第1章 开发板实验平台

前言

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

1.1主板结构及布局

图1.1 Nebula-Pi 单片机开发平台

1.2主板元件说明

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

迷你 USB 接口

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

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。

电源开关

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。

51 单片机 STC89C52

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。

液晶显示器跳线帽

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：

主板复位按钮

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。

数字温度传感器

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。

红外接收头

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。

液晶显示器接口

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

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

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。

光敏&热敏电阻

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。

步进电机接口

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。

8个 LED 灯

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。

增强型 51 单片机 STC12

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。

2.4G 无线模块接口

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，相当于迷你版本的键盘。

继电器接口

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！

电源端子

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 模块接口

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。

1.3 本章小结

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。