大连科技学院 机电产品设计训练 题 目 51单片机开发板设计 | 起讫日期 | | 至 | | | 学生姓名（学号） | | | 专业班级 | | | 指导教师 | | | 所在单位 | |
2018 年 9 月 14 日
目 录
1 设计任务书........................................................................................................................... 1
2 1单片机开发板功能概况.................................................................................................. 3
2.1 研制背景及意义...................................................................................................... 3
2.2 总体方案设计.......................................................................................................... 3
2.3AT89C51...................................................................................................................... 4
2.4MAX232...................................................................................................................... 4
3开发板详细设计（电路原理图及详细说明）................................................................ 6
3.1 最小系统的设计....................................................................................................... 6
3.2 键盘的设计................................................................................................................ 6
3.3流水灯的设计............................................................................................................. 7
3.4串行通信接口的设计................................................................................................ 7
3.5电源的设计................................................................................................................. 8
3.6继电器的设计............................................................................................................. 9
3.7蜂鸣器的设计........................................................................................................... 9
3.8数码管的设计........................................................................................................... 10
4 Protel软件学习体会........................................................................................................... 11
5心得体会及建议................................................................................................................. 12
1 设计任务书
《机电产品设计训练》任务书
（一）、训练目的
独立设计51单片机开发板，让学生们巩固之前所学的单片机原理及其接口技术、计算机控制技术等专业知识，并拓展PROTEL原理图设计与PCB板图设计知识。通过自己动手设计开发板，培养学生们的自学能力和实践能力，以便更深刻的理解单片机各部分工作原理，将理论和实践更好的结合。
（二）、训练任务
a. 开发板基本功能设计：原理图分析、总体方案设计。
开发板基本功能：
（1）单片机AT89S51为CPU，设计单片机最小系统，要求带串行程序下载载接口。建议晶振选择11.0592MHz，下面扩展所需接口自行安排。
（2）键 盘
可以是独立按键或者矩阵键盘。键值获得方式可以是查询方式或者中断方式。
最少4个按键；自选键盘所占用的端口；键盘防抖可以采用硬件防抖或者软件防抖。
（3）LED显示
最少四片LED数码管组成显示屏；采用动态扫描或者静态扫描；可以选用串行或者并行数据输出。
（4）串行通信接口
串口电平转换芯片可以自选；可以采用3引脚插座或采用9针标准RS232端子。
（5）电源
5V电源供电方式可以选择7805稳压电路实现，输入为直流12V。
（6）设计继电器接口电路，建议选择12V直流继电器、选用芯片ULN2003作为驱动电路。
（7）设计蜂鸣器报警电路。
（8）可以根据自己的能力添加其他的功能模块：步进电机驱动；直流电机驱动；ADC转换；LCD显示端口等。
b. 学习Protel电路原理图设计软件，设计硬件原理图一张。
c. 学习Protel电路制板图设计软件，设计硬件PCB板图一张。
（三）、训练要求
a 分组工作，组内各位同学设计内容要有差别，要求独立设计。
