基于ISP下載的89S51單片機實驗平臺設計及應用

摘要：為了使學生能在較短的時間里掌握單片機的原理及應用知識，通過自制單片機實驗平臺進行學習，是學好單片機課程的有效途徑。基于ISP下載的89S51實驗平臺主要由89S51單片機最小系統(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。利用該平臺進行實驗教學有利于培養(yǎng)學生自主學習、自主探索的意識，提高教學質量。
關鍵詞：89S51；單片機；ISP；實驗平臺

0 引言
單片機課程是電子電氣類專業(yè)及機電類專業(yè)必修的專業(yè)課，該課程既要學習單片機的硬件結構知識，又要學習軟件知識，往往使學生不知從何學起，感覺入門很困難。而目前多數職業(yè)學校學習課時較短，實驗條件較差，實驗工位也不足，學生動手的機會少，造成了學生對學科不感興趣，難以取得好的教學效果。基于ISP下載的89S51單片機實驗平臺具有電路簡單、價格低廉、適合學生自主動手制作，不需要復雜的外部設備，就能完成數十個基本實驗，幾乎覆蓋了本課程中大部分實驗內容。通過自制簡單實用的實驗平臺進行實驗，增加了學生動手實踐的時間，解決了學習課時少及實驗設備不足的難題，培養(yǎng)了學生自主學習、自主探索的意識，提高了學生獨立分析問題及解決問題的能力，取得較好的教學效果。

1 系統(tǒng)設計方案
圖1為系統(tǒng)組成框圖。系統(tǒng)主要由89S51單片機系統(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輸入電路及4×4矩陣鍵盤電路，輸出模塊選用四位七段數碼顯示電路、八路LED發(fā)光電路、聲音驅動電路、繼電器驅動等電路，共二種輸入及四種不同輸出方式供實驗時選擇。為了便于實驗，整個電路由Protel軟件完成原理圖及PCB圖的設計，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，實驗時只需連接少量的導線，即可實現89S51單片機與不同的輸入、輸出模塊組合，構成不同功能及用途的單片機應用系統(tǒng)供實驗時使用。

2 相關模塊介紹
89S51單片機最小系統(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公司生產的芯片，該芯片采用40PI N封裝雙列直插結構，內置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引腳接復位電路，第31引腳接高電位，即構成了單片機最小系統(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行程序燒錄，省去編程器等復雜的外部設備，以利于程序的開發(fā)，Atmel公司在其官方網站提供免費燒錄軟件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，分別是八路開關輸入電路和4×4矩陣鍵盤電路，使用時可根據實驗內容要求選擇不同的輸入方式及位數。

輸出模塊電路如圖4(A)、(B)、(C)所示，共有四種輸出模式，分別是點亮發(fā)光二極管、喇叭發(fā)聲、繼電器驅動、共陽極四位七段數碼顯示電路，在實驗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)與電腦的打印機接口相連接后，運行從Atmel公司官方網站下載的燒錄軟件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、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)共陽四位七段數碼顯示電路Disp Buffer等，這些功能基本能滿足教學實驗及一般應用開發(fā)需要。

4 實驗平臺在實驗教學中的應用
實驗教學的主要目的是使學生運用已有知識通過實驗的方法研究問題及解決問題，培養(yǎng)學生的動手操作能力及綜合能力。學生通過動手實驗獲得感性認識，培養(yǎng)學生對學科的興趣，激發(fā)學生自主學習的動機，充分發(fā)揮學生的主觀能動性。在實驗教學中，為了取得較好的教學效果，一般將課程所需掌握的內容隱含在多個實驗項目中，學生在教師的幫助、指導下，對各個實驗項目進行自主學習、自主探究，深入理解每個實驗項目所涉及的知識，逐步掌握所學學科的知識點及技能點。
4．1 利用實驗平臺進行實驗教學的流程
學生利用實驗平臺進行實驗的流程如圖6所示。首先，根據實驗項目的目的、要求，選擇相應的輸入、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)應用程序，檢查無誤后編譯成機器碼(Intel Hex格式)，運行ISP-Flash Programmer，將編譯所得機器碼燒錄到89S51芯片中；最后，運行程序，觀察、記錄運行現象及有關數據，判斷檢測系統(tǒng)運行結果是否符合要求，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，直到運行結果符合實驗項目的要求。

4．2 利用實驗平臺進行實驗教學的意義
(1)有利于學生較全面掌握本專業(yè)的知識。單片機課程內容與電子技術、計算機硬件及軟件等課程內容密切相關，在教學過程中，要求學生獨立完成從用Protel軟件完成原理圖及PCB圖的設計，然后制作PCB板，再將全部元件焊接到PCB電路板上，最后用此電路板進行單片機內容的實驗，學生通過全過程參與，對熟悉系統(tǒng)結構及特點、提高動手操作能力及全面掌握本專業(yè)的知識起促進作用。
(2)有利于彌補學校實驗條件的不足。因學校擴招使在校生人數增多，造成實驗室場地、儀器設備不足，從而影響實驗教學的正常進行，教學質量也難以保證。通過自制適合本專業(yè)及本課程使用的實驗器械，一方面可保證教學的正常進行，另一方面可彌補學校實驗條件的不足，節(jié)約了實驗經費。
(3)有利于激發(fā)學生學習的主動性、積極性，提高綜合分析能力。單片機課程是以實驗為基礎的學科，親身經歷和體驗是學生獲得知識的重要途徑，此實驗平臺具有獨特的實用性、趣味性及探究性，有利于激發(fā)學生學習的主動性、積極性，提高實踐能力和綜合分析能力?？墒箤W生在實驗中領悟科學過程、體會科學方法、樹立科學價值觀、更加熱愛科學。
實踐證明，通過本實驗平臺的引導，大部分學生能在較短的時間內，基本掌握課程的基本知識，有部分學生能設計出有實用價值的應用電路，掌握一技之長，畢業(yè)后走上了單片機開發(fā)應用的工作崗位。