自制STC单片机下载电路，不用人工干预

TsinghuaJoking 电子工程专辑 昨天

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STC单片机的程序下载使用ISP模式，下载程序通过微机上串口，或者USB转串口，与单片机上特定的下载端口相连进行下载。不需要任何第三方的下载器，调试器便可以完成单片机的开发，使用起来非常方便，但缺点是每次下载都需要人工复位才行。
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本文介绍一种全自动STC下载电路，使得整个下载过程不需要人工干预，这就大大提高的程序的开发效率，使得通过下载-运行-测试 模式完成程序的开发。

STC下载模式介绍

STC单片机ISP下载程序过程具有非常确定的流程，通过以下三个步骤。
  1. PC在TXD每隔10ms发送两个相连的0xff字节；
  2. 单片机上电，并发送给相关的信息；
  3. PC重新握手后继续完成芯片的擦写和下载程序。
其中单片机上电，进行冷启动是一个必要的环节。往往在单片机设计的时候。这部分通过手动的机械开关来给单片机上电。设计的全自动下载电路就是来替代手动上电的环节。
为了避免单片机从下载串口管脚获取电能，则需要通过电阻和二极管来进行有效的隔离。
相关的下载实验参见下面的博文：
  1. STC单片机下载实验
STC下载程序界面。其中最低波特率设置为19200， 最高波特率设置为115200下载的成功率比较高。至于其它的设置为何单片机无法下载，还无法进行解释。
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▲ STC-ISP(V6.87C)下载程序界面

全自动下载电路

1. 基本原理

计算机下载程序时，会在串口（或者USB转串口）的TXD管脚上出现低电平脉冲，并且在整个下载程序过程，TXD都会有低电平脉冲。设计的电路板可以通过检测该低脉冲，来产生单片机电源上电控制脉冲，使得单片机断电，然后重新上电。模拟原本手工操作的过程。
单片机供电部分，原本通过一个开关，现在是通过一个受控继电器开关完成掉电和上电过程。

2. 电路的功能描述

根据前面描述的原理，全自动下载电路包括有两部分：
  1. USB转串口电路：这部分是由PL2303（SOP-8）完成；
  2. 电源控制电路：这部分包括有两个单稳态时间定时电路和继电器电路组成；
电路功能框架如下图所示：
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▲ 全自动下载电路框图
关于USB转串口部分可以参见博文“Prolific PL2303SA 调试[2]”中的内容，在这里就省略了。
电源控制电路中，可重复触发单稳态定时器是将微机串口TXD上的脉冲合并成一个大的脉冲。该脉冲再驱动后面的单稳态定时器形成一个电源开关脉冲信号，驱动继电器完成单片机的电源开关。
观察STC的下载程序的波形，可以看到在整个下载过程中，脉冲中的最大时间间隔在0.5~1秒钟，所以设计可重复触发的单稳态定时器的时间常数需要大于一秒钟。
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▲ STC下载程序过程
考虑到单片机掉电过程中，电路中包括有储能电源滤波电容，需要放电，根据手工测试，掉电时间大于1秒钟基本上可以保证单片机电路可靠掉电。所以第二个单稳态定时器的时间设置为1秒钟。
使用继电器来控制单片机的电源，可以适应单片机电路工作不同的电流范围。这比使用半导体开关器件有更加可靠的控制效果。另外，这也可以将调试电路的工作电源与下载板的工作电源有效的隔离。

3. 电路原理图

（1）电路图
全自动程序下载接口板的原理图如下图所示。
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▲ 全自动程序下载接口板
（2） 电路功能描述
定时器使用施密特反相器74HC14来设计。由于HC14中包括有六个相同的反相器，而在实际中只需要三个。所以为了保证工作的可靠和接近理想状态，就将HC14中六个反相器并联成三个反相器。
第一组反相器是对TXD信号进行隔离，并驱动后面的二极管+RC电路。二极管D1, 电阻R11，电容C1,C2组成了可重复触发的单稳态电路，由第二组反相器整形后，驱动后面的单稳态定时器。
第二组定时器是由电容C20，电阻R12以及D3组成，最后经过第三组反相器形成开关脉冲，通过三极管T1驱动继电器RL1完成单片机电源的断开与接入。
PL2303输出的RXD信号也通过继电器RL1另外一组开关与单片机相连，这样也可以确保在单片机断电的时候，RXD不会给单片机供电。PL2303的TXD还是通过二极管D2与单片机相连，可以在单片机掉电时不向单片机供电。
（3）辅助电路功能
除了上面主要电路功能之外，按钮BTN1可以实现手动控制继电器的开关，在必要的时候手动控制下载过程。
发光二极管LED显示可重复触发单稳态电路的状态。当它灭的时候，才能够进行下一次程序下载；当LED亮的时候，说明上一次下载过程还没有完成，此时不能够进行下载程序。

4. PCB板

绘制实验电路，其中为了适合快速单面制版，对电路元器件的布局和布线做了考虑。如果使用商业制版，可以考虑双面排布元器件，以便进一步缩小电路的面积。
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▲ 全自动程序下载接口PCB板
经过快速制版和焊接，形成全自动下载电路的测试版。如下图所示：
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▲ 快速制版后的测试电路板
根据原理图设计，下载板的五个引线的功能定义如下表所示：
序号
功能
符号



1
工作电源
+5V
2
单片机电源
+5VC
3
底线
GND
4
串口输入
RXD
5
串口输出
TXD

功能测试

1. 测试单片机系统

使用STM15W415AS单片机的实验板作为测试，利用面包板固定测试单片机电路板。将下载板的接口通过面包板与测试单片机板的电源、下载串口线相连。
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▲ 全自动下载板与测试电路

2. 测试过程

设置STC的ISP程序，选择MCU型号，调入测试程序。设置最低波特率为19200， 最高波特率115200。
（1）测试下载程序
按动下载/编程按钮，便可以开始下载程序。此时下载板上的继电器会自动断开一秒钟，然后重新上电。ISP程序完成握手信号之后，对单片机进行擦除、编程等过程。当操作成功之后，经过大约2秒钟，下载板上的LED熄灭。之后便可以进行下一次的程序下载了。
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▲ 自动下载程序
（2）测试“检测MCU选项”
按动“检测MCU选项”，可以自动完成单片机的选项测试。

小结

在单片机开发中，为了简化调试过程，可以通过迭代“下载-运行”过程完成程序的开发验证过程。使用全自动下载电路板，则可以避免在程序下载过程中的手动开关，提高程序开发的效率。
在STC-ISP程序中，包括有“当目标文件变化时自动装载并发送下载命令” 选项，利用该选项，可以在程序开发IDE完成对工程文件编译之后，自动触发ISP程序下载。此时，全自动下载板将原来手工对电源控制的过程省略，实现了程序的修改-编译-下载-观察的自动过程，提高了程序开发的效率。
下面使用touch命令来模拟修改HEX文件，可以看到可以直接触发ISP程序完成自动单片机程序下载。
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▲ 使用touch命令来修改HEX文件，触发自动下载过程
本文所涉及到的电路板的AltiumDesign工程文件可以CSDN中下载。

参考资料

[1]

STC单片机下载实验: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105448141

[2]

Prolific PL2303SA 调试: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105442910



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