51/AVR单片机多功能实验板的设计与制作

唐红雨

（镇江高等专科学校 电子与信息工程系，江苏 镇江 212003）

MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性、高性价比而成为国内单片机领域的主流之一。ATmel公司设计的高性能AVR单片机打破了传统51的技术瓶颈，提供了更多的外设、更快的速度，在实际应用中也非常广泛。为丰富实验课程内容，激发学生兴趣，扩展有提高性的实验资源，设计制作的这款支持MCS-51和AVR的ATmega系列的单片机综合实验板［1］。

1 总体设计

根据单片机实验教学要求，要完成常用单片机的实验，如流水灯实验、数码管显示实验99秒计时、单片机音乐演奏、DS1302时钟、单片机与PC串口通信、红外解码实验、24CXX EEPROM读写、DS18B20温度计、键盘矩阵实验、LCD显示实验、8*8点阵显示字符实验、AD模数转换实验、DA数模转换实验等。同时，单片机I/O口需有引出，接上外围电路后，方可做其它扩展实验用。

本文设计制作的51/AVR单片机综合实验板选用了一些集成度高的芯片，如DS1303时钟芯片、DS18B20数字温度传感器、AT24CXX存储芯片、DAC0832数模转换芯片、ADC0832模数转换芯片、MAX232电平转换芯片等，硬件电路十分简洁，有利于学生进行学习。该实验板还包括蜂鸣器、继电器、8段共阳数码管（8个）、发光二极管（8个）、4*4矩阵键盘（1个）、独立键盘（4个）、1602液晶接口与12864液晶接口、ISP接口、8*8LED点阵、红外接收头等模块。另外，该实验板利用活动IC座可方便更换各个厂家的DIP-40的51单片机，配上本文设计的51-AVR转接座可以直接使用ATmel公司的高档AVR单片机，实验板PCB布局如图1示。

图1 实验板布局图

2 硬件设计

2.1 单片机复位电路设计

本实验板采用最传统的RC上电复位电路。由于51在复位端口高电平时复位、低电平时正常工作，而AVR在复位端口为低电平时复位、高电平时正常工作，所以设计了一个转换开关，拨到AT-51时，实现51单片机的复位功能；拨到ATmega时，实现AVR复位功能。R3，Q0，R2组成一个反相器，Q0的β=70，上电时，

Ib=（5-Vbe）/R2=（5-0.7）/20=0.215mA，Ic=β*Ib=15.05mA，

Q0集电极电压

Vc=5-Ic*R3=0.5V，

此时，三极管临界饱和，随着电容充电相应的Ib↓→Ic↓→Vc↑，当电容充满时，Vc达到最大值5V，所以Vc的这一变化过程正好满足AVR的上电复位时序，而R1上的压降变化符合51的上电复位时序，故配上转换开关K后可实现51-AVR的复位电路的切换的功能。其中E1=10μF，Q0的Vbe恒为约0.7V，可忽略不计，所以可以简化看成10μF的电容E1与R1，R2并联后串联，若R1上的压降为U，系统上电时间为t，则有

解微分方程得

U=5*e-100t。

如果U=1V时51单片机开始工作，则t=16.1ms，其时间远远大于规定的最小复位时间2个时钟周期，而AVR单片机的最小复位脉冲时间仅为1.5μs，显然，经反相器反相后输出的复位信号能满足AVR的复位要求。在电容E两端并联一个复位按键，能方便调试时的手动复位［2］。板复位电路如图2所示。

图2 单片机复位电路

2.2 单片机电源设计

本实验板电源输入方式有2种［1-2］：

1）是通过变压器DC座输入，输入直流电压不能超过12V通过C11，E2滤波后加到7805输入端，7805输出端输出稳定的5V电压可直接供单片机和各模块使用。

2）供电方式是直接取电脑USB口电流，电脑USB口能直接提供稳定的5V电源，经C12，E4滤波后可直接供单片机和各功能电路使用，KEY是电源总开关。单片机电源电路如图3所示。

图3 电源电路

2.3 蜂鸣器、继电器设计

本设计中有一个5V继电器，能驱动10A的电流，方便做驱动大电流器件实验，如红外解码遥控家用日光灯实验。D0，D1为续流二极管，防止继电器断开时，线圈产生感应电动势把其它元器件击穿损坏。由于74HC245的I/O口驱动能力有限，故采用2K电阻与9012三极管驱动，继电器引出一组常开和常闭触点，同样也配有一个跳线帽。在下载程序等I/O端口不稳定的情况下，74HC245的输出状态也不定，可能会使继电器不稳定的重复吸合与断开。此时，可以拔掉跳线，断开继电器。具体电路如图4所示。

图4 蜂鸣器、继电器

2.4 12864液晶接口设计

本设计中引入了常用的12864液晶接口，当12864工作在串行状态时分别作为片选、数据、时钟输入端口，分别接单片机的P2.5，P2.6，P2.7口。DB0—DB7为8位数据总线，接单片机P0口。15脚PSB为并行驱动、串行驱动选择端口，在12864上电时，如果PSB输入为高电平，则12864为并行方式驱动，反之，上电时PSB输入为低电平，12864为串行方式驱动。在PSB端口加1个跳线帽可以通过选择接电源或者接地来选择驱动方式。16脚为空脚。17脚为复位引脚，由于12864内部自带复位电路，所以此端口恒定接高电平，使能液晶正常工作。18脚为驱动电压输出端，通过1个10K电阻接背光正引脚。19，20脚为液晶的背光电源，上面加1个跳线帽，可以在实验板电源驱动不足时拔掉跳线。液晶接口电路如图5所示。

