大連科技學院 機電產品設計訓練 題 目 51單片機開發板設計 | 起訖日期 | | 至 | | | 學生姓名（學號） | | | 專業班級 | | | 指導教師 | | | 所在單位 | |
2018 年 9 月 14 日
目 錄
1 設計任務書........................................................................................................................... 1
2 1單片機開發板功能概況.................................................................................................. 3
2.1 研制背景及意義...................................................................................................... 3
2.2 總體方案設計.......................................................................................................... 3
2.3AT89C51...................................................................................................................... 4
2.4MAX232...................................................................................................................... 4
3開發板詳細設計（電路原理圖及詳細說明）................................................................ 6
3.1 最小系統的設計....................................................................................................... 6
3.2 鍵盤的設計................................................................................................................ 6
3.3流水燈的設計............................................................................................................. 7
3.4串行通信接口的設計................................................................................................ 7
3.5電源的設計................................................................................................................. 8
3.6繼電器的設計............................................................................................................. 9
3.7蜂鳴器的設計........................................................................................................... 9
3.8數碼管的設計........................................................................................................... 10
4 Protel軟件學習體會........................................................................................................... 11
5心得體會及建議................................................................................................................. 12
1 設計任務書
《機電產品設計訓練》任務書
（一）、訓練目的
獨立設計51單片機開發板，讓學生們鞏固之前所學的單片機原理及其接口技術、計算機控制技術等專業知識，并拓展PROTEL原理圖設計與PCB板圖設計知識。通過自己動手設計開發板，培養學生們的自學能力和實踐能力，以便更深刻的理解單片機各部分工作原理，將理論和實踐更好的結合。
（二）、訓練任務
