一種基於8051或avr的多核心單片機教學實驗平臺的製作方法
2023-09-15 23:37:25
專利名稱：一種基於8051或avr的多核心單片機教學實驗平臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於嵌入式計算機領域，涉及一種基於8051/AVR的多核心單片機教學實驗平臺。
背景技術：
在目前高校的單片機課程教學中存在實驗設備重複購置、設備功能與社會需求脫節等問題。一方面，單片機應用範圍很廣，不同場合適用不同類型的單片機，這些單片機之間存在較大差異，為了讓學生能夠適應社會的不同需要，高校往往需要購置多種類型單片機設備，這些設備之間有功能重疊部分，勢必造成一定程度的浪費。另一方面，嵌入式計算機技術發展一日千裡，各種單片機和外設型號不斷推陳出新，在眾多的選擇中如何確定一套最適宜學生使用的實驗設備，在複雜性、典型性、方便性、可靠性以及設備成本間如何取得最佳均衡是一個需要教育工作者認真研究的問題。經過大量調研，發現目前國內應用最廣泛的是8051系列單片機和AVR系列單片機，如能設計一套教學實驗平臺，在涵蓋各種常用典型設備的基礎上，同時支持這兩種單片機，即可達到一套設備承擔兩門實驗課程的目的，有效降低設備成本，節約教學資源。
發明內容
本發明要解決的技術問題是設計一塊電路主板、一塊AVR轉接板，以及基於兩種單片機的一套軟體系統。該系統適用於單片機相關的教學和科研場合。本發明的技術方案基於8051/AVR的多核心單片機教學實驗平臺，硬體包括主板和AVR轉接板兩塊電路板，8051系列單片機採用AT89S52，AVR系列單片機採用ATMEGA32。軟體包括基於AT89S52 和ATMEGA32兩種單片機的驅動層軟體和應用層軟體。基於8051/AVR的多核心單片機教學實驗平臺有兩種工作模式，稱為8051模式和 AVR模式1. 8051模式將AT89S52單片機插入主板的單片機插座，主板通過接口向單片機供電，單片機通過插座控制主板的所有硬體模塊；在PC機的集成開發環境控制下，可調試、下載程序到多核心單片機教學實驗平臺。2. AVR模式AVR轉接板上設計有40引腳單片機插座，將ATMEGA32單片機插入其中，再將AVR轉接板插入主板單片機插座，由主板通過轉接板向單片機供電，單片機通過轉接板控制主板的所有硬體模塊；在PC機的集成開發環境控制下，可調試、下載程序到多核心單片機教學實驗平臺。主板由電源、基本功能部分和接口通信部分組成。電源部分支持USB供電和外接直流供電兩種方式，採用LM7805三端穩壓器和LM1117-3. 3集成穩壓晶片為實驗平臺提供5V和3. 3V電源，並包含按鍵復位電路。基本功能部分包括基準源模塊、鍵盤輸入模塊、 語音輸入模塊、語音輸出模塊、顯示模塊和蜂鳴器模塊。基準源由LM336晶片提供，輸出穩定的5V電壓信號；鍵盤輸入模塊包括一個2*3小鍵盤；語音輸入模塊採用專業語音晶片 ISD4004實現聲音的錄放；語音輸出模塊通過LM386晶片將語音信號放大後送至揚聲器；顯示模塊包括發光二極體、共陰極4位8段數碼管、8*8LED點陣和0CM12864液晶顯示器；蜂鳴器採用HYDZ型，用NPN型三極體驅動。接口通信部分包括單片機插座、ISP程序下載接口、 DS18B20溫度傳感器接口、MAX232串行接口、紅外通信接口、繼電器輸出接口和步進電機接AVR轉接板的功能是完成從ATMEGA32引腳封裝形式到AT89S52引腳封裝形式的轉換。AT89S52和ATMEGA32都採用DIP40封裝，但二者的引腳次序不同。實驗平臺的主板電路按照AT89S52單片機的引腳定義進行設計，為了能將ATMEGA32單片機插入主板的單片機插座，必須通過AVR轉接板調整ATMEGA32單片機的引腳次序。轉接板將ATMEGA32單片機
