单片机Learn By Do教学平台硬件设计

【摘要】《单片机原理及应用》是一门实践性、工程性很强的专业技术基础课程，是学生将来在电子类公司或电子行业工作的最基本的技能，本实验台的设计由供电电源、CPU最小系统、RS232串行接口电路、RS485串行接口电路、键盘扫描电路、LCD接口电路、AI与信号发生器电路、DI输入电路和DO输出电路等，其中针对实训实验需要信号源进行模拟测试的问题，本实验台将一种函数信号发生器集成在其中，大大方便了实验项目的开展。

【关键词】单片机教学平台；STC12C5A；数据采集；模拟检测

1.供电电路设计

本设计之所以设计USB接口和电源适配器两种获取电源的方式，主要原因是满足不同实验的需求，当实验只涉及到完成简单编程训练时，USB接口提供的电源就可以满足需求，而当利用工业仿真平台进行实训训练时，则需要开通I/O过程通道，此时USB接口提供的电源就无法满足需求，则需要使用电源适配器从交流220V电源点获取电源。

（1）电源接入。本实验台使用5V电源作为工作电源。考虑到获取电的方便性，设计了两种方式获取电源：一是采用USB接口（J1）从PC机中获取，另一个是使用电源适配器从交流220V电源点获取（J2）。图1中，两路电源输入接在一个单刀双掷乒乓开关上（S1），由该开关互斥选择其中一路供电，在只有一路电源时，也实现电源开关的功能。电源接入后采用电容器平滑滤波，供系统使用。为了直观指示电源的工作状态，设计了一个LED指示灯指示实验台电源态。

图1 电源接入电路图

（2）模拟电源。模拟量信号调理电路所需±12V电源，采用广州金升阳公司的IA0512KS高精度DC/DC模块实现。该电源模块实现将5V电源转换成±12V电源，供模拟电路使用。

（3）DI/O电源。DI过程通道和DO过程通道各采用一只5V到24V转换的B0524S模块（U1和U2）实现。由于继电器操作时产生的噪声大，为了让两种过程通道之间互不干扰，本文在设计供电电源时，有意将二者分开供电。根据实验台课程实验和实训实践不同的应用需求，I/O过程通道的电源采用跳接器（JP1和JP2）选择是否使用，当跳接器不跳接时，对应的I/O过程通道不带电，停止工作。

2.CPU最小系统设计

由于内置了数据存储器和程序存储器，STC12C5A最小系统设计相对简单。依据STC12C5A数据手册，配合芯片实现晶振电路和复位电路即可。STC12C5A芯片的复位电路与传统的MCS-51不同，该芯片有两个复位端，本文严格按照数据手册建议的电路设计。为了配合ISP软件下载，P1.0和P1.1管脚的状态通过JP20设置，实现软件下载和正常运行状态的切换。

3.异步串口接口电路设计

（1）RS232接口电路设计。实验台的RS 232接口用于与PC机连接，实现ISP和与超级终端通信功能。由于STC12C5A使用内置的UART0控制器实现在系统编程，硬件设计时将UART0的收发线与RS232接口芯片连接，实现电平转换功能。本文选用SPEX公司出品的SP202E完成RS232接口电路的扩展。

（2）RS485接口电路设计。实验台RS485接口用于与上位机连接，实现实时数据通信。与RS232接口实现方法一样，将STC12C5A内置的UART1的收发线与RS485接口芯片连接，实现电平信号到差分信号的转换。本文选用SPEX公司出品的SP3483完成RS485接口电路的扩展。

4.ST7290液晶显示器驱动电路设计

本实验台的液晶显示器访问驱动采用CPLD实现，液晶显示器的管脚直接与CPLD连接，CPLD内部设计了1片74HC245和一片74HC573实现对液晶显示器的访问控制。74HC573用于控制ST7290液晶显示器的读写与控制信号，包括LCDRS、LCDE、LCDRW、LCDON等。

