引言

    單片機(jī)，是嵌入式處理器的一大類(另外還有DSP、FPGA等)，具有高度集成、體積小、功耗低、降低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)在微機(jī)控制領(lǐng)域占據(jù)著重要地位，由于其具有體積小、可靠性好、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在智能儀表、工業(yè)測(cè)控、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備、日常生活及家用電器等方面都得到了廣泛的應(yīng)用[1~2].單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家用電器、通訊、醫(yī)療和軍事等眾多領(lǐng)域，社會(huì)對(duì)掌握單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用型人才的需求越來(lái)越大[3].

    本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)箱采用了數(shù)字邏輯，單片機(jī)原理，電路基礎(chǔ)，動(dòng)態(tài)數(shù)碼管掃描等各個(gè)方面的理論依據(jù)。單片機(jī)原理是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，單片機(jī)依靠程序運(yùn)行，并且可以修改。單片機(jī)通過(guò)編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。

    1 設(shè)計(jì)概述及目的

    本設(shè)計(jì)是制作一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和軟件程序設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)箱中包括MCU、基礎(chǔ)外設(shè)和擴(kuò)展外設(shè)。

    從國(guó)內(nèi)同行業(yè)情況來(lái)看，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱沒(méi)有高精度集成，但是本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)箱基本做到了高集成、高效率，以及可靠性等。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，首先要了解實(shí)驗(yàn)箱各部分基本邏輯、原理，用Protel99SE進(jìn)行原理圖和PCB繪制，再用腐蝕板制作成板，最后用匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件調(diào)試和程序設(shè)計(jì)。

    2 系統(tǒng)MCU及基本外設(shè)

    2.1 P89V51 RB2單片機(jī)最小系統(tǒng)

    如圖1所示，為P89V51RB2單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路原理圖。所謂最小系統(tǒng)是指能夠使單片機(jī)工作起來(lái)的最基本的電路形式。單片機(jī)與簡(jiǎn)單的接口電路相結(jié)合即可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，是單片機(jī)的基礎(chǔ)應(yīng)用，并且具有強(qiáng)大的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)，被人們廣泛應(yīng)用[4].一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用電路都是以最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的。

    2.2 5V直流電源模塊

    為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定和實(shí)驗(yàn)效果，電源模塊直接通過(guò)USB輸入5V的直流電源電壓，為單片機(jī)系統(tǒng)提供正常的工作電壓。為了能給輸出電源足夠的濾波效果，本系統(tǒng)采用470?F和100nF的并聯(lián)電路作為濾波電容。

    2.3 RS-232轉(zhuǎn)UART

    UART是通用異步串行口的意思，通用異步接收/發(fā)送裝置，具有可編程性和高度兼容性，在數(shù)字通信及控制系統(tǒng)等各種嵌入式領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[5].RS232是個(gè)人計(jì)算機(jī)的通訊接口之一，也是UART的一種，它采用232電平。RS232只是一種電平信號(hào)，只需要用FPGA做一個(gè)異步串行口。當(dāng)信號(hào)從FPGA出來(lái)后通過(guò)TTL到232.

    如圖3所示，其中的C1,C2,C3起濾波的作用，不同顏色的LED燈兩端導(dǎo)通壓降不同，因此需要不同的電阻分壓。

    3 主要外設(shè)擴(kuò)展

    3.1 74HC00與非門擴(kuò)展

    如圖4所示，74HC00由4個(gè)2輸入與非門構(gòu)成。這2個(gè)部分均是由與門邏輯和非門邏輯組合而成的“與非門”邏輯電路。

    3.2 數(shù)據(jù)移位電路

    本電路完成數(shù)據(jù)移位的功能。由施密特反相器74HC14,8位串行輸入移位寄存器74HC164,三態(tài)門74HC125組成。施密特反相器74HC14提供非邏輯并有效的保證了電平采集的可靠性。 

    3.3 振蕩分頻與8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

    74HC4060是專門的多通道不同頻率脈沖信號(hào)產(chǎn)生芯片。MR高電平復(fù)位。因此如圖6所示，接了GND之后芯片可以一直工作。為使其芯片工作，必須要一個(gè)外部振蕩源，Y1提供32768Hz的晶體振蕩源，并分別與COUT管腳和CIN接通。 

