單片機實驗教學平臺的改進設計與實現(xiàn)

【摘要】本文主要闡述了現(xiàn)有單片機實驗教學平臺的不足，并針對實驗室現(xiàn)有單片機實驗平臺的不足之處，提出了相應的改進設計。

【關鍵詞】單片機實驗平臺;改進設計;實現(xiàn)

1.現(xiàn)有實驗教學平臺存在的不足及改進設計方案

現(xiàn)有實驗教學平臺中，單片機芯片各引腳在印制電路板上已經和對應的模塊固定好了，在這種固定模式下，學生設計邏輯電路的空間很小，不利于學生深入思考和創(chuàng)新。學生做實驗時，只要按照商家定義好的電路連接，在實驗指導書的指導下，正確輸入和操作，便能得到正確的結果。這樣的實驗過程很難激發(fā)學生參與實驗的熱情和興趣，往往會出現(xiàn)應付實驗的現(xiàn)象，達不到開設實驗的目的。會做實驗和會設計系統(tǒng)之間的差距很大。為了提高學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，針對實驗室現(xiàn)有單片機實驗平臺的不足之處，本實驗教學平臺在以下兩個方面做了相應的改進：

（1）本實驗教學平臺采用開放式系統(tǒng)結構設計，各個模塊在平臺上是相互獨立的。在改進的實驗平臺上，每個模塊都有獨立的輸入和輸出接口，學生需要哪個模塊就可以通過連接線和轉換板搭接起來，暫時用不上的模塊可以斷開。這樣既可以避免模塊之間的相互干擾，也方便學生根據(jù)自己的實際需求來搭建電路，為學生提供了自主設計的空間。

（2）考慮到單片機實驗系統(tǒng)內容的完整性和趣味性，本章在原有實驗平臺的基礎上進行了模塊的添加與改進，主要包括步進電機和繼電器驅動模塊、16*16點陣模塊等。下面將詳細闡述各模塊的改進設計與實現(xiàn)。

圖1 單片機端口連接圖

2.改進的實驗教學平臺各模塊設計

本實驗教學平臺要求系統(tǒng)具有開放性，單片機的I/O資源要得到充分的利用。因此，AT89C51單片機芯片的各端口沒有固定在印制電路板上，而是與相應的輸入和輸出接口相連。做實驗時，學生可通過連接線和轉換板靈活的選擇單片機端口搭建電路，實現(xiàn)了資源的充分利用。單片機端口的連接如圖1所示。

2.1 步進電機和繼電器驅動模塊設計

單片機各引腳提供的電平是無法驅動步進電機和繼電器的，故本課題增設了步進電機和繼電器的驅動電路模塊，該模塊選用了ULN2003芯片驅動。ULN2003由一組達林頓管組成，有16個腳共7路驅動。引腳功能是：1～7腳為單片機脈沖輸入端;8腳為接地端;9腳為內部7個續(xù)流二極管負極的公共端;16～10腳為脈沖信號輸出端，與1～7腳的輸入端一一對應。該模塊用P0.0驅動一個繼電器，P0.0接ULN2003的1腳，ULN2003的16腳接繼電器線圈的一端， 繼電器線圈的另一端接+5V電源。當P0.0為高電平時，繼電器吸合;當P0.0為低電平時， 繼電器釋放。電路原理圖如圖2所示。

圖2 步進電機和繼電器驅動模塊電路

2.2 16*16點陣模塊設計

LED顯示屏是一種新型的顯示媒體，是當今大屏幕顯示的主流產品，它具有亮度高、使用壽命長、顯示內容多樣、色彩豐富、對室內外環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，在各行業(yè)得到了廣泛的應用。因此，為了讓學生能夠很好的掌握用單片機控制LED顯示屏的能力，本實驗教學平臺增加了16*16點陣電路模塊。該模塊采用RS232接口的第3腳（TXD）由計算機向控制電路發(fā)送字符或漢字內碼;該內碼被存儲在控制電路中，控制電路找出對應該內碼的點陣，然后向驅動電路發(fā)送行列選通信號;根據(jù)行列選通信號，顯示驅動電路負責向指定LED提供驅動電流。采用串行的方法，控制電路可以是一根信號線，將列數(shù)據(jù)一位一位地傳到列驅動器，在硬件方面是十分經濟的。解決串行傳輸中數(shù)據(jù)準備和列數(shù)據(jù)顯示的時間問題，可以采用重疊處理的方法。這種方法需要列數(shù)據(jù)的顯示具有鎖存的功能。因此，該模塊選用帶鎖存輸出的8位移位寄存器74HC595作為LED顯示屏的列線驅動輸入。它是由各自獨立控制的一個8位串入并出的移位寄存器和一個8位輸出鎖存器構成，可以實現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)。

圖3 16*16點陣模塊電路

該模塊使用了4塊74HC595和4塊8*8點陣構成一個16*16點陣，可以完整的顯示一個漢字。P1.0與74HC595的DS端相連，輸入串行數(shù)據(jù);P1.1與SH_CP端相連，提供移位時鐘信號;P1.2與ST _CP端相連，提供鎖存時鐘信號。上一級74HC595芯片的Q7端與下一級74HC595芯片的DS端相連，實現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)（即達到重疊處理的目的）。U16、U17、U18、U19芯片的Q0～Q7端用來驅動16*16點陣對應的行和列。電路如圖3所示。

參考文獻

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[2]陸婷，蘭國原，杜月林.基于Proteus的單片機虛擬實驗室的構建[J].國外電子測量技術，2007（8）：24-26.

作者簡介：雷媛媛（1979—），女，碩士，講師，主要從事電子信息方面的應用研究和教學工作。