AI8051U实验箱原理图精解——实验箱硬件入门到精通

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AI8051U实验箱使用LQFP-48封装的AI8051U芯片

其引脚排布如下：

引脚排布（点击展开）

单片机系列  AI8051U 系列
封装类型  LQFP48
1   P5.3/TxD4_2/PWM8_4/QSPIIO3_2
2   P1.5/ADC5/MOSI/SCL_2/PWM3N/PWM7_2/QSPIIO0/I2SSD_2
3   P1.6/ADC6/RxD_3/MISO/PWM4P/QSPIIO1/I2SMCLK_2/I2SMCLK_4
4   P1.7/ADC7/TxD_3/SCLK/PWM4N/PWM8_2/QSPICLK/I2SCK_2
5   P4.7/RST/MCLKO/ADC_ETR/QSPINCS_3
6   P3.0/INT4/RxD/D-
7   P4.3/RxD_4/TxD2_2/SCLK_3/CCP1_2/QSPICLK_2/I2SCK_4
8   P3.1/TxD/D+
9   P3.2/INT0/SCLK_4/SCL_4/PWM_ETI1/PWM_ETI2/I2SCK
10  P3.3/INT1/MISO_4/SDA_4/I2SMCLK
11  P3.4/T0/T1CLKO/MOSI_4/I2SSD
12  P3.5/T1/T0CLKO/SS_4/PWMFLT/I2SWS
13  P3.6/INT2/WR_2/RxD_2
14  P3.7/INT3/RD_2/TxD_2
15  P5.6/XTALO/MCLKO_2
16  P5.7/XTALI
17  ADC_Vref-/ADC_AGnd/Gnd
18  P4.0/SS_3/ADCETR_2/QSPINCS_2/I2SWS_4
19  P2.0/A8/T11/CCP0_3/PWM1P_3/ADCETR_3/I2SWS_3
20  P2.1/A9/T11CLKO/CCP1_3/PWM1N_3/PWM5_3/I2SSD_3
21  P2.2/A10/CCP2_3/PWM2P_3/I2SMCLK_3
22  P2.3/A11/SDA/ECI_3/PWM2N_3/PWM6_3/PWM_ETI1_3/PWM_ETI2_3/I2SCK_3
23  P2.4/A12/SS_2/SCL/PWM3P_3
24  P5.0/RxD3_2/PWM5_4
25  P5.1/TxD3_2/PWM6_4
26  P2.5/A13/MOSI_2/PWM3N_3/PWM7_3/ QSPIIO0_3
27  P2.6/A14/MISO_2/PWM4P_3/QSPIIO1_3
28  P2.7/A15/SCLK_2/PWM4N_3/PWM8_3/QSPICLK_3
29  UCAP
30  P4.5/ALE/CMPO/QSPIIO3_3
31  P4.1/CMPO_2/ECI_2/MOSI_3/PWMETI1_2/PWMETI2_2/QSPIIO0_2/I2SSD_4
32  P4.6/CMP+/QSPIIO2_3
33  P0.7/AD7/T4CLKO/CMP+_2/PWM4N_2/PWM8/PWMFLT_3
34  P0.6/ADC14/AD6/T4/CMP+_3/PWM4P_2/PWMFLT_2
35  P0.5/ADC13/AD5/T3CLKO/CMP-/PWM3N_2/PWM7
36  P0.4/ADC12/AD4/T3/PWM3P_2
37  P0.3/ADC11/AD3/TxD4/PWM2N_2/PWM6
38  P0.2/ADC10/AD2/RxD4/PWM2P_2
39  P0.1/ADC9/AD1/TxD3/PWM1N_2/PWM5
40  P0.0/ADC8/AD0/RxD3/PWM1P_2
41  Vcc/ADC_AVcc/ADC_VRef+
42  P4.2/WR/RxD2_2/MISO_3/CCP0_2/QSPIIO1_2
43  P1.0/ADC0/T2/PWM1P
44  P1.1/ADC1/T2CLKO/CCP2/PWM1N/PWM5_2
45  P1.2/ADC2/RxD2/ECI/PWM2P/PWMETI1_4/PWMETI2_4/QSPIIO3
46  P1.3/ADC3/TxD2/CCP0/PWM2N/PWM6_2/QSPIIO2
47  P1.4/ADC4/SS/SDA_2/CCP1/PWM3P/QSPINCS/I2SWS_2
48  P5.2/RxD4_2/PWM7_4/QSPIIO2_2

