基于ISP下载的89S51单片机实验平台设计及应用

摘要：为了使学生能在较短的时间里掌握单片机的原理及应用知识，通过自制单片机实验平台进行学习，是学好单片机课程的有效途径。基于ISP下载的89S51实验平台主要由89S51单片机最小系统、ISP下载电路、输入模块、输出模块等组成，具有电路简单、工作可靠的特点。利用该平台进行实验教学有利于培养学生自主学习、自主探索的意识，提高教学质量。
关键词：89S51；单片机；ISP；实验平台

0 引言
    单片机课程是电子电气类专业及机电类专业必修的专业课，该课程既要学习单片机的硬件结构知识，又要学习软件知识，往往使学生不知从何学起，感觉入门很困难。而目前多数职业学校学习课时较短，实验条件较差，实验工位也不足，学生动手的机会少，造成了学生对学科不感兴趣，难以取得好的教学效果。基于ISP下载的89S51单片机实验平台具有电路简单、价格低廉、适合学生自主动手制作，不需要复杂的外部设备，就能完成数十个基本实验，几乎覆盖了本课程中大部分实验内容。通过自制简单实用的实验平台进行实验，增加了学生动手实践的时间，解决了学习课时少及实验设备不足的难题，培养了学生自主学习、自主探索的意识，提高了学生独立分析问题及解决问题的能力，取得较好的教学效果。

1 系统设计方案
    图1为系统组成框图。系统主要由89S51单片机系统及ISP下载电路、输入模块、输出模块、电源电路等四大部分组成。

    为了简化电路，核心部分主要由89S51单片机最小系统及ISP下载电路组成，输入模块只选用了八路开关输入电路及4×4矩阵键盘电路，输出模块选用四位七段数码显示电路、八路LED发光电路、声音驱动电路、继电器驱动等电路，共二种输入及四种不同输出方式供实验时选择。为了便于实验，整个电路由Protel软件完成原理图及PCB图的设计，将全部元件焊接在一块PCB电路板中，连接好共用电源线及接地线。这样，实验时只需连接少量的导线，即可实现89S51单片机与不同的输入、输出模块组合，构成不同功能及用途的单片机应用系统供实验时使用。

2 相关模块介绍
    89S51单片机最小系统及ISP下载电路如图2所示，电路主要由89S51、74HCT541等组成。89S51为Atmel公司生产的芯片，该芯片采用40PI N封装双列直插结构，内置4k E2PROM及256RAM，共40个引脚，四个八路输出端口。通过在第18、19引脚外接12MHz振荡晶体，第9引脚接复位电路，第31引脚接高电位，即构成了单片机最小系统。ISP(在线编程)是指编程芯片不用从电路板上拆下，可以直接在线上对芯片进行程序烧录，省去编程器等复杂的外部设备，以利于程序的开发，Atmel公司在其官方网站提供免费烧录软件ISP-Flash Programmer供下载，大大降低了系统制作成本。89S51的第6、7、8、 9脚为SPI(同步序列式传输信号界面)引脚，功能分别是MOSI、MISO、SCK、RST。SPI引脚经74HCT 541隔离后分别与电脑打印接口的第7、10、6、9引脚相连接便形成了IPS电路。

    输入模块电路如图3(A)、(B)所示，共有二种输入模式，分别是八路开关输入电路和4×4矩阵键盘电路，使用时可根据实验内容要求选择不同的输入方式及位数。

    输出模块电路如图4(A)、(B)、(C)所示，共有四种输出模式，分别是点亮发光二极管、喇叭发声、继电器驱动、共阳极四位七段数码显示电路，在实验时可选择其中的一种或多种方式输出。

3 烧录软件ISP-Flash Programmer简介
    用打印线将本系统与电脑的打印机接口相连接后，运行从Atmel公司官方网站下载的烧录软件ISP-Flash Programmer，即打开了ISP-Flash Programmer烧录界面，如图5所示。系统可烧录十多种不同的芯片，在此选择AT89S51，系统具有读取、烧录、校验、加密芯片等功能，提供的主要功能按钮有：Read、Verify、Write、Write LBs、Open File、Signature、Save file、Reload File、图4(C)共阳四位七段数码显示电路Disp Buffer等，这些功能基本能满足教学实验及一般应用开发需要。

4 实验平台在实验教学中的应用
    实验教学的主要目的是使学生运用已有知识通过实验的方法研究问题及解决问题，培养学生的动手操作能力及综合能力。学生通过动手实验获得感性认识，培养学生对学科的兴趣，激发学生自主学习的动机，充分发挥学生的主观能动性。在实验教学中，为了取得较好的教学效果，一般将课程所需掌握的内容隐含在多个实验项目中，学生在教师的帮助、指导下，对各个实验项目进行自主学习、自主探究，深入理解每个实验项目所涉及的知识，逐步掌握所学学科的知识点及技能点。
4．1 利用实验平台进行实验教学的流程
    学生利用实验平台进行实验的流程如图6所示。首先，根据实验项目的目的、要求，选择相应的输入、输出模块，搭建线路；其次，使用Keil C51uVision3 IDE或8051 IDE等编程平台，用汇编语言或C语言编写系统应用程序，检查无误后编译成机器码(Intel Hex格式)，运行ISP-Flash Programmer，将编译所得机器码烧录到89S51芯片中；最后，运行程序，观察、记录运行现象及有关数据，判断检测系统运行结果是否符合要求，若不符合要求，判断是编程问题还是硬件线路问题，若是线路问题检查并修改线路，若是编程问题则修改并完善程序，直到运行结果符合实验项目的要求。

4．2 利用实验平台进行实验教学的意义
    (1)有利于学生较全面掌握本专业的知识。单片机课程内容与电子技术、计算机硬件及软件等课程内容密切相关，在教学过程中，要求学生独立完成从用Protel软件完成原理图及PCB图的设计，然后制作PCB板，再将全部元件焊接到PCB电路板上，最后用此电路板进行单片机内容的实验，学生通过全过程参与，对熟悉系统结构及特点、提高动手操作能力及全面掌握本专业的知识起促进作用。
    (2)有利于弥补学校实验条件的不足。因学校扩招使在校生人数增多，造成实验室场地、仪器设备不足，从而影响实验教学的正常进行，教学质量也难以保证。通过自制适合本专业及本课程使用的实验器械，一方面可保证教学的正常进行，另一方面可弥补学校实验条件的不足，节约了实验经费。
    (3)有利于激发学生学习的主动性、积极性，提高综合分析能力。单片机课程是以实验为基础的学科，亲身经历和体验是学生获得知识的重要途径，此实验平台具有独特的实用性、趣味性及探究性，有利于激发学生学习的主动性、积极性，提高实践能力和综合分析能力。可使学生在实验中领悟科学过程、体会科学方法、树立科学价值观、更加热爱科学。
    实践证明，通过本实验平台的引导，大部分学生能在较短的时间内，基本掌握课程的基本知识，有部分学生能设计出有实用价值的应用电路，掌握一技之长，毕业后走上了单片机开发应用的工作岗位。