適合于項目教學法的三合一單片機實驗箱設計

朱向慶，黎東濤，蘇超益，丘祖國，張學成

（嘉應學院 電子信息工程學院，廣東 梅州 514015）

“單片機原理及應用”是電子信息和自動控制類學科一門很重要的專業課，在課程體系中起著承前啟后的紐帶作用［1］。該課程以數字電子技術、模擬電子技術和C語言程序設計為前續基礎課，同時對嵌入式系統和DSP技術有重要影響。該課程教學質量的好壞，甚至能夠左右學生的就業［2］。

實踐教學是單片機教學中的重要環節，很多高校的單片機實驗平臺都是從教儀企業采購，該類設備往往在追求功能大而全的同時造成價格居高不下。另外，很多教儀企業生產的單片機實驗平臺電路都是固定的，且往往不公開全部技術資料，不利于學生掌握軟硬件原理，學生只能做驗證性、訓練性實驗項目，沒法做開放性、創新型的實驗項目［3－4］。在網店中，也有不少物美價廉的單片機實驗板，但它們的硬件電路也不是開放的，且只能完成下載實驗，沒法進行單步跟蹤、調試，而后者是學習單片機編程的重要環節。

從降低設備采購成本、滿足課程教學的角度出發，本文中設計一種適合項目教學法，集仿真、下載和實驗為一體，硬件模塊化，軟件可用多種語言編程，軟硬件資源完全開放的多功能單片機實驗箱。

1 硬件系統設計

（1）實驗箱硬件的擴展和配置應遵循以下設計原則：①采用新技術，注意通用性，選擇典型電路；②朝片上系統（System on Chip，SOC）方向發展，擴展接口盡可能采用現場可編程外圍芯片（programmable system device，PSD）等器件；③注重標準化、模塊化；④滿足應用系統的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發；⑤工藝設計時要考慮安裝、調試、維修的方便［5］。為了方便學生完成實驗，PCB板上對各I／O接口功能及使用方法都在頂層絲印層用字符標注。

（2）實驗箱的整體布局如圖1所示，它采用的是模塊化設計思想，由單片機最小系統、仿真及下載接口、輸入輸出模塊、AD轉換模塊、DA轉換模塊及其他功能部件組成。單片機I／O口資源完全開放，所有功能部件的控制線、數據線與單片機的I／O口均不連接，而是引出至香蕉插孔上，操作者可以通過帶香蕉插頭的線纜連接各個模塊，設計自己需要的實驗項目電路。設計的實驗箱保留傳統的經典實驗項目，去除一些因功能陳舊而失去實際操作意義和使用價值的實驗，多設計一些數字化傳感器功能接口，以順應數字化的發展趨勢［6］。實驗箱能夠獨立完成表1所示的18個實驗項目，其中帶★號的是教學大綱和實驗大綱要求必做實驗。

圖1 實驗箱各功能部件整體布局

表1 實驗箱可以完成的實驗項目

1.1 單片機最小系統

單片機實驗箱的最小系統如圖2所示，它包括單片機、電源、復位電路（含上電復位及按鍵復位）和時鐘電路。本系統配置的是DIP－40封裝的51單片機，單片機安裝在緊鎖座上以方便拆換，晶振頻率可以根據需要選擇12MHz或11.0592MHz。系統采用220V交流電源供電，實驗箱內置一個可輸出＋5V、＋12V和－12V電壓的開關穩壓電源。為了保護好電源，實驗板上增加一個2A的保險絲。

1.2 硬件仿真與下載電路

圖3是硬件仿真與下載電路。在實驗箱緊鎖座上安裝SST（Silicon Storage Technology）公司推出的具有在系統調試（ISD，in system debugging）功能的SST89E5xRD系列單片機，通過單片機的一個串口就可以實現在線仿真功能。它不需要昂貴的仿真器支持，利用SST89E5xRD單片機硬件的特點，與Keil Software公司的Keil uVision集成開發軟件相結合，可以仿真、調試MCS51單片機的大多數外設［7］。

計算機通過串口連接實驗箱，不需要專用的編程器就可以用ISP（in system programming）方式進行單片機的實驗和開發［8］，給宏晶公司生產的STC系列單片機及SST公司的SST89系列單片機下載（燒錄）機器碼文件。圖3中J19是與計算機相連的串口（孔），2個發光二極管是串行通信指示燈。電路采用Maxim公司推出的一款兼容RS232標準的芯片MAX232實現計算機串口RS－232－C電平與單片機串口TTL電平間的轉換。

