单片机实验教学板的设计与教学运用

2024-06-09

关于单片机实验教学板的设计与教学运用

　　MCU(MicroControllerUnit，单片机)具有体积小、耗电量低、设计简单和研发成本低等特点，广泛应用于工业测控、智能化设备和机器人研制与操控等领域。随着MCU应用领域的不断拓展，将MCU应用系统设计的诸多优点引入到计算机硬件系统设计的实践教学环节中是十分必要的［1］，MCU技术也因此成为高等院校电气信息类专业一门非常重要的工程实践性课程［2］。

　　1、MCU实验教学板系统功能结构

　　为摆脱传统的单片机实验箱体积相对较大、使用场所相对固定、再开发能力相对较弱、功能应用受限于系统设计等弊端，我们自主设计了一种MCU实验教学板(以下简称MCU板)，以推进高校单片机相关课程实验设计与实践教学的发展，为学生能够充分利用课余时间完成实验设计提供一个符合开放式自主实践教学模式的实验条件和实践环境，并为学生的深入思考、继续探究与实践创新营造一个发挥想象空间和体现自我的个性化环境。

　　目前，该装置经过多次改进、完善，现已成批制作并在实际教学中投入使用。MCU板是一种综合了单片机应用系统多种功能设计的实验设计平台和实验教学装置，系统功能组成框图如图1所示。

　　图 1 MCU 实验教学板系统功能组成框图

　　2、MCU实验教学板硬件设计与制作

　　MCU板系统功能结构主要由MCU主控模块、系统供电模块、USB下载模块、输入模块、输出模块、扩展功能接口模块和端口选择跳线设置模组等部分组成。

　　2.1、MCU主控模块

　　MCU主芯片采用DIP－40封装的89C52单片机，MCU板上提供的芯片插座和配置电路可以支持全系列STC单片机;时钟电路采用外接的11.0592MHz晶振和2个30pF电容;通过由1个10μF电解电容和1个10kΩ电阻构成的复位电路中设计的按键开关，可以手动控制MCU复位［3］。

　　在MCU板上，还将MCU的可编程I/O端口引脚、时钟振荡引脚以及控制信号引脚全部对应地以插针方式扩展出来，既可以使用户将自己设计的电路通过插脚与MCU相应引脚直接连接，也可以方便系统调试时使用。

　　2.2、系统供电模块

　　MCU板采用双供电模式，既可以由标准2.5接口5V/1A电源适配器直接接入到PWＲ电源接口［4］为系统供电，也可以通过4芯USB线连接PC机的USB接口来为系统供电。利用1个双向拨动式开关控制整个系统的通/断电，利用1个红色LED发光管指示系统通/断电状态。

　　2.3、USB下载模块

　　MCU板上提供的USB接口，除可为系统直接提供5V工作电源外，还可通过USB转串口芯片CH341T［5-6］的转换控制，将PC机中调试好的单片机控制程序直接下载至MCU中。

　　2.4、输入模块

　　利用4×4行列式矩阵键盘，可以实现16个按键输入。利用预留接口的HS0038红外接收管，可以将接收到的红外线信号经过解码后转换为4bit数据送入MCU处理。利用预留接口的DS18B20单线式数字温度传感器，可以将–55℃～+125℃范围内的检测温度值通过编程确定后转换为9bit～12bit数据(包括1bit符号位)［7］送入MCU处理。此外，利用预留接口插针，还可以实现其他多种传感器信号的输入。

　　2.5、输出模块

　　2组共16个均能单独控制使用的LED发光管，可以用来观测高/低电平的输出状态。由1个四位一体和2个独立的共阳型七段数码管构成的6位数码显示电路，可以实现多位数码的动态和静态显示。8×8的LED点阵显示屏，可用于文字或图形的显示输出。通过预留的液晶显示屏扩展接口，可以分别支持16×2字符的LCD1602字符型液晶屏和128×64像素的LCD12864点阵型液晶屏。利用5V蜂鸣器，可以实现音频输出;通过预留接口插针，还可以外接扬声器。

　　2.6、扩展功能接口模块

　　为了拓展实验设计，能够将MCU板方便地应用于其他系统设计与操控，在MCU板上还设计并预留了2个电机控制电路的扩展接口:步进电机控制电路采用高耐压、大电流、达林顿阵列的ULN2003电机驱动芯片;直流电机控制电路则采用微型电机驱动集成电路L293电机驱动芯片，并为满足L293芯片9V工作电源的需求预留了9V电源接入接口［8］。此外，在MCU板上还设计并预留了用来存取片外数据的扩展存储器电路及其接口，可支持具有I2C总线接口功能的AT24C0X系列串行EEPＲOM存储芯片［9］等。

　　2.7、端口选择跳线设置模组

　　由于单片MCU的可编程I/O端口数量有限，为了尽量缩小PCB设计面积而又能尽可能多地共用功能模块，在MCU板上特意设计了一组端口选择跳线，避免多种功能电路共用同一端口的冲突问题。

　　3、MCU实验教学板实际教学应用

　　利用MCU板，既可以完成单片机课程所要求的绝大多数基础实验，也可以为MCU实验设计和MCU应用系统开发提供支持，还能够以此为基础，利用预留接口外接一些自行设计的扩展电路，以实现系统功能的拓展以及其他测控领域的应用。在MCU板的扩展接口上插接LCD液晶屏显示一组字符的实验效果如图2所示。

　　图 2 MCU 实验教学板液晶屏显示字符

　　在MCU板上可以完成并实现的部分实验的名称如表1所示。

　　表 1 MCU 实验教学板部分实验名称

　　4、结语

　　便携式MCU实验教学板的研制与应用，既可以将单片机应用系统电路设计转化为实际电路装置，应用于相关课程的实验和实践教学中，也可以方便学生走出实验室也能够完成实验设计、课程设计或项目研发，同时，为采购大型实验教学设备节省了资金。

　　经实际使用表明，MCU板具有丰富和实用的实验资源、适用面广，在提高学生的学习兴趣，加强工程设计实践环节，训练基本技能和培养创新意识，提供自主性、开放式的实验条件，更新实验装置、改革实验教学方式、提高实践教学质量等方面都起到了积极作用。

　　参考文献:

　　［1］李志平，杨西珊，张俊方，王莹．基于FPGA的计算机系统实验教学平台的设计与实现［J］．实验技术与管理，2009，26(9):77-80．