基于獨立院校課程改革的單片機綜合實訓板設計

潘玉榮 張道德

摘 要：該文針對獨立院校單片機原理及應用課程改革，設計了一款單片機綜合實訓板，旨在培養適合社會需求的應用型人才。綜合實訓板主要由按鍵、流水燈、數碼管顯示、繼電器控制、AD/DA、電位器阻值采集、步進電機控制及串口通信等模塊構成。學生由電路分析入手，繪制電路原理圖、焊接PCB印制電路板、編寫各個模塊控制程序，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：單片機 數碼管顯示模塊 電位器阻值采集

中圖分類號：TP391.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（a）-0116-03

近年來，國家推行獨立院校改革，獨立學院以培養應用型人才為目標，重視學生的實踐動手能力和創新思維的培養[1]。《單片機原理與應用》是一門實踐性、應用性很強的課程，普通高校的單片機課程教學方法，導致學生學習的困難，掌握專業技能有限，將來走上社會競爭力不足[2]，重視實踐教學環節才能切實提高學生的動手能力。該課題針對獨立院校單片機課程教學方法實踐性改革，設計了一款適用于獨立院校學生的單片機綜合實訓板。

學生由電路分析入手，繪制電路原理圖、焊接PCB印制電路板、編寫各個模塊控制程序，最終以此作為課程考核依據，讓學生掌握專業技能，提高動手能力。

1 實訓板總體方案設計

課題對獨立院校單片機原理及應用課程的教學大綱、課時（36學時）、教學方法（實踐教學）、考核方法（以綜合實訓編程結果為課程考試成績）和單片機實訓板的使用對象（基礎為零的學生）綜合考慮，要求這款實訓板層次性要強。其教學模塊有較為簡單入手的獨立按鍵模塊、流水燈模塊、光電隔離輸入輸出模塊、繼電器隔離控制模塊；相對復雜的模塊有動態數碼管模塊、矩陣鍵盤接口模塊、蜂鳴器演奏模塊、AD/DA模塊、點陣LED屏漢字顯示模塊、串口控制模塊等；綜合性能較強的有繼電器控制直流電機模塊、步進電機開環控制模塊、電位器阻值采集模塊等。

針對上述所有模塊，進行分類綜合，可分為三種教學方案：（1）電位器阻值采集及顯示綜合實訓方案；（2）按鍵控制直流電機啟動、停止綜合實訓方案；（3）按鍵控制步進電機調速、并將速度顯示綜合實訓方案。該文將針對電位器阻值采集及顯示綜合實訓方案進行詳細介紹。該方案選取流水燈模塊及獨立按鍵模塊作為簡單入手模塊，動態數碼管模塊、AD模塊作為入門提高模塊，電位器阻值采集模塊作為綜合實訓及考核模塊，系統功能模塊結構如圖1所示。

2 綜合實訓板硬件設計

下面對電位器阻值采集、顯示綜合實訓方案的硬件模塊進行介紹。

2.1 單片機最小應用模塊介紹

單片機型號為ATMEL公司生產的AT89S52單片，它是一款低功耗、高性能8位微控制器，具有8K系統可編程Flash存儲空間[3]。其價格便宜，性能穩定，完全符合單片機教學大綱的要求。系統直接選用現成的USB-Blaster下載器，用于供電和程序下載調試，因此，將電源模塊和USB下載模塊省略，使得實訓板更加簡單，方便后期學生設計與調試。AT89S52單片機晶振為12 MHz，高電平復位。單片機P0、P1、P2、P3口分別引出8路接口，以便單片機與其他模塊用插線連接。其中，P1口并聯一個8路排阻RA1，使用灌電流增加P1口的驅動力。由于按鍵和流水燈通常用于系統的檢測、調試，是單片機系統必不可少的部分，因此按鍵模塊與流水燈模塊和單片機最小系統結合起來構成了單片機最小應用系統。

2.2 動態數碼管顯示模塊

實訓板中，選用四位七段共陰極數碼管作為顯示器。共陰極數碼管若不加驅動集成塊，則必須加680Ω的上拉電阻；若加驅動集成塊，選用74LS244、74LS245、CD4011、74LS240等，可不用串聯限流電阻，也不必接上拉電阻；若選用74LS06、74LS07等集電極開路輸出的集成電路，必須加680Ω的上拉電阻（不接不亮），不能串聯限流電阻（串了不亮）。而在實際上680 Ω的電阻可在470 Ω～1 K之間選擇。所以電路中選74LS245和74LS07分別為單片機段選和位選驅動芯片。