实验箱引脚分配表

引脚序号	引脚名称	功能
40	P0.0/ADC8/AD0/RxD3/PWM1P_2	扩展RAM/流水灯/矩阵按键/示波器增益控制
39	P0.1/ADC9/AD1/TxD3/PWM1N_2/PWM5	扩展RAM/流水灯/矩阵按键/示波器增益控制
38	P0.2/ADC10/AD2/RxD4/PWM2P_2	扩展RAM/流水灯/矩阵按键/示波器增益控制
37	P0.3/ADC11/AD3/TxD4/PWM2N_2/PWM6	扩展RAM/流水灯/矩阵按键
36	P0.4/ADC12/AD4/T3/PWM3P_2	扩展RAM/流水灯/TFT彩屏
35	P0.5/ADC13/AD5/T3CLKO/CMP-/PWM3N_2/PWM7	扩展RAM/流水灯/TFT彩屏
34	P0.6/ADC14/AD6/T4/CMP+_3/PWM4P_2/PWMFLT_2	扩展RAM/流水灯/矩阵按键
33	P0.7/AD7/T4CLKO/CMP+_2/PWM4N_2/PWM8/PWMFLT_3	扩展RAM/流水灯/矩阵按键/方波输出
43	P1.0/ADC0/T2/PWM1P	ADC按键
44	P1.1/ADC1/T2CLKO/CCP2/PWM1N/PWM5_2	OLED插座/示波器偏置控制
45	P1.2/ADC2/RxD2/ECI/PWM2P/PWMETI1_4/PWMETI2_4/QSPIIO3	话筒输入
46	P1.3/ADC3/TxD2/CCP0/PWM2N/PWM6_2/QSPIIO2	NTC测温/示波器输入
47	P1.4/ADC4/SS/SDA_2/CCP1/PWM3P/QSPINCS/I2SWS_2	TFT彩屏/I2S音频
2	P1.5/ADC5/MOSI/SCL_2/PWM3N/PWM7_2/QSPIIO0/I2SSD_2	TFT彩屏/I2S音频
3	P1.6/ADC6/RxD_3/MISO/PWM4P/QSPIIO1/I2SMCLK_2/I2SMCLK_4	I2S音频
4	P1.7/ADC7/TxD_3/SCLK/PWM4N/PWM8_2/QSPICLK/I2SCK_2	I2S音频
19	P2.0/A8/T11/CCP0_3/PWM1P_3/ADCETR_3/I2SWS_3	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏
20	P2.1/A9/T11CLKO/CCP1_3/PWM1N_3/PWM5_3/I2SSD_3	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏
21	P2.2/A10/CCP2_3/PWM2P_3/I2SMCLK_3	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏
22	P2.3/A11/SDA/ECI_3/PWM2N_3/PWM6_3/PWM_ETI1_3/PWM_ETI2_3/I2SCK_3	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏/正弦波输出
23	P2.4/A12/SS_2/SCL/PWM3P_3	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏/microSD卡
26	P2.5/A13/MOSI_2/PWM3N_3/PWM7_3/QSPIIO0_3	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏/microSD卡
27	P2.6/A14/MISO_2/PWM4P_3/QSPIIO1_3	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏/microSD卡
28	P2.7/A15/SCLK_2/PWM4N_3/PWM8_3/QSPICLK_3	红外发射/12864显示屏/TFT彩屏/microSD卡
6	P3.0/INT4/RxD/D-	USB通讯口/Link1D调试口/ISP串口
8	P3.1/TxD/D+	USB通讯口/Link1D调试口/ISP串口
9	P3.2/INT0/SCLK_4/SCL_4/PWM_ETI1/PWM_ETI2/I2SCK	独立按键/数码管/EEPROM/TFT彩屏/OLED插座
10	P3.3/INT1/MISO_4/SDA_4/I2SMCLK	独立按键/单线温度传感器/EEPROM/TFT彩屏/OLED插座
11	P3.4/T0/T1CLKO/MOSI_4/I2SSD	独立按键/数码管/TFT彩屏
12	P3.5/T1/T0CLKO/SS_4/PWMFLT/I2SWS	独立按键/数码管/红外接收/OLED插座
13	P3.6/INT2/WR_2/RxD_2	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏/UART串口
14	P3.7/INT3/RD_2/TxD_2	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏/UART串口
18	P4.0/SS_3/ADCETR_2/QSPINCS_2/I2SWS_4	Flash存储器/流水灯
31	P4.1/CMPO_2/ECI_2/MOSI_3/PWMETI1_2/PWMETI2_2/QSPIIO0_2/I2SSD_4	扩展RAM/Flash存储器
42	P4.2/WR/RxD2_2/MISO_3/CCP0_2/QSPIIO1_2	UART串口/RS-485串口/Flash存储器
7	P4.3/RxD_4/TxD2_2/SCLK_3/CCP1_2/QSPICLK_2/I2SCK_4	UART串口/RS-485串口/Flash存储器
30	P4.5/ALE/CMPO/QSPIIO3_3	扩展RAM/12864显示屏/TFT彩屏
32	P4.6/CMP+/QSPIIO2_3	掉电检测比较器
5	P4.7/RST/MCLKO/ADC_ETR/QSPINCS_3	复位按钮/12864显示屏/TFT彩屏/OLED插座
24	P5.0/RxD3_2/PWM5_4	无源蜂鸣器/I2S音频
25	P5.1/TxD3_2/PWM6_4	NTC测温/I2S音频
48	P5.2/RxD4_2/PWM7_4/QSPIIO2_2	Flash存储器
1	P5.3/TxD4_2/PWM8_4/QSPIIO3_2	TFT彩屏/Flash存储器
15	P5.6/XTALO/MCLKO_2	无源晶振
16	P5.7/XTALI	无源晶振
41	Vcc/ADC_AVcc/ADC_VRef+
29	UCAP
17	ADC_Vref-/ADC_AGnd/Gnd