    4 軟件設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)

    4.1 LED燈及開關(guān)模塊

    如圖7所示，發(fā)光二極管LED是一類特殊的二極管，除了符合普通的二極管的基本特性，還因?yàn)樽陨碚驅(qū)▔航递^高，因此在正向?qū)〞r(shí)會(huì)發(fā)出紅，黃，綠，藍(lán)等光。對(duì)于不同顏色的發(fā)光管它的導(dǎo)通電壓為1.5V,綠色為1.8V,發(fā)光管的亮度取決于流過(guò)它的電流的大小。電路上的電阻起著限流的作用。以免過(guò)流損壞。本設(shè)計(jì)要做的是通過(guò)各種方式實(shí)現(xiàn)LED 燈發(fā)光。     

    4.2 軟件控制八個(gè)LED閃爍

    首先連接硬件電路。確定電源模塊供電正常，最小系統(tǒng)模塊，RS-232轉(zhuǎn)UART模塊供電。將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的LED模塊和最小系統(tǒng)中的P1口鏈接起來(lái)。經(jīng)過(guò)74HC04的一個(gè)非門后鏈接到發(fā)光二極管的負(fù)極。假如單片機(jī)的P1.0口輸出高電平1,那么經(jīng)過(guò)反相器轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?后，即可驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。通過(guò)調(diào)用DELAY使單片機(jī)P1.0口的輸出信號(hào)維持“停頓”狀態(tài)。通過(guò)編寫程序，對(duì)不同的I/O口控制,進(jìn)行一定規(guī)律的點(diǎn)亮和熄滅。

    4.3 開關(guān)控制LED燈發(fā)光

    首先連接硬件電路。確定電源模塊供電正常，最小系統(tǒng)模塊，RS-232轉(zhuǎn)UART模塊供電。將單片機(jī)P1口和LED相連接，作為輸出。將單片機(jī)P0口和開關(guān)相連接。由于I/O口會(huì)讀入和寫出數(shù)據(jù)。從而通過(guò)編程完成開關(guān)控制LED指示燈的功能。

    4.4 數(shù)據(jù)移位模塊系統(tǒng)測(cè)試

    在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中為了高效地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)距離通信，且要使通信電路簡(jiǎn)單、可靠，則采用串行輸入、并行輸出的方式，移位寄存器的作用就是實(shí)現(xiàn)并行輸入、串行輸出或串行輸入、并行輸出。這里采用的是串行輸入、并行輸出。

    此電路可以存儲(chǔ)串行8位數(shù)據(jù)的輸入。由于加在輸入端上的數(shù)據(jù)可以移位讀入，因此稱之為移位寄存器。因?yàn)樵贑P的上升沿進(jìn)行移位，因此也使該CP成為移位脈沖。

    實(shí)驗(yàn)中將并行輸出端和LED連接。通過(guò)按鍵輸入串行的邏輯“1”、“0”并在LED上觀察并行的輸出結(jié)果。

    4.5 振蕩分頻器和8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)

    振蕩分頻器，采用了一個(gè)三向晶振提供基礎(chǔ)時(shí)鐘振蕩。通過(guò)4060對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了整理和分頻。這里可以通過(guò)跳線選擇2kHz~2Hz之間的9種頻率。然后將振蕩信號(hào)送入8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

    計(jì)數(shù)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最常用的時(shí)序電路之一，除了可以對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)外，也可以用于分頻、定時(shí)及產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)。393將串行輸入的時(shí)鐘信號(hào)作累加，并將結(jié)果以并行八位輸出的模式輸出。用輸出端控制8盞LED燈，可以很好地看出其在不同頻率下累加的效果。

    總結(jié)

    本設(shè)計(jì)是制作一個(gè)P89V51RB2實(shí)驗(yàn)箱,并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和軟件程序設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱相比，使用方便，讀數(shù)準(zhǔn)確，所包含的實(shí)驗(yàn)電路全面且實(shí)用。為了滿足目前高等學(xué)院的需求，還在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱的基礎(chǔ)上加入其他的功能如匯編語(yǔ)言等。