0 引言

單片機，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。隨著單片機技術的不斷發(fā)展，單片機在微機控制領域占據(jù)著重要地位，由于其具有體積小、可靠性好、易擴展、控制功能強、使用方便等優(yōu)點，在智能儀表、工業(yè)測控、計算機網(wǎng)絡與通信設備、日常生活及家用電器等方面都得到了廣泛的應用[1~2].單片機已廣泛應用于工業(yè)控制、智能家用電器、通訊、醫(yī)療和軍事等眾多領域，社會對掌握單片機技術的應用型人才的需求越來越大[3].

本設計的實驗箱采用了數(shù)字邏輯，單片機原理，電路基礎，動態(tài)數(shù)碼管掃描等各個方面的理論依據(jù)。單片機原理是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，單片機依靠程序運行，并且可以修改。單片機通過編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。

1 設計概述及目的

本設計是制作一個實驗箱，并對其進行實驗和軟件程序設計。實驗箱中包括MCU、基礎外設和擴展外設。

從國內(nèi)同行業(yè)情況來看，單片機實驗箱沒有高精度集成，但是本次設計的實驗箱基本做到了高集成、高效率，以及可靠性等。系統(tǒng)的設計過程，首先要了解實驗箱各部分基本邏輯、原理，用Protel99SE進行原理圖和PCB繪制，再用腐蝕板制作成板，最后用匯編語言進行軟件調(diào)試和程序設計。

2 系統(tǒng)MCU及基本外設

2.1 P89V51 RB2單片機最小系統(tǒng)

如圖1所示，為P89V51RB2單片機的最小系統(tǒng)電路原理圖。所謂最小系統(tǒng)是指能夠使單片機工作起來的最基本的電路形式。單片機與簡單的接口電路相結(jié)合即可構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，是單片機的基礎應用，并且具有強大的擴展優(yōu)勢，被人們廣泛應用[4].一個實際的應用電路都是以最小系統(tǒng)為基礎建立起來的。

2.2 5V直流電源模塊

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定和實驗效果，電源模塊直接通過USB輸入5V的直流電源電壓，為單片機系統(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。如圖2所示。

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)等各種嵌入式領域中得到了廣泛的應用[5].RS232是個人計算機的通訊接口之一，也是UART的一種，它采用232電平。RS232只是一種電平信號，只需要用FPGA做一個異步串行口。當信號從FPGA出來后通過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燈兩端導通壓降不同，因此需要不同的電阻分壓。

3 主要外設擴展

3.1 74HC00與非門擴展

如圖4所示，74HC00由4個2輸入與非門構(gòu)成。這2個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位二進制計數(shù)器

74HC4060是專門的多通道不同頻率脈沖信號產(chǎn)生芯片。MR高電平復位。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 軟件設計及其實驗

4.1 LED燈及開關模塊

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，還因為自身正向?qū)▔航递^高，因此在正向?qū)〞r會發(fā)出紅，黃，綠，藍等光。對于不同顏色的發(fā)光管它的導通電壓為1.5V,綠色為1.8V,發(fā)光管的亮度取決于流過它的電流的大小。電路上的電阻起著限流的作用。以免過流損壞。本設計要做的是通過各種方式實現(xiàn)LED 燈發(fā)光。

4.2 軟件控制八個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。將實驗系統(tǒng)的LED模塊和最小系統(tǒng)中的P1口鏈接起來。經(jīng)過74HC04的一個非門后鏈接到發(fā)光二極管的負極。假如單片機的P1.0口輸出高電平1,那么經(jīng)過反相器轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?后，即可驅(qū)動LED發(fā)光。通過調(diào)用DELAY使單片機P1.0口的輸出信號維持“停頓”狀態(tài)。通過編寫程序，對不同的I/O口控制,進行一定規(guī)律的點亮和熄滅。

4.3 開關控制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P1口和LED相連接，作為輸出。將單片機P0口和開關相連接。由于I/O口會讀入和寫出數(shù)據(jù)。從而通過編程完成開關控制LED指示燈的功能。

4.4 數(shù)據(jù)移位模塊系統(tǒng)測試

在計算機系統(tǒng)中為了高效地實現(xiàn)計算機系統(tǒng)之間的遠距離通信，且要使通信電路簡單、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。因為在CP的上升沿進行移位，因此也使該CP成為移位脈沖。

實驗中將并行輸出端和LED連接。通過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位二進制計數(shù)器實驗

振蕩分頻器，采用了一個三向晶振提供基礎時鐘振蕩。通過4060對時鐘信號進行了整理和分頻。這里可以通過跳線選擇2kHz~2Hz之間的9種頻率。然后將振蕩信號送入8位二進制計數(shù)器。

計數(shù)器是計算機系統(tǒng)最常用的時序電路之一，除了可以對時鐘脈沖計數(shù)外，也可以用于分頻、定時及產(chǎn)生各種時序信號。393將串行輸入的時鐘信號作累加，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)

本設計是制作一個P89V51RB2實驗箱,并對其進行實驗和軟件程序設計。與傳統(tǒng)的實驗箱相比，使用方便，讀數(shù)準確，所包含的實驗電路全面且實用。為了滿足目前高等學院的需求，還在現(xiàn)有的實驗箱的基礎上加入其他的功能如匯編語言等。