单片机综合性实验电路板的设计✳

彭建英，彭光含，曾志刚

（湖南文理学院，湖南 常德 415000）

0 引言

单片机实验电路板，无论对单片机初学人员还是开发人员都具有十分重要的意义，初学人员可以利用实验电路板逐渐了解单片机的设计原理与功能，开发人员可以进行编程实现工业控制。利用单片机实验电路板，能够让初学者迅速掌握单片机的应用技术特点与实际要求。学生及单片机爱好者可以根据自己的爱好兴趣，结合实验电路板的各功能模块，设计实现单片机作品，从而提高学生的动手能力和综合设计能力。

1 实验电路板设计原理

本实验板可分为多个子模块，包括单片机最小系统模块、键盘模块、A／D模块、D／A模块、DS1302时钟模块、测温模块、串口通信模块、电机模块、红外发送接收模块、LCD1602液晶模块、流水灯模块和蜂鸣器模块。实验电路板设计原理框图如图1所示。

图1 电路板设计原理框图

2 各硬件模块的设计

2.1 单片机最小系统模块

AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）的8位微控制器，具有4kB系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

2.2 A／D模块

转换器芯片ADC0809适用于8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右，A／D转换后得到的数据应及时传送给单片机处理。数据传送的关键问题是如何确认A／D转换的完成，因为只有确认完成后才能进行传送，为此可采用下述3种方式，分别为定时方式、查询方式和中断方式。

2.3 D／A模块

D／A转换器品种繁多，如有权电阻DAC、变形权电阻DAC、T型电阻DAC、电容型DAC和权电流DAC等。DAC0832是采样频率为8位的D／A转换芯片，其集成电路内部有两极输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通3种输入方式，适用于各种电路的需要（如要求多路D／A异步输入、同步转换等），所以该芯片的应用很广泛。本实验开发板中利用DAC0832可以实现各种波形的输出。

2.4 温控模块

温控模块采用目前广泛应用的数字温度传感器DS18B20，它采用1-wire总线接口的数字温度传感器，测试温度范围为-55℃～+125℃，精度可达0.067 5℃，最大转换时间为200ms。1-wire总线支持一主多从通信，所以支持该总线的器件在交互数据过程中需要完成器件寻址（ROM匹配），以确认是哪个从机接收数据，器件内部ROM包含了该器件的唯一ID，对一主一从结构，ROM匹配过程可以省略。采集的数据是数字信号，不需要经过ADC的转换［1-2］。该模块同时还可以实现温度的多点测控。

2.5 红外模块

红外线遥控信息码由AT89C51单片机的定时器1中断产生38kHz红外线方波信号，由P1.4引脚输出，经过三极管9013放大，由红外线发送管发送。若改变电阻R3的大小则可以改变发射距离［3］。

红外线接收处理采用通用的集成模块三管脚红外接收器，输出为检波整形过的方波信号。

2.6 串口通信模块

RS-232C是最早的串行通信接口的电气标准，该标准定义了数据终端（DTE）和数据通信设备（DCE）间按位串行传输的接口信息，合理安排了接口的电气信号和机械要求，在世界范围内得到了广泛的应用。串行通信接口可与PC机超级终端进行通信实验，也是程序下载时必需的，学生在进行调试时，可随时进行程序的下载。

2.7 时钟模块

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟／日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟／日历电路提供秒、分、时、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM／PM指示决定采用24h或12h格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到RES复位、I／O数据线、SCLK串行时钟3个口线。对时钟、RAM的读／写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式进行，DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW［4］。

2.8 电机模块

通过对每相圈中电流的顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。本次设计的步进电机采用直流+5V电压，每相电流为0.3A，电机线圈由四相组成。

3 实验开发板可以进行的实验项目

（1）温度控制器实验：利用DS18B20设计一个温度控制器，在液晶显示器上显示温度值，并对温度进行测试和设定，当检测温度达到温度上限时开风扇（即开启电动机），低于下限时关闭风扇并加热，LED上显示十进制温度值。

（2）实时时钟编程实验：可以在液晶显示屏上显示年、月、日、时、分、秒，可以对时间进行调整，24h实现多次定时功能。

（3）遥控发送和接收实验：遥控信息通过按键发送，接收信息可以通过小灯、蜂鸣器等演示。

（4）函数发生器实验：利用D／A设计一个函数发生器，并利用按键选择输出波形，能分别产生三角波、阶梯波（每阶梯1V）、正向锯齿波、负向锯齿波和方波。还可利用键盘改变其输出波形的幅值和频率。

（5）串行通信实验：能与PC机通信，在PC机的超级终端上显示中文字符或其他字符，能用PC机发命令控制单片机功能操作。

（6）音乐编程实验：能用蜂鸣器演奏自编歌曲。

（7）十字路口交通灯实验：按照时间控制原则，利用并行接口和定时器，采用时间中断方式设计一套十字路口的交通灯管理系统，可用流水灯模拟路口交通灯。

（8）步进电机实验：通过按键实现步进电机正转和反转控制及其速度的控制，同时实现步数的控制，可以通过按键实现速度的控制。

4 部分实验项目的仿真结果

4.1 温度控制器实验的仿真结果

温度控制器实验的仿真结果如图2所示。LCD1602液晶显示器显示了当前DS18B20采集的温度值。温度数据送单片机处理，由液晶LCD1602实时显示温度值为28°。

图2 温度控制器实验仿真结果图

4.2 实时时钟编程实验的仿真结果

实时时钟编程实验的仿真结果如图3所示，液晶显示器显示了时钟的年、月、日、时、分、秒。DS1302时钟芯片的数据能够由单片机处理，并由液晶LCD1602实时显示。同时，可通过按键进行相应调节。

图3 实时时钟编程实验仿真结果图

5 小结

本文以AT89C51单片机为核心，设计了一款单片机综合性实验电路板，主要设计了单片机综合实验电路板的原理图，并对各功能模块进行了硬件设计和介绍，列举了实验开发板能进行的实验项目，并结合PROTEUS和Keil软件对各功能模块进行了仿真，仿真结果较准确。

［1］ 谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计［M］.北京：清华大学出版社.，2009.

［2］ 楼然苗.单片机课程设计指导［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［3］ 张永枫.单片机应用实训教程［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2005.

［4］ 郭天祥.51单片机C语言教程［M］.北京：电子工业出版社，2010.