出于对省电和延长液晶显示器寿命等因素的考虑，采用8050开关型三极管对液晶显示器的背光电源进行了控制。在实验台上电启动和有键盘操作时，由软件通过设置74HC573锁存器的对应位打开背光电源。如果超过1分钟没有键盘操作，则关掉背光电源，液晶显示器进入省电工作模式。

5.键盘扫描电路

键盘扫描是人机交互需实现的基本功能之一，本实验台上的安装了8个微型按键当做操作键盘。按键序列一端接地，另一端接上拉电阻之后接CPLD的I/O引脚，CPU通过CPLD内部设计的74HC245读取按键的状态。当有按键按下时，对应的输入回路接地，CPU读取到的按键状态为0；反之，按键弹起时，由于上拉电阻的作用，读取到的状态为1。实验台软件定时（20ms）读取键盘状态，进行去抖动处理之后，判断是否有按键按下，如果有按键按下，则在液晶屏上显示相应的信息，从而实现人机交互的功能。

6.DI输入过程通道

8路开关量信号采样输入过程通道工作原理如图2所示。从工作原理上讲，开关量信号输入过程通道的工作原理比较简单，本文设计的开关量信号输入回路采用24V电压驱动，为了确保光耦可靠工作，每个采样回路的限流电阻为3k，工作电流为8mA。为了直观判断刀闸的工作状态，每个采样回路设计了1个发光二极管指示其辅助触点的分合状态；为了防止工程人员施工时将电源接反，造成光耦损坏，回路中设计了一个反向连接的二极管予以保护；为了抑制过程通道中的毛刺干扰信号，输入回路采用一阶RC滤波回路吸收过程通道中的毛刺信号；8路开关量状态由两只TIL521-4光耦实现输入采样回路与板内I/O访问电路的隔离，10k上拉排电阻用于确定光耦输出截止时的高电平状态。光耦输出的外部开关量状态送CPLD内的74HC245芯片，通过CPLD内部设计的选通74HC245的片选信号将外部的8个状态送数据总线，实现CPU对DI状态的读取访问。

为了方便模拟实现外部开关状态的变位，每路开关量输入通道设计了一个3P跳接器，在没有接入外部开关信号时，将跳接器与24V+接上，即可模拟外部开关节点闭合的状态。

图2 开关量输入电路图

7.信号发生器

如图3为使用ICL8038构成高性能、多量程、多功能信号发生器。该电路可同时获得方波、三角波及正弦波输出。

图3 函数信号发生器电路图

图4 模拟量输入电路图

电路中R51、R53为方波输出占空比调节电阻，VR4用以对R51、R53进行微调。VR2、VR3、VR4及R31组成分为压网络，通过调节VR3，改变ICL8038第8脚输入电压，从而获得不同的频率输出。C58-C61外接电容。由JP3-JP6选择可得到四个频段的信号输出。为了改善正弦波的失真度，在第1、12脚用了两套微调电路，通过调节VR6、VR7可使正弦波输出对称，且失真度可调到1%以下。

ICL8038第9脚输出方波经R32可得到+5V方波输出。第3脚输出±3V的三角波经R54直接输出。第2脚输出经过电容C62输出正弦波。

在实验台组装电路时，电容C58-C61应选用钽电容，电阻为1/4W金属膜电阻。电路中当R51=R53时，输出方波占空比为50%。通过JP3-JP6改变未接电容可获得如下四个频段。输出方波、三角波、正弦波的波形见图（占空比为50%）。

8.AI输入过程通道

模拟量输入通道由输入信号滤波、模拟多开关、信号调理、AD转换等部分组成。鉴于图形篇幅，模拟量输入RC滤波电路没有在图4中体现。

如图4所示，外部输入的8个模拟量信号AIN0～7先接入CD4501 1：8模拟多路开关，由iMUX0～2三个信号选择需要采样的模拟量信号，通过CD4501的Sm管脚输出。CD4501输出的信号先采用OPA2277运放进行电压跟随，压随器的输出参与模拟量的运算。由于PR1要参与模拟量的运算，其精度直接影响运算结果。为了防止CD4501的内阻叠加在PR1阻值中参与运算，压随器的作用就是将参与运放计算的PR1与外部可能的阻抗隔开。此外，参与放大和偏置运算的电阻采用精密电阻，标识符前加“P”以示与普通电阻区别。

