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51单片机第一章--开发板实验平台

Hugh 5 月前
# 51单片机 # 入门

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前言

初次接触开发板的朋友对这个概念会有点陌生,什么是开发板?为什么要有开发板?开发板是干什么用的?用别人的开发板行不行?

开发单片机程序,不是仅仅为了让程序在这个小黑盒子里面运行,开发的最大目的就是为了用来控制其他设备。例如让数码管显示数字、点亮 LED 小灯、小喇叭发出“嘟嘟”的声音等等。需要实现这些功能,只在电脑上仿真是行不通的。因此,我们需要这样一种硬件设备,在它上面集成除了单片机之外,还得包括,例如 LED 小灯、数码管等各式各样的外围设备,并且能充分的验证单片机的各项功能。

这就是开发板,开发板其实就是一块电路板或者叫线路板,有时候也叫 PCB 板。在开发板上有很多的设备,并且都连接到了单片机上,可以通过单片机来控制他们。评价一款单片机开发板的优劣,我们不但要看外形尺寸是不是小巧玲珑、布局布线是不是即精美又优雅。更重要的是,开发板能不能尽可能多的验证单片机的功能,也就是说包含的外围设备足够的多。其实,市面上的开发板多如牛毛,随处可见,那么我用你的程序,用别的开发板行不行?对于资深玩家来说是可行的,对于新手来说是不可行的。

因为,不同的开发板,设计是不一样的。也就是说同样的外围设备连接到具体单片机的哪个引脚是不一样的,所以,程序代码是不能通用的。对于资深玩家来说,他可以自己手动更改程序里面的配置,这样就可以适应不同的开发板。而对于初学者来说,更改配置稍有难度,不建议使用。

所以,初学者在选购开发板时,一定要选购有配套教程的。当然,学完了本套教程这些问题自然会迎刃而解。

学好单片机,动手操作是必不可少的,一套好的开发板平台是动手操作的关键所在!因此,我们设计了一套单片机开发板,产品代号为 Nebula-PI,产品大小为 10cm x 10cm,涵盖了众多外围设备,外形渲染图如下所示。为了后续更好的学习单片机的开发,本章将对 Nebula-PI 进行概括性的讲解,希望大家能有一个总体性的了解,具体技术细节不必深究。

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Nebula-PI 开发板平台

1.1 主板结构及布局

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图 1.1 NEBULA-PI 单片机开发平台

1.2 主板元件说明

从图 1.1 可以看出,开发板平台资源丰富,不仅涵盖了 51 单片机所有内部资源,还扩展了大量的外设资源,单片机的各项功能均可以在平台上得到验证。我们以顺时针的顺序从 ,分别介绍主要模块的功能。

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① 迷你 USB 接口

开发板作为一个电子设备,首先得有电才能工作,给开发板供电是我们接下来所有操作的基础了。怎么样供电是我们最容易获得又最简单的方式呢?第一个想到的应该是 USB 供电,平常使用的手机、pad、小型的电子设备,几乎都有 USB 接口用来充电,所以我们也不类外,开发板上设计了一个 USB 接口。

根据不同的应用场合,USB 接口又分为好多种形式,包括 TYPE-A,TYPE-B,TYPE-C,迷你 USB 等。平常生活中因为这种接口多样性造成的困扰,也许大家深有体会。小米手机的 USB 充电线是一种,华为手机的又是另外一种,而苹果手机又是第三种,给手机充个电还需要配好几根线,确实有点麻烦。但是归根结底他们都是 USB 接口,只是接口外形尺寸,即封装不一样罢了。

而我们这里选择的是迷你 USB。手机的充电线不仅可以充电,而且还可以连接至电脑,来拷贝照片,安装应用等和电脑通信的功能。同样的道理,开发板上的 USB 接口同样具备供电以及通信的功能。例如,单片机开发时设计的程序代码,就是通过这个 USB 接口从电脑上把程序下载进去的。具体怎么操作,我们后续的教程会手把手的教。

总而言之,开发板的迷你 USB 接口的作用就 2 个,分别是给开发板供电,以及与电脑通信。

② 单片机跳线帽

单片机跳线帽是用来手动切换单片机用的。因为我们的开发板上有两块单片机,而 USB 接口只有一个。因此,设置了这个跳线帽,需要给哪个单片机下载程序代码,通过这个跳线帽切换一下即可。

③ 电源开关

这个无需过多介绍了,我们连好 USB 线之后,并不是直接给整个开发板都供上电了,而是设置了这个电源开关,需要时拨动开关来供电或者断电。

④ 51 单片机 STC89C52

这套教程的主角,51 单片机,选用 STC 公司的 STC89C52 型号进行讲解。对于刚接触单片机的朋友来说,会觉得很奇怪,明明我们这里介绍的单片机型号的后缀为 C52,为什么偏偏叫 51 单片机?单片机又是个什么东西?没关系,有疑问说明有兴趣,有了兴趣,一切都好办了,掌握甚至精通就只是时间问题了,相关的内容我们都会在后续的教程慢慢讲来。

