基于STC15F2K60S2單片機模塊化教學載體設計

作者/趙興宇，武漢城市職業學院

基于STC15F2K60S2單片機模塊化教學載體設計

作者/趙興宇，武漢城市職業學院

在目前單片機課程實踐教學中，大多數院校使用的教學載體主要集中在實驗臺、實驗箱和實驗板三種。三者各有優點，但都有一個共性問題就是將各部分功能模塊都集中在一起，集成化程度高，不利于學生系統學習單片機知識。本文介紹以STC15F2K60S2單片機為核心的模塊教學載體設計，將高集成度的教學載體按照功能分解成一個個獨立模塊，然后通過接口又可以將這些獨立的模塊組成一個大的單片機系統，從而徹底解決實踐教學過程中高集成度的教學載體存在的弊端，使學生能更加全面、系統的學習單片機知識。

教學載體；模塊化；核心

1.設計目標與要求

根據目前單片機實驗平臺以及單片機課程教學實際情況，結合企業針對電子產品設計崗位所對應的典型工作任務—“單片機應用軟、硬件設計”所需的知識、能力及素質，以應用性和適用性為出發點，設計一套適合高職電子信息工程技術、應用電子技術、電氣自動化技術等專業的單片機模塊化教學載體，以解決在單片機教學中存在問題。

本套模塊化教學載體主要的設計指標如下：

（1）控制核心：采用STC公司STC15系列單片機。

（2）模塊包括：單片機最小系統模塊、I/O控制模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、數據采集模塊、點陣模塊、電機驅動模塊、蜂鳴器及繼電器模塊。

（3）包含程序下載電路，無需使用下載器下載程序。

（4）電源：采用電腦USB直接供電，實現一條USB線完成供電及程序下載。

2.模塊化教學載體總體結構

根據所包含的模塊，系統總體的結構如圖1所示。整套模塊化教學載體以STC15系列單片機為核心組成單片機最小系統模塊，外圍可以控制I/O控制模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、數據采集模塊、點陣模塊、電機驅動模塊、蜂鳴器及繼電器模塊，整套教學載體由8個模塊組成。

圖1 系統總體結構

3.主要芯片選擇及各模塊硬件電路組成

■3.1 微處理器選型

微處理器選擇STC15F2K60S2單片機，STC15F2K60S2系列單片機是STC生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/高可靠/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，比傳統8051速度快8-12倍[1]。STC15F2K60S2單片機具有60K的Flash程序存儲器、2K的SRAM，具有兩組高速異步串行口、3路CCP/PWM/PCA、8路高速10位A/D轉換器還有1組高速同步串行通信端口SPI。

■3.2 單片機最小系統模塊

單片機最小系統主要完成程序下載、向各模塊供電及控制各模塊工作的作用，是控制核心。為了使用方便，系統中電源直接采用計算機USB口直接供電。下載電路采用PL-2303SA、SOP8封裝的USB轉串口芯片，由于STC15F2K60S2系列單片機內部集成高可靠復位和高精度時鐘，因此可以省掉傳統51單片機構成的單片機最小系統電路中的復位電路和時鐘電路，使電路結構更加簡潔。但為了提高抗干擾能力，在芯片VCC和GND之間需加上去耦電容。將單片機全部I/O引腳擴展引出，方便與各模塊直接連接，完成相應的控制。

■3.3 I/O口控制模塊

I/O控制模塊由16個LED構成，主要完成I/O口輸出的控制。電路采用兩種方式驅動LED，在共陰電路中，由于直接使用I/O口是無法使LED點亮的，因此在共陰電路中加入74HC573驅動芯片。

■3.4 顯示模塊

顯示模塊由四位一體數碼管、1602液晶接口、12864液晶接口組成，主要完成相應的顯示功能，數碼管連接使用單排圓孔IC座，使數碼管更換更加方便，數碼管驅動采用74HC573芯片，1602和12864液晶接口使用2.54mm間距排母，方便插拔。