图5 12864液晶接口电路

2.5 串行EEPROM设计

本设计采用的EEPROM是AT24C08存储芯片，AT24C08是8位的串行CMOSEEPROM，内部含有1 024字节，支持IIC总线数据传输协议。AT24C08的连接电路非常简单，如图6所示。SCL用于串行时钟的输入，SDA引脚用于串行数据/地址的传输，SCL，SDA分别与扩展I/O口的74HC245芯片相连接。WP为写保护引脚信号，当WP引脚接高电平时，存储芯片的内容都被写保护（只读）；当WP引脚接点电平或悬空时，器件则可以进行读写操作。在此，将WP引脚与GND相连，允许芯片读写操作。A0，A1，A2引脚用于器件地址的定义，使用时，根据3个引脚连接高或低电平的情况，确定器件的地址。本实验板上只有一个IIC器件，所以将这3个引脚与GND连接，将器件地址定为0x00。

图6 24C08EEPROM电路

2.6 时钟模块设计

如图7所示，本实验板使用DS1302设计时钟模块。DS1302采用双电源供电。其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz的晶振。RST是复位/片选引脚，RST输入有2种功能：1）RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；2）RST提供中止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中值为低电平，则会中止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。I/O为串行数据输入输出端，是双向的。SCLK是时钟输入端。时钟模块SCLK，RST，I/O分别接单片机的P3.3，P3.4，P3.5口［4］。

图7 DS1302时钟电路

2.7 A/D模块设计

本实验板采用ADC0832来设计模拟量转换模块，ADC0832芯片转换时间仅为32μs，具有双数据输出，可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。通过DI数据输入端，可以轻易实现通道功能的选择。由于DO端与DI端在通信时未同时有效并且单片机的I/O是双向的，所以电路设计时，可以将DO和DI并联在一根数据线上使用，其数据端口分别接扩展I/O的74HC245芯片。ADC0832有2个模拟量通道，分别接电位器，可以采集电位器的电压，电路如图8所示［3］。

图8 ADC0832模拟量采集电路

2.8 D/A模块设计

如图9所示，D/A转换模块接口电路还是用74HC573扩展，74HC573数据输入接单片机P0口，输出端接DAC0832的数据输入口，锁存端接单片机P2.2口。为了简化接口，DAC0832的，可以接地，ILE，VREF信号接电源。接单片机P3.6（）端口。接单片机的ALE端。

图9 DAC0832数模转换电路

如图9所示，如果把DAC0832当外部数据存储器来操作，ALE信号可以实现DAC0832片选的功能，满足DAC0832的时序。例如，向DAC0832输出数据0x55，只需如下指令：MOV，A，#55H；MOV DPTR，#400H，即P2.2口为高电平，选通锁存器；MOVX@DPTR，A。在最后一条指令执行时，P2口首先送出地址，选通锁存器，然后出现ALE信号，DAC0832被选通，接着信号出现，与此同时P0口送出数据0x55，然后、ALE依次消失，与DAC0832时序完全相符。

2.9 串口通讯模块设计

51单片机有一个全双工的串行通讯口，本设计采用了专用芯片MAX232进行转换，采用了三线制连接串口，即和电脑的9针串口只连接其中的3根线——第5脚的GND，第2脚的RXD，第3脚的TXD。电路如图10所示，MAX232的1，2，3，4，5，6，15，16引脚分别接5个1μF的电解电容，这些电容组成电荷泵电路产生2个电源，即+12V和-12V，供给RS232电平需要。7，8，9，10，11，12，13，14脚构成2个数据通道。我们只用了第二个数据通道，第10脚和单片机的P3.1脚连接，第9脚和单片机的P3.0脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。在2根数据线上加2个上拉电阻和LED发光二极管，上拉电阻可以增加单片机P3.0，P3.1的驱动能力，而LED灯可以作为数据通讯指示。串口不仅可以实现通信，而且有些单片机的ISP功能是用串口来实现的，如深圳宏晶STC系列的51单片机、恩智浦的P89V51RD2可以通过串口来对单片机下载程序［5］。

图10 MAX232串口通讯电路

2.10 51/AVR转接板设计

本实验板支持DIP-40封装的AVR单片机，要在51实验板上直接使用ATmega 16的话，必须用1个转接座将ATmega 16的相应管脚与51的管脚对接上。51插座的P0，P1，P2，P3口分别接AVR的PA，PB，PC，PD口，RESET接51的RST，XTAL1，XTAL2也分别接51的XTAL1，XTAL2，其余的管脚如电源、地等分别相连。这样，经转接座转接后的ATmega 16直接插在实验板锁紧座上就能使用了。

3 结论

本文设计了51/AVR单片机综合实验板，该实验板可作为单片机入门用的学习板，设计完成后的实验板具有资源广泛、性价比高、使用方便等特点。该实验板既可以用于目前高校的单片机实验教学，也可以作为课堂教学演示仪器。它符合学生实验与单片机教学器件使用的需要。

［1］张毅刚，彭喜元，姜守达，等.新编MCS-51单片机应用设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006：3-6.

［2］樊明龙，任丽静.单片机原理与应用［M］.北京：化学工业出版社，2005：16-17，25-28.

［3］邹显圣.基于单片机控制的智能抢答器研究［J］.电子设计工程，2011，19（13）：138-140.

［4］向继文，廖立新.基于AT89S51的电子钟系统设计［J］.机电产品开发与创新，2007（2）：62-63.

［5］李明，毕万新.单片机原理与接口技术：3版［M］.大连：大连理工大学出版社，2011：150-160.

［6］王静.Altium Designer Winter 09电路设计案例教程［M］.北京：中国水利水电出版社，2010：20-22.