1.3 各類功能模塊

實驗箱主要包括5類功能模塊，分別是輸入接口、輸出接口、串行總線模塊、AD與DA轉換模塊及其他模塊。

1.3.1 輸入接口

包括1×8自鎖開關、1×4獨立按鍵、4×4矩陣鍵盤和紅外接收頭。輸入接口模塊的作用是讓學習者理解自鎖開關、獨立按鍵和矩陣鍵盤的識別原理。實驗箱使用一體化紅外接收頭TL1838接收紅外信號，讓初學者了解紅外編／解碼原理。

成孔設備采用液壓步履式擠密灌注打樁機，外徑為425 mm、夯錘重5 t，成孔依次逐排由外向內進行，隔排隔行，間隔1～2孔跳打方式。在鉆桿上標注設計樁長位置，打樁完成后，檢查其樁長、樁徑、垂直度等滿足驗收要求后方可進行填料。

圖2 51單片機最小系統

圖3 硬件仿真與下載接口電路

1.3.2 輸出接口

包括8路LED流水燈、8位共陽數碼管、8×8點陣和1602液晶。8路LED作為單片機最基礎學習部分，用作指示燈、流水燈和演示IO口狀態等；8位數碼管由2個4位共陽數碼管拼裝而成，采用動態掃描的方法顯示各種常用數字和字符；8×8點陣用于顯示簡單的字符和圖形；1602字符型液晶用來顯示兩行，每行16個字母、數字和符號等。

為了增加顯示亮度，數碼管和點陣等都需要驅動電路，本系統特意增加PNP三極管、74HC573數據鎖存器以及由達林頓管構成的ULN2803驅動電路，可由使用者隨意選擇。

1.3.3 串行總線模塊

串行總線數據傳輸速率的逐漸提高和芯片系列化，為多功能、小型化和低成本的單片機系統設計提供更好的解決方案。采用串行總線擴展技術可以使系統的硬件設計簡化、體積減小，系統的更改和擴充更為容易［9］。除了上文介紹的與計算機通信的串口外，本系統還有采用單總線（1－Wire）的DS18B20數字溫度檢測模塊，采用SPI總線的DS1302實時時鐘模塊。

1.3.4 AD與DA轉換模塊

實驗箱含有AD與DA轉換模塊各1個。AD轉換模塊由高精度、低噪聲、低漂移、抗干擾能力強的12位雙積分AD轉換器ICL7109及其外圍器件構成，通過增加1個MAX308模擬多路開關，可實現對8路0～5V模擬電壓信號輪流進行采集。為了提高實驗的穩定性，輸入的模擬電壓采用精密多圈電位器分壓得到。DA轉換由8位電流輸出型DA轉換器DAC0832及運放等外圍器件構成，通過電流／電壓轉換電路可輸出0～5V的模擬電壓。

1.3.5 其他模塊

系統可通過ULN2803驅動步進電機，如5線4相減速步進電機28BYJ－48，讓初學者了解步進電機的工作原理。ULN2803也可驅動蜂鳴器，讓初學者掌握用單片機定時器功能播放簡單音樂的方法。

2 軟件系統設計

軟件系統設計應遵循3個原則：（1）可使用傳統的匯編語言設計程序，讓學習者加深對單片機底層知識的理解；（2）能運用C51語言進行程序設計，讓學習者加快程序的開發速度；（3）可使用嵌入式實時操作系統，如Small RTOS51或μC／OS－II，讓程序具有更強的可移植性和更快的開發效率。

2.1 程序設計方法

單片機的程序設計語言已經從傳統的匯編過渡至C51，隨著單片機片內程序存儲器、數據存儲器及其他資源的增加，運行速度的加快，嵌入式系統里采用的操作系統，如Small RTOS51和μC／OS－II也逐漸在各種單片機系統運用。在設計實驗箱時，除了編制好常見的匯編及C51實驗例程，還增加將Small RTOS51移植至STC89C52RC這類普通51單片機，將μC／OS－II移植至STC12C5A60S2這類增強型51單片機的實驗例程。初學者可以先學習匯編語言，再學習C51語言，也可以直接學習C51語言。在學有余力時，繼續向Small RTOS51或μC／OS－II操作系統進階。

