基于ISP下載的89S51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計及應(yīng)用

摘要：為了使學(xué)生能在較短的時間里掌握單片機(jī)的原理及應(yīng)用知識，通過自制單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)，是學(xué)好單片機(jī)課程的有效途徑。基于ISP下載的89S51實(shí)驗(yàn)平臺主要由89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)、ISP下載電路、輸入模塊、輸出模塊等組成，具有電路簡單、工作可靠的特點(diǎn)。利用該平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探索的意識，提高教學(xué)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：89S51；單片機(jī)；ISP；實(shí)驗(yàn)平臺

0 引言
    單片機(jī)課程是電子電氣類專業(yè)及機(jī)電類專業(yè)必修的專業(yè)課，該課程既要學(xué)習(xí)單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)知識，又要學(xué)習(xí)軟件知識，往往使學(xué)生不知從何學(xué)起，感覺入門很困難。而目前多數(shù)職業(yè)學(xué)校學(xué)習(xí)課時較短，實(shí)驗(yàn)條件較差，實(shí)驗(yàn)工位也不足，學(xué)生動手的機(jī)會少，造成了學(xué)生對學(xué)科不感興趣，難以取得好的教學(xué)效果?；贗SP下載的89S51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺具有電路簡單、價格低廉、適合學(xué)生自主動手制作，不需要復(fù)雜的外部設(shè)備，就能完成數(shù)十個基本實(shí)驗(yàn)，幾乎覆蓋了本課程中大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過自制簡單實(shí)用的實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)生動手實(shí)踐的時間，解決了學(xué)習(xí)課時少及實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的難題，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探索的意識，提高了學(xué)生獨(dú)立分析問題及解決問題的能力，取得較好的教學(xué)效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
    圖1為系統(tǒng)組成框圖。系統(tǒng)主要由89S51單片機(jī)系統(tǒng)及ISP下載電路、輸入模塊、輸出模塊、電源電路等四大部分組成。

    為了簡化電路，核心部分主要由89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)及ISP下載電路組成，輸入模塊只選用了八路開關(guān)輸入電路及4×4矩陣鍵盤電路，輸出模塊選用四位七段數(shù)碼顯示電路、八路LED發(fā)光電路、聲音驅(qū)動電路、繼電器驅(qū)動等電路，共二種輸入及四種不同輸出方式供實(shí)驗(yàn)時選擇。為了便于實(shí)驗(yàn)，整個電路由Protel軟件完成原理圖及PCB圖的設(shè)計，將全部元件焊接在一塊PCB電路板中，連接好共用電源線及接地線。這樣，實(shí)驗(yàn)時只需連接少量的導(dǎo)線，即可實(shí)現(xiàn)89S51單片機(jī)與不同的輸入、輸出模塊組合，構(gòu)成不同功能及用途的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)供實(shí)驗(yàn)時使用。

2 相關(guān)模塊介紹
    89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)及ISP下載電路如圖2所示，電路主要由89S51、74HCT541等組成。89S51為Atmel公司生產(chǎn)的芯片，該芯片采用40PI N封裝雙列直插結(jié)構(gòu)，內(nèi)置4k E2PROM及256RAM，共40個引腳，四個八路輸出端口。通過在第18、19引腳外接12MHz振蕩晶體，第9引腳接復(fù)位電路，第31引腳接高電位，即構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)。ISP(在線編程)是指編程芯片不用從電路板上拆下，可以直接在線上對芯片進(jìn)行程序燒錄，省去編程器等復(fù)雜的外部設(shè)備，以利于程序的開發(fā)，Atmel公司在其官方網(wǎng)站提供免費(fèi)燒錄軟件ISP-Flash Programmer供下載，大大降低了系統(tǒng)制作成本。89S51的第6、7、8、 9腳為SPI(同步序列式傳輸信號界面)引腳，功能分別是MOSI、MISO、SCK、RST。SPI引腳經(jīng)74HCT 541隔離后分別與電腦打印接口的第7、10、6、9引腳相連接便形成了IPS電路。

    輸入模塊電路如圖3(A)、(B)所示，共有二種輸入模式，分別是八路開關(guān)輸入電路和4×4矩陣鍵盤電路，使用時可根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求選擇不同的輸入方式及位數(shù)。

