一种基于51单片机的插针式实践能力综合实验板的制作方法

本实用新型涉及到单片机实验板，具体是一种基于51单片机的插针式实践能力综合实验板。

背景技术：

单片机是单片微型计算机的简称，其主要应用于测控领域。由于单片机在使用时，通常是整个测控系统的核心并嵌入其中，因而单片机又被称为嵌入式控制器或微控制器。目前，单片机已广泛运用于工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面。对于相关行业或相关专业的单片机初学者来说，51单片机无疑是一个很好的入门之选。为达到更好的学习效果，各种关于单片机的软硬件实验必不可少，因而大批单片机学习者都会选择购买相关的开发板或实验平台来辅助自己的学习，从而加深对单片机的理解。但目前市面上现存的开发板或实验平台存在多种不足之处：其一，市面上现存的产品硬件连接透明度不高，且电路连接方式基本都已固定，在使用过程中只需连接少量几根线甚至不需联系就能进行编程完成实验，因而使得初学者在使用过程无法根据自己的理解进行实验接线，直接跳过了在单片机学习过程中系统设计和硬件电路设计这一重要过程；其二，现在能购买的开发板或实验平台大多不可维护或维护成本高，若出现损坏则只能舍弃部分功能或更换整块开发板或实验平台；其三，现存单片机开发板或实验平台的功能模块并不太完善且基本固化，不能自主增减模块，不能与课堂或者书籍上学习的单片机实验进行同步，而且通信方式较少不利于和外部设备的连接和扩展使用，具有一定的局限性。

例如，申请号为201620276398.6的实用新型专利《一种具有电路自主设计功能的插针式单片机开发板》公开了一种单片机开发板，其包含功能模块很齐全，且适用于AT和STC两种核心芯片，但两种芯片不能同时集成在开发板上，使用时若想选择另一种核心芯片时需更换核心芯片和下载方式，且若选择AT系列51单片机，则需要专门的下载器来进行程序下载；且由于接口限制，该开发板在进行某些实验时如D/A转换时存在接线不便等问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是，提供一种基于51单片机的插针式实践能力综合实验板。该实验板克服了目前市面上单片机开发板或实验平台功能不全且与教学环节不匹配、板载资源及连线方式固化、核心芯片切换复杂、维修不便等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于51单片机的插针式实践能力综合实验板，包括板载功能模块和通信扩展模块，其特征在于该实验板还包括AT+STC 51单片机最小系统和用于整个实验板供电及程序下载的USB供电及程序下载模块，所述板载功能模块包括面包板模块、拨码开关和接口转换模块，所述AT+STC51单片机最小系统包括AT系列51单片机、STC系列51单片机和单片机接口插针；

所述USB供电及程序下载模块包含USB供电电路、STC系列51单片机USB程序下载电路和AT系列51单片机USBASP程序下载电路；USB供电电路同时连接STC系列51单片机USB程序下载电路和AT系列51单片机USBASP程序下载电路，USB供电电路与跳线帽连接，通过更改跳线帽接入位置来选择所用单片机芯片，STC系列51单片机连接STC系列51单片机USB程序下载电路，AT系列51单片机连接AT系列51单片机USBASP程序下载电路。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

1、使用方便，入门简单。各模块芯片及部件功能引脚均由插针引出，并配有对应标注，使得使用者能够快速获得对本实训平台各模块功能及引脚分布的认知，便于其实验过程的进行。

2、教学意义增强。本实用新型实验板所用核心芯片及功能模块采用教材上示例所用，便于学习者实验过程与教材的学习过程同步进行。此外，本实验板同时包含AT系列和STC系列两种51核心芯片，用户可根据喜好并通过改变跳线帽接入位置来选择所需的核心芯片及相应的下载电路；本实验板除最小系统及芯片必须的电源线和地线内部连好之外，其余各模块之间相互独立，实验过程所需的系统设计及接线须由实验者自行完成，提高了单片机实验的灵活性，便于学习者理论与实践更切实有效地结合，增强对单片机的理解。