2.2 硬件仿真調試方法

學會通過調試方法查找、發現所設計程序中的紕漏，是初學者掌握單片機編程的必由之路。市場上的單片機仿真器價格較高，動輒需要幾百元。如果將Proteus與Keil軟件聯合使用，可實現單片機的軟硬件仿真［10］。此方法雖然能夠查找程序錯誤，但不能很好地體現單片機的硬件功能。在本系統單片機緊鎖座上安裝SST89E5xRD系列單片機，可以實現在系統的硬件仿真，如運行到斷點處、運行到光標行、單步跟蹤、跨步、全速運行、夭折等。如果在單片機緊鎖座上安裝學林電子的51mini嵌入式仿真器，能夠以零資源占用實現極速單步，完成其他專業仿真器的所有功能，提高學生的學習效率。

采用硬件仿真時，要按圖4正確設置Keil uVision工程的屬性，其中調試（Debug）選項卡內選擇“Keil Monitor－51Driver”仿真器，并選擇計算機與單片機實驗箱相連接的串口，將串行通信的波特率設置為9.6 kbit／s，使用51mini嵌入式仿真器則設置為115.200 kbit／s；選中所有Cache選項能加快仿真速度，選中“Stop Program Execution with Serial Interrupt”，使仿真調試時能正常停止程序。在調試C51或匯編程序時，應在程序主函數前面加入圖5所示的代碼，使用51mini嵌入式仿真器則將0x0023（0023H）改為0x003B（003BH）。生成機器碼文件時，加入的C51或者匯編代碼都可以刪除。

圖4 硬件仿真Keil uVision設置方法

圖5 硬件調試時程序中加入的代碼

2.3 目標文件下載方法

源程序代碼經過調試，沒有語法錯誤和邏輯錯誤后，可將其編譯生成擴展名是Hex的目標文件（機器碼），再將目標文件下載（燒錄）進單片機，單片機才能脫離計算機獨立運行程序。在計算機端運行STC－ISP或SST EasyIAP11F下載軟件，可通過計算機串口分別給宏晶公司和SST公司的51系列單片機下載程序，讓初學者掌握ISP原理。

3 實驗結果與應用效果

設計的實驗箱照片見圖6，它可以順利完成表1中的18個實驗項目，批量生產的成本約六七百元，低于市場上同類型的單片機教儀產品。

圖6 實驗箱照片

在課堂理論教學中，使用自制的單片機實驗箱，再結合計算機上運行的Keil uVision軟件，可以在計算機上對設計的程序代碼進行單步跟蹤，同時讓學生在實驗箱看到運行結果，通過“軟硬兼施”使學生真正領悟單片機知識。同時，模塊化設計的實驗系統有利于教師改革教學方法，從傳統的純理論教學改為理論與實踐并重的項目教學，取得較好的實踐效果［11］。

在實驗教學中，使用自制的模塊化實驗箱，學生可以自主選擇實驗項目內容。如：輸入接口實驗，可以根據自己的能力選擇自鎖開關、獨立按鍵和矩陣鍵盤中的一個或者多個；輸出接口實驗，同樣可以選擇LED數碼管、點陣和液晶中的一個或者多個。學生在實驗過程中通過連線，可以加深對硬件知識的理解。模塊化設計的實驗箱，還有利于充分發揮學生的主觀能動性，讓學生自主設計實驗項目以完成綜合性、設計性實驗。該實驗箱還可以作為學生參加大學生電子設計競賽、挑戰杯競賽的賽前訓練之用，以學促賽，以賽促學［12］。

4 結束語

自制的單片機實驗箱可實現仿真、下載與實驗3種功能，滿足單片機課程理論教學與實驗教學的要求，同時可對學生的課外科技活動提供有益的幫助。自制教儀可以彌補通用教儀靈活性和適應性不足的缺點，而且可以體現出教師的教學理念、工程經驗和教學獨創性，有利于培養學生的動手能力和創造能力，提高學生學習理論知識的積極性，有效節約實驗室建設經費［13－14］，獲得學生和同行教師的廣泛好評。根據教學需要自制物美價廉且方便實用的教學儀器，是工科院校應用性課程實驗教學的一種可選之路。本設備的研制成功，對同類型的工科專業實驗室建設有一定的參考意義。

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