b 根据训练计划分别完成手绘电路设计图、计算机画电路设计图及制版图，撰写实训报告，最后通过答辩或口试方式验收设计结果。
c 认真撰写实践报告，要求：
（1）开发板功能概况；
（2）开发板详细设计（电路原理图及详细说明）；
（3）Protel软件学习体会；
（4）实训心得体会及建议；
（5）开发板原理图（SCH）及PCB图。
（四）、成绩评定
动手能力 30％
报告及答辩水平 60％
出勤 10％
2 51单片机开发板功能概况2.1 研制背景及意义
虽然现在16位32位的单片机越来越多，而51单片机作为8位单片机中的经典之作。几十年来，依旧是各大高校相关专业必开之课。另外51单片机经过几十年来的发展。也为这类单片机的后来学习者提供了相当多的资料，所以使用起来也非常的方便。有了51的基础。今后再学习其他类型的单片机也是轻车熟路。
单片机具有成本低、体积小、可靠性高、具有高附加值、通过更改软件就可以改变控制对象等优点，单片机越来越成为电子工程师设计产品时的首选器件之一。因此拥有一块单片机开发板对单片机学习具有着极其重要的意义。但是单片机学习效果的优劣直接取诀于单片机的选择，C51系列单片机内部具有128字节RAM、5个中断源、32条IO口线、2个16位定时器、4KB的程序存储器、一个全双工异步串行口。本开发板选择具有ISP在线编程功能的S51单片机，该单片机不需要烧写器，可在开发板上ISP在线编程，具有广泛的应用前景。
本课题设计的51单片机开发板，具有一般开发板通用结构，并基于硬件进行相关软件设计。利用程序开发语言开发程序并实现ISP在线下载到单片机，无需配置单独的下载器。单片机使用ISP在线下载程序，加快了程序设计者调试的进度，使设计者所设计的程序尽快得到验证。通过对开发板上的模块进行实验，可以提高针对不同硬件进行编程的能力，同时通过实验现象对所用的硬件也有了更深一步的认识，因此该开发板具有一定的实用价值和现实意义。
2.2 总体方案设计
开发板基本功能：
（1）单片机AT89S51为CPU，设计单片机最小系统，要求带串行程序下载载接口。建议晶振选择11.0592MHz，下面扩展所需接口自行安排。
（2）键 盘
可以是独立按键或者矩阵键盘。键值获得方式可以是查询方式或者中断方式。
最少4个按键；自选键盘所占用的端口；键盘防抖可以采用硬件防抖或者软件防抖。
（3）LED显示
最少四片LED数码管组成显示屏；采用动态扫描或者静态扫描；可以选用串行或者并行数据输出。
（4）串行通信接口
串口电平转换芯片可以自选；可以采用3引脚插座或采用9针标准RS232端子。
（5）电源
5V电源供电方式可以选择7805稳压电路实现，输入为直流12V。
（6）设计继电器接口电路，建议选择12V直流继电器、选用芯片ULN2003作为驱动电路。
（7）设计蜂鸣器报警电路。
（8）可以根据自己的能力添加其他的功能：步进电机驱动；ADC转换；LCD显示端口等。
2.3 AT89C51
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示。
AT89C51提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
图2-1 AT89C51
2.4 MAX232
MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。
器件特别适合电池供电系统，这是由于其低功耗关断模式可以将功耗减小到5uW以内。MAX225、MAX233、MAX235以及MAX245/MAX246/MAX247不需要外部元件，推荐用于印刷电路板面积有限的应用。
MAX220–MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供±12V电源的应用。
MAX232芯片的作用：是将单片机输出的TTL电平转换成PC机能接收的232电平或将PC机输出的232电平转换成单片机能接收的TTL电平。
3 开发板详细设计（电路原理图及详细说明）3.1 最小系统的设计
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统. 对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。
复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C取10u，R取8.2K.当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平.至于如何具体定量计算,可以参考电路分析相关书
晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)。
图3.1 最小系统原理图
3.2 键盘的设计
常用的按键电路有两种形式，独立式按键和矩阵式按键，独立式按键比较简单，我们的是独立键盘如图3-2所示。它们各自与独立的输入线相连接。
6条输入线接到单片机的IO口上，当按键S1按下时，+5V通过电阻R1然后再通过按键 S1最终进入GND形成一条通路，那么这条线路的全部电压都加到了R1这个电阻上，S1这个引脚就是个低电平。当松开按键后，线路断开，就不会有电流通过，那么K1和+5V就应该是等电位，是一个高电平。我们就可以通过S1这个IO口的高低电平来判断是否有按键按下。
这个电路中按键的原理我们清楚了，但是实际上单片机IO口内部也有一个上拉电阻的存在。
图3-2键盘原理图
3.3流水灯的设计
用5V电源给单片机供电，并把单片机的P2.0到P2.3口与流水灯模块的4个引脚用排线连接起来，每个发光二极管外接一个10K电阻,防止电流过大而烧坏发光二极管。其连法如图3-3所示。
图3-3 LED的原理图
3.4串行通信接口的设计
串行接口Serial Interface是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。RS-232也称标准串口，最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。传统的RS-232-C接口标准有22根线，采用标准25芯D型插头座（DB25），后来使用简化为9芯D型插座（DB9），如图3-4所示。
图3-4 串行通信接口的原理图
3.5电源的设计
7805三端稳压集成电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 ×× 系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。
当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，