实验箱外观

实验箱各功能模块

系统模块（点击展开详情）

AI8051U-34K64-LQFP48单片机

这款单片机是AI公司最新推出的划时代的8051单片机，具有无数先进的功能。

其具备完整的P0，P1，P2，P3端口，此外还有大部分P4和P5端口（缺P4.4，P5.4，P5.5），共计45个IO端口。其余3个端口分别是VCC,GND，以及供USB模块内部使用的UCAP电容脚

扩展32KB RAM电路P0,P2,P3.6,P3.7,P4.1,P4.5

这是8051单片机的传统扩展RAM电路，SRAM的访问也是通过硬件自动完成的（当然也可以在程序中手动操作这些引脚）

由于AI8051U已经集成了32KB的片内External SRAM，SRAM容量充足，因此用于扩展的SRAM芯片IS62C256和搭配使用的573锁存器芯片仅预留焊盘，实际未焊接。

#define     ExternalRAM_enable()        AUXR |=  2      //允许外部XRAM，禁止使用内部1024RAM
#define     InternalRAM_enable()        AUXR &= ~2      //禁止外部XRAM，允许使用内部1024RAM

具体用到的是这些复用功能（虽然8051允许最大64K RAM，但因为这个板子外置的是32K RAM，所以只需要15根地址线，第16根地址线P2.7 A15未连接）

另附一张考古图，来自英特尔1994年的 MCS@51 MICROCONTROLLER FAMILY USER'S MANUAL.pdf ，用当年的手绘示意图清晰地描述了这种接法

