基于IAP15W系列单片机的教学实验平台设计

叶成彬，郭志雄，孔令棚

（华南理工大学广州学院 电气工程学院，广东 广州 510800）

基于IAP15W系列单片机的教学实验平台设计

叶成彬，郭志雄，孔令棚

（华南理工大学广州学院 电气工程学院，广东 广州 510800）

基于我校电气工程学院选用最新主流的IAP15W4K58S4单片机作为单片机课程讲授对象，目前市面上暂时没有相应的单片机教学实验平台，经过收集学生对该实验平台各类建议、参考其它单片机实验平台及多次实验验证，通过自行设计一款多功能IAP15W系列单片机教学实验平台，其各个功能模块相互独立，所有I/O口均采用排针引出，用户采用杜邦线连接方式可以灵活使用该实验平台各个功能模块，目前该平台用于电子设计大赛单片机培训课程，正逐步推广到单片机日常实验教学课程。

IAP15W4K58S4；功能模块；Keil μVision3；在线仿真；教学实验平台

IAP15W4K58S4单片机是STC公司生产的单时钟/机器周期（1T）的、宽电压、高速、超强抗干扰的新一代8051单片机，其指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍，内部集成高精度R/C时钟和可靠复位电路。其内置资源包括：58K字节片内Flash程序存储器、4K字节片内数据SRAM存储器、8通道10位高速ADC、8通道PWM、四组完全独立的高速异步串行通信端口、一组高速同步串行通信端口SPI、5个16位可重装定时器/计数器及硬件看门口等[1]。与传统8051单片机相比，其运行速度、内置资源及抗干扰性更胜一筹。目前市场上的单片机实验平台都是以十多年前生产的8051内核单片机作为开发对象，新型单片机实验平台少之又少。然而目前高校学生也迫切需要学习最新的单机开发，没有相应的平台给学生进行实验验证及技术，不仅磨灭了学生的学习兴趣，还遏制了学生的创新思维及实践能力的提高。

为了满足课程教学的需要，设计并制作出一款集仿真、下载、硬件功能模块化、自主连线及编程灵活性等功能的基于IAP15W4K58S4单片机教学实验平台，其单片机各功能程序源代码及硬件原理图均完全公开，有利于学生深入学习及开发该单片机各项内置资源[2-4]。

1 教学实验平台功能框图

A区：单片机最小系统&交通灯模块；B区：单片机I/O排针端口；C区：DS18B20温度传感器&蜂鸣器模块；D区：CH340G程序烧写模块；E区：单片机与蓝牙模块接口；F区：RGB全彩LED灯模块；G区：DS1302时钟模块；H区：ADC模块接口&独立按键接口&红外模块；I区：ADC模块；J区：+5 V电源接口；K区：独立按键模块；L区：+3.3 V电源模块；M区：兼容12864、TFT及LCD1602液晶屏接口；N区：两路光敏电阻比较器模块；O区：D/A数模转换模块；P区 （背面）：PCF8563时钟模块；Q区 （背面）：3W大功率RGB全彩LED灯模块；U区：预留端口模块。IAP15W4K58S4单片机的教学实验平台功能框图如图1所示，IAP15W4K58S4S单片机的教学实验平台实物正面图如图2所示[5-8]。

图1 教学实验平台功能框图

2 硬件系统设计

2.1 单片机最小系统&交通灯模块

IAP15W4K58S4单片机最小系统&交通灯模块原理图如图3所示，单片机P1.0、P3.0、P7.3、P7.6端口均接一个1 kΩ上拉电阻和发黄色光LED灯，单片机 P6.3、P6.7、P4.1、P7.7端口均接一个 1 kΩ上拉电阻和发红色光LED灯，其余端口均接一个4.7 kΩ上拉电阻和发绿色光LED灯。单片机所有I/O端口均与双排排针一一对应连接，且放置在电路板边沿。无极性电容C1、有极性胆电容C2在单片机电源端起了储能和滤波作用，为单片机提供电压平稳的电源，确保单片机稳定运行。单片机P2端口与对应的双排排针之间连接300 Ω电阻进行限流，外置4*4矩阵键盘或者4*4薄膜键盘指定与P2端口连接。双排排针为+5 V电源接口，其电源来源于USB供电。

