孫嵐嵐 姚世豪 王瑤 高利杰 范忠良

摘要：為了適應(yīng)現(xiàn)代化單片機(jī)學(xué)習(xí)者、單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)者，在單片機(jī)學(xué)習(xí)、工作的需求，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)-學(xué)-研”無縫銜接。文章提出了一種多功能、兼容性更強(qiáng)、低成本單片機(jī)開發(fā)板設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)方案支持STC15全系列直插系列機(jī)，該系列單片機(jī)自帶仿真器、具備超強(qiáng)抗干擾無法解密技術(shù)、不需要外部晶振和外部復(fù)位電路、4路串口通信、10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，超低功耗等特點(diǎn)。與市面上現(xiàn)有的51系列單片機(jī)開發(fā)板相比較，更加符合現(xiàn)階段及未來市場的使用需求，更適合用戶學(xué)習(xí)和研發(fā)工作。

關(guān)鍵詞;單片機(jī);晶振;復(fù)位電路;串口通信

中圖分類號(hào)：TP368.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)逐漸成為了硬件設(shè)計(jì)以及工程開發(fā)人員研究的熱點(diǎn)，單片機(jī)最早可追溯于微處理器（Microprocessor Unit，MPU）與超大規(guī)模集成電路。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已應(yīng)用于多領(lǐng)域，如：兒童玩具、家電設(shè)備、工業(yè)制造、航天航空等。51單片機(jī)技術(shù)2自發(fā)展以來已有30年歷史，傳統(tǒng)的89C51系列已不能滿足技術(shù)生產(chǎn)需求;而且市面上現(xiàn)有的單片機(jī)開發(fā)板種類繁多，大多單片機(jī)固定在開發(fā)板上，且存在不易拆卸、替換等問題。為了滿足當(dāng)代單片機(jī)開發(fā)者的學(xué)習(xí)、工作的需要，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)-學(xué)-研”無縫銜接。文章設(shè)計(jì)了一種多功能的STC15系列單片機(jī)開發(fā)板，兼容性更強(qiáng)，符合現(xiàn)階段市場及未來市場的使用。

1開發(fā)板設(shè)計(jì)

文章提出的多功能單片機(jī)開發(fā)板支持新型STC15全系列直插單片機(jī)，支持藍(lán)牙模塊、WIFI模塊、超聲波模塊等多種外設(shè)，如：LCD12864，LCD1602。各模塊之間增加跳線帽，可以有效避免信號(hào)干擾和失真。其中功能模塊包含了數(shù)碼管顯示電路、全彩LED燈點(diǎn)亮、按鍵控制電路、單片機(jī)程燒寫電路、紅外接收電路、溫度采集電路、2.4G無線接口、藍(lán)牙模塊接口等。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)程燒寫電路

開發(fā)板設(shè)計(jì)了多種供電接口：TYPE-C接口和多功能USB接口;其中，USB接口可以提供下載以及供電服務(wù)，支持電壓5V與3.3V的自由切換，便于開發(fā)者低電壓供電，進(jìn)行超低功耗的學(xué)習(xí)和開發(fā)。電路中設(shè)置有自恢復(fù)型過流保護(hù)器件，和一個(gè)低漏失電壓調(diào)整器。市場上現(xiàn)有的開發(fā)板多以老舊的DC口設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)使用TYPE-C接口獨(dú)立供電，學(xué)習(xí)者可以直接使用充電寶和TYPE-C線實(shí)現(xiàn)供電。

2.2顯示電路

8路獨(dú)立的LED燈、全彩LED燈、數(shù)碼省顯示電路以及蜂鳴器等電路。

2.2.1LED顯示電路

LED顯示電路由8個(gè)獨(dú)立的發(fā)光二極管組成，發(fā)光二極管串聯(lián)電阻與跳線帽后連接電源，指示燈LED信號(hào)由電源提供，形成共陽極電路，以減小單片機(jī)的電流輸出，可以讓單片機(jī)的電流輸出主要用于工作其他的電路。電源接通后，單片機(jī)引腳輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管有電流通過，此時(shí)二極管點(diǎn)亮，如圖1所示。

