实验板简介<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

本单元学习要点

1.    ADμC841试验板的大体结构与组成。

2.    实验板有那些芯片及其作用。

3.    实验板的电源与通讯线。

实验板对于本教材有着极端的重要性：作者认为单片机是实践性很强的课程，应该是边实践边读书才能较快、轻松地学习单片机，因此期望读者主要是依靠实验板来取得感性认识和深入理解、掌握单片机。

但是，作者并不要求读者在阅读本章时完全掌握实验板的原理，只需尽可能地了解一些实验板的大体结构与组成，实验板有那些芯片及其作用，怎样连接实验板与PC机和怎样上电，为进一步实验和学习打下基础即可。

随着学习的深入和在调试时遇到相应的电路问题，再反过来阅读本章的内容，反复这一过程，直到完全掌握实验板的电路原理和调试、开发技术，你就基本上掌握了单片机及其开发技术了。

2.1  实验板的电路原理

图2-1所示为实验板的电路原理图。

实验板由以下几部份组成。

1．  单片机ADμC841和其必须的外接电路（器件）；

2．  通讯接口电路；

3．  键盘、显示电路；

4．  存储器；

5．  模拟接口电路；

6．  功率驱动电路；

7．  电源电路。

下面逐一介绍上述各部分电路。

2.1.1  单片机ADμC841和其必须的外接电路

图2-2所示为ADμC841 CPU板原理图。由于其内部含有A/D及D/A模块、用于存储程序的大容量存储器、通讯接口等，只需很少的外围元件就能工作。

在图2-2中，有单片机工作必须的晶体振荡器。单片机用晶体振荡器（简称晶振）产生准确、稳定的时钟（频率）以保证单片机内部各个部件协调、同步、稳定地运行。晶振采用11.0592 MHz，该频率有利于提高串口的通信可靠性，同时又保证单片机有较高的运行速度。图中与晶振连接有两枚30pF（C5和C6）的电容，他们与晶振、单片机片内的反相器一起构成输出频率十分稳定、准确的时钟信号。

图中的其它小电容用于单片机的电源退耦，即防止电源线上的干扰影响单片机工作。

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图2-1  实验板原理图

图2-2  CPU板原理图

单独把ADμC841和晶振、退耦电容设计到CPU板上，目的是为了方便读者学习、实验：ADμC841采用扁平封装，管脚多且密，不易焊接，如果读者希望自己焊接实验板，只要焊接除CPU板以外的其他实验板上的器件。再一个好处是ADμC841是大规模的集成电路，容易发生静电击穿等损坏器件的现象，采用单独的CPU板的好处是万一ADμC841损坏了，仅仅更换CPU板即可，可以减少损失。

之所以把晶振及其电容和退耦电容焊接CPU板上，是这些器件应该尽可能靠近ADμC841安装才能保证单片机稳定可靠地工作。ADμC841还需要一些外围器件才能正常工作，但不像晶振等那些器件要求尽可能靠近，所以，这些器件安装在实验板（大板）上，如图2-3所示。

图2-3  ADμC841的部分必要外围电路原理图

四只13线的插座把单片机所有输入、输出的口线全部引到实验板上。R10和C6构成单片机的上电复位电路，即在实验板刚加上电源时，由于电容C6上的电压不能发生突变，因此在单片机的复位端RESET上出现高电平，经过3～5倍时间常数（R10×C6）的时间后RESET回落到低电平，相当于在单片机上电时，RESET出现一个高电平，这个电平使得单片机复位。

与C6并联的按键S9用于手动复位。在单片机不能正常工作，如不能下载程序，或运行不正常，可以按下S9，使RESET端出现短暂的高电平，使单片机复位。有关复位的问题，在本书后面还将详细讨论。

短接插座H3用选择使单片机处于调试状态还是运行状态。如果在上电复位前用短路块短接，即单片机PSEN接地（DGND），上电后ADμC841处于下载程序和调试模式。而在上电复位前断开H3，上电后ADμC841处于运行模式，执行单片机片内的程序。

2.1.2  通讯接口电路

实验板上的串行接口是实验板与PC通信的唯一通道，需调试的程序通过串行接口下载到实验板中，而实验板上程序的运行状态和部分结果也需通过串行接口上传到PC机。

PC机上的串行接口是RS-232，RS-232包括了按位进行串行传输的电气和机械方面的规定。RS-232关于电气特性的要求规定，驱动器输出电压相对于信号地线在-5V～-15V之间为逻辑1电平，表示传号状态；输出电压相对于信号地线在＋5V～＋15V之间为逻辑0电平，表示空号状态。在接收端，逻辑1电平为-3V～-15V，逻辑0电平为＋3V～＋15V，即允许发送端到接收端有2V的电压降。这样的RS-232电平和TTL逻辑电路（单片机）产生的电平是不一样的，因此，PC机与单片机之间必须经过一定的电路转换逻辑电平。图2-4给出了实验板上的RS232串行接口逻辑电平转换电路。