7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，这使它的性能很稳定。能够实现1A以上的输出电流。器件具有良好的温度系数，因此产品的应用范围很广泛。可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题，输出电压误差精度分为±3%和±5%。
当输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏。最高输入电压不能超过35伏; 输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿; 输入输出压差也不能太小,低于2伏稳压效率急速下降，如图3-5所示。
图3-5 电源的原理图
3.6继电器的设计
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”如图3-6所示。
图3-6继电器的原理图
3.7蜂鸣器的设计
蜂鸣器发生原理是通过电磁线圈，是电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发生的，流才原理是电流，因此需动能方天电流才能驱动它，如图3-8所示，三极管主要是做驱动用的。因为单片机的IO口驱动力不够让蜂鸣器发出声音，所以我们通过三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音，当输出高电平，三极管导通，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音，当输出低电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，所以就不会发出声音。原理图3-87所示。
图3-7 蜂鸣器的原理图
3.8数码管的设计
数码管其实是由发光二极管组成，有共阴极和共阳极之分，对于共阳极来说，一位数码管由8个二极管组成，他们的阳极接在一起接+5v电源，而各个阴极与某个端口，如pl的8个引脚相连，当某个引脚输出低电平的时候数码管对应的二极管亮。利用引脚输出高低电平来控制数码管的8个子管的亮灭，达到数字和小数点显示的效果，通常要给每个数字做一个转换表，以便在编程的时候忽略转换过程，达到快速编程的目的，原理图如图3-8所示，转换表一般采用枚举的方式，具体转换数字和你电路里面的连接方式有关系，用二进制写出来，再换算成16进制。
图3-8数码管的原理图
4 Protel软件学习体会
这俩周我们进行了protel学习，通过将近10天的，我学会一一些基本电路的原理图绘制和PCB的制作，并且发现自在专业知识方面有所提高。Protel这个软件包含有原理图设计软件、电路板设计软件等多个模块。对于初学者的我来说，这些方面的学习使我初步学会了一些制图过程中的技巧。在刚开始接触这一款软件的时候，其英文的操作界面着实使我苦恼了一阵，即使我进行了汉化，但大量的专业英语词汇仍使我束手无策。可是后来，也许是所谓的“熟能生巧”吧，我渐渐可以看着英文就能找到我所需要的东西了，但即便如此，我还是认识到学习好英语的重要性。
在学习的过程中，首先接触的是如何绘制基本电路的原理图。这在整个学习过程中是相对简单的，因为它是绘制其它图的基础。要绘制原理图，首先要创建-个新的SchematicDocument界面，然后就是加载原件库,当遇到库中所没有的元器件时，我们就要自己动手编辑电路原件了。还记得当初我试了很多次还不行，后来还是经过老师的指点才解决的，那时候还真是有点豁然开朗的感觉。自己编辑完原件后，只有正确的调用才能在之后顺利地使用它。之后便是PCB封装的学习了。这是很重要的一个过程。同是电阻，就因为它们的阻值不一样，也许封装就是不同的;有极性的电容和无极性的电容的封装也是不同的.,起先我总是怎么也找不对封装的内容，可是渐渐的也好了起来。在这一过程中， 需要我注意的就是每一个原件都要有封装并且要封装正确。这之后，我们要对原理图生成-一个网络表，然后在PCB中也同样创建一个网络表，只有当检错后显示“Allmacros validated', 才能进行下一步的动作，但这也只是正确完成PCB的一个必要前提，只有当所有的原件都连线时，才有可能正确。那个时候我调试了好久可就是有原件不能连线，好几天下来，说不烦躁那是假的，可当我最终将所有的错误都排查的时候，那种喜悦的心情是无法用语言形容的。
这还不算完，我们还要布局和布线，自动当然既快速又方便，可手动的有时会更加美观。当通过自己的努力制成-幅完整的图事，我会体会到前所未有的成就感。Protel的学习应该要多联系，只有多练习，我们才能更快更好地完成制图。短学期的学习虽然短暂，学到的东西也有限，但这十天中我所获得的却能够使我受益匪浅、受益终身。我会不断地自我充实来丰富自己的专业知识，我会更有耐心地对待身边的每一件事。有听说这样一句话:“每次遇到一个新的领域，你都是一张白纸，由你自己决定来怎么涂写。”我会重视过程所带来的乐趣以及不断地奋斗、不断地纠正错误，使自已无论在专业知识上还是自身素质上都有所提高。
5心得体会及建议
通过这次实训，我收获了很多，一方面学习到了许多以前没学过的专业知识与知识的应用，另一方面还提高了自我动手做项目的潜力。本次实训，是对我潜力的进一步锻炼，也是一种考验。从中获得的诸多收获，也是很可贵的，是十分有好处的。
在实训中我学到了许多新的知识。是一个让我把书本上的理论知识运用于实践中的好机会，原先，学的时候感叹学的资料太难懂，此刻想来，有些其实并不难，关键在于理解。
在这次实训中还锻炼了我其他方面的潜力，提高了我的综合素质。首先，它锻炼了我做项目的潜力，提高了独立思考问题、自我动手操作的潜力，在工作的过程中，复习了以前学习过的知识，并掌握了一些应用知识的技巧等。其次，实训中的项目作业也使我更加有团队精神。
此次实训增强了我毕业就业的信心和勇气。这次实训，我觉得我表现得还不错，许多同学都认为，由此看来，我们在大学里还是学到了不少东西，只是感觉不到而已。所以，我们有就业危机感是就应的，但不能过于自卑和担忧，否则会妨碍自我的学习。此刻，我们能做的就是多吸取知识，提高自身的综合素质
能够说这次实训不仅仅使我学到了知识，丰富了经验。也帮忙我缩小了实践和理论的差距。这次实训将会有利于我更好的适应以后的工作。我会把握和珍惜实训的机会，在未来的工作中我会把学到的理论知识和实践经验不断的应用到实际工作中，为实现理想而努力。最后，我要感谢学院组织的这次十分有好处的实训，使我们学到了很多，也领悟了很多。
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