LED電路設(shè)計(jì)方案使用IAP15系列單片機(jī)的PO口，STC15系列單片機(jī)所有I/O口均可由軟件配置成4種工作類型之一。4種類型分別為：準(zhǔn)雙向I/0口，其中弱上拉模式支持傳統(tǒng)的8051單片機(jī)輸出模式、引腳支持強(qiáng)上拉的推挽輸出，僅高阻態(tài)的輸入功能、以及開漏輸出。STC15系列單片機(jī)每個(gè)I/O引腳的工作類型均有兩個(gè)控制寄存器進(jìn)行配置。

STC15F系列單片機(jī)的所有輸入輸出引腳，上電復(fù)位之后均為兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)的弱上拉（準(zhǔn)雙向I/0口模式）。每個(gè)引腳的電流輸出可達(dá)20mA，PDIP40引腳以上封裝的單片機(jī)芯片最大工作電流不能超過120mA，SKDIP20封裝以上及PDIP32封裝以下的單片機(jī)整個(gè)芯片最大電流為90mA。

2.2.2全彩LED燈電路

因本系列單片機(jī)總計(jì)多達(dá)6路的增強(qiáng)型PWM輸出的端口P3.7/PWM2、P3.6/PWM3，故本開發(fā)板全彩LED一端通過電阻與STC15系列單片機(jī)的P35、P36、P37引腳鏈接。使學(xué)習(xí)者不僅可是使用本全彩LED做交通燈實(shí)驗(yàn)，也可以學(xué)習(xí)STC15系列單片機(jī)內(nèi)部PWM模塊，使用硬件模擬呼吸燈效果，實(shí)現(xiàn)全彩LED效果。

STC15W系列型號(hào)的單片機(jī)，PWM輸出相關(guān)引腳上電復(fù)位后默認(rèn)為開啟的高阻輸入模式，若用戶需要對(duì)LED直接操作（使其能對(duì)外做普通的I/O輸出），至直接通過程序配置為弱上拉的準(zhǔn)雙向口或者是強(qiáng)推挽輸出模式即可。因此用戶需要再進(jìn)入功能程序之前中將這些端口初始化為自己需求的（比如：準(zhǔn)雙向口、強(qiáng)推挽模式）。

本開發(fā)板共陽極電路設(shè)計(jì)方案，全彩LED燈另一端連接電源，當(dāng)電源輸出高電平時(shí)，全彩LED燈點(diǎn)亮。以便于減小單片機(jī)的電流輸出，是單片機(jī)的電流輸出更加高效率的用于其他的工作電路。

2.2.3數(shù)碼管顯示電路

本設(shè)計(jì)中電路采用四位一體的共陽極數(shù)碼管，電源通過退耦電路接入，通過PNP三極管驅(qū)動(dòng)分別于數(shù)碼顯示管、單片機(jī)引腳相連完成相應(yīng)的功能顯示。

四位一體的共陽極數(shù)碼管的設(shè)計(jì)（如圖2La）所示），由于STC15系列單片機(jī)的P4組口，并沒有提供全8位I/0，故本設(shè)計(jì)其中四位數(shù)碼管的位選段端口分別由P41、P42、P44、P45進(jìn)行控制，方便學(xué)習(xí)者無論是靜態(tài)數(shù)碼管亦或者是動(dòng)態(tài)數(shù)碼管的學(xué)習(xí)的程序操作。

由于數(shù)碼管采用共陽極設(shè)計(jì)，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)工作所需電流較大。但是單片機(jī)的I/O口不足以提供充足的電流啟動(dòng)數(shù)碼管顯示功能，或者是顯示亮度效果較弱，故本開發(fā)板數(shù)碼管的位選控制端，采用單片機(jī)的I/O口控制一個(gè)PNP三極管S8550的飽和截止?fàn)顟B(tài)，來控制數(shù)碼管的位選狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管良好的動(dòng)態(tài)掃描以及顯示效果[5]。