2.1.3  键盘、显示电路

WH8281是8位/16位LED 数码管显示及键盘接口专用控制芯片，其接口电路如图2-5所示。

图2-5  WH8281的接口电路

WH8281 最多可以连接 64 个按键 , 按 8×8 矩阵排列 , 矩阵的“行”连接到 WH8281的位驱动 DIGO～DIG7, 矩阵的“列”连接到第 0～7 位显示的段驱动移位寄存器的输出 , 为了防止对显示部分的影响 , 键盘矩阵与显示电路之间必须加入二极管和4.7K的隔离电阻。当使用WH8281 的键盘功能时,DIGO～DIG7 上应加以 100K 的下拉电阻, 且8根引脚必须都接入下拉电阻,即使所用到的按键比较少时,也不能将其中未连接键盘的引脚上的下拉电阻省略。

WH8281芯片内部具有26个寄存器,包括16个显示寄存器和10个特殊功能寄存器,共用一段连续的地址,其地址范围是00H～19H, 其中 OOH～OFH 为显示寄存器,其余为特殊寄存器, 所有的操作均通过对这26个寄存器的访问完成。

WH8281与MCU的接口共需要三根线,只占用很少的I/0口资源和主机时间。它们是数据线DAT, 时钟线CLK和按键指示KEY, 其中CLK 和KEY引脚分别为输入和输出引脚, 而DAT脚则为双向口, 其内部为OPEN DRAIN（OD）结构, 需要外接一个2OKΩ左右的上拉电阻 , 以使其能可靠地输出高电平。

仿真实验板采用了两块4位一体的共阳极LED数码管(如图2-7所示)，这种数码管的各同名段连接在一起共用一个引脚引出，各位（每位数码管的公共端）单独引出。

由于段驱动电流较小，为简单起见，由WH8281的串行数据口经移位寄存器直接驱动（加限流电阻）。而LED数码管的位电流较大，故采用三极管来驱动(如图2-8所示)。位扫描信号由WH8281的并行数据口给出。

动态方式利用了人眼的视觉暂留效应，每位数码管依次显示一个较短的时间，虽然每个瞬时只有一位数码管在显示，但对观察者看来，好像所有的数码管是在同时显示一样。

虽然动态显示方式节省了口线，但对编程提高了要求。每位数码管显示的时间（或频率）需要在一个合理的范围：显示频率通常在25Hz以上才能保证较好的显示效果。频率低于25Hz时，观察者能够看出数码管在闪烁，频率在25Hz左右，有相当一部分人能够感觉到数码管的闪烁，当频率增加到50Hz时，数码管看上去就十分流畅、舒服了。但显示频率再增加，几乎没有人能够分辨出显示效果的改善。显示频率过高，显示程序耗时大幅度增加，编程困难，显示亮度下降。

为了清楚起见，在图2-10中重新给出实验板阵列式键盘接口电路。

图2-8  实验板阵列式键盘和动态扫描显示接口电路

2.1.4  存储器

ADμC841最多可以扩展出<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />16M的外部存储器。P0口分时复用分别作为数据总线和地址总线的低8位地址线：在访问（读或写）外部存储器时，P0口先输出需要访问的存储器低8位地址（A7～A0），在ALE（单片机给出的地址锁存信号）作用下，把这8位地址锁存到地址锁存器中（通常采用8位锁存器芯片74HC573或74HC373），然后单片机把要写入到外部存储器的数据送到P0口，通过写控制信号把数据写到外部存储器中，或在读控制信号的作用下把外部存储器的数据读到P0口，然后读到单片机的累加器ACC中。这就是P0口的分时复用。在实验板中，采用74HC573作为锁存器锁存P0口给出的低8位地址。

ADμC841的P2口也是分时复用的，它分时输出高8位地址（A23～A16）和中8位地址（A15～A8），先给出高8位地址，也是在ALE信号的作用下使外部地址锁存器锁存高8位地址（与低8位地址在同一时刻和同一ALE脉冲作用下），然后给出中8位地址，这样ADμC841能够外接16M的外部存储器。与标准80C51相同的是，ADμC841P2口自己能够锁存中8位地址（相当于80C51的高8位地址A15～A8），不同的是80C51地址范围为A15～A0，只能外接64k字节的外部存储器，没有A23～A16，所以80C51只锁存输出地址A15～A8。

