雙核心單片機教學實驗箱的設計與開發

摘?要：為了增加單片機實驗箱的功能性，解決單片機分層次教學，作者設計與開發了一款多功能、雙核心的單片機教學實驗箱。該實驗箱采用了傳統51單片機和高性能STM32單片機作為控制核心，具有“單片機硬件認知”“單片機基礎實踐”“綜合拓展”和“二次開發”功能，可較好地應用于51單片機教學實驗、STM32教學實踐、電子競賽等活動。

關鍵詞：雙核心;單片機;STM32;實驗箱

目前，單片機教學實驗箱仍大多采用傳統8051 內核的單片機作為開發對象，而市場上流行的高性能單片機應用于實驗平臺的卻較少。為了增加單片機實驗箱的功能性，解決單片機實驗分層次教學，本文采用了“一塊硬件電路板雙控制核心”的方案，設計與開發了一款雙核心、多功能的單片機教學實驗箱。[1]

1 單片機教學實驗箱的設計

1.1 單片機實驗箱總體設計

單片機教學實驗箱以51單片機+STM32單片機為控制核心，由“硬件認知”、“基礎實踐”、“綜合拓展”和“二次開發”四大板塊組成。

1.2 單片機實驗箱主控芯片

單片機教學實驗箱具有51單片機和STM32兩個控制核心。51單片機主控芯片：本實驗箱選擇國產宏晶科技公司的高速/低功耗的STC89C52單片機。[2]該芯片擁有的靈巧的8位CPU和在線可編程Flash，使其在高校教學實驗平臺得到了廣泛使用。STM32單片機主控芯片，本實驗箱選擇ST公司開發的STM32F103ZET6芯片。該芯片采用超低功耗的 ARM處理器內核，芯體尺寸32位，速度可達72MHz，運算速度比8051快得多;具有硬件資源豐富、低價格、低功耗、高性能等優勢，能夠在經濟型產品上實現先進且復雜的功能。

1.3 單片機實驗箱控制單元的設計

1.3.1 單片機硬件認知板塊

本實驗箱硬件認知板塊主要包括三個方面：（1）將硬件電路原理圖印制在了實驗箱內蓋上，便于學生一打開實驗箱就可以直觀地觀察電路原理。（2）將電路典型元器件進行插入式連接，便于實物認知。[3]（3）將電路引腳分配印制在電路板絲印層上，便于硬件接線和軟件編程。

1.3.2 單片機基礎實踐板塊

單片機實驗箱采取模塊式設計思想，主要由LED流水燈、數碼管、蜂鳴器、按鍵、液晶顯示、點陣、繼電器、實時時鐘、EEPROM、溫度傳感器、紅外接收，共11個獨立基礎模塊組成，如圖1所示。

51單片機和STM32作為兩個獨立的控制核心，可以分別實現對以上11個基礎模塊的控制。

1.3.3 單片機綜合拓展板塊

在51單片機和STM32的雙核心控制下，將基本板塊的11個基礎模塊，按不同的控制需求進行任意組合，可以完成多種綜合拓展實驗。例如：組合LED流水燈+數碼管模塊，可以實現交通燈倒計時功能;組合液晶顯示+按鍵+蜂鳴器模塊，可以實現病房呼叫或音樂盒功能;組合液晶顯示+溫度傳感器+繼電器模塊，可實現溫度自適應調整等功能。[3]

1.3.4 單片機二次開發功能的設計

單片機實驗箱采取易擴展的設計思想：將51單片機和STM32的所有I/O引腳通過排針形式全部引出，方便對系統的擴充和二次開發。[4]在每個教學單元，引導學生自主焊接一些小的控制單元，例如交通燈控制單元、電機驅動單元、舵機控制單元等。讓學生將個人作品通過排線與實驗箱I/O引腳進行連接，驗證個人控制單元功能，增加學習興趣。

2 單片機教學實驗箱設計成果

設計完成的雙核心多功能單片機教學實驗箱硬件電路板如圖2所示。

3 結語

文中對雙核心單片機教學實驗箱的設計經驗和做法進行了分享。該實驗箱可實現硬件認知、基礎實踐、綜合拓展和二次開發等功能，可同時滿足傳統51單片機和STM32的教學實驗和競賽等創新實踐活動。

參考文獻：

[1]梁璐，潘麗.多核心單片機實驗箱設計實現[J].電子設計工程，2014，22（14）：110-112+116.

[2]白龍，劉玉良，孫屹琛，武陽陽，程健愉，黃磊.基于STC89C52的單片機實驗開發板設計[J].科學技術創新，2018（05）：188-189.

[3]黃俊梅，羅丹妮，南楠.多功能模塊式單片機教學實驗箱的設計[J].信息與電腦（理論版），2019（06）：85-86+91.

[4]王仁彪，王亞麗，王奉良.基于模塊化的51單片機實驗套件的設計與開發[J].中國新通信，2017，19（14）：138.