基于STC15單片機的模塊化智能小車實訓平臺開發

施蕓 楊曉艷 雷剛 彭林

（四川工程職業技術學院 四川省德陽市 618000）

單片機在工業控制、汽車電子、信息通信、家用電器等多個領域應用十分廣泛，單片機相關課程已成為很多應用型本科和高職院校電子、電氣和機電類專業的重要專業技術課程[1][2]。學生在單片機學習過程中，須通過大量實踐才能完全理解單片機的結構及工作原理，熟練掌握外圍電路設計、程序設計、調試工具使用等知識和方法，最終才能具備開發應用的基礎能力，因此一款能調動學生學習興趣，又適應當下碎片化學習方式的實驗裝置對單片機的學習非常重要[3][4]。目前，單片機實驗解決方案以實驗箱和開發板兩類為主，文獻[5]提出了一種基于“STD 總線+疊合式模塊”設計思路的單片機實驗箱，文獻[6]設計了一種適合項目教學法的多功能單片機實驗箱，文獻[7][8]從尺寸小巧，便于攜帶的角度出發，設計了以開發板為呈現方式的實驗平臺。總的來說，實驗箱功能較全面、集成度高、可實現的實驗項目較多，但價格較昂貴。開發板便于攜帶、較便宜，但實驗項目有限、被控對象簡單。

本文介紹一款以STC 增強型51 單片機IAP15W4K61S4 為核心控制器，集通用性、可拓展性、競賽性、趣味性、便攜性于一體的模塊化結構的智能小車實訓平臺。既能滿足單片機各階段的學習需求，也能滿足翻轉課堂、小組學習、項目化教學等課堂革命需要，能有效提高學生的學習效率，更好地培養實踐和創新能力。

1 實訓平臺整體規劃

實訓平臺以智能控制小車為載體，采用模塊化結構，各組成部分通過插接件連接，并采用隔離柱固定安裝，可根據需要更換或添加功能模塊。智能小車實訓平臺的實物圖如圖1 所示，各組成部分具備的功能如下：

（1）小車車架：小車采用左、右輪獨立驅動，安裝于車架四周。車架尾部安裝鋰電池，車架前后預設多個外圍擴展模塊安裝孔位，可極大滿足平臺擴展功能模塊的安裝需求。

（2）電源及電機驅動模塊：電源模塊為單片機、控制單元及電機提供能源。電機驅動控制模塊電路采用經典的H 橋驅動電路，以實現小車的運動控制。

（3）I/O 擴展板：該部分除了具備聲音檢測、蜂鳴器、顯示/按鍵接口、RS232、SPI、模擬I2C、PWM 等模塊電路外，還盡可能地預留了可用的I/O 端口，以便外擴模塊使用。

（4）主控核心板：主控電路模塊采用單片機最小系統設計，所有端口通過插針與I/O 擴展板相連。此設計的目的是為了方便地更換不同類型和型號的單片機，以達到單一平臺完成多系統實驗的目的。

（5）按鍵/顯示模塊：用于實現人機交互功能。主要用于數碼管顯示、按鍵輸入。該模塊接口與LCD1602 液晶顯示模塊接口兼容，以便完成不同顯示模塊實驗。

圖1：智能小車實物圖

圖2：USB 接口的ISP 端口電路圖

圖3：項目任務模塊示意圖

通過模塊化結構設計，實訓平臺既滿足單片機內部結構、I/O端口、寄存器、功能模塊、指令系統、編程調試等基礎知識的學習和技能訓練，又可用于項目化課程設計或專周實訓，進而開展一些寓教于樂的競賽活動，將課前課中課后、理論與實踐、基礎與進階等階段很好地串聯起來，能較全面的滿足單片機相關課程的教學需求，并為后續學習32 位嵌入式系統開發或其他控制類課程奠定堅實基礎。

2 實訓平臺硬件設計

實訓平臺包括基本功能模塊和擴展功能模塊兩大部分。基本功能模塊由主控核心、I/O 擴展（聲音檢測、A/D 輸入、通信端口）、電源及電機驅動、人機接口等模塊構成，擴展功能模塊通過通信端口（SPI、模擬I2C、串口）及預留I/O 連接系統，并根據需要安裝使用。