2.1.5  模拟接口电路

       为了方便实验，在实验板上设计了简单的模拟接口电路，如图2-12所示。

    运放U1A接成跟随器的形式，后面还接有R1和C1构成的抗混叠（低通）滤波器，该电路的信号输出到ADμC841的P1.0，即模拟/数字转换器的第0通道ADC0。所以，实验时可以将外部信号接入ADCIN的插座，通过U1A缓冲后输入到ADμC841的模数转换器中。有U1A的保护和缓冲，不容易损坏ADμC841和对被转换的信号源内阻没有很特别的要求。

    运放U1B也是接成跟随器的形式，但它作为ADμC841的数字/模拟转换器DAC0的缓冲输出。

运放U1D也是接成跟随器的形式，但它作为ADμC841的参考电源的缓冲输出，可以用于其它外部电路使用。同时，该电路通过R8和C9构成的抗混叠滤波器输入到ADμC841的模拟/数字转换器的第7通道ADC7，用于检验ADμC841的模拟/数字转换器的工作正常与否。

    4运放LM324中剩余的一个运放的两个输入端和一个输出端均已引出，让读者用于其它需要扩展的电路中。

2.1.6  功率驱动

虽然该电路简单，但该电路很值得初学者注意：

1．  当单片机的T0（P3.4）端输出低电平时，Q11打开。由于单片机的几乎所有的I/O口在复位后的缺省状态都是高电平，除非你希望单片机上电就使外设打开工作，否则，应该使单片机输出低电平时接通外设（负载），即通过程序控制启动负载工作。

2．  单片机的I/O口在低电平时的驱动能力比高电平时要强得多：高电平时一般为数十到数百mA，而在低电平时能到5mA左右，当不考虑逻辑电平时，低电平时的驱动能力最高可达20mA，而高电平不考虑逻辑电平时，驱动能力最高不会超过1mA。

3．  在外接继电器等电感性负载时，需要在负载两端并接一枚二极管进行（续流）保护，二极管正极接地。这是由于电感性的负载在从导通到断开的瞬间，电感中的电流不能产生突变，进而产生高压，很容易损坏单片机和其它器件。这点请读者务必注意。

2.1.7  电源电路

仿真实验板电源电路如图2-13所示。220V的交流电适配器输出的9V直流由插座H5输入。经过C9和C15的滤波输入到三端稳压器7905。注意：7905是-5V输出的稳压集成电路，因而7905的输出端（3端）比接地端（1端）要抵5V。所以在电路中把3端作为地（DGND），而把1端作为DVDD，以保证单片机的工作电压是所需的、稳定的+5V。图中的LED发光管D3主要用作电源的指示。

图2-13  仿真实验板的电源电路

之所以采用这样不同寻常的电源结构，是为了利用稳压块7905的压降提供一个负电源给运放工作，即7905原本输出的-5V作为地，原来的地就作为+5V，保证单片机的供电为正确的+5V电源，而原来比-5V还低2V未稳压的电源现在作为-2V给运放供电。由于运放具有较高的电源抑制比，虽然-2V没有经过稳压，但对于读者做实验没有什么影响。

仿真实验板的数字电路和模拟电路的电源线采用了各自走线的方法，以减少数字电路和模拟电路之间的相互干扰，特别是数字电路对模拟电路的干扰。如果采用完全独立的两套电源为数字电路和模拟电路分别供电，将显著地增加电路的复杂性和成本。电路中用两个小电阻R5和R6，分别将数字电路和模拟电路的电源隔离。实际电路可以将R5和R6以导线直接短接来代替。这种方法在不怎么增加电路的复杂性和成本的情况下，显著地降低数字电路和模拟电路之间的相互干扰。

发光二极管（LED）D3用作电源指示，R7是限流电阻。

电源电路中的二极管D1用于极性保护，避免读者不小心在接电源时接反了电源极性而损坏电路。顺便提示：如果在插入电源后实验板的D3不亮，请检查电源的极性是否正确，电压值是否合适（太高了7905发热严重，太低了电路不能正常工作，一般应在7V～9V之间）。

2.2  初步认识实验板

图2-15所示为实验板元器件安装图（PCB板的TOPOVERLAY层）。请你与仿真实验板的实物进行对比，认识一下各个主要的元器件、上一节介绍的电路处于什么部位。

下面请做几个简单的实验：

1．              请你把实验板配套的电源连接好，看看电源指示D3是否发光。如果D3不亮，请检查并排除故障。

2．              在断电时拔除H11的短路块（但注意保存、不要弄丢了），将随机的蜂鸣器插到H11中，重新上电，蜂鸣器将断续响三声，LED数码管显示“HELLO”的字样。

3．              断电后重新插回H11的短路块，上电后LED没有任何显示，蜂鸣器也不响，为什么？