3、新增了接线转换模块，可解决由于杜邦线不够长或某些实验时好几根线需接在同一个接口上的接线不便问题以及实现某些器件并行数据口上拉。

4、功能全面。本实用新型单片机实验板上除串转并模块、独立按键模块、外部存储器模块、A/D或D/A转换模块等板载功能模块外，还可以通过实验板上集成面包板自行扩展所需功能组件，且面包板与实验板共电源和共地，可用于其它实验的需求，应用更加广泛。

5、可维护性强。本实用新型实验板的主要芯片及各功能模块用到的主要部件都是直接插在已焊接在实验板上的底座上，增加了安装及调试的便利性，且若芯片出现问题时可自行更换，具有较强的可维护性。

附图说明

图1为本实用新型实验板结构框图；

图2(a)为本实用新型实验板所需的USB供电电路；

图2(b)为本实用新型实验板所需的STC系列51单片机USB程序下载电路；

图2(c)为本实用新型实验板所需的AT系列51单片机USBASP程序下载电路；

图3为本实用新型实验板新增的拨码开关模块电路图。

具体实施方式

以下将对本实用新型中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型基于51单片机的插针式实践能力综合实验板采用模块化设计，功能模块齐全；且在实验板上左侧增加了一块面包板，便于用户自行扩展电路，而不用再局限于板载资源。其主要芯片及各模块部件的引脚通过插装方式插接在芯片底座或器件插针座上，并通过芯片底座或器件插针座固定在电路板上，各芯片及器件的功能引脚通过排针引出。本实用新型支持STC系列51单片机和AT系列51单片机两种核心芯片，并配有相应的ISP(In-System Programming在系统可编程)的下载模块。此外，还有基于485协议和RS232串口的系统外部扩展和通信方式，保证了系统的可扩展性。

本实用新型提供了一种基于51单片机的插针式实践能力综合实验板(参见图1)，包括AT+STC 51单片机最小系统1、USB供电及程序下载模块2、板载功能模块和通信扩展模块。所述板载功能模块包括面包板模块3、温度传感器模块4、串转并模块5、并转串模块6、独立按键模块7、跑马灯模块8、RGB三色灯模块9、8255I/O口扩展模块10、矩阵键盘模块11、LED点阵模块12、时钟模块13、继电器模块14、蜂鸣器模块15、光电耦合器模块16、A/D转换模块17、D/A转换模块18、运算放大器19、或非门20、分频器21、拨码开关22、接口转换模块23、晶体管驱动模块、锁存器模快、数码管模块、外部存储器模块、LCD液晶屏显示模块、译码器模块和电阻输入模块39，其中晶体管驱动模块又包含ULN2803晶体管阵列24和达林顿晶体管25，锁存器模块又包含595锁存器26、573锁存器27、373锁存器28，数码管模块又包含一位共阳极数码管29、四位共阳极数码管30和四位共阴极数码管31，外部存储器模块又包含EEPROM AT24C02 32、EPROM 2764 33和RAM6264 34，LCD液晶屏显示模块又包含LCD1286显示屏36和LCD1602显示屏35，译码器模块又包含4-16译码器37和3-8译码器38；所述通信扩展模块包括485通信模块39和232串口通信模块40。上述各模块中所用芯片及部件的功能引脚均由插针引出，并在旁边配有相应标注。

所述AT+STC51单片机最小系统1包括AT系列51单片机、STC系列51单片机、晶振电路、复位电路和单片机接口插针；

USB供电及程序下载模块2包含USB供电电路、STC系列51单片机USB程序下载电路和AT系列51单片机USBASP程序下载电路，用于整个实验板供电及程序下载；USB供电电路同时连接STC系列51单片机USB程序下载电路和AT系列51单片机USBASP程序下载电路，USB供电电路与跳线帽连接，通过更改跳线帽接入位置来选择所用单片机芯片，STC系列51单片机连接STC系列51单片机USB程序下载电路，AT系列51单片机连接AT系列51单片机USBASP程序下载电路。

本实用新型基于51单片机的插针式实践能力综合实验板，该实验板可同时接入AT和STC两种核心芯片，用户可通过更改跳线帽接入位置来选择所用单片机芯片；每种芯片都配有相应的下载电路，无需另外的下载器；采用同一个USB供电电路供电，通过打开电源开关和更改跳线帽接入位置来为单片机最小系统和相应的下载电路及外围功能模块、通讯模块供电；

