近年來， 單片機 結合專用集成電路和精簡指令集計算機技術，發展成嵌入式處理器，適用于數據、數值分析、信號處理、智能機器人以及圖像處理等高技術領域。單片機應用系統通常需要顯示運行狀態和運行結果，并且對處理的結果常轉換為模擬信號，以驅動相應的執行機構。在許多情況下，還需要進行數字量、開關量的直接控制。這些構成單片機系統的輸出通道。現在市面上最具代表性的典型機種有Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的MCS-6805系列及其派生的各種產品，51系列中P89C51RA2BN單片機內部有8 kB的程序存儲器，引腳與普通51單片機完全兼容，容易操作使用。

1 單片機 最小系統的集約設計

采用P89C51RA2BN 單片機 設計的最小系統電路如圖1所示。

由圖1中可知， 單片機 和外部的復位電路、振蕩電路構成單片機工作的最小電路系統。在P0口加上拉電阻排，可以既用P0口作數據口也可以用作普通I／O口。跳線J6作為ISP下載時讓單片機系統進入到ISP狀態的硬件電路，發光二極管做為實驗板的電源指示。P89C51RA2BN單片機通過P3.0和P3.1口(也就是串行口)下載程序到片內FLASH ROM，可以實現一個電路既用于下載程序也可以用來作串行口通信，非常適合嵌入式系統應用。



2 開關信號輸出模塊的集約設計

2.1 二極管組成的流水燈典型電路

鑒于51 單片機 的高電平輸出驅動能力不強，不可以驅動一個發光二極管發光，而低電平輸出驅動能力卻比較大，各個發光二極管都是共陽接法。流水燈控制是單片機實驗板開關信號輸出控制的一個經典電路，可以通過燈的亮滅來觀察單片機I／O口的狀態。

2.2 開關信號輸出控制蜂鳴器電路設計

蜂鳴器作為一個發聲器件，由于其控制電壓低，控制簡單等原因，常用于各種電子儀器的報警信號，比如計算機主板上就有蜂鳴器提示計算機的工作狀態。本實驗板上的蜂鳴器采用5 V的直流蜂鳴器，可以發出響亮的鳴叫聲。

2.3 開關信號輸出控制繼電器電路的設計

本設計的開關信號輸出是用 單片機 控制一個繼電器的動作，因為開關信號輸出一個最普遍的應用就是繼電器的控制。繼電器選用一個通用的單刀雙擲開關5 V繼電器。其第1，2腳為輸入線圈，第3，4腳為常開開關端，第4，5腳為常閉開關端。因為繼電器的吸合電流比較大，不適合直接用單片機的I／O口驅動，所以設計中采用一個三極管9012來驅動。采用三極管的基極限流電阻，可以防止電流過大。加上一個續流二極管，可以吸收繼電器線圈釋放時的反向電動勢。因為當繼電器吸合時電流從VCC經過三極管、繼電器線圈到地。繼電器從吸合的狀態釋放時，線圈會產生一個反向的電動勢，此時三極管是截止的，線圈構成回路釋放能量。如果沒有二極管，反向的電動勢有可能會使三極管擊穿損壞。另外使用一個發光二極管，用來指示繼電器的狀態。當繼電器吸倉的時候電流從VCC經過三極管到GND，發光二極管發光。

3 顯示輸出的集約型改進

顯示輸出根據顯示的種類分有液晶顯示(LCD)、LED數碼管顯示、LED點陣顯示。LED數碼管顯示器有顯示亮度高，操作簡單的特點，液晶顯示器有顯示內容豐富、功率低的特點。LED點陣顯示則兼容2種顯示器的顯示亮度高和顯示內容豐富的優點。

3.1 液晶顯示(LCD)電路的設計

液晶顯示模塊與 單片機 的連接方式有2種：一種是直接訪問(總線方式)，另一種是間接控制方式。直接訪問方式就是將液晶顯示模塊的接口或I／O設備直接掛在單片機總線上，單片機以訪問I／O設備的方式控制液晶顯示模塊的工作。間接控制方式就是單片機通過自身的或系統的并行接口與液晶顯示模塊連接，單片機通過對這些接口的操作，實現對液晶顯示模塊的控制。間接控制方式的特點是電路簡單，可以省略單片機外圍的數字邏輯電路，控制時序由軟件產生。為LCD的程序流程如圖2所示。