图2 教学实验平台实物正面图

2.2 CH340G程序烧写模块

CH340G程序烧写模块原理图如图 4所示，CH340G为专门的程序烧写芯片，U3为USB_A母座其 VCC端口连接胆电容C30进行储能及滤波，PPTC为2A可恢复保险丝，R63、R64为限流电阻，电阻R66、二极管D66防止USB器件给目标芯片供电，Switch为单片机实验板电源开关，D65为电源工作指示灯。S1为4引脚双排排针，一端连接到CH340G程序烧写芯片TXD、RXD端，另一端连接至单片机RXD、TXD端，如需给单片机烧写程序则需要用跳帽把排针相应连接即可。U4为4引脚单排排针，其为蓝牙模块与单片机串口连接接口。

2.3 ADC模块&独立按键&红外模块电路

ADC模块&独立按键&红外模块电路原理图如图5所示，P10为12引脚双排排针，电阻R93在独立按键与单片机端口连接时被按下过程中起了限流作用，旋动电位器R94、R9实现电压值（0～5 V）连续变化，用于单片机ADC模数转换。U9为TL1838红外接收头，其输出信号与P15双引脚排针连接，若需要把该信号传送给单片机则需要用杜邦线把该排针与单片机相应引脚连接即可。

2.4 PCF8563时钟模块

PCF8563时钟模块原理图如图6所示，PCF8563为专门的时钟芯片，BT1为纽扣电池CR1220正极，二极管D84阻止USB电源给纽扣电池充电，电容C29为有极性胆电容，起到储能和滤波作用。S10为2位贴片拨码开关，其中一端与PCF8563时钟芯片SCL、SDA端口连接，另一端与单片机第9、10引脚连接，若需要实用PCF8563时钟模块则需要把2位拨码开关打至ON端即可。

图3 单片机最小系统&交通灯模块

图4 CH340G程序烧写模块原理图

2.5 D/A数模转换模块

D/A数模转换模块原理图如图7所示，利用单片机内部CPP/PCA模块产生高速脉冲PWM接入到电阻R104一端，D/A端口为实际产生的模拟电压值，A/D端口接到单片机AD模数转换端口，根据A/D检测的电压值来逐步调整所需电压D/A值。

图5 ADC模块&独立按键&红外模块电路原理图

图6 PCF8563时钟模块原理图

图7 D/A数模转换模块原理图

3 软件系统设计

单片机程序开发者需要在Keil μVision3编程软件，编写源代码并经过编译、调试直至没有任何语法和逻辑性错误之后，将其编译生成后缀名为HEX目标文件（机器码），再将其通过STC-ISP（V6.85）程序烧写软件烧写至目标单片机。

3.1 程序设计方法

单片机的程序设计有汇编语言编程及C51语言编程，目前大部分开发者都是使用C51语言编写单片机程序。虽然汇编语言具有代码紧凑、执行时间短、控制及时，但是编程复杂、程序移植性不高、不容易记忆，大部分学生很难在短时间内掌握。相反使用C51语言编写的程序可读性、可维护性以及结构性强，开发者不需要了解太多单片机内部结构，即可进行单片机系统开发，C51语言对寄存器的分配与寻址方式均由编译系统自动完成[7-9]。

3.2 编程软件Keil μVision3添加STC单片机型号

由于STC系列单片机是最新发展的芯片，一般情况下在Keil μVision3设备库中没有STC系列单片机，则需要用户自行在Keil μVision3的设备库中增加STC型号MCU，设置步骤如下所示：

