Công nghệ PCB - Thiết kế mạch phần cứng dựa trên nền tảng học tập chip đơn STC

Giới thiệu

Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, phần lớn các trường đại học kỹ thuật trong nước đều mở các khóa học máy tính đơn. Để học tốt môn này, không thể thiếu các thí nghiệm liên quan đến nguyên lý và kỹ thuật của máy tính bảng, và công cụ thí nghiệm là bảng học. Hiện tại, hầu hết các bảng học đều sử dụng chip đơn dòng 51, giao diện song song và một số thiết bị cũ hơn. Ngày nay, một số chip đơn nâng cao nhanh hơn và nhiều tính năng hơn đã được sản xuất, chẳng hạn như lập trình cổng nối tiếp, và nhiều chip giao diện nối tiếp và một số tiêu chuẩn cổng nối tiếp cũng xuất hiện. Bài viết này đề xuất một thiết kế mạch phần cứng dựa trên nền tảng học tập vi điều khiển STC, sử dụng một loại vi điều khiển mới STC12C5410AD và thêm một số chip giao diện nối tiếp vào nền tảng học tập. Tiêu chuẩn giao diện bao gồm RS-232, SPI, IIC, 1 dây, v.v. Mục tiêu thiết kế của nền tảng học tập: lập trình ISP, màn hình LCD, đồng hồ lịch (chip giao diện IIC), đo nhiệt độ (chip giao diện 1 dây), bộ nhớ FLAH (chip giao diện SPI) và nút (nút quét sáp), đo điện áp (chuyển đổi AD).

1 Tổng quan về hệ thống phần cứng

Nền tảng học tập dựa trên STC12C5410AD làm cốt lõi và sơ đồ cấu trúc được thể hiện trong Hình 1.

1.1 Giới thiệu vi điều khiển STC12C5410AD

Chip đơn STC12C5410AD là một chip đơn nâng cao được giới thiệu bởi công nghệ macro sau những cải tiến lớn dựa trên lõi chip đơn 8051 tiêu chuẩn. Nó là một chip đơn 8051 nâng cao, chu kỳ đồng hồ/máy đơn, điện áp hoạt động 5,5V đến 3,5V, dải tần số hoạt động 0,½ 35 MHz, bộ nhớ dữ liệu trên chip 512 byte, bộ nhớ chương trình flash trên chip 10K byte, ISP (lập trình trong hệ thống)/IAP (lập trình ứng dụng), chương trình có thể tải xuống trực tiếp qua cổng nối tiếp, chức năng EEPROM, 6 bộ hẹn giờ/truy cập 16 bit, PWM (4 kênh)/PCA (mảng truy cập lập trình, 4 kênh), 8 kênh 10 bit A/D chuyển đổi, cổng truyền thông SPI đồng bộ.

2 Thiết kế hệ thống phần cứng

2.1 Dao động tinh thể, Nguồn điện và mạch đặt lại

Hình 2, Hình 3 và Hình 4 là các mạch reset, mạch nguồn và mạch dao động tinh thể tương ứng. Thẻ mạng RST trong mạch thiết lập lại được kết nối với chân 3 của vi điều khiển STC12C5410AD, mạch được cấp nguồn và đặt lại. Vì điện áp làm việc của chip đơn STC12C5410AD là từ 5,5~3,5V, nguồn điện sử dụng nguồn cung cấp chuyển mạch 5V, để thay đổi AD chính xác, hãy thêm chip điều chỉnh điện áp LM7805.

2.2 Đốt mạch chương trình

ISP (In-System Programming) có thể lập trình được trong hệ thống, có nghĩa là các thiết bị trống trên bảng mạch có thể được lập trình để viết mã người dùng cuối và không cần phải xóa khỏi mất điện hoặc lập trình bảng. Việc kiểm tra điều chỉnh máy với các chip một chiều với 80 lập trình curved 51 bằng lập trình viên hoặc giả lập phức tạp hơn nhiều. Sử dụng một lập trình viên hoặc trình giả lập thậm chí còn rắc rối hơn, STC12C5410AD hỗ trợ ISP, chỉ cần thêm nó vào hình 5. Đối với mạch, bạn có thể sử dụng STC MCU PC End ISP để tải xuống phần mềm hệ thống thông qua cổng nối tiếp, viết chương trình bạn muốn gỡ lỗi vào MCU trên bảng mạch. Các thẻ mạng RxD và TxD trong hình dưới đây được kết nối với các cổng P3.0 và P3.1 trong chip STC12C5410AD tương ứng.