的 32 個 I/O 口-P0. 0 至 P3. 7 映射至 AT89S52 的 P0. 0 至 P3. 7，將 ATMEGA32 的 2 個晶振
接口 XTAL1、XTAL2 映射至 AT89S52 的 XTAL1、XTAL2，將 ATMEGA32 的 VCC、GND 和 RESET 引腳映射至 AT89S52 的 VCC、GND 和 RESET，將 ATMEGA32 的 AVCC 和 AREF 引腳映射至 AT89S52 的 ^和VPP引腳，將ATMEGA32的31號引腳GND接地，AT89S52的30號引腳^元懸空。軟體系統包括驅動層軟體和應用層軟體兩部分，驅動層完成對硬體的封裝，使應用層具有硬體無關性。由於實驗平臺支持8051和AVR兩種單片機，因此驅動層軟體包含對應的兩個版本基於8051的驅動層軟體和基於AVR的驅動層軟體。驅動層軟體包括所有硬體模塊和接口的驅動程序，以函數庫形式存在，並向上層軟體提供統一的調用接口。應用層軟體調用驅動層軟體接口，完成對硬體的控制，實現了一個綜合演示程序，系統上電時會在 LCD上顯示一個頂層功能演示菜單，由用戶通過按鍵選擇要演示的模塊功能，演示完畢後， 可退回至頂層菜單。本發明的有益效果在於可使用不同的單片機控制主板硬體資源，在實驗教學中， 使用同一套設備，根據不同的課程需求更換不同的單片機，實現多門實驗課程共用一套設備，有效降低了設備購置費和師資培訓費。
圖1是本發明的系統結構圖。圖2是本發明的主板結構框圖。圖3是本發明的AVR轉接板示意圖。其中1ATMEGA32單片機引腳；2AT89S52單片機；3引腳間電路連線。圖4是本發明的軟體結構框圖。
具體實施例方式以下結合發明內容和說明書附圖詳細說明本發明的具體實施方式
。如圖1所示，基於8051/AVR的多核心單片機教學實驗平臺包括3個組成部分主板、轉接板，以及軟體系統。(1)主板基於8051/AVR的多核心單片機教學實驗平臺的主板硬體資源，按照功能可劃分為電源、基本功能部分和接口通信部分三部分，如圖2所示。
電源部分設置有兩個可選的電源輸入方式，分別為USB供電與外接直流供電，通過單刀雙擲開關來選擇。USB供電方式中，直接將PC機USB接口的5V直流電弓丨入實驗平臺；外接直流供電方式中，為實驗平臺引入9V直流電壓，使用LM7805三端穩壓器將電壓穩定為5V。實驗平臺還需要一個3. 3V電源，在前述兩種供電方式下，使用LMl 117-3. 3穩壓晶片將5V電壓穩定在3. 3V。供電端接有熔斷電流為500mA的自恢復保險絲，可保護電路板上的硬體模塊不會被瞬時大電流破壞。同時，實驗平臺設計有電源引出端子，可將實驗平臺的 5V電源和3. 3V電源引出，供其他設備使用。AT89S52和ATMEGA32單片機的復位引腳電平恰好相反，實驗平臺為這兩種單片機各設計了一個復位按鍵，通過一個三位跳線器選擇復位 AT89S52 或者復位 ATMAGE32。基本功能模塊包括基準源模塊、鍵盤輸入模塊、語音輸入模塊、語音輸出模塊、顯示模塊和蜂鳴器模塊。基準源電路由LM336晶片配合電容電阻實現，為ATMEGA32單片機提供5V基準電壓。實驗平臺設計有2*3按鍵的小鍵盤，採用行列掃描方式檢測按鍵，採用軟體延時20毫秒的方式處理按鍵抖動。語音輸入模塊採用ISD4004語音晶片，接受咪頭的聲音信號並存儲在片內Flash存儲器中，並可同步送往語音輸出模塊。語音輸出模塊接收語音輸入模塊提供的音頻信號，將其輸出到音頻放大晶片LM386的正向輸入端，通過IOK的滑動電阻可調節放大20-200倍，最後將語音信號經由揚聲器接口輸出。顯示輸出模塊包含4 個發光二極體、共陰極4位8段數碼管、8*8LED點陣和0CM12864液晶顯示器。其中，4個發光二極體的顏色分別為紅、黃、藍、白；LED點陣由兩片74HC595鎖存器控制；0CM12864液晶顯示器由一片74HC595鎖存器控制。