關于單片機實驗教學板的設計與教學運用
關于單片機實驗教學板的設計與教學運用
MCU(MicroControllerUnit，單片機)具有體積小、耗電量低、設計簡單和研發(fā)成本低等特點，廣泛應用于工業(yè)測控、智能化設備和機器人研制與操控等領域。隨著MCU應用領域的不斷拓展，將MCU應用系統(tǒng)設計的諸多優(yōu)點引入到計算機硬件系統(tǒng)設計的實踐教學環(huán)節(jié)中是十分必要的［1］，MCU技術也因此成為高等院校電氣信息類專業(yè)一門非常重要的工程實踐性課程［2］。
1、MCU實驗教學板系統(tǒng)功能結構
為擺脫傳統(tǒng)的單片機實驗箱體積相對較大、使用場所相對固定、再開發(fā)能力相對較弱、功能應用受限于系統(tǒng)設計等弊端，我們自主設計了一種MCU實驗教學板(以下簡稱MCU板)，以推進高校單片機相關課程實驗設計與實踐教學的發(fā)展，為學生能夠充分利用課余時間完成實驗設計提供一個符合開放式自主實踐教學模式的實驗條件和實踐環(huán)境，并為學生的深入思考、繼續(xù)探究與實踐創(chuàng)新營造一個發(fā)揮想象空間和體現(xiàn)自我的個性化環(huán)境。
目前，該裝置經(jīng)過多次改進、完善，現(xiàn)已成批制作并在實際教學中投入使用。MCU板是一種綜合了單片機應用系統(tǒng)多種功能設計的實驗設計平臺和實驗教學裝置，系統(tǒng)功能組成框圖如圖1所示。
圖 1 MCU 實驗教學板系統(tǒng)功能組成框圖
2、MCU實驗教學板硬件設計與制作
MCU板系統(tǒng)功能結構主要由MCU主控模塊、系統(tǒng)供電模塊、USB下載模塊、輸入模塊、輸出模塊、擴展功能接口模塊和端口選擇跳線設置模組等部分組成。
2.1、MCU主控模塊
MCU主芯片采用DIP－40封裝的89C52單片機，MCU板上提供的芯片插座和配置電路可以支持全系列STC單片機;時鐘電路采用外接的11.0592MHz晶振和2個30pF電容;通過由1個10μF電解電容和1個10kΩ電阻構成的復位電路中設計的按鍵開關，可以手動控制MCU復位［3］。
在MCU板上，還將MCU的可編程I/O端口引腳、時鐘振蕩引腳以及控制信號引腳全部對應地以插針方式擴展出來，既可以使用戶將自己設計的電路通過插腳與MCU相應引腳直接連接，也可以方便系統(tǒng)調(diào)試時使用。
2.2、系統(tǒng)供電模塊
MCU板采用雙供電模式，既可以由標準2.5接口5V/1A電源適配器直接接入到PWＲ電源接口［4］為系統(tǒng)供電，也可以通過4芯USB線連接PC機的USB接口來為系統(tǒng)供電。利用1個雙向撥動式開關控制整個系統(tǒng)的通/斷電，利用1個紅色LED發(fā)光管指示系統(tǒng)通/斷電狀態(tài)。
2.3、USB下載模塊
MCU板上提供的USB接口，除可為系統(tǒng)直接提供5V工作電源外，還可通過USB轉串口芯片CH341T［5-6］的轉換控制，將PC機中調(diào)試好的單片機控制程序直接下載至MCU中。
2.4、輸入模塊
利用4×4行列式矩陣鍵盤，可以實現(xiàn)16個按鍵輸入。利用預留接口的HS0038紅外接收管，可以將接收到的紅外線信號經(jīng)過解碼后轉換為4bit數(shù)據(jù)送入MCU處理。利用預留接口的DS18B20單線式數(shù)字溫度傳感器，可以將–55℃～+125℃范圍內(nèi)的檢測溫度值通過編程確定后轉換為9bit～12bit數(shù)據(jù)(包括1bit符號位)［7］送入MCU處理。此外，利用預留接口插針，還可以實現(xiàn)其他多種傳感器信號的輸入。
2.5、輸出模塊
2組共16個均能單獨控制使用的LED發(fā)光管，可以用來觀測高/低電平的輸出狀態(tài)。由1個四位一體和2個獨立的共陽型七段數(shù)碼管構成的6位數(shù)碼顯示電路，可以實現(xiàn)多位數(shù)碼的動態(tài)和靜態(tài)顯示。8×8的LED點陣顯示屏，可用于文字或圖形的顯示輸出。通過預留的液晶顯示屏擴展接口，可以分別支持16×2字符的LCD1602字符型液晶屏和128×64像素的LCD12864點陣型液晶屏。利用5V蜂鳴器，可以實現(xiàn)音頻輸出;通過預留接口插針，還可以外接揚聲器。