2.3 Mạch nút

Vì tài nguyên cổng Io bị hạn chế và STCl2C5410AD đi kèm với chuyển đổi AD, nên việc quét khóa được thực hiện bằng chuyển đổi AD. Các mạch chính được thể hiện trong Hình 6. Trong đó, thẻ mạng BUTTON được kết nối với cổng chuyển đổi P1.0 AD của máy vi tính đơn.

2.4 Mạch hiển thị LCD

Mạch hiển thị LCD được thể hiện trong Hình 7. Vì vi điều khiển STC12C5410AD có cổng IO hạn chế và màn hình LCD 1602 yêu cầu 8 cổng dữ liệu, nên chip 74HC164 được sử dụng để chuyển đổi đầu vào của cổng nối tiếp sang đầu ra của cổng song song và bộ khóa 74LS273 được thêm vào. Chip này ngăn chặn việc gửi dữ liệu không mong muốn đến màn hình LCD 1602 trong quá trình di chuyển nối tiếp, dẫn đến lỗi hiển thị.

2.5 Mạch đồng hồ lịch

Các mạch đồng hồ lịch được hiển thị trong Hình 8. Nó sử dụng chip DS1302 được giới thiệu bởi Dallas, là chip giao diện IIC. Chip đơn STC12C5410AD không có cổng giao tiếp IIC và sử dụng hai cổng IO để mô phỏng giao diện IIC thông qua phần mềm. Hai thẻ mạng DS1302_SCLK và DS1302_DATA được kết nối với các cổng P2.2 và P2.3 của máy tính chip đơn STC12C5410AD và mỗi thẻ u được thêm vào điện trở kéo lên 10K. Thẻ mạng RST_DS1302 được kết nối với P0. 0, để đặt lại chip DS1302.

2.6 Mạch đo nhiệt độ

Mạch đo nhiệt độ được thể hiện trong Hình 9. Nó sử dụng cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số DS18B20 từ Dallas. Do đó, cần phải thêm một mạch chuyển đổi analog-digital và kết nối các chân DQ của nó trực tiếp với cổng IO của chip đơn.

2.7 Mạch Flash

Mạch được thể hiện trong hình 10. AT25F512 là một chip flash với giao diện SPI. STC12C5410AD có cổng giao tiếp SPI riêng, với các thẻ mạng SCK, MISO, MOSI và Ss được kết nối với các cổng P1.7, P1.6, P1.5 và P0.3 của vi điều khiển tương ứng và tăng sức đề kháng kéo lên 10K.

2.8 Mạch chuyển đổi DA

Mạch chuyển đổi DA, như trong Hình 11, sử dụng chức năng PWM của vi điều khiển để thực hiện chuyển đổi DA.

3 Kết luận

Bài viết này đề xuất một thiết kế mạch phần cứng dựa trên nền tảng học tập chip đơn STC12C5410AD. So với chip 8051 truyền thống, chip STC12C5410AD có cách tiếp cận thiết kế mạch khác nhau. Nó không có chân 8051 ALE (Address Locker), v.v., do đó PoEl của nó không thể được sử dụng làm cổng ghép kênh dữ liệu địa chỉ. Hầu hết các mạch phần cứng của nền tảng học tập sử dụng chip nối tiếp, bao gồm hầu hết các tiêu chuẩn nối tiếp chính thống. Thay vì hiển thị ống kỹ thuật số bằng màn hình LCD, thêm chip nhớ Flash, sử dụng chức năng PWM STC12C5410AD để thực hiện chuyển đổi DA, sử dụng đầy đủ tài nguyên chip đơn STC12C5 410AD, đồng thời chip có mạch phần cứng Watch Dog riêng và chức năng M của phần thứ hai, phù hợp như một nền tảng học tập cho các thí nghiệm giảng dạy.