    輸出模塊電路如圖4(A)、(B)、(C)所示，共有四種輸出模式，分別是點(diǎn)亮發(fā)光二極管、喇叭發(fā)聲、繼電器驅(qū)動、共陽極四位七段數(shù)碼顯示電路，在實(shí)驗(yàn)時可選擇其中的一種或多種方式輸出。

3 燒錄軟件ISP-Flash Programmer簡介
    用打印線將本系統(tǒng)與電腦的打印機(jī)接口相連接后，運(yùn)行從Atmel公司官方網(wǎng)站下載的燒錄軟件ISP-Flash Programmer，即打開了ISP-Flash Programmer燒錄界面，如圖5所示。系統(tǒng)可燒錄十多種不同的芯片，在此選擇AT89S51，系統(tǒng)具有讀取、燒錄、校驗(yàn)、加密芯片等功能，提供的主要功能按鈕有：Read、Verify、Write、Write LBs、Open File、Signature、Save file、Reload File、圖4(C)共陽四位七段數(shù)碼顯示電路Disp Buffer等，這些功能基本能滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)及一般應(yīng)用開發(fā)需要。

4 實(shí)驗(yàn)平臺在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
    實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是使學(xué)生運(yùn)用已有知識通過實(shí)驗(yàn)的方法研究問題及解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力及綜合能力。學(xué)生通過動手實(shí)驗(yàn)獲得感性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生對學(xué)科的興趣，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動機(jī)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了取得較好的教學(xué)效果，一般將課程所需掌握的內(nèi)容隱含在多個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生在教師的幫助、指導(dǎo)下，對各個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、自主探究，深入理解每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及的知識，逐步掌握所學(xué)學(xué)科的知識點(diǎn)及技能點(diǎn)。
4．1 利用實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的流程
    學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的流程如圖6所示。首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的、要求，選擇相應(yīng)的輸入、輸出模塊，搭建線路；其次，使用Keil C51uVision3 IDE或8051 IDE等編程平臺，用匯編語言或C語言編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，檢查無誤后編譯成機(jī)器碼(Intel Hex格式)，運(yùn)行ISP-Flash Programmer，將編譯所得機(jī)器碼燒錄到89S51芯片中；最后，運(yùn)行程序，觀察、記錄運(yùn)行現(xiàn)象及有關(guān)數(shù)據(jù)，判斷檢測系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果是否符合要求，若不符合要求，判斷是編程問題還是硬件線路問題，若是線路問題檢查并修改線路，若是編程問題則修改并完善程序，直到運(yùn)行結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求。

4．2 利用實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義
    (1)有利于學(xué)生較全面掌握本專業(yè)的知識。單片機(jī)課程內(nèi)容與電子技術(shù)、計算機(jī)硬件及軟件等課程內(nèi)容密切相關(guān)，在教學(xué)過程中，要求學(xué)生獨(dú)立完成從用Protel軟件完成原理圖及PCB圖的設(shè)計，然后制作PCB板，再將全部元件焊接到PCB電路板上，最后用此電路板進(jìn)行單片機(jī)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過全過程參與，對熟悉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、提高動手操作能力及全面掌握本專業(yè)的知識起促進(jìn)作用。
    (2)有利于彌補(bǔ)學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件的不足。因?qū)W校擴(kuò)招使在校生人數(shù)增多，造成實(shí)驗(yàn)室場地、儀器設(shè)備不足，從而影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常進(jìn)行，教學(xué)質(zhì)量也難以保證。通過自制適合本專業(yè)及本課程使用的實(shí)驗(yàn)器械，一方面可保證教學(xué)的正常進(jìn)行，另一方面可彌補(bǔ)學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件的不足，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。
    (3)有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性，提高綜合分析能力。單片機(jī)課程是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，親身經(jīng)歷和體驗(yàn)是學(xué)生獲得知識的重要途徑，此實(shí)驗(yàn)平臺具有獨(dú)特的實(shí)用性、趣味性及探究性，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性，提高實(shí)踐能力和綜合分析能力。可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)悟科學(xué)過程、體會科學(xué)方法、樹立科學(xué)價值觀、更加熱愛科學(xué)。
    實(shí)踐證明，通過本實(shí)驗(yàn)平臺的引導(dǎo)，大部分學(xué)生能在較短的時間內(nèi)，基本掌握課程的基本知識，有部分學(xué)生能設(shè)計出有實(shí)用價值的應(yīng)用電路，掌握一技之長，畢業(yè)后走上了單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的工作崗位。