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,在它上面集成了除单片机之外,还得包括,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,我们不单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是否足够多。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(星云派),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(星云派)外设进行概括讲解,希望大家对总体性有一定的了解,具体技术细节不必深究。
Nebula-Pi 开发板平台
图1.1 Nebula-Pi 单片机开发平台
从图1.1可以看出, Nebula-Pi 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,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①到⑳,分别介绍主要模块的功能。
序号 | 元器件 | 功能介绍 |
---|---|---|
1 | 迷你 USB 接口 | 给开发板供电,以及计算机与开发板通信 |
2 | 单片机跳线帽 | 开发板上有两块独立的 51 单片机,可以通过这个跳线进行切换,选择你需要使用的单片机。 |
3 | 电源开关 | 开发板电源开关 |
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 |
5 | 液晶显示器跳线帽 | 液晶显示器的跳线,可以选择 OLED 或者 LCD |
6 | 主板复位按钮 | 复位按钮,相当于电脑的重启按键 |
7 | 数字温度传感器 | 温度传感器,可以测量环境温度 |
8 | 红外接收头 | 接收红外遥控信号专用 |
9 | 液晶显示器接口 | 预留的液晶显示器 1602/12864 等的接口 |
10 | 数码管 | 4 位数码管,可以同时显示 4 个数字等 |
11 | 蜂鸣器 | 相当于开发板的小喇叭,可以发出"滴滴"等声音 |
12 | 光敏&热敏电阻 | 两种类型的电阻,分别可以用来测量光强度和温度 |
13 | 步进电机接口 | 预留给电机的接口 |
14 | 8 个 LED 灯 | 8 个 LED 小灯,可实现指示灯,流水灯等效果 |
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 |
16 | 2.4G 无线模块接口 | 为 2.4G 无线通信模块预留的接口,无线通信距离可以达到 1-2Km,大大扩展了开发板的功能 |
17 | 3 个独立按键 | 3 个按键,可以当做开发板的输入设备,相当于迷你版键盘 |
18 | 继电器接口 | 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 设备的开关。因此,可以通过开发板來控制各种类型的家用电器 |
19 | 电源端子 | 预留了 5V 和 3.3V 的电源端子,可以用来给其他设备供电 |
20 | WiFi 模块接口 | WiFi 模块接口,接上 WiFi 模块,开发板可以轻松上网冲浪 |
表 1-1 主板元器件说明
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。怎样的供电方式是我们最容易获得又最简单?第一个想到的应该是 USB 供电,平常使用的手机、ipad、小型的电子设备,几乎都有 USB 接口用来充电,所以我们也不例外,开发板上设计了一个 USB 接口。
根据不同的应用场合, USB 接口又分为好多种类型,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,华为手机的是一种,而苹果手机又是一种,给手机充个电还需匹配充电线,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。
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,安装应用和电脑通信的功能等。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,给开发板供电、与电脑通信。
单片机跳线帽是用来手动切换单片机的。因为我们的开发板上有两块单片机,而 USB 接口只有一个,所以设置了这个跳线帽,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。
这个无需过多介绍,我们连好 USB 线之后,并不是直接给整个开发板都供上电,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。
本教程的主角, 51 单片机,选用 STC 公司的 STC 89 C52 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,掌握乃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 80 51 的微型处理器,并将 80 51 的核心技术授权给了很多其它公司。因此,但凡是以 80 51 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。
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 80 51 。时间在滚滚流逝, 80 51 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并融会贯通。
我们选择深圳宏晶科技(STC)的 STC89C52 作为我们的教学平台,是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,就是如图④所示一个黑不溜秋的小芯片,尺寸为 10mm x 10mm 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。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 的数据存储器 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。
由于我们开发板空间和资源有限,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显示器。开发板支持的显示器包括以下三种:
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。
开发板上配置了一个温度传感器,型号为 DS18B20,单片机可以通过他轻松的获取环境温度。
大家是否有想过,家里的电视,空调的遥控器怎么实现的?没错,大部分使用的都是红外接收、发射技术,遥控器就是一个红外发送装置,如下图所示。电视机和空调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。
一款优秀的开发板,怎么能少了液晶显示器的接口?就好比智能手机不能连网一样,岂不是很痛苦。为了满足⑤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。
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。
虽然,在不同的应用场景下,数码管的大小、样式、形态各异,但万不离其宗,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。
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。
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阻值的大小,便可以折算出外界光照强度。
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,楼梯口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,具有广阔的市场空间,外形如下图所示。
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。
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,可以尽情挥洒你的聪明才智,创造 LED 灯的精彩新视界。
开发板上另外一块 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,并不是实际项目的最佳选择。真正做项目时,往往需要单片机具有更加丰富的资源。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 ? STC12 单片机内部集成资源比第一块 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。
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,在一块开发板上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。
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。
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,可以用来控制 220V 设备的开关。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,在没有掌握相关知识和技能前,千万别试图去使用它,安全第一!
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。
WiFi 想必大家已非常熟悉,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。
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。
本章详细介绍了 51 单片机开发板 Nebula-Pi(星云派)资源,后续章节将会对资源的组合及使用进行详细的介绍。
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