■3.5 鍵盤模塊

鍵盤模塊由4×4矩陣鍵盤和4個獨立按鍵組成，主要作為I/O口的輸入設備，可以配合其它模塊完成相應的功能。鍵盤模塊的按鍵采用四角輕觸開關，為使用方便選用12mm×12mm×6mm輕觸開關，本模塊可與I/O口控制模塊以及顯示模塊配合使用。

■3.6 數據采集模塊

數據采集模塊包括自帶10位A/D采集和16位A/D芯片兩個部分。由于STC15F2K60S2系列單片機內部集成了8路10位高速A/D轉換器，因此在外部無需更高精度的A/D采集時，可以直接使用內部A/D。除自帶A/D外，還包含了一個16位A/D轉換芯片ADS115，用做高精度數據采集。

■3.7 點陣模塊

點陣模塊由四個8×8點陣構成16×16點陣，可以顯示圖形和漢字。行和列掃描使用74HC595芯片進行驅動，可完成圖形和漢字顯示的相關實驗。

■3.8 機驅動模塊

電機驅動模塊包括步進電機驅動電路和直流電機驅動電路。步進電機驅動電路使用ULN2003芯片，直流電機驅動則使用L298N芯片進行驅動，可以完成電機控制相關實驗。

■3.9 蜂鳴器及繼電器模塊

蜂鳴器和繼電器作為單片機常用的報警單元和控制大電流器件被廣泛使用。蜂鳴器和繼電器控制分別采用三極管驅動方式和ULN2003芯片驅動方式，電路結構簡單實用、控制簡單。

4.系統的基本功能及工作原理

本套模塊化教學載體以“核心+模塊”形式開展教學，“核心”指的是單片機最小系統模塊，任何實驗都需要此模塊，強化學生對單片機控制核心的概念，“模塊”則指的是除了單片機最小系統模塊外其它七個模塊。這樣的組合形式下，教師可以根據不同的專業對單片機教學的要求的不同，選擇不同的模塊開展教學，并且獨立的模塊在電路結構上簡單，講解更具有針對性，可以讓學生更好的學習單片機知識，除了“核心+模塊”的形式外，還可以根據系統復雜程度使用“核心+模塊1+模塊2”的形式，如“單片機最小系統+鍵盤模塊+顯示模塊”就可以完成一個較復雜的簡易計算器的功能。因此在基礎教學時，可以選擇“核心+模塊”的形式開展教學，更有利于理解和掌握，而進行綜合訓練時，可以選擇多個模塊間的組合來進行開展教學，讓復雜的單片機系統通過“搭積木”的方式得以實現，使學生從“核心—模塊—系統”由簡單到復雜、由易到難，系統的學習單片機知識。

此外本系統中的單片機最小系統模塊提供了豐富的接口電路，使用者可以進行更多的擴展性實驗，在技能大賽中也可以直接拿來使用。本系統可以完成LED循環類實驗、顯示類實驗、鍵盤類實驗、數據采集類實驗、定時器/中斷類實驗、電機驅動類實驗、串口通信實驗等七大類實驗，每大類試驗中又可以進行若干個小實驗，可滿足絕大部分專業對單片機課程的要求。

5.結語

模塊化教學載體從根本上解決了單片機課程以往高集成度實驗設備在教學過程中存在的弊端，模塊教學載體將復雜的單片機系統以一個個獨立模塊的形式呈現給學生，電路結構簡單，給交“教”和“學”都帶來了新的形式，使學生可以從易到難、從簡單到復雜的系統性的學習單片機知識。

* [1]宏晶科技公司.STC15系列單片機器件手冊念[P]. 2015.

* [2]肖遼亮,張文初,熊異,等.基于工作過程的高職應用電子技術專業人才培養方案與核心課程標準[M].北京:高等教育出版社,2008.

* [3]丁向榮.《增強型8051單片機原理與系統開發（C51版）》[M].北京:清華大學出版社,2013

2015年武漢市教育局教學研究課題“高職電子類專業單片機課程模塊化教學載體的開發”，課題編號：2015134