复位按钮电路P4.7

与STC89C52RC等传统51单片机最直观的区别就是，复位引脚变成了低电平复位。这也是和欧美其他单片机公司的新产品一致的做法。

需要在ISP软件或寄存器中配置为复位脚，该引脚方可用做复位脚，否则用做普通IO

32.768kHz晶振电路P5.6,P5.7

同时还可用于“自动追频”功能，进一步校准内部IRC高速时钟，同时确保了低功耗

晶振引脚不仅支持32.768kHz晶振，还支持连接高速晶振（支持12MHz以下无源晶振晶振，同时最高支持48MHz无源晶振）

接高速晶振时，功耗稍大，软件配置方法不同。走的是内部不同的时钟通路

传统模块（点击展开详情）

8灯流水灯电路P0,P4.0

流水灯为共阳极接法，P0端口输出低电平可以点亮对应的LED灯，阳极电源由P4.0连接的一个PNP三极管控制，P4.0输出低电平时，流水灯模块可以点亮。

独立按键电路（低电平有效）P3.2,P3.3,P3.4,P3.5

这四个独立按键均为低电平有效，且为外置上拉电阻。因此要求在程序中对这些端口启用上拉电阻，或使用带有弱上拉的准双向输入模式。

P3.2在USB HID的ISP下载过程中需要用到

P3.3可以在ISP下载时要求置低电平

8键2x4矩阵按键电路P0.0,P0.1,P0.2,P0.3,P0.6,P0.7

这是一个2x4的矩阵按键，有2行，4列。扫描时可以分2行进行，分别检查是否有按下的按钮。

矩阵按键与流水灯共用P0端口

每个IO的连线均有一个300Ω电阻，可以避免按钮影响流水灯的正常工作，还可以为避免矩阵扫描过程中，推挽输出的高低电平IO冲突，造成IO口的大电流

电路中不可避免地对P0.6和P0.7进行了10.3kΩ的上拉，在使用中需注意

16键ADC按钮电路P1.0

这16个按键位于16个电阻串的每个节点上，电阻串连接至SYS-VCC（VREF+)和GND。因此各节点可以均分ADC的整个量程。

按下某个按钮时，对应节点的电压将经过R50和C24的低通滤波，送至P1.0口进行ADC采集。

原理图中给出了每个按钮按下时的理论ADC读数值。

74HC595驱动的8位数码管P3.2,P3.4,P3.5

74HC595是一款非常简单易用的串入并出移位锁存寄存器芯片，可以在只使用3个单片机IO的条件下，方便地实现较多数量的IO输出扩展。（74HC164其实更简单，只需要2个单片机IO，它不带锁存功能）

在数码管电路中，使用了2片74HC595级联，实现了16个输出IO的扩展，分别连接至数码管的8条位线（控制哪一个数字位点亮）和8条段线（控制数字位中的哪些笔画点亮）

使用该移位寄存器芯片时，在11脚SCK的上升沿前，在14脚DATA送出一位数据。循环16次后，可以送出16位数据，该数据将会暂存在移位寄存器芯片内（8-bit storage register）。随后给12脚RCK一个上升沿，暂存的数据就会进入3-state outputs，输出到Q0~Q7端口上

数据手册如下：
附件：74HC_HCT595.pdf

红外接收电路P3.5

这是家电和单片机开发板上非常常见的一体式红外接收头。

内置了38kHz带通滤波电路、AGC自动增益电路、ASK解调电路等信号处理电路，单片机需要使用外部中断或轮询的方式，接收并处理输出波形。

红外发射电路P2.7

可以与红外接收头搭配使用，实现无线数据传输功能（

由于红外发射需要使用38kHz的载波频率进行ASK调制，因此P2.7使用38kHz的PWM进行驱动为宜（传统51单片机只能使用定时器中断或轮询方式产生38kHz的频率）

说来也巧，P2.7确实支持PWM

P2.7经过J17跳线帽（位于实验箱右上角，红外发射LED旁）连接至NPN三极管Q4，因此P2.7高电平对应红外发射LED工作。不发射时，P2.7应当处于低电平。