a. 開發板基本功能設計：原理圖分析、總體方案設計。
開發板基本功能：
（1）單片機AT89S51為CPU，設計單片機最小系統，要求帶串行程序下載載接口。建議晶振選擇11.0592MHz，下面擴展所需接口自行安排。
（2）鍵 盤
可以是獨立按鍵或者矩陣鍵盤。鍵值獲得方式可以是查詢方式或者中斷方式。
最少4個按鍵；自選鍵盤所占用的端口；鍵盤防抖可以采用硬件防抖或者軟件防抖。
（3）LED顯示
最少四片LED數碼管組成顯示屏；采用動態掃描或者靜態掃描；可以選用串行或者并行數據輸出。
（4）串行通信接口
串口電平轉換芯片可以自選；可以采用3引腳插座或采用9針標準RS232端子。
（5）電源
5V電源供電方式可以選擇7805穩壓電路實現，輸入為直流12V。
（6）設計繼電器接口電路，建議選擇12V直流繼電器、選用芯片ULN2003作為驅動電路。
（7）設計蜂鳴器報警電路。
（8）可以根據自己的能力添加其他的功能模塊：步進電機驅動；直流電機驅動；ADC轉換；LCD顯示端口等。
b. 學習Protel電路原理圖設計軟件，設計硬件原理圖一張。
c. 學習Protel電路制板圖設計軟件，設計硬件PCB板圖一張。
（三）、訓練要求
a 分組工作，組內各位同學設計內容要有差別，要求獨立設計。
b 根據訓練計劃分別完成手繪電路設計圖、計算機畫電路設計圖及制版圖，撰寫實訓報告，最后通過答辯或口試方式驗收設計結果。
c 認真撰寫實踐報告，要求：
（1）開發板功能概況；
（2）開發板詳細設計（電路原理圖及詳細說明）；
（3）Protel軟件學習體會；
（4）實訓心得體會及建議；
（5）開發板原理圖（SCH）及PCB圖。
（四）、成績評定
動手能力 30％
報告及答辯水平 60％
出勤 10％
2 51單片機開發板功能概況2.1 研制背景及意義
雖然現在16位32位的單片機越來越多，而51單片機作為8位單片機中的經典之作。幾十年來，依舊是各大高校相關專業必開之課。另外51單片機經過幾十年來的發展。也為這類單片機的后來學習者提供了相當多的資料，所以使用起來也非常的方便。有了51的基礎。今后再學習其他類型的單片機也是輕車熟路。
單片機具有成本低、體積小、可靠性高、具有高附加值、通過更改軟件就可以改變控制對象等優點，單片機越來越成為電子工程師設計產品時的首選器件之一。因此擁有一塊單片機開發板對單片機學習具有著極其重要的意義。但是單片機學習效果的優劣直接取訣于單片機的選擇，C51系列單片機內部具有128字節RAM、5個中斷源、32條IO口線、2個16位定時器、4KB的程序存儲器、一個全雙工異步串行口。本開發板選擇具有ISP在線編程功能的S51單片機，該單片機不需要燒寫器，可在開發板上ISP在線編程，具有廣泛的應用前景。
本課題設計的51單片機開發板，具有一般開發板通用結構，并基于硬件進行相關軟件設計。利用程序開發語言開發程序并實現ISP在線下載到單片機，無需配置單獨的下載器。單片機使用ISP在線下載程序，加快了程序設計者調試的進度，使設計者所設計的程序盡快得到驗證。通過對開發板上的模塊進行實驗，可以提高針對不同硬件進行編程的能力，同時通過實驗現象對所用的硬件也有了更深一步的認識，因此該開發板具有一定的實用價值和現實意義。
2.2 總體方案設計
開發板基本功能：
（1）單片機AT89S51為CPU，設計單片機最小系統，要求帶串行程序下載載接口。建議晶振選擇11.0592MHz，下面擴展所需接口自行安排。
（2）鍵 盤
可以是獨立按鍵或者矩陣鍵盤。鍵值獲得方式可以是查詢方式或者中斷方式。
最少4個按鍵；自選鍵盤所占用的端口；鍵盤防抖可以采用硬件防抖或者軟件防抖。
（3）LED顯示
最少四片LED數碼管組成顯示屏；采用動態掃描或者靜態掃描；可以選用串行或者并行數據輸出。
（4）串行通信接口
串口電平轉換芯片可以自選；可以采用3引腳插座或采用9針標準RS232端子。
（5）電源
5V電源供電方式可以選擇7805穩壓電路實現，輸入為直流12V。
（6）設計繼電器接口電路，建議選擇12V直流繼電器、選用芯片ULN2003作為驅動電路。
（7）設計蜂鳴器報警電路。
（8）可以根據自己的能力添加其他的功能：步進電機驅動；ADC轉換；LCD顯示端口等。
2.3 AT89C51
AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。
單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示。
AT89C51提供以下標準功能：4k 字節Flash 閃速存儲器，128字節內部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。
圖2-1 AT89C51
2.4 MAX232
MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5v單電源供電。
器件特別適合電池供電系統，這是由于其低功耗關斷模式可以將功耗減小到5uW以內。MAX225、MAX233、MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推薦用于印刷電路板面積有限的應用。
MAX220–MAX249系列線驅動器/接收器，專為EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口設計，尤其是無法提供±12V電源的應用。