數碼管和1觀64液晶屏由7個相同的單片機I/O 口控制，為了避免數據衝突，數碼管工作時，液晶屏不可同時插接在1觀64接口中；測試液晶屏時，只需拔下數碼管的跳線帽開關。蜂鳴器採用HYDZ型號，用NPN型三極體控制，三極體的基極通過一個跳線器連接至單片機的I/O 口。接口通信部分包括單片機插座、ISP程序下載接口、溫度傳感器接口、串行接口、紅外通信接口、繼電器輸出接口與步進電機接口。實驗平臺設置有40針單片機插座，可以插入AT89S52單片機或AVR轉接板。ISP程序下載接口符合ATMEL標準，通過編程器與PC機的USB接口相連，可實現程序在線下載，並可同時支持AT89S52和ATMEGA32兩種單片機。 溫度傳感器接口可安裝DS18B20測溫晶片，通過一線總線方式完成溫度測量、轉換與傳輸， 總線接有4. 7KΩ上拉電阻。串行接口採用RS232C標準九針接口，由ΜΑΧ3232控制晶片實現數據收發與電平轉換。紅外通信接口可安裝一體化紅外線探頭，完成紅外控制相關實驗。 繼電器輸出接口包括一個SRS-05VDC-SL型繼電器，耐壓30V，能夠輸出開關量。步進電機接口使用MC1413達林頓管作為驅動晶片，7個輸入和輸出埠全部用排針接出，工作時用杜邦線靈活轉接，可以控制多種步進電機，同時也可控制直流電機；電機電源部分接有高容量鉭電容作為電機濾波器，減少對主板的信號幹擾。主板各模塊與單片機引腳的對應關係如下表所示
權利要求
1. 一種基於8051或AVR的多核心單片機教學實驗平臺，其特徵在於包括主板和AVR 轉接板兩塊電路板，主板由電源、基本功能部分和接口通信部分組成；電源部分支持USB供電和外接直流供電兩種方式，採用LM7805三端穩壓器和LM1117-3.3集成穩壓晶片為實驗平臺提供5V和 3. 3V電源，並支持按鍵復位功能；基本功能部分包括基準源模塊、鍵盤輸入模塊、語音輸入模塊、語音輸出模塊、顯示模塊和蜂鳴器模塊；接口通信部分包括單片機插座、ISP程序下載接口、DS18B20溫度傳感器接口、MAX232串行接口、紅外通信接口、繼電器輸出接口和步進電機接口；8051單片機採用AT89S52，AVR單片機採用ATMEGA32，實驗平臺可運行在兩種工作模式下8051模式將AT89S52單片機插入主板的單片機插座，單片機控制主板的所有硬體模塊；在PC機的集成開發環境控制下，可調試、下載程序到實驗平臺；AVR模式將ATMEGA32單片機插入AVR轉接板，再將AVR轉接板插入主板單片機插座， 單片機通過轉接板控制主板的所有硬體模塊；在PC機的集成開發環境控制下，可調試、下載程序到實驗平臺；AVR轉接板的功能是完成從ATMEGA32引腳封裝形式到AT89S52引腳封裝形式的轉換；實驗平臺的主板電路按照AT89S52單片機的引腳定義進行設計，通過AVR轉接板調整ATMEGA32單片機的引腳次序，使ATMEGA32單片機引腳能夠控制主板的全部硬體資源。
全文摘要
本發明公開了一種基於8051或AVR的多核心單片機教學實驗平臺，屬於嵌入式計算機領域。該平臺的硬體包括主板和AVR轉接板兩塊電路板，8051單片機採用AT89S52，AVR單片機採用ATMEGA32。AT89S52可直接插入主板工作，此時平臺工作在8051模式下；ATMEGA32可通過AVR轉接板插入主板工作，轉接板完成從ATMEGA32引腳封裝形式到AT89S52引腳封裝形式的轉換，此時平臺工作在AVR模式下。主板由電源、基本功能部分和接口通信部分組成。平臺軟體系統分為兩層，驅動層完成對兩種單片機硬體資源的封裝，應用層是包含14個實驗的綜合演示程序，在驅動層支持下運行，具有硬體無關特性。
文檔編號G09B19/00GK102194351SQ20111014098
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者任怡然, 宋莉莉, 王亞坤, 賴曉晨, 高卓立 申請人:大連理工大學