液晶顯示電路采用1602字符點陣液晶顯示和12864圖形點陣液晶顯示器。該電路采用總線接法，這樣做的好處是可以把液晶顯示器當作一個外部的存儲單元來操作。RW為讀寫控制線，高電平是讀低電平是寫，RS為命令和數據控制線，高電平是命令，低電平是數據，E使能信號端，當E有一個高電平時液晶模塊使能。這樣要對液晶模塊訪問時，只要把RW，RS設置好再把數據或命令送到外部RAM的任一個地址即可，或把外部RAM的任何地址的數讀進。因為產生一次讀或者寫外部RAM都會使 單片機 RD，WR兩個引腳的其中之一產生一個低電平，經過與非門74LS00后產生一個高電平使液晶顯示器使能，如圖3所示：



12864圖形點陣液晶顯示器有20個引腳，而且引腳跟1602字符液晶顯示器兼容，所以驅動電路可以采用與1602的驅動電路共用的方法。因為兩個液晶顯示器不同時使用，這樣可以節省元件，減少布線的難度，又可以分別使用兩種液晶顯示器。

3.2 數碼管顯示電路的設計

基于集約設計的考慮，本設計采用2個3位的LED數碼管接成1個6位的LED數碼管顯示電路。這樣設計的思想是這個實驗板既可以做一般的顯示電路實驗，也可以做數字鐘的實驗(可以顯示時分秒)。由于 單片機 的I／O口輸出驅動能力比較弱，所以每一位數字都采用1個三極管9013驅動。而且在接到P0口的那些LED數據口要在P0口加一個小阻值的電阻排，才可以讓P0口輸出的段碼驅動數碼管。

3.3 LED點陣電路的改進設計

比較大多數系統板，行驅動器選擇74LS164移位方式的話，在送出顯示數據后再送行選擇碼時會讓相鄰行的LED也會點亮，出現顯示模糊的情況。此處選擇2個74LS138接成一個4線譯16線的譯碼器來選擇行。LED點陣驅動電路的設計采用單個16×16的LED點陣，因為LED點陣達到16×16的話就可以在點陣里面顯示分辯比較高的漢字的，這樣可以豐富LED的顯示效果。列驅動仍采用2個8位的移位寄存器74LS164接成1個16位的移位寄存器，第一個74LS164的Q7輸出接到了第二個的數據輸入口，這樣經過16個串行時鐘周期就可以將一個16位的顯示碼送到了列驅動器。采用串行的目的就是一可以增大每個線的驅動能力，還有就是節省I／O口。經過這樣的設計之后就可以只用2個I／O口就把顯示碼送到了列驅動器端。一個10 kΩ的電阻接到三極管9012的基極。三極管在此作為一個開關的驅動作用，當16線譯碼器輸出低電平時，對應的三極管會導通將電源接到點陣的輸入端，若對應的列驅動器輸出列是低電平時就會讓行和列交叉的那個發光二極管點亮。

經過上述集約和改進，本設計綜合2種主流顯示的特點，將3種顯示器都集成到系統板上。

4 模擬信號輸出模塊的改進設計

D／A轉換器可以將 單片機 處理過的數字信號轉換為模擬信號輸出，利用這個模擬信號就可以對一些外部設備進行控制。為了簡化電路設計和節省I／O口，采用串行D／A轉換芯片TLC5615。它有標準的SPI接口，一個數據線DATA、一個時鐘線SCLK和一個片選信號引腳CS。正是通過這個接口使該器件和單片機接口通信，所以采用串行的D／A芯片可以大減少單片機I／O口的使用。TLC5615的REFIN引腳是D／A轉換參考電壓輸入端，通過電阻R1和R2的分壓提供參考電壓。OUT引腳是D／A轉換后的模擬電壓輸出端口，可以把被控制的器件接到此端口上實現均勻控制，如圖4所示：



5 結  語

在上述設計過程中，元器件的選擇和電路的改進，都是以串行取代并行為原則，大多數的芯片采用串行接口。在整個輸出通道中，對液晶顯示、LED數碼管顯示、LED點陣顯示進行了集約和改進設計，對開關量輸出、模擬量輸出進行了改進設計。通過簡單廉價的電子元器件，就可以方便地做出集約型系統板。經過改進后集約設計的系統板，實際使用效果良好。系統的各項功能符合設計要求，與市面上同類系統板相比、性價比高、且操作簡單、方便易用。該系統板為單電源供電，成本低，非常適用于 單片機 的嵌入式系統應用.