对数据采集模块采集的模拟信号，输入范围-10V～+10V的双极性电压，而装置设计的A/D转换芯片转换电压范围为0～5V，即需要进行电源极性转换。本实验台设计选用OPA2277精密放大器和外部电阻组合以及增加偏置电压来搭建信号调理电路来实现。

如图4所示，由运算放大器输入端“虚短”、“虚断”的性质，根据克希霍夫定律，输入电压Vi、输出电压Vo，参考电压Vref、运放正输入端电压V+、负输入端电压V-之间存在以下关系：

（3-1）

（3-2）

（3-3）

由上述关系式可以得到以下关系：

（3-4）

在本装置设计中选用R1=5K，R2=20K，R3=1K，R4=4K，Vref=2.5V带入3-4式有：

（3-5）

由式3-5可得，外部输入的-10V～ +10V范围的模拟型号可以由本实验台正常采样。调理电路的输出经过1.2k的限流电阻，送ADS7818进行模数转换，转换结果经SPI总线发送给CPU。

9.DO输出过程通道

在实验台中，其输出的开关量主要用于外部受控对象的运行投切、分合操作、升降操作等，进而达到对外部对象控制调节的目的，通过软件设置DO访问锁存器电路的状态来控制继电器的动作。由于继电器模块驱动需要24V电源，实验台5V主电源无法驱动继电器动作，本实验台设计了带达林顿驱动的光电耦合器进行信号隔离和线圈驱动。本实验台设计选用了DS2E-S-DC24V继电器，该继电器高灵敏度，击穿电压可达1500V。继电器输出模块电路设计如图12所示。

DO过程通道设计的关键点在于控制输出的安全可靠性，系统的误出口会导致受控对象出现安全事故。因此，在进行控制输出部分设计时要对开关量过程输出通道进行严格的安全设计，同时要按照工业过程控制远方操作规程，设计锁存器状态闭锁、返校检测闭锁等安全措施，防止设备受到干扰以后产生错误的控制输出，酿成事故。

图5 开关量输出电路图

为了防止某一个状态受干扰就直接出口造成误输出，输出继电器采用两级继电器串联，只有串联的两个继电器同时按规定动作，方能实现控制输出。

另外，锁存器电路在工作电源处于某一临界电压时（锁存器的工作电源不正常），锁存器工作状态紊乱也会造成出口继电器误动作的问题，采用双端口的逻辑控制电路可以比较有效地避免这种情况的误动作。如图3-12所示所示，为了防止电源波动过程中，锁存器工作状态不确定造成出口继电器的短时误动，每个遥控输出继电器驱动回路同时采用DRIVE和两个反向状态来信号来驱动（如：CLOSE和），只有在DRIVE处于高电平，处于低电平，出口继电器才能动作，利用这两个反向条件的相互制约，同时增加了一个出口限定条件，可以大大降低误出口的概率。

系统执行输出操作时，还需要返校检查继电器是否按控制信号正确动作，防止继电器损坏（如触电粘连）造成误出口。图12中，JD1的一对触点用于控制下面两个继电器的驱动电源，另一对触点用于返校检查继电器的工作状态。

图5中，为了直观观测继电器是否动作，还设计了一个LED指示灯指示继电器的触点状态。为了防止加电和掉电瞬间电平的不确定性，DRIVE信号下拉，初态置为低，信号上拉，初态置为高，确保光耦不被驱动。

作者简介：蔺元（1990—），陕西西安人，西安工程大学机电工程学院2013级研究生在读，主要研究方向：机械控制及自动化、单片机应用与开发等。