單片機創新實驗板系統的設計與應用

肖大薇，李 彤，張盈謙

（大連理工大學 城市學院，遼寧 大連 116600）

單片機即單片微型計算機，是集 CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統于同一硅片的器件。它具有體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優點，故可以廣泛應用于國民經濟的各個領域，對各行各業的技術改造和產品的更新換代起到了重要的推動作用[1]。單片機技術的應用是信息技術發展的一個方面，它為人們的生產和生活帶來了極大的方便。單片機系統及應用是計算機類相關專業的專業基礎課程，是學生在學習了計算機組成原理等課程之后，為進一步提高單片機應用系統的使用和設計能力而開設的。本課程主要介紹單片機的內部結構、內部資源和特性、單片機的指令系統、C語言程序設計、存儲器和并行口擴展、中斷系統和定時/計數器、A/D與D/A、人機交互和串行口通信等主要內容，在授課內容的組織上應力求循序漸進、深入淺出。學生修完本課程可以熟練運用單片機原理的基礎知識和程序設計方法，并具有獨立設計和開發單片機應用系統的能力。

單片機教學過程中必須理論和實踐結合[2]。單片機系統及應用的實驗課作為理論課的輔助教學，對于培養學生的學習興趣、提高學生的實際動手能力有著非常重要的作用。由于硬件設計有一定的難度，所以學生和老師可能更偏重于軟件教學，其實單片機應用系統的開發過程中，更重要更基礎的是硬件設計[3]。實驗過程中可以讓學生在完全理解硬件結構原理的基礎上，自行設計電路并編寫程序，實現單片機應用系統。但是現在的單片機系統及應用的實驗課存在著一個非常普遍的問題是：學校已經為本實驗課準備好了實驗箱，此實驗箱能完成流水燈、定時器/計數器、數碼管、單片機通信等多個實驗。學生在上實驗課時，首先根據實驗要求編寫源程序，然后進行編譯仿真并生成可執行文件，下載到單片機上之后進行連線，最后觀察實驗結果。在整個實驗的過程當中，實驗板的使用不靈活，而且編程占據了主導地位，學生無法透徹地學到單片機系統的硬件知識，導致大部分學生在出現故障時無法排除。基于以上情況，本文提出了一個自主設計創新實驗板系統，該系統要求學生從實驗板的硬件選材、設計方案、制圖、仿真到焊接的過程全部獨立完成，從而在對各個模塊進行實驗時，學生對自己的實驗板結構了如指掌，實驗起來得心應手，大大激發了學生的學習興趣。該系統在實際使用中已經取得了很好的效果。

1 實驗板系統的實現

此系統包括兩塊板，一塊是主機板，另一塊是I/O板。主機板上包含單片機的最小系統（包括單片機芯片、電源、復位電路、時鐘電路），單片機的并行接口全部由16針排電纜連接插座引出。I/O板上主要包含多個人機接口模塊，其中包括八段式LED數碼管模塊、LED指示燈模塊、鍵盤模塊、數模轉換模塊、單片機通信模塊和可擴展模塊，每個模塊的數據輸入輸出也都由16針排電纜連接插座完成。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

電路原理圖如圖2、3所示。

圖2 主機板電路原理圖Fig.2 Main board circuit diagram

圖3 I/O板電路原理圖Fig.3 I/O board circuit diagram

系統通過串口線完成可執行文件的在線下載；通過USB口線提供+5 V電源；主機板上51單片機的P0-P3口全部由16針排電纜連接插座引出；I/O板上有8位數碼管，8個指示燈、16個按鍵和數模轉換設備。此實驗板可以完成流水燈實驗、外中斷實驗、定時器/計數器中斷實驗、數碼管實驗、鍵盤實驗、數模轉換實驗、單片機通信實驗和存儲器、I/O接口的擴展實驗等，可以完全滿足學生實驗課上的實驗要求。圖4是學生完成的一個實驗板系統。

圖4 實驗板系統實物圖Fig.4 Physical diagram of the experiment board system

實驗課上，學生首先要熟悉元器件、畫出電路圖并焊接實驗板，然后根據實驗需求設計連線方案，最后根據連線方案進行編程、調試、下載、觀察實驗結果。可以使用Keil軟件對源程序進行編輯、匯編、編譯、鏈接、仿真和調試。

2 實驗板系統的使用——交通燈實驗

以下給出以AT89C52單片機為核心的十字路口交通燈設計實例，來演示此系統在單片機實驗課程中的使用。AT89C52是低功耗、高性能的CMOS 8位單片機[4]。

2.1 實現一個十字路口紅綠交通燈的控制

實驗要求如下：

1）使用T0的工作方式1

2）數碼管顯示綠燈點亮的剩余時間，每隔1s數碼管綠燈計數值減1

3）用指示燈顯示交通燈的亮滅狀態，在點亮的后半程綠燈要發生1次閃爍

2.2 單片機并口使用方案

表1 單片機并口使用方案Tab.1 Use plan of MCU parallel port

2.3 程序流程圖

實現程序流程圖如圖5所示。

3 實驗板系統應用

學生在焊接電路板的過程中，熟悉了各個元器件的結構和工作原理，理解了單片機最小系統的構成及其作用[5]。在使用此系統開發單片機應用系統的過程中，從簡單的流水燈實驗到十字路口的交通燈實驗，從數碼管的靜態實驗到8位電子時鐘實驗，以及鍵盤的外中斷實驗，層次化的教學內容，綜合性實驗的開展，既能很好地配合課堂理論教學的相關內容，又有較大的擴展空間，形成了單片機實驗課程相對獨立的體系結構[6]。學生必須掌握每個并口的功能并自己設計所有實驗的連線方案。調試的過程，也鍛煉并提高了學生發現問題和解決問題的能力。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow diagram

4 結 論

自主設計創新實驗板，使實驗板的功能結構更加靈活恰當，不僅激發了學生對單片機的學習興趣，而且增強了學生的動手能力。同時，積極引導學生利用課堂所學的相關知識參加各種競賽，這不僅是對課堂內容的補充，也是對課堂教學內容的深化和鞏固。現在，已經有越來越多的學生在課余時間設計電子產品并參加社會上各種電子競賽。這對學校的學風建設起到了非常好地促進作用。

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[4]楊俊，周洋洋.單片機原理與實踐教程[M].北京：清華大學出版社，2011.

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