DS18B20单线数字温度传感器P3.3

DS18B20是一款51单片机常用的单线数字温度传感器。

信号线通过J10跳线与P3.3连接，跳线位于实验箱左下方

数据手册如下：
附件：DS18B20.pdf

NTC测温电路P1.3,P5.1

NTC测温电路是一种模拟温度传感器，与示波器输入共用P1.3口，通过跳线JUP2的位置选择。

NTC电路的供电由P5.1提供，而并非始终通电，应当是为低功耗实验做的处理

这里似乎有一处排版问题，NTC的规格应为10k@25℃，而图中出现了乱码

24C02 2Kbit EEPROM芯片电路P3.2,P3.3

这是一款常见的I2C芯片，是一颗可存储2Kbit=256字节数据的EEPROM芯片。由于其3个外部地址脚均接地，因此它的I2C 7位地址为1010000。写入时，其地址为10100000，即0xA0；读取时，其地址为10100001，即0xA1

这里24C02的第3脚名字写错了哦，应当为A2。

数据手册如下：

附件：AT24C01D-AT24C02D-I2C-Compatible-Two-Wire-Serial-EEPROM-1Kbit-2Kbit-20006100A.pdf

无源蜂鸣器P5.0

无源蜂鸣器使用一个NPN型三极管驱动，三极管受P5.0口控制，高电平动作。
由于是无源蜂鸣器，需要使用PWM信号输出方波，才可以使无源蜂鸣器鸣叫

无独有偶，P5.0真的支持PWM输出

由于P5.0同时用作I2S芯片，因此为避免I2S工作时，蜂鸣器乱叫，因此蜂鸣器与P5.0采用跳线帽隔开。使用无源蜂鸣器需要插好J1的第三排跳线帽

高级显示模块（点击展开详情）

12864显示屏插座P2,P3.6,P3.7,P4.5,P4.7

用于连接市面上常见的这款12864并口单色液晶屏

引脚说明：

4/7/8针I2C/SPI OLED插座P1.1,P3.2,P3.3,P3.5,P4.7

用于连接市面上常见的4针I2C或7针SPI接口的单色OLED屏幕模块

P3.2和P3.3恰好连接至片内硬件I2C模块

同时，P3.2，P3.3和P3.5恰好连接至片内硬件SPI模块（OLED模块只需要MOSI，不需要MISO）

而P3.3是MISO，并不是MOSI，因此使用时需要配置交换MISO和MOSI。这样就可以享受先进的硬件SPI技术了

TFT彩屏接口P2,P0.4,P0.5,P1.4,P1.5,P3.2,P3.3,P3.4,P3.6,P3.7,P4.5,P4.7,P5.3

这是一个Arduino Uno兼容的排母。
首选用于连接冲哥2.4寸电阻触摸屏，有触摸处理芯片，触摸更精准，更省资源

也支持原版Arduino Uno 2.4寸电阻触摸扩展板，无触摸处理芯片，需要ADC采集触摸状态。但是屏幕价格更低

原版屏引脚定义如下（其中WR和RS复用作电阻触控ADC检测端口，D7和D6复用做电阻触控偏置输出端口，且使用5V供电，需要微调实验箱预留的电阻R84和R99）

冲哥屏将microSD卡座移除，相应引脚改为了触摸处理芯片的通讯引脚

音频处理模块（点击展开详情）

TLV320AIC3204 I2S立体声音频芯片P1.4,P1.5,P1.6,P1.7,P5.0,P5.1

(似乎是笔记没有删？）

P1.4,P1.5,P1.6,P1.7恰好对应了单片机的I2S硬件模块

这款芯片支持最高48kHz采样率的音频输出。也支持音频采样，但实验箱未实现该功能。

芯片数据手册：

附件：tlv320aic3204.pdf

话筒输入电路P1.2

音频信号经过运算放大器放大、滤波后，直接输入给P1.2口，使用片内ADC进行音频采集

高性能示波器模块

示波器电路P0.0,P0.1,P0.2,P1.1,P1.3

图中讲解已经非常详细了

这个示波器电路支持如下特性：

1. 直流耦合与交流耦合（通过J1跳线的第一行选择）
2. 可调增益（1~200倍，通过模拟开关选择）
3. 垂直平移调整（垂直基线0~1V）

由于使用了BNC接口，因此示波器探头或BNC转接线需自备

正弦波/方波信号源P2.3,P0.7

