【实训项目】51单片机核心板

一、 项目简介

      STC89C52RC单片机作为8位8051系列的元老，凭借其良好的电气特性和价格一直占据着8位单片机的市场，作为新手入门学习嵌入式开发是非常不错的选择，本身IO引脚丰富，定时器、串口、中断、ADC等外设也齐全，同时直接操作寄存器的代码能够帮助学生更加深入的了解单片机的工作原理，对嵌入式学习非常有帮助。

二、 板载资源

• 主控芯片：STC89C5RC-DIP40
• 电源接口：TYPE-C-2P
• 外设：8个LED灯、5V有源蜂鸣器、3个功能按键、单个共阳极数码管
• 接口：2.54*4P下载调试接口、2.54*20拓展排针接口

三、 优势特点

• 板载资源丰富，基础外设齐全、
• 整体全部使用插接器件，焊接方便
• 价格便宜、性价比高
• 使用嘉立创优质PCB以及立创商城正品元器件，保障产品质量

四、电路解析

图4-1 SCH_51单片机核心板

1. 电源电路

      电源电路主要有TYPE-C接口、滑动开关、滤波电容、电源指示灯组成，采用2Pin的TYPE-C接口，简单方便，易于焊接，通过SW1滑动开关控制整个系统电源的导通和关断，C1作为电源滤波电容，R1、LED1组成电源指示灯电路，当系统上电后，电源指示灯点亮进行提示。

图4-2 TYPE-C供电电路

2. 主控电路

      主控单片机使用的是STC89C52RC（DIP-40封装），工作电压3.3~5.5V，工作频率范围在0~40MHz，相当于普通8051的0~80MHz，实际工作频率可达48MHz，Flash程序存储器空间大小为8K字节，可擦写10万次以上，片上集成512字节RAM数据存储器，工作温度范围在-40~85℃。

图4-3 主控芯片对比

      STC89C51RC/RD+系列有HD和90C版本，可以通过单片机表面文字最下面一行最后几个字母识别分辨HD和90C版本。

     HD版本无P4.4/P4.5/P4.6口，RESET脚内部已有45~100K下拉电阻，EA#管脚内部已上拉到VCC。90C版本无EA、PSEN管脚，有P4.4/P4.5/P4.6口，ALE/P4.5管脚默认是作为ALE管脚使用，作为P4.5口使用时，需要在烧录用户程序时在STC-ISP编程器中设置。

表1-1 STC89C52RC核心板引脚的定义复用解释

      将STC89C52RC芯片四组常用引脚全部引出，方便扩展项目开发，P0口既可以做I/O口，也可以作为地址/数据复用总线使用。P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻。作为I/O口用时，必须外接4.7K~10K的上拉电阻。这里P0口使用一个10K的上拉排阻--RN1。

图4-4 STC89C52RC主控电路

3. 晶振电路

   晶振作为主控电路的心脏，为主控电路提供稳定的时钟源，驱使代码稳定、准确的运行。晶振的频率根据官方数据手册描述，能够支持4M~48M，不同的频率，不同品牌的晶振，负载电容也不相同，需要根据实际情况选择，一般情况下，12M~25M晶振负载电容选择22~47PF左右是比较合适的。

图4-5 晶振电路

4. 复位电路

        STC89C52RC是高电平进入复位模式，低电平正常工作，分析复位电路，一上电，RST按键没有按下，此时，+5V给C2电容充电，电容相当于导线，RST高电平，系统进行复位，随着电容接近充满，电位与+5V一直，此时没有电流流过，RST被R5下拉到GND，进入正常工作模式。如果手动按下RST复位按键，此时，电容会进行放电，就算电容放电完成，+5V也会流过按键到RST，RST高电平进入复位按键，当按键松开时有恢复到前面的过程。

图4-6 复位电路

5. LED显示电路

        LED流水灯电路，LED灯本质是发光二极管，在二极管的正极处，加入+5V电压，由于二极管阻值较小，如果直接通电，流过电流会很大，容易烧坏二极管，加入1K限流电阻限制电流的大小。在LED灯的右侧，连接STC89C52单片机的IO引脚，当控制IO引脚为高电平时，两侧电平一致，电流无法流过发光二极管，当控制IO引脚为低电平时，电流经过限流电阻流过二极管到IO引脚内部接入GND，此时是一个完整的回路，LED灯被点亮。