那我们现在先来解决 51 单片机叫法的由来。大名鼎鼎的英特尔公司于 1981 年设计和制造了名为 8051 的微型处理器,并将 8051 的核心技术授权给了很多其它公司。因此,但凡是以 8051 为核心制造的单片机我们都称之为 51 单片机。得益于这种技术授权的方式,许许多多的公司开始生产各式各样的单片机,著名的公司包括因特尔(intel)、摩托罗拉(Motorola),德州仪器(TI)、美国国家半导体(NI)、深圳宏晶科技(STC)等等。

尽管众多公司生产了种类繁多的 51 单片机,他们的核心都是基于 8051 的,时间在滚滚流逝,8051 内核切经久不息,从 1981 年至今没有太多改变。因此,我们只需要学习其中的一款,掌握了 51 单片机核心的开发,其他各个 51 单片机便可以举一反三,融会贯通了。

而我们选择的是深圳宏晶科技(STC)的 STC89C52 作为我们的教学平台,原因为,官方提供详细的中文文档以及例程,容易上手。网络上有众多关于他的开发内容以及专业知识的解答,可以毫不夸张的说我们开发中遇到的 99% 的问题都可以从网上找到答案,非常适合初学者。

对于新手而言,单片机是个什么东西?我们以 STC89C52 为例,当你拿到我们的开发板时,便清晰可见,就是如同 所示一个黑不溜秋的小芯片,大小为 10mm x10mm 的黑色小方块,周围有 44 个金属引脚。一句话概括我们将要学习的单片机开发,编写各式各样的程序,下载到单片机里面,用来控制连接在这些引脚上的各种外部设备。

这里的单片机看起来是一个小小的芯片,在她的内部可是集成了丰富的资源,小小的身体,有大大的能量。下面我们简单列举一下她内部包含的资源,现阶段不必去深究这些资源的具体意义,有一个大概的了解即可。

STC89C52RC 单片机工作电压为:5.5V~3.8V,配备 8Kbyte 的 FLASH 程序存储器、512Byte 数据存储器 SRAM、3 个定时器、1 个 UART 串行通行口、5Kbyte 的 EEPROM 存储器、32 路 I/O 口等。

⑤ 液晶显示器跳线帽

由于我们开发板的空间和资源有限,不能同时安装多个不同类型的显示器,因此,设置了跳线帽,可以简单通过插拔跳线帽来适配不同的显示器。开发板支持的显示器包括以下三种:

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⑥ 主板复位按钮

复位按钮,相当于电脑的重启按键。如果想让单片机的程序从头开始运行,按一下复位按键即可。当单片机程序在运行过程中跑飞了,即没有按照预定的方式运行,按一下复位键从头开始运行。

⑦ 数字温度传感器

开发板上配置了一个温度传感器,型号为 BD18B20,单片机可以通过他轻松的获取环境温度了。

⑧ 红外接收头

大家是否有想过,家里的电视,空调的遥控器是怎么实现的?没错,大部分使用的都是红外接收和发射技术,遥控器就是一个红外发送装置,如下图所示。电视机和冰箱里面都有红外接收头。

因此,为了掌握这种生活中最常用的技术,我们开发板配置了红外接收头,另外再配套一个红外发送遥控器,后续课程中我们将详细讲解红外通信的具体原理,并通过实例实现红外通信。

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⑨ 液晶显示器接口

一款优秀的开发板,怎么能少了液晶显示器的接口呢?就好比智能手机不能连网一样,岂不是很痛苦。为了满足 所示的三种液晶显示器接口要求,我们这里做了通用化设计,三种显示器可随时切换。如何通过单片机操作显示器,将会是我们教程的重点之一。

⑩ 数码管

数码管的应用在现实生活中非常的广泛,比较常见的包括火车站或者机场的大型数字电子时钟、家用电器的数码显示屏、食堂刷卡机,以及各类型的仪器仪表等等。

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虽然,在不同的应用场景下,数码管的大小、样式、形态各异,但百变不离其宗,他们的工作原理都是一样的。因此,开发板配套了 4 位数码管,后续专门开辟章节讲解数码管的工作原理,以及如何使用单片机控制数码管工作。

⑪ 蜂鸣器

蜂鸣器相当于开发板的小喇叭,可以发出“滴滴”等声音。它的实际应用同样也是不胜枚举,各种电子设备的报警声,汽车转向时的“哒哒”声等,都是通过蜂鸣器发出来的。甚至可以通过单片机编程实现播放简单音乐的功能。

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⑫ 光敏 &热敏电阻

从名字上就可以直观的了解到,这两个都是电阻,和常见的电阻、电容一样,都属于电子元器件的一种。光敏电阻有一种比较特殊的属性,光照在它表面,它的电阻值会随着光的强度变化而发生变化。因此,我们通过测量光敏电阻具体的阻值的大小,便可以折算出外界光照强度了。

我们举一个生活中比较常见的例子,楼梯的声控感应灯。大家是否发现了,楼梯的声控感应灯在白天的时候并不会点亮,只有晚上的时候才能声控。原因就是里面安装了光敏电阻,通过光照强度来区分了白天和黑夜。