所述USB供电电路的电路构成是(参见图2(a))：假定USB接口的4个引脚中1号引脚为电源，则2号引脚为D-,3号引脚为D+,4号引脚为电源地与实验板的GND相连，电容C1的一端、电解电容C2的阳极接USB的1号引脚，C1的另一端和C2的阴极接地；保险丝F1的一端接C2的阳极，另一端接开关SW和电阻R1的一端；R1的另一端串接一个发光二极管LED1，LED1阴极接地；开关SW的另一端作为VCC与三位的接线端子J2中间一位相连，三位的接线端子J2的另外两个引脚分别作为AT系列单片机和STC系列单片机的供电电源，分别记为VCC_AT和VCC_STC,VCC_AT和VCC_STC分别通过电阻R2和电阻R3连接发光二极管LED2和发光二极管LED3的阳极，发光二极管LED2和发光二极管LED3的阴极接地。

所述STC系列51单片机USB程序下载电路(参见图2(b))的电路构成是：电解电容C3的阳极、电容C4的一端及CH340芯片的VCC引脚接上述VCC_STC,电解电容C3的阴极、电容C4的另一端、电容C5的一端和CH340芯片的GND引脚均接GND,电容C5的另一端接C340芯片的V3引脚，上述USB接口的D-接CH340芯片的VD-引脚，上述USB接口的D+接CH340芯片的VD+引脚，CH340芯片的X0和X1引脚分别接在晶振Y1的两端，且晶振Y1的两端分别连接电容C6、电容C7，且电容C6、C7的另一端相连且都接地；CH340芯片的TXD引脚接肖特基二极管D3的阴极，肖特基二极管D3的阳极与STC系列51单片机的P3.0/RXD引脚相连,CH340芯片的RXD引脚接电阻R4，电阻R4的另一端接STC系列51单片机的P3.1/TXD引脚；

AT系列51单片机USBASP程序下载电路(参见图2(c))的电路构成是：上述USB接口的D-接稳压管D1的阴极、电阻R5和电阻R6的一端，稳压管D1的阳极接地，电阻R5的另一端接上述VCC_AT，电阻R6的另一端接ATMEGA8A芯片的PB0引脚，上述USB接口的D+接稳压管D2的阴极和电阻R7，稳压管D2的另一端接地，电阻R7的另一端接ATMEGA8A芯片的PB1和PD2引脚，ATMEGA8A芯片的三个GND引脚接地，两个VCC引脚、AVCC引脚和AREF引脚接VCC_AT,ATMEGA8A芯片的PB6和PB7引脚分别接在晶振Y2的两端，且晶振Y2的两端分别连接电容C8和电容C9，电容C8和电容C9的另一端相连且都接地；ATMEGA8A芯片的PC1和PC0引脚分别接发光二极管LED4、LED5的阴极，发光二极管LED4、LED5的阳极分别接电阻R9和R10，电阻R9和电阻R10的另一端接VCC_AT；ATMEGA8A芯片的PC6接电阻R8的一端和两位接线端子J1的其中一个引脚,电阻R8的另一端的接VCC_AT,两位接线端子J1的另一个引脚接ATMEGA8A芯片的RST引脚，ATMEGA8A芯片的RST、SCK、MOSI、MISO引脚分别接AT系列51单片机的RESET、P1.6、P1.5、P1.7引脚；

在上述电阻中，R1、R2、R3、R4、R9、R10阻值为1KΩ，R5阻值为2.2KΩ，R6、R7的阻值为68Ω，R8的阻值为10KΩ；在上述电容中，C2、C3为电解电容，其余为普通电容，且C2的容值为10μF，C3的容值为22μF，C1、C4的容值为0.1μF，C5的容值为0.01μF，C6、C7的容值为22pF,C8、C9的容值为27pF；上述晶振Y1、Y2均为12MHz。

该实验板还包含面包板模块及拨码开关模块，面包板模块接有电源，方便用户扩展如直流电机等设备而不用局限于板载资源；拨码开关模块最多可用作16位二进制数输入，方便用户进行并转串、D/A转换等实验；