本開發(fā)板數(shù)碼管段選端設(shè)計(jì)使用單片機(jī)的P2組I/0口整體進(jìn)行控制，方便學(xué)習(xí)者實(shí)用程序直接操控?cái)?shù)碼管進(jìn)行段選顯示。

2.2.4液晶顯示電路

液晶顯示電路設(shè)計(jì)（如圖2（b）所示）有LCD1602顯示屏和采用8位并行的接口方式LCD12864液晶顯示屏。通過電壓控制顯示界面，主要借助溫濕度傳感器接口鏈接相應(yīng)的設(shè)備，在同一時(shí)間段內(nèi)，測試環(huán)境中的溫濕度數(shù)量值在顯示屏上最高可以顯示32字符。

2.3蜂鳴器電路

蜂鳴器電路（如圖3（a）所示）由電源、蜂鳴器、PNP三極管、電阻以及跳線帽等元件構(gòu)成，三極管的發(fā)射極連接電源，基極通過電阻、跳線帽與單片機(jī)引腳相連，集電極連接蜂鳴器，形成了無源蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路。

當(dāng)基極電壓比發(fā)射極電壓低0.7V的時(shí)候，三極管被打開，電流從發(fā)射極流向集電極[7]。當(dāng)發(fā)射極與基極之間的正向壓差不足0.7V的時(shí)候，PNP三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)射極與集電極之間不導(dǎo)通。因此，把PNP三極管的基極通過電阻經(jīng)過跳線連接在單片機(jī)引腳上，當(dāng)引腳輸出高電平時(shí)，三極管截止;當(dāng)引腳輸出低電平時(shí)，三極管被打開。

控制蜂鳴器的PCP三極管的基極，為了充分利用STC15系列單片機(jī)的I/O口資源，本設(shè)計(jì)控制引腳使用單片機(jī)的P54引腳進(jìn)行控制。STC15系列單片機(jī)的P54引腳是為了兼容傳統(tǒng)的89C52單片機(jī)，可以由用戶設(shè)定為復(fù)位按鍵引腳。

2.4按鍵控制電路

按鍵控制電路（如圖3（b）所示）設(shè)計(jì)有4位用戶按鍵和1個(gè)獨(dú)立復(fù)位按鍵;其中1位獨(dú)立按鍵，使用STC15單片機(jī)的P54引腳，由于采用跳線帽式分離設(shè)計(jì)復(fù)位按鍵，P54引腳在本開發(fā)板上屬于復(fù)用引腳，用戶可以自行選擇使用復(fù)位按鍵，還是使用蜂鳴器。這樣在SCT15系列單片機(jī)軟件復(fù)位功能的前提下，使開發(fā)板同時(shí)具備了軟件和硬件兩種復(fù)位方式。

4個(gè)獨(dú)立按鍵基本實(shí)現(xiàn)電路控制功能，采用STC15系列單片機(jī)的P30/P31/P32/P33引腳，其中P32引腳、P33引腳為STC15系列單片機(jī)支持的外部中斷引腳，學(xué)習(xí)者可以使用按鍵的功能學(xué)習(xí)中斷系統(tǒng)及外部中斷的功能。當(dāng)按鍵按下時(shí)，若單片機(jī)引腳輸出為高電平，則電路導(dǎo)通;否則處于截止?fàn)顟B(tài)。

3結(jié)論

本單片機(jī)開發(fā)板在核心控制器的基礎(chǔ)上，對(duì)外圍電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括按鍵電路、蜂鳴電路和顯示電路等部分，實(shí)現(xiàn)了程序下載以及相關(guān)調(diào)試;并且將它們集成到一塊小板子上，可直接插在PC機(jī)上下載程序，便于攜帶與學(xué)習(xí);另外一些中小型項(xiàng)目也可直接對(duì)該開發(fā)板進(jìn)行二次開發(fā)，可以極大地節(jié)省開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。由于篇幅問題，很多功能未展示?？傊?，本開發(fā)板操作簡單，靈活性更強(qiáng)，具有一定的使用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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