P2.3输出1000Hz正弦的PWM信号，处理得到纯净的1000Hz正弦波

P0.7输出1000Hz方波的PWM信号，直接引出得到1000Hz方波

串口通讯模块（点击展开详情）

USB及Link1D电路P3.0,P3.1

P3.0和P3.1既是UART串口、也是SWD调试口、也是USB口

因此可以直接连接电脑USB口，也可以连接USB Link1D进行SWD实时调试，还可以用传统方式连接USB串口模块

板载AI8H USB转双串口芯片P3.6,P3.7,P4.2,P4.3

板载AI8H MCU，用做USB转双串口芯片，提供了2个USB串口。引出的P3.2按钮可实现该MCU通过USB进行ISP固件更新

一箭双雕串口板连接器电路P3.6,P3.7,P4.2,P4.3

与一箭双雕串口板线序一致，可以认为板上集成了一箭双雕串口板，或认为可以外接一箭双雕串口板

双串口互传 P3.6,P3.7,P4.2,P4.3

用于将MCU的两路串口交叉相连，实现数据左右互搏？

RS-485收发器电路P4.2,P4.3

采用了自动流向控制电路的RS-485方案，集成了120Ω终端电阻，RS-485信号线通过XH2.54端子引出

存储模块（点击展开详情）

W25Q128JV 128Mbit SPI/QSPI Flash存储器电路P4.0,P4.1,P4.2,P4.3,P5.2,P5.3

虽然原理图写的是W25Q80这款容量仅为8Mbit的SPI Flash芯片（人民币1元），但板子实际焊接的是容量高达128Mbit的W25Q128JV存储器芯片（人民币2元）。赞美AI公司

P4.0,P4.1,P4.2,P4.3,P5.2,P5.3恰好为MCU的硬件QSPI接口位置，可直接使用硬件功能

数据手册如下：
附件：W25Q128JV RevJ 04252024 Plus.pdf

microSD卡座P2.4,P2.5,P2.6,P2.7

AI8051U不支持SDIO硬件功能。但P2.4,P2.5,P2.6,P2.7恰好为MCU的硬件SPI接口位置，可直接使用SPI硬件功能与microSD卡通讯

电源部分（点击展开详情）

板载3.3V主LDO、RTC后备电池及按键断电电路

来自三个USB的5V供电经过自恢复保险丝R19（为什么是R呢？），得到USB+5V电源，该电源为3.3V LDO ME6231C33提供输入。

ME6231C33默认状态下CE脚被上拉，LDO处于工作状态。按下Power_SW按钮后，CE脚被拉低，LDO切断输出。

输出防反流的P-MOS管Q3的栅极连接到了USB端的NPN三极管Q13的集电极。具体原理如下（感谢 @梁工 的耐心答复，答疑帖 https://www.stcaimcu.com/forum.php?mod=redirect&goto=findpost&ptid=12528&pid=127943）

三极管做比较器，MSOFET做开关。
当USB输入电压为5V时，三极管导通，从而MOSFET也导通，压降非常小，小于10mV。
当USB端口，电压下降到低于3.5V左右，三极管截止，从而MOSFET也截止，备用电池电流不会倒流到稳压电源电路。
以上电路实现功能：USB-5V供电时，稳压为3.3V给系统供电，USB断开供电时，备用电池供电，电源电路不耗电。

-3.3V负电源电荷泵电路

为正弦波信号发生器、示波器等电路中的精密运算放大器提供-3.3V的负电源。

掉电检测比较器P4.6

电位器W1（位于数码管右下方）+R2分压电阻 得到一个与USB+5V电源成正比的电压值，输入至P4.6口
详见AI8051U数据手册

VC***

更新补充了一处疑点： （感谢 @梁工 ）

VC***

草？

为什么我的帖子里面的很多图片都过期破掉了？？？

erci***

前排，向元老学习~

VC***

erci*** 发表于 2024-12-9 20:18
前排，向元老学习~

感谢 荣誉版主 的捧场

jw***

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