电子仿真技术的进步,51单片机也可以做到仿真,Proteus是一款优秀的单片机仿真软件,教学过程中可作为补充使用。

图7 51MCU 教学实训仪实物图Fig.7 Physical map of 51MCU teaching and training instrument

5 结论

综上所述,本文设计的51MCU教学实训仪理论正确,通过PCB制作、手工焊接等过程,最终产品制作完工。相比原先其他公司的实训教学设备,该实训仪成本低、体积相对较小,软件安装方便,下载程序一键完成,便于初学者使用。成品设计完成后,针对一小组备战技能大赛的学生,通过理论讲解和该设备的综合训练,在一个月内掌握了51单片机,取得了预期的效果,为后期学习STM32做好了准备。本教学实训仪,在完成了课堂教学、实训教学的同时,为备战大赛、拓展学习起到了重要作用,提高了教学质量、提升了学生的技能。