2.3 A/D模塊

A/D轉換接口是傳感器接口通道中的一個重要環節，其任務是從一個或幾個信號源中采集模擬信號，并將其轉換成二進制數字信號。TLC0832是美國TI公司推出的8位逼近型的串行A/D轉換器，其體積小，引腳少，與微處理器接口電路簡單、編程方便[5]。

圖2中，RC2為電位器（即滑動變阻器），其阻值電壓模擬信號通過CHO傳到TLC0832芯片，轉換為TTL電平信號，由J2接線端子傳送到單片機，實現了電位器阻值采集的功能。

3 綜合實訓軟件設計

在確定學生綜合實訓板硬件電路設計、焊接都沒有問題之后，要求學生分別將單片機最小應用模塊、數碼管顯示模塊、A/D模塊的調試程序編寫出來并驗證正確，最后要求學生將所學的知識糅合起來，編寫一個綜合實訓程序，作為課程最終考核成績。這樣可以達到鞏固知識、提高學生專業能力和動手能力的目的。因各個模塊的調試程序比較簡單，這里就不再介紹，下面是對綜合實訓程序的講解。

綜合實訓要求：（1）LED七段數碼管能實時顯示電位器的阻值；（2）按下按鍵1，LED流水燈集體亮1 s，滅1 s，重復循環；（3）按下按鍵2，LED流水燈依次間隔1 s點亮，在全部點亮后延時1 s全部熄滅，再延時1 s后LED流水燈又依次間隔1 s點亮……如此重復循環。

3.1 電位器實際阻值的計算

TLC0832是8位A/D轉換器，其通過DO傳送到單片機的二進制數值并不是真的電阻阻值大小，其大小可以通過公式1計算得到：

其中SingleVoltage為測量電阻的阻值大?。?/p>

ValueRead為單片機接受到來自TLC0832信號得二進制值大小；

R為圖2中RC2最大阻值，圖中為10 KΩ。

3.2 綜合實訓程序設計

圖3中，電路板上電后，程序開始運行。首先對電路板進行初始化，如定時中斷初始設置（定時時間為5 ms），全局變量的初始值設置等。隨后主程序判斷全局變量空閑任務運行標志t1msflag是否等于0，若等于0則表示任務完成，原地等待；若等于1，則表示任務繼續向下執行。程序通過全局變量flag實現任務分時操作，每時段時間為5 ms，由定期中斷T0來實現，當flag=0時，執行電位器阻值采集任務；當flag=1時，執行電位器阻值顯示任務；當flag=2時，則對按鍵值變量key進行讀取判斷，若key=1，則執行流水燈集體閃爍任務，若key=2，則執行流水燈依次點亮任務。任務執行完成后則進入空閑任務，等待中斷時間的到來。在中斷程序里對定時器T0重新裝載初值，對變量flag進行加1求余運算，對空閑任務標志t1msflag置1，以便退出中斷后，刷新下一個任務。

4 結語

該文針對獨立院校單片機原理及應用課程教學改革，設計了這款單片機實訓板。綜合實訓板主要由按鍵、流水燈、數碼管顯示、AD/DA、步進電機控制及串口通信等模塊構成。以獨立院校學生為使用對象，在36個學時里，需教會學生使用Protel軟件繪制電路圖、焊接、調試電路板、編寫綜合實訓程序。該款單片機實訓板不僅包含了單片機教學大綱要求的所有內容，且學生入門、操作使用容易，教學效果反應良好。

參考文獻

[1] 胡明.獨立學院應用型本科單片機課程體系教學改革探討[J].通訊世界，2015（23）：281.

[2] 盂雷.應用型本科院校單片機實驗教學改革探討[J].現代商貿工業，2013，25（8）：129-130.

[3] AT89S52 device data sheet[Z].2004.

[4] 于永，戴佳.51單片機C語言常用模塊與綜合系統設計實例精講[M].北京：電子工業出版社，2007.

[5] 楊光友，朱宏輝.單片微型計算機原理及接口技術[M].北京：中國水利水電出版社，2004.