MAX232芯片的作用：是將單片機輸出的TTL電平轉換成PC機能接收的232電平或將PC機輸出的232電平轉換成單片機能接收的TTL電平。
3 開發板詳細設計（電路原理圖及詳細說明）3.1 最小系統的設計
單片機最小系統,或者稱為最小應用系統,是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統. 對51系列單片機來說,最小系統一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路。
復位電路:由電容串聯電阻構成,由圖并結合"電容電壓不能突變"的性質,可以知道,當系統一上電,RST腳將會出現高電平,并且,這個高電平持續的時間由電路的RC值來決定.典型的51單片機當RST腳的高電平持續兩個機器周期以上就將復位,所以,適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位.一般教科書推薦C取10u，R取8.2K.當然也有其他取法的,原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產生不少于2個機周期的高電平.至于如何具體定量計算,可以參考電路分析相關書
晶振電路:典型的晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產生精確的uS級時歇,方便定時操作)。
圖3.1 最小系統原理圖
3.2 鍵盤的設計
常用的按鍵電路有兩種形式，獨立式按鍵和矩陣式按鍵，獨立式按鍵比較簡單，我們的是獨立鍵盤如圖3-2所示。它們各自與獨立的輸入線相連接。
6條輸入線接到單片機的IO口上，當按鍵S1按下時，+5V通過電阻R1然后再通過按鍵 S1最終進入GND形成一條通路，那么這條線路的全部電壓都加到了R1這個電阻上，S1這個引腳就是個低電平。當松開按鍵后，線路斷開，就不會有電流通過，那么K1和+5V就應該是等電位，是一個高電平。我們就可以通過S1這個IO口的高低電平來判斷是否有按鍵按下。
這個電路中按鍵的原理我們清楚了，但是實際上單片機IO口內部也有一個上拉電阻的存在。
圖3-2鍵盤原理圖
3.3流水燈的設計
用5V電源給單片機供電，并把單片機的P2.0到P2.3口與流水燈模塊的4個引腳用排線連接起來，每個發光二極管外接一個10K電阻,防止電流過大而燒壞發光二極管。其連法如圖3-3所示。
圖3-3 LED的原理圖
3.4串行通信接口的設計
串行接口Serial Interface是指數據一位一位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現雙向通信，并可以利用電話線，從而大大降低了成本，特別適用于遠距離通信，但傳送速度較慢。一條信息的各位數據被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的特點是：數據位傳送，傳按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成；成本低但傳送速度慢。RS-232也稱標準串口，最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業協會（EIA）聯合貝爾系統、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它的全名是“數據終端設備（DTE）和數據通訊設備（DCE）之間串行二進制數據交換接口技術標準”。傳統的RS-232-C接口標準有22根線，采用標準25芯D型插頭座（DB25），后來使用簡化為9芯D型插座（DB9），如圖3-4所示。
圖3-4 串行通信接口的原理圖
3.5電源的設計
7805三端穩壓集成電路，電子產品中，常見的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的78 ×× 系列和負電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子像是普通的三極管，TO- 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。
當制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩壓電源，通常采用幾塊三端穩壓電路并聯起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，
7805三端穩壓IC內部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能，這使它的性能很穩定。能夠實現1A以上的輸出電流。器件具有良好的溫度系數，因此產品的應用范圍很廣泛。可以運用本地調節來消除噪聲影響，解決了與單點調節相關的分散問題，輸出電壓誤差精度分為±3%和±5%。
當輸入輸出壓差不能太大,太大則轉換效率急速降低，而且容易擊穿損壞。最高輸入電壓不能超過35伏; 輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導致高溫保護或熱擊穿; 輸入輸出壓差也不能太小,低于2伏穩壓效率急速下降，如圖3-5所示。
圖3-5 電源的原理圖
3.6繼電器的設計
電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”;處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”如圖3-6所示。