同样的道理,热敏电阻的特殊属性为阻值随着温度的变化而发生变化,同样可以用来测量温度用。这两种元器件最大的特点为极致性价比,非常适合用于低成本场合。因此,具有广阔的市场空间,外形如下图所示。

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⑬ 步进电机接口

开发板上预留了步进电机接口,安装好如下图所示的电机,便可以实现单片机控制电机转动了。电机的应用同样非常的广泛,包括空调的风向控制,机器人手臂的动作,以及许多需要精确控制位置的的场合都需要用到电机。前不久我国嫦娥号月球采样土壤的过程中,电机控制便是一个非常重要的环节。如何通过单片机控制电机动作,将在本教程中进行详细讲解,敬请期待。

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⑭8 个 LED 灯

LED 灯的应用可以说无孔不入,就拿我手边的设备来说,键盘有指示灯,鼠标有指示灯,显示器电源有指示灯,台式机主机同样有好几个指示灯。街角树上寻彩夺目的节日氛围灯,其实也是 LED 小灯。但凡是电子设备,似乎都离不开 LED 灯。因此,离开了 LED 灯的开发板是不讲究的。开发板上设计了 8 个 LED 小灯,专门用来实现各种各样的效果。掌握了 LED 灯的基本应用后,可以尽情的挥洒你的聪明才智,创造 LED 灯的精彩新视界。

⑮ 增强型 51 单片机 STC12

开发板上的另外一块 51 单片机,比主角功能更强大,第一块用来学习,这一块用来做项目,学习、实践两不误。经过多年的实践,我们发现,第一块单片机是初学者入门的最佳选择,而并不是实际项目的最佳选择。真正做项目时,往往需要单片机需要更加丰富的资源。而一款开发板,如果只适合学习,而不适合实际项目的仿真,我们认为这样是一种资源的浪费。因此,我们综合考虑,在本来空间就不是很宽裕的开发板上再增加了这款 STC12 单片机,尽管这样提高了研制成本。

而为什么选择的是 STC12 这款?STC12 单片机内部集成的资源比第一块 51 单片机丰富许多,非常适合做项目,而且它们俩的引脚布局定义是可以兼容的,因此,51 单片机的程序代码可无缝对接,直接下载至 STC12 运行,过程丝滑无障碍。

⑯ 2.4G 无线模块接口

随着物联网的不断发展,无线通信已经成为了人们生产、生活的基础设施。开发板为 2.4G 无线通信模块 NRF2401 预留了 2 个接口,一个用来发送,一个用来接收!因此,在单块开发板便可实现无线通信收发功能。nRF2401 无线通信距离可以达到 1-2Km,大大的扩展了开发板的功能。

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⑰ 3 个独立按键

3 个按键,可以当做开发板的输入设备,相当于迷你版本的键盘。

⑱ 继电器接口

前面介绍过,我们的单片机其实是通过 USB 进行供电的,USB 输出的电压为直流电压 5V,因此,我们开发板上最大电压不会超过 5V。通常来说,只要电压小于 36V,对人体来说都是安全的,不会担心有触电危险。对于这种低于安全电压的系统我们都称之为弱电系统,否则叫强电系统。而开发板就属于弱电系统,因此,我们在进行单片机开发的时候,无论你怎么折腾都不会有触电等安全问题,尽管放心操作。

大家都知道我国家庭用电是 220V 交流电,属于强电系统,是非常危险的,因此,如果没有相应的技能和安全措施,千万不要私自去拆装拖线板、插座面板、以及更换白炽灯泡等等。

同样的道理,弱电系统也不能直接和强电系统相连,否则弱电系统将遭受灭顶之灾。也就是说,我们的开发板不能直接连接到家用电器上。那我们又想用单片机来控制自己的家电设备,比如台灯的打开与关闭、空调的开启与停止。这个时候我们就需要一种中间装置,来连通两种类型的系统,他就是我们这里讲的继电器。

开发板上集成了继电器,这个接口预留给用户接线用的,可以用来控制 220V 设备的开或者关。因此,可以通过开发板控制各种类型的家用电器。

虽然,我们的开发板具备了控制强电设备的能力。但是,大家一定要注意,在没有相关知识和技能前,千万别试图去使用它,安全第一!

⑲ 电源端子

为了方便开发和调试,开发板上预留了 5V 和 3.3V 的电源端子,直接可以使用杜邦线引出来,用来给其他设备供电。

⑳ Wifi 模块接口

WiFi 想必大家已经非常熟悉了,开发板预留了 WiFi 模块 ESP8266 的接口,接上 WiFi 模块,开发板可以轻松上网冲浪。

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假设我想通过手机控制开发板的数码管显示数字、或者让液晶屏播放图片、蜂鸣器发出“嘟嘟”的声音,或者想要在电脑网页上实时显示环境温度等等。只要给开发板安装好 wifi 模块,这一切都可以轻松实现。

1.3 本章小结

本章详细介绍了 51 单片机开发板 Nebula-PI 的资源,后续章节将会对每一处资源进行详细的介绍。

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厉害了,正好手上有45件套