由于单片机具有体积小、功能强、功耗低、易于扩展等特点，被广泛应用于生产生活的各个领域。 单片机技术发展迅速，许多电子信息专业的院校普遍开设有单片机相关课程。 单片机是一门实践性很强的课程。 只有了解了单片机的硬件结构，才能真正理解其工作原理，并编写相应的程序，使单片机活跃起来。 学生在老师的指导下，自行设计制作单片机实验板。 通过画图、制板、元件选型、焊接、编程、调试、写芯片等，可以充分了解单片机的开发流程，进而掌握单片机技术。 经过几年的教学实践，证明“学做结合”是学习单片机的有效途径。
1 实验系统总体设计
虽然微控制器的类型有很多种，但 MCS-51 微控制器通常是学习微控制器技术的起点。 考虑到学生的经济承受能力，所设计的单片机实验系统应满足价格低廉、元件易购、易学易用、选配灵活、ISP具有在系统编程功能等要求，因此选用AT89S52实验板选用ATMEL公司作为MCU。 利用单片机的在系统可编程（ISP）功能，在软件仿真正确的前提下，可以直接在系统中对目标单片机进行编程。 首先，可以节省编程器和仿真器，降低实验成本； 其次，可以避免单片机芯片频繁插拔造成的损坏； 第三，还可以将程序下载到目标板芯片并实时运行，立即观察，提高实验效率。 操作效果直观、快速、高效。 所设计的实验系统首先能够满足基础单片机实验的要求，如：流水灯实验、数码管实验、液晶显示实验、中断实验、蜂鸣器音乐、串口通信实验等。同时，还为今后在该实验平台上进一步开展新的综合实验项目提供技术支撑。 因此，设计的实验系统应具有良好的可扩展性和兼容性。 应采用模块化设计，将不同功能的电路组合到一个模块中。 使用时可根据需要灵活搭配，组成不同的实验系统，完成相关实验项目。
1.1 实验系统功能模块
单片机实验系统由电源模块（含5V电源和USB接口供电）、单片机最小系统模块、8位LED灯模块、8位数码管显示模块、ISP下载模块（含ISP下载线接口）组成及USB-ISP下载）、I/O口扩展模块、LCD液晶显示模块、键盘模块（含矩阵键盘和独立按键）、RS232串口通讯模块、继电器模块、蜂鸣器模块、步进电机模块、红外接收模块、 A/D转换模块、D/A转换模块、DS18B20温度传感器模块、DS1302时钟模块和I2C模块。 实验系统功能框图如图1所示，具体生产时可根据实际需要灵活增减。
1.2 实验系统功能特点
（1）5V电源除了直接从USB接口取电外，还额外增加了一个电源接口，可以由其他外部电源供电，使用方便，满足功能模块扩展后的供电需求。
(2)ISP下载电路设计了USB-ISP下载电路和ISP下载线接口。 可以直接使用板载USB-ISP下载，也可以使用其他自制的ISP下载线下载。
(3)单片机芯片安装在DIP-40锁紧座上，插拔方便。 该实验系统可作为编程器为其他单片机芯片提供程序下载服务。
(4) 用扩展槽引出单片机的所有引脚。 除了扩展I/O口外，还可以方便连接其他实验模块进行相关实验，增强了实验系统的功能。 将单片机芯片更换为SST89E564RD后，借助PC上的Keil C51μVision3集成开发环境，实验系统可以作为仿真器来模拟其他目标板。
(5)实验系统上的RS-232串行通信接口可以实现单片机之间或单片机与PC机之间的通信。
（6）实验系统配备1602和12864两个液晶接口，可用于字符和汉字显示实验，并且可以方便地拆卸在其他地方使用。
2 实验系统硬件设计
首先，根据实验系统的功能框图，使用Altium Designer软件绘制整个实验系统的电路原理图并绘制PCB板图。 还可以针对不同的实验模块分别绘制电路原理图和PCB板图。 这部分工作可以锻炼和提高学生的电路图绘制和接线能力。
2.1 实验系统总体设计原理图
实验系统总体设计原则。
2.2 实验系统主电路模块设计
2.2.1 单片机模块
单片机模块是实验系统的核心部分。 微控制器芯片安装有DIP-40锁定插座，方便插拔。 同时利用扩展槽将40个引脚全部引出进行I/O口扩展，方便外部连接其他功能模块进行二次开发。 。
2.2.2 串行通讯电路