圖3-6繼電器的原理圖
3.7蜂鳴器的設計
蜂鳴器發生原理是通過電磁線圈，是電磁線圈產生磁場來驅動振動膜發生的，流才原理是電流，因此需動能方天電流才能驅動它，如圖3-8所示，三極管主要是做驅動用的。因為單片機的IO口驅動力不夠讓蜂鳴器發出聲音，所以我們通過三極管放大驅動電流，從而可以讓蜂鳴器發出聲音，當輸出高電平，三極管導通，集電極電流通過蜂鳴器讓蜂鳴器發出聲音，當輸出低電平時，三極管截止，沒有電流流過蜂鳴器，所以就不會發出聲音。原理圖3-87所示。
圖3-7 蜂鳴器的原理圖
3.8數碼管的設計
數碼管其實是由發光二極管組成，有共陰極和共陽極之分，對于共陽極來說，一位數碼管由8個二極管組成，他們的陽極接在一起接+5v電源，而各個陰極與某個端口，如pl的8個引腳相連，當某個引腳輸出低電平的時候數碼管對應的二極管亮。利用引腳輸出高低電平來控制數碼管的8個子管的亮滅，達到數字和小數點顯示的效果，通常要給每個數字做一個轉換表，以便在編程的時候忽略轉換過程，達到快速編程的目的，原理圖如圖3-8所示，轉換表一般采用枚舉的方式，具體轉換數字和你電路里面的連接方式有關系，用二進制寫出來，再換算成16進制。
圖3-8數碼管的原理圖
4 Protel軟件學習體會
這倆周我們進行了protel學習，通過將近10天的，我學會一一些基本電路的原理圖繪制和PCB的制作，并且發現自在專業知識方面有所提高。Protel這個軟件包含有原理圖設計軟件、電路板設計軟件等多個模塊。對于初學者的我來說，這些方面的學習使我初步學會了一些制圖過程中的技巧。在剛開始接觸這一款軟件的時候，其英文的操作界面著實使我苦惱了一陣，即使我進行了漢化，但大量的專業英語詞匯仍使我束手無策。可是后來，也許是所謂的“熟能生巧”吧，我漸漸可以看著英文就能找到我所需要的東西了，但即便如此，我還是認識到學習好英語的重要性。
在學習的過程中，首先接觸的是如何繪制基本電路的原理圖。這在整個學習過程中是相對簡單的，因為它是繪制其它圖的基礎。要繪制原理圖，首先要創建-個新的SchematicDocument界面，然后就是加載原件庫,當遇到庫中所沒有的元器件時，我們就要自己動手編輯電路原件了。還記得當初我試了很多次還不行，后來還是經過老師的指點才解決的，那時候還真是有點豁然開朗的感覺。自己編輯完原件后，只有正確的調用才能在之后順利地使用它。之后便是PCB封裝的學習了。這是很重要的一個過程。同是電阻，就因為它們的阻值不一樣，也許封裝就是不同的;有極性的電容和無極性的電容的封裝也是不同的.,起先我總是怎么也找不對封裝的內容，可是漸漸的也好了起來。在這一過程中， 需要我注意的就是每一個原件都要有封裝并且要封裝正確。這之后，我們要對原理圖生成-一個網絡表，然后在PCB中也同樣創建一個網絡表，只有當檢錯后顯示“Allmacros validated', 才能進行下一步的動作，但這也只是正確完成PCB的一個必要前提，只有當所有的原件都連線時，才有可能正確。那個時候我調試了好久可就是有原件不能連線，好幾天下來，說不煩躁那是假的，可當我最終將所有的錯誤都排查的時候，那種喜悅的心情是無法用語言形容的。
這還不算完，我們還要布局和布線，自動當然既快速又方便，可手動的有時會更加美觀。當通過自己的努力制成-幅完整的圖事，我會體會到前所未有的成就感。Protel的學習應該要多聯系，只有多練習，我們才能更快更好地完成制圖。短學期的學習雖然短暫，學到的東西也有限，但這十天中我所獲得的卻能夠使我受益匪淺、受益終身。我會不斷地自我充實來豐富自己的專業知識，我會更有耐心地對待身邊的每一件事。有聽說這樣一句話:“每次遇到一個新的領域，你都是一張白紙，由你自己決定來怎么涂寫。”我會重視過程所帶來的樂趣以及不斷地奮斗、不斷地糾正錯誤，使自已無論在專業知識上還是自身素質上都有所提高。
5心得體會及建議
通過這次實訓，我收獲了很多，一方面學習到了許多以前沒學過的專業知識與知識的應用，另一方面還提高了自我動手做項目的潛力。本次實訓，是對我潛力的進一步鍛煉，也是一種考驗。從中獲得的諸多收獲，也是很可貴的，是十分有好處的。
在實訓中我學到了許多新的知識。是一個讓我把書本上的理論知識運用于實踐中的好機會，原先，學的時候感嘆學的資料太難懂，此刻想來，有些其實并不難，關鍵在于理解。
在這次實訓中還鍛煉了我其他方面的潛力，提高了我的綜合素質。首先，它鍛煉了我做項目的潛力，提高了獨立思考問題、自我動手操作的潛力，在工作的過程中，復習了以前學習過的知識，并掌握了一些應用知識的技巧等。其次，實訓中的項目作業也使我更加有團隊精神。
此次實訓增強了我畢業就業的信心和勇氣。這次實訓，我覺得我表現得還不錯，許多同學都認為，由此看來，我們在大學里還是學到了不少東西，只是感覺不到而已。所以，我們有就業危機感是就應的，但不能過于自卑和擔憂，否則會妨礙自我的學習。此刻，我們能做的就是多吸取知識，提高自身的綜合素質
能夠說這次實訓不僅僅使我學到了知識，豐富了經驗。也幫忙我縮小了實踐和理論的差距。這次實訓將會有利于我更好的適應以后的工作。我會把握和珍惜實訓的機會，在未來的工作中我會把學到的理論知識和實踐經驗不斷的應用到實際工作中，為實現理想而努力。最后，我要感謝學院組織的這次十分有好處的實訓，使我們學到了很多，也領悟了很多。
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