2.6、擴展功能接口模塊
為了拓展實驗設計，能夠將MCU板方便地應用于其他系統(tǒng)設計與操控，在MCU板上還設計并預留了2個電機控制電路的擴展接口:步進電機控制電路采用高耐壓、大電流、達林頓陣列的ULN2003電機驅動芯片;直流電機控制電路則采用微型電機驅動集成電路L293電機驅動芯片，并為滿足L293芯片9V工作電源的需求預留了9V電源接入接口［8］。此外，在MCU板上還設計并預留了用來存取片外數(shù)據(jù)的擴展存儲器電路及其接口，可支持具有I2C總線接口功能的AT24C0X系列串行EEPＲOM存儲芯片［9］等。
2.7、端口選擇跳線設置模組
由于單片MCU的可編程I/O端口數(shù)量有限，為了盡量縮小PCB設計面積而又能盡可能多地共用功能模塊，在MCU板上特意設計了一組端口選擇跳線，避免多種功能電路共用同一端口的沖突問題。
3、MCU實驗教學板實際教學應用
利用MCU板，既可以完成單片機課程所要求的絕大多數(shù)基礎實驗，也可以為MCU實驗設計和MCU應用系統(tǒng)開發(fā)提供支持，還能夠以此為基礎，利用預留接口外接一些自行設計的擴展電路，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的拓展以及其他測控領域的應用。在MCU板的擴展接口上插接LCD液晶屏顯示一組字符的實驗效果如圖2所示。
圖 2 MCU 實驗教學板液晶屏顯示字符
在MCU板上可以完成并實現(xiàn)的部分實驗的名稱如表1所示。
表 1 MCU 實驗教學板部分實驗名稱
4、結語
便攜式MCU實驗教學板的研制與應用，既可以將單片機應用系統(tǒng)電路設計轉化為實際電路裝置，應用于相關課程的實驗和實踐教學中，也可以方便學生走出實驗室也能夠完成實驗設計、課程設計或項目研發(fā)，同時，為采購大型實驗教學設備節(jié)省了資金。
經(jīng)實際使用表明，MCU板具有豐富和實用的實驗資源、適用面廣，在提高學生的學習興趣，加強工程設計實踐環(huán)節(jié)，訓練基本技能和培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提供自主性、開放式的實驗條件，更新實驗裝置、改革實驗教學方式、提高實踐教學質(zhì)量等方面都起到了積極作用。
參考文獻:
�。�1］李志平，楊西珊，張俊方，王瑩．基于FPGA的計算機系統(tǒng)實驗教學平臺的設計與實現(xiàn)［J］．實驗技術與管理，2009，26(9):77-80．
�。�2］宋蘊璞，周文泳，徐鳴謙，等．高校單片機教學實驗設備與方式探討［J］．實驗室研究與探索，2009，28(11):6-9．
［3］彭為，黃科，雷道仲．單片機典型系統(tǒng)設計實例精講［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2006:1-26．
�。�4］求是科技．單片機典型模塊設計實例導航［M］．北京:人民郵電出版社，2006:6-7．
�。�5］benladn911．CH341TUSB轉串口芯片應用電路和經(jīng)驗［EB/OL］．(2007-04-12)［2014-10-31］．
［6］沈根�。甎SB轉串口的幾種方法及用到的芯片資料［EB/OL］．(2010-06-05)［2014-10-31］．
［7］萬光毅，嚴義．單片機實驗與實踐教程［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2005:149-158．
［8］吳金戎，沈慶陽，郭庭吉．8051單片機實踐與應用［M］．北京:清華大學出版社，2003:239-242．
�。�9］唐鵬程，鄒久朋．I2C串行總線原理及其在單片機接口中的實現(xiàn)［J］．世界電子元器件，2003(6):72-74．
【單片機實驗教學板的設計與教學運用】相關文章：
《標牌設計》的教學設計03-14
旋轉的教學設計02-16
《茶經(jīng)》教學設計02-18
《國殤》教學設計12-11
《賽馬》的教學設計05-21
國慶的教學設計03-19
映山紅的教學設計03-19