1）打开 STC-ISP（V6.85）程序烧写软件，点击“Keil

仿真设置”页面，点击该页面中的“添加型号和头文件到Keil中、添加STC仿真器驱动到Keil中”按钮。Keil仿真设置页面如图8所示。

图8 Keil仿真设置页面

2）在弹出的“浏览文件夹”对话框中选择

Keil安装目录（一般可能为“C:keil”），然后单击【确定】，这样就将STC型号的MCU成功添加到Keil μVision3。

3.3 在线仿真、编程的IAP15W4K58S4单片机

IAP15W4K58S4单片机是STC公司近期推出市场最新型号芯片，其具备的在线仿真、编程技术是该公司最新技术，

利用IAP（在线应用编程）“软”核技术实现硬件仿真器的功能。IAP15W4K58S4单片机既可以作为目标芯片，也可用作仿真芯片。其在线可编程及仿真电路是一致的，不需要增加任何编程仿真器件，如图9所示。

图9 在线可编程及仿真电路

3.4 IAP15W4K58S4单片机仿真芯片设置

将IAP15W4K58S4单片机设置为仿真芯片，开发者只需打开STC-ISP（V6.85）程序烧写软件，点击“Keil仿真设置”页面，此时参考在线编程及仿真电路，并通过USB数据线把电脑与单片机开发板连接起来，再点击 “将IAP15W4K58S4设置为仿真芯片（宽电压系统，支持USB下载）”按钮，然后给单片机开发板重新上电，即可将IAP15W4K58S4单片机设置为仿真芯片。

当IAP15W4K58S4单片机设置为仿真芯片之后，用户不可以访问仿真系统区的0DC00H-0F3FFH区域的6 K代码空间，不能修改0400H-06FFH区的768字节的XDATA，不能向P3.0和P3.1端口写数据，不能使用与P3.0和P3.1端口相关的中断和功能，若仿真源代码为汇编程序，则第一条语句必须是长跳转语句，不能实用JMP、SJMP、AJMP或其它语句[10-13]。

4 结束语

IAP15W系列单片机教学实验平台已经在单片机实验课程及培训课程中逐步投入使用，另外培训课程要求学生亲自动手焊接实验平台上所有元器件，进一步锻炼了学生动手焊接及元器件识别等能力。通过该实验平台的使用，学生进一步学习单片机最新设计技术，也锻炼学生实践能力，激发学生创新思维。根据目前单片机教学内容，自行设计实验平台，有利于理论知识与实践相结合，也体现出教师的教学理念、工程经验及教学的独特性，做到合理地使用实验经费并得到最适合自己学生使用的实验平台[14-16]。

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[2]邹家柱，段琼瑾.单片机实验开发板的设计与实验[J].装备制造技术，2011（7）:75-77.

[3]朱向庆，胡均万，陈宏华，等.多功能单片机实验系统的研制[J].实验室研究与探索，2012，31（4）:41-44.

[4]周冠玲，冯占英，李战.“单片机原理及应用”课程教学改革的探讨[J].中国电化教育，2012，33（6）: 105-107.

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[6]安晓莉.AT89S51单片机开发板的设计[J].电子设计工程，2009，17（9）:121-123.

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Design of teaching experiment platform based on IAP15W single chip microcomputer

YE Cheng-bin，GUO Zhi-xiong，KONG Ling-peng
（School of Electrical Engineering，Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou 510800，China）

Based on the electrical engineering college with latest mainstream IAP15W4K58S4 singlechip microcomputer as MCU course teaching object，currently on the market temporarily does not have a corresponding single chip computer teaching experiment platform，after collecting the students of the experimental platform for all kinds of Suggestions， reference other single-chip microcomputer experimental platform and experimental verification for many times，design a multi-function teaching experiment platform of the IAP15W MCU by oneslef，its various functional modules independent of each other，all I/O port pin leads are used，the user DuPont wire connection can be used flexibly in the experimentalplatformofeachmodule，theplatformiscurrentlyusedinelectronicdesigncontestmicrocontroller training courses being phased in to the microcontroller routine experimental teaching course.

IAP15W4K58S4；functional module；Keil μVision3；online simulation；teaching experiment platform

TN492

：B

：1674－6236（2017）03-0162-05

2016-01-28稿件编号：201601265

叶成彬（1990—），男，广东茂名人，助理实验师。研究方向：单片机技术及其应用。