AT89S52单片机具有全双工串行通信口，因此可以方便地在单片机和PC机之间进行串行通信。 但由于两者的电平不同，因此需要电平转换电路。 这里采用MAX232进行电平转换，连接串口采用三线制，即只用其中的三根线连接PC机的9针串口，一个DB9母座用在实验板上。
2.2.3 4×4矩阵键盘电路
矩阵键盘也称为列键盘，利用I/O线构成行列结构，按键设置在行与列的交汇处。 本实验系统采用4×4矩阵键盘形式，其中P2口的P2.0-P2.3为行线，P2.4-P2.7为列线。
2.2.4 基于SPI总线的时钟电路
DS1302使用简单的三线SPI与CPU同步通信，仅需要微控制器的3条I/O线。 本实验系统采用P1.3作为同步串行时钟信号端，P1.6作为数据输入输出端，P1.5作为复位端。 晶振典型值为32.768KHz，无后备电源。
2.2.5 LED灯及数码管显示电路
显示模块有两种：LED灯显示模块和数码管显示模块。 LED灯显示模块由8个发光二极管组成，通过上拉电阻连接到P0口。 数码管是单片机控制系统中最常见的显示器件之一。 一般用于显示处理结果或输入输出信号的状态。 本实验系统采用两只四合一共阳极数码管，采用动态显示方式，由两片74LS373控制。 其中，U2控制段和U3控制位。
2.2.6 ISP下载电路
为了在系统中充分利用AT89S52的ISP可编程功能，本实验系统设计了带有USB接口的ISP下载电路。 使用时只需一根USB数据线和微机上的ISP编程器软件，即可轻松编写所编程的ISP电路。 将程序烧写到单片机芯片中，然后运行观察实际效果，从而避免了芯片频繁插拔带来的不便。 同时电路板上还安装了一个10针的ISP下载器接口JP2，方便学生在制作其他ISP下载器时使用。
2.2.7 A/D转换和D/A转换电路
A/D转换电路采用美国国家半导体公司生产的串行通信8位分辨率、双通道A/D转换芯片ADC0832。 D/A转换电路采用美国德州仪器(TI)生产的串行控制4路8位CMOS电压输出的数模转换芯片TLC5620,以满足实验需要。
2.2.8 I2C模块电路
实验系统的E2PROM存储模块采用ATMEL公司生产的AT24C02。 它是2Kbit串行E2PROM，具有工作电压宽、擦写次数多、写入速度快、数据存储时间长等特点。
2.2.9 其他模块电路
实验系统可直接通过USB接口或其他+5V电源供电。 为了满足需要，实验系统还配备了蜂鸣器、继电器、步进电机、红外接收器、DS18B20温度传感器、1602和12864液晶显示器等电路。 此外，还可以根据需要设计其他实验模块并安装在实验系统上进行相关实验。
3、实验系统的安装与调试
3.1 实验系统组装与焊接
单片机实验系统的硬件设计完成后，老师就可以联系厂家制作PCB板，购买元器件进行安装。 首先安装电源、单片机最小系统和扩展模块，然后根据单片机学习任务和实验项目的需要一一安装其他实验模块。 在实验板的安装过程中，不仅可以巩固和提高学生的焊接技能，还可以加深学生对硬件电路的理解。
3.2 USB-ISP下载线的制作
如今的笔记本电脑已经不再有并口和RS232串口，甚至台式电脑也逐渐放弃了并口和串口。 现在的年轻人喜欢用笔记本电脑来研究单片机，所以设计一根USB-ISP下载线是很有必要的。 根据图8所示的USB-ISP下载电路原理图，安装完设备后，首先要将固件烧录到AVR单片机芯片ATMEGA8L中。 注意烧录固件时不能直接使用单片机实验板上的USB接口。 相反，您必须借用其他并口ISP下载器进行烧录。 固件烧录完成后，即可将芯片安装到实验板上使用。
4。结论
本文设计的单片机实验系统采用模块化设计，体积小，易于扩展。 具有ISP下载、编程器、仿真器、开发板等功能，价格低廉，使用灵活。 不仅可以完成单片机实验教学任务，还可以满足课程设计、毕业设计和项目开发的需要。 实践证明，该单片机实验系统能够满足教学需求，提高教学效果，受到了师生的好评。
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