2.1 主控核心板

核心板采用最小系統設計方式，單片機的I/O 端口通過插接件與I/O 擴展板連接，以方便更換不同類型或型號的單片機。本文介紹的核心板選用宏晶科技(STC)推出的增強型51內核IAP15W4K61S4 單片機作為主控芯片。單片機片內集成4KSRAM、61KFlash 存儲空間，具備5 個定時/計數器、8 路10bit的A/D、8 路PWM、4 路獨立串口、1 路SPI 高速接口等接口資源。單片機具備7 種復位方式，高可靠復位電路和較強的抗干擾能力，除外接時鐘外，還具備高精度R/C 內部時鐘（±0.3%），可編程實現5-30MHz 的系統工作時鐘，通過1 路串口可實現ISP（In System Programmability，在系統編程）功能，能很方便地實現程序仿真、調試、下載等操作[9]。

2.2 I/O擴展板

實訓平臺通過I/O 擴展板進行單片機I/O 端口的功能擴展。除了用于固定功能的I/O 端口之外，還預留了多個通用I/O 端口，可根據不同需求實現串口、PWM 信號、A/D 輸入、中斷等功能，便于擴展模塊連接和使用。

I/O 擴展板配備USB 轉RS232 轉換電路，電路原理如圖2 所示，采用CH340 芯片與串口1（P3.0/P3.1）相連[10]，實訓平臺可直接與電腦的USB 端口連接，進行單片機程序開發。

2.3 電源及電機驅動

平臺具備鋰電池和外接穩壓電源兩種供電方式。供電電源輸出額定電壓7.4V，直接作為電機驅動電源，然后通過穩壓芯片LM1117-5 輸出5V 電壓，提供給I/O 擴展版及核心板使用。

智能小車選用額定電壓6V，額定轉速210r/min，減速比為1:34的小功率直流減速電機。電機自帶編碼器，分辨率為341PPR，具有較高的準確度和穩定性。

小功率直流電機常采用PWM 脈沖控制的分離功率器件構成的H 橋或集成H 橋組件的方式進行調速控制[11]-[13]。可方便通過H 橋進行電機正反轉控制，并通過邏輯門實現硬件邏輯互鎖，防止H 橋臂出現直通短路。

2.4 人機接口

人機接口部分采用四個獨立式按鍵及四位七段LED 共陽數碼管作為顯示電路。單片機P7 端口作為共陽數碼管數據輸入端，P6端口用于共陽數碼管公共端控制和按鍵輸入檢測。

按鍵輸入檢測電路采用二極管D5～D8 實現“與”邏輯，然后接入P3.3 端口電路，可實現中斷檢測按鍵動作功能。此外，該模塊端口完全兼容LCD1602 字符型液晶顯示屏。

3 實訓平臺在教學中的應用

實訓平臺在我院主要承擔著電類專業嵌入式系統相關課程的實踐教學、學生課外創新能力訓練、各類參賽訓練的任務。目前，依托平臺已開發的主要項目任務模塊，如圖3 所示。

教學過程中，學生從小車車體的組裝入手，結合主流單片機開發軟件Keil，逐步在項目式教學的引導下完成硬件和軟件的設計任務。同時，可利用仿真軟件Proteus 進行輔助虛擬仿真驗證，能有效解決實驗時間、實驗場地受限的問題。

在學生課外創新方面，車體模塊化的結構設計提供了靈活設計空間。其中主控板設計為最小系統，支持從標準51 到增強型51 單片機，再到STM32 等ARM 內核的控制器，將相關行業的新技術、新工藝的發展引入到課程教學中來，為學生的課外創新能力訓練和各類參賽訓練提供了良好的平臺。

4 結束語

本文所設計的模塊化智能小車實訓平臺，根據課程培養目標，從硬件搭建和程序設計兩方面入手，通過項目式教學，全面體現課程軟硬結合的特點。從而激發學生學習興趣入手，本著“以學生為本”的理念，服務于學生實踐與創新能力的培養。從教學效果來，智能小車運行穩定、可靠、易于操作、便于攜帶，極大程度上激發了學生的學習積極性和主動性，開拓了學生的視野。從教師的教學能力提高來看，課程組教師在省級和國家級教學能力大賽中均有獲獎。而學生方面，通過利用小車進行課內學習，課外拓展，賽前培訓，在所參加的全國大學生電子設計大賽中均多次取得佳績。