上述拨码开关模块的电路(参加图3)构成是：两个8位拨码开关SW1、SW2的一端都接VCC,另一端分别接排阻RP1、排阻RP2的8个电阻引脚和两个8位的引出排针P1和P2，排阻RP1、RP2的公共端都接地且排阻RP1、RP2的阻值都为10KΩ。

面包板模块3便于用户拓展其他功能；

温度传感器模块4包括AD590型温度传感器和DS18B20型温度传感器，AD590型温度传感器测量精度高，用于工业应用；DS18B20型温度传感器温度范围大，用于常规测量；

串转并模块5使用164芯片，最多可以实现两位串行输入和十六位并行输出。

并转串模块6使用165芯片，可以实现十六位并行输入和两位串行输出；

独立键盘7包括8个独立按键，可以用于相应的控制实验；

跑马灯模块8由8个加装了限流电阻的发光二极管组成，每个发光二极管均标注了阳极和阴极；

RGB三色灯模块9由两个贴片式红绿蓝三色可调二极管组成；

8255I/O扩展模块10采用8255芯片，可以把单片机上的一个八位数据口扩展成三个八位数据口；

矩阵键盘模块11采用4×4的键盘，例如可以根据硬件电路连接做矩阵键盘使用，也可以单独接出一个按键做独立按键使用；

LED点阵模块12采用8×8的LED点阵，用户可通过编程及搭建电路使其显示字符或图形；

时钟模块13包括一块外部电池、一个DS1302芯片、一个晶振和两个电容，可以用于显示时间的相应实验；

蜂鸣器模块14的采用无源蜂鸣器，其两端均用插针引出，并标注清楚蜂鸣器的正负；

继电器模块15采用两路继电器，且其输出端用接线端子连接；

光电耦合器模块16采用TLP521-4芯片，最多可用于4路信号输入和输出，可以提高信号的稳定性；

A/D转换模块17采用ADC0809芯片，可用于A/D转换实验；

D/A转换模块18采用DAC0832芯片，可用于D/A转换实验；

运算放大器19采用LM324型四路运算放大器芯片，结合光电耦合器使用，可以用来检测微弱信号；

或非门20采用74HC02芯片，可以实现逻辑或非的关系运算；

分频器21采用的74HC4040型芯片，可以实现从2到512多级分频；

拨码开关模块22采用两个8位拨码开关，可用于数字量输入实验，最多可用于16位二进制数输入；

接口转换模块23包含8个1线转1线接口、4个1线转2线接口、2个8位上拉电阻，可解决由于杜邦线不够长或某些实验时好几根线需接在同一个接口上的接线等问题以及实现某些器件并行数据口上拉；

2803晶体管阵列24包括4个ULN2803型芯片，所述ULN2803型芯片为八位驱动器；

达林顿晶体管25包括两个ULN2003型芯片，所述ULN2003芯片为七位数据的驱动器；

595锁存器26包括两个74HC595型芯片，每个74HC595型芯片可以实现七位数据的输入和锁存，例如用于数码管的数据驱动显示；

573锁存器27包括两个74HC573型芯片，用于八位的数据锁存；

373锁存器28为八位的数据锁存器，例如可以用来给D/A转换芯片提供地址和数据锁存；

一位共阳极数码管29可以用于显示一位数据。

4位共阳极数码管30和4位共阴极数码管31都可以用作四位数据的显示；

EEPROM AT24C02 31、EPROM 6264 32和RAM2764 34可用于外部数据存储器或数据存储器的扩展；

LCD1602显示屏35和LCD12864显示屏36都可用于数据显示，且LCD12864可用于汉字和图形显示；

4-16译码器37所用核心芯片为74LS154或74HC154，可用于把4位数据译码转换成16位输出；

3-8译码器38所用核心芯片为74LS138或74HC138，可以实现三线到八线的数据译码转换；

232串口通信模块40所用核心芯片为MAX232，分别接一个DB9的公头和母头，且公头和母头的控制端均由插针引出，用户可以根据系统需要选择所需的端口；

485通信模块39所用核心芯片为MAX487，用户可以通过485总线的方式进行通信和扩展。

在本实用新型实验板的设计中，上述各功能模块所用核心芯片的引脚及主要器件的控制端均由插针引出，且在插针旁配有相应标注。

本实用新型未述及之处适用于现有技术，所涉及的元器件均可通过商购获得。