图4-7 LED显示电路

6. 数码管显示电路

   数码管简单理解就算7个长条型的LED灯管+1个圆形LED灯，有了前面LED流水灯电路的基础，数码管电路理解起来就非常方便了，该数码管为共阳极数码管，

   共阳极：将8个LED灯的正极接到一起引出，每一个灯的负极单独控制。

   共阴极：将8个LED灯的负极接到一起引出，每一个灯的正极单独控制。

图4-8 数码管显示电路

7. 蜂鸣器电路

   蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，有源并不是指电源，而是指震荡源，蜂鸣器是通过震荡来进行发声的。此处用到的是有源蜂鸣器，当给一个电源时，蜂鸣器鸣叫。蜂鸣器鸣叫消耗电流较大，如果使用单片机的IO引脚输出高电平给蜂鸣器供电，可能不足以让蜂鸣器叫，此时加入8050NPN三极管来作为控制，通过控制基极电流来控制三极管的导通与关闭从而控制蜂鸣器是否鸣叫。

   注：有源蜂鸣器内部震荡源固定，发声固定。无源蜂鸣器通过外部PWM信号震荡发声，可以通过改变PWM频率来改变音色。

图4-9 蜂鸣器电路

8. 按键电路

   独立按键电路，按键的一侧键入单片机IO引脚，另外一侧接入GND，注意，此时单片机IO引脚不少输出信号，而是接收信号，当外部按键的另一端接入GND时，可以启用内部IO引脚上拉模式，默认引脚为高电平，如果按键按下，引脚会与GND连接，此时为低电平，以此，可以通过检查对应IO引脚是否为低电平来检查按键是否按下。如果外部按键一侧接入高电平，反过来分析即可，需注意增加限流电阻防止IO引脚损坏。

   注：STC89C52RC复位后，IO引脚为弱上拉模式。

图4-10 按键电路

9. 接口电路

   本次STC89C52RC项目设计，仅用到了单片机部分IO引脚用于学习，嵌入式是一门非常庞大的系统，并不仅仅上述这些，为了方便日后拓展学习使用，不用重复画板，加入2.54*20P排针接口，方便杜邦线插拔进行拓展连接。同时，通过2.54*4P排针接口，将下载接口和电源接口引出，用于后续程序下载调试使用。

图4-11 接口电路

五、物料清单

六、注意事项

在绘制原理图中应注意：

• 按模块电路划分进行绘制，注明电路功能；
• 在图纸属性上填写工程名称等信息；

在采购物料中应注意：

• 先筛选有库存物料，再筛选价格排序进行购买；
• 尽量购买同一仓库物料，选择靠近的货仓，缩短交货时间；
• 购买有多个订单时，可以通过绑定订单方式，节省运费；

在PCB Layout中应注意：

• 滤波电容应注意电流流向，尽量离需滤波元件近一点；
• 晶振尽量紧挨芯片，底部不要走线，防止信号串扰；
• 走线优先走直线，需要拐弯的地方以钝角或圆弧为主；
• 在绘制调整完PCB后加上泪滴，使板子更加美观稳固；
• 添加丝印标识，注释说明接口功能；
• JLCJLCJLCJLC指定客编丝印可藏在器件下，成板美观；

图6-1 PCB走线参考图-顶层

图6-2 PCB走线参考图-底层

在焊接中应注意：

• 在进行焊接时，可在嘉立创EDA的工具栏中点击焊接辅助工具，实时交互方便焊接；
• 在焊接顶层时，主控芯片建议优先焊接，避免其它器件影响焊接；
• 焊接排针时可用一块空板或洞洞板顶住，防止焊斜，影响使用；
• 焊接顺序应遵循从低到高原则进行，避免影响小器件的焊接；

图6-3 PCB空板

在调试中应注意：

• 上电调试前应检查焊接是否有虚焊短路等问题，检查无误才可上电测试；
• 使用STC-ISP下载编程烧录软件，官方下载地址：http://www.stcmcudata.com/
• 使用USB转TTL串口烧录工具将程序下载到单片机，USB转TTL线的RXD端接单片机的TXD端，TXD端接单片机的RXD端；
• 点击下载/编程后，需重新插拔VCC上电，显示握手操作成功，即成功下载用户代码。