淺析學(xué)生自制單片機(jī)實驗板的意義

摘要：《單片機(jī)原理及實訓(xùn)》是電子技術(shù)專業(yè)的一門動手能力要求很強的課程，只有在實驗板上才能很好的理解和學(xué)好它， 但是學(xué)生只能在實驗室才能使用到實驗板，運用仿真軟件有時也不能達(dá)到很好的效果，只有自己設(shè)計制作簡單的實驗板，才能方便學(xué)習(xí)，況且造價不高，可以達(dá)到綜合實訓(xùn)的目的。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 實驗板

電子技術(shù)專業(yè)中《單片機(jī)原理及實訓(xùn)》是非常重要的一門綜合課程，學(xué)好它可以在以后的就業(yè)中發(fā)揮重要的作用。但是同學(xué)們在課后自學(xué)時，不能在實驗板上對自己所設(shè)計的電路和程序進(jìn)行充分的驗證，是因為學(xué)生自己沒有實驗板，雖然仿真軟件能起到一定的作用，有時在效果上不如實驗板那么逼真，還可能還會出現(xiàn)誤導(dǎo)現(xiàn)象。故在學(xué)習(xí)中有自己的實驗板就顯得相當(dāng)重要。

1 學(xué)生自制單片機(jī)實驗板的意義

1.1 可以在課后驗證自己設(shè)計的電路和程序。學(xué)生只在課堂上學(xué)習(xí)是不行的，課后還需要花大量的時間去復(fù)習(xí)和理解老師在課堂上講的內(nèi)容。

單片機(jī)是一門實踐性非常強的課程，要用實驗去驗證，如果沒有實驗器材，所設(shè)計的電路和編寫的程序是否正確就無法驗證，這對學(xué)習(xí)是不利的，如果有了實驗板問題就解決了。

1.2 可以把所學(xué)的《電子線路CAD》、《電子裝配與工藝》等課程加以綜合學(xué)習(xí)和鞏固。自己設(shè)計制作實驗板，可以把以前所學(xué)的知識，如PCB板的設(shè)計和制作、電子元件的選擇和安裝，充分綜合運用并檢驗這些知識的掌握程度，真正做到學(xué)以致用。

1.3 可以很好的理解單片機(jī)的硬件設(shè)計。通過自制實驗板可以很好理解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和用途，理解和掌握輸入和輸出系統(tǒng)，認(rèn)識和利用擴(kuò)展電路。

2 學(xué)生自制實驗板的可行性

2.1 有《電子線路CAD》和《電子裝配與工藝》等前期知識的儲備。①前期學(xué)習(xí)了電子裝配與工藝，對元器件的識別和選用都比較的熟悉，焊接技術(shù)也掌握的比較好，基本掃除元件的識別和安裝的障礙。②學(xué)習(xí)了PCB板的設(shè)計，單層板的設(shè)計是可以完成的。

2.2 電子元器件的購買和所需的費用對于學(xué)生來講也是可以承受的。元器件在市場上的店面可以采購，也可以在網(wǎng)上購買。整個做下來的費用大概在50元左右，PCB板我們可以采用萬能板，不需要制作PCB 板的費用，可能最貴的就是我們的主要芯片——單片機(jī)了（AT89S51、STC89C52等），也就是20元以下可以買到。其余的元件就比較便宜了。

3 具體的實施方案

3.1 單片機(jī)實驗板的內(nèi)容。

3.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計。單片機(jī)的最小系統(tǒng)：單片機(jī)、復(fù)位電路、外接晶振、電源和4個8位I/O口都需外接插件連接接口，這樣可以方便使用I/O口，也可以根據(jù)需要連接其他電路板。①單片機(jī)最好選用STC89C51，它存儲容量是（Flash ROM）有4K，RAM有256B，完全可以滿足學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計的需要。另外他可以直接利用軟件（STC-ISP-V397）把計算機(jī)上編譯的程序通過9口的連接線下載到單片機(jī)上。②電源可以用計算機(jī)的USB接口的5V電源，最好加上外接+5V的其它電源的接口，做好電源的指示燈。電源的正負(fù)極要多做幾個接口，方便對其它模塊的供電。③ISP在線下載?？梢酝ㄟ^計算機(jī)RS323的接口采用串行通信(MAX23)的方式在線下載我們編譯的程序到實驗板上。④I/O口采用插接的方式連接，連接線采用排線和單根線相結(jié)合的方式，可以方便靈活的運用。

3.1.2 輸出系統(tǒng)的設(shè)計。①兩位8段靜態(tài)顯示的輸出數(shù)字和簡單的字符，方便在開始學(xué)習(xí)的時候用于輸出顯示。②6位8段動態(tài)顯示的輸出?？梢杂糜诙辔坏娘@示和時鐘等實驗項目。③蜂鳴器輸出的方式可以用于音樂、簡單電子琴等實驗項目。④步進(jìn)電機(jī)的實驗可以在輸出系統(tǒng)中采用（如L293D）芯片來實現(xiàn)，直流電機(jī)用（如LG9110）芯片來實現(xiàn)機(jī)器人的運動等實驗項目。⑤單個發(fā)光二極管的輸出方式可以實現(xiàn)模擬交通燈、彩燈等實驗項目。

3.1.3 輸入系統(tǒng)的設(shè)計。①簡單的4個單獨的按鍵輸入方式，可以實現(xiàn)外部中斷等按鍵不多的實驗項目。②矩陣鍵盤16鍵的輸入方式，可以實現(xiàn)時鐘、計算器等實驗項目。③電位器、開關(guān)量的輸入方式，可以實現(xiàn)模擬-數(shù)字相互轉(zhuǎn)換的實驗項目。④其他比如溫度傳感器等特殊的實驗項目的開發(fā)。

3.1.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。

3.1.5 電路擴(kuò)展系統(tǒng)的設(shè)計。

3.2 設(shè)計的方框圖

4 自制Pcb板的制作方法

PCB的制作對設(shè)備和工藝的要求都較高。如果做好PCB圖到工廠去加工的話，成本較高，因為要的數(shù)量較少。要是我們用萬能板做PCB就解決了以上的問題，而且還能增強我們的動手能力，更好的理解PCB的制作工藝和設(shè)計規(guī)范。

4.1 萬能板的選用。要根據(jù)元器件的封裝選定萬能板的大小，根據(jù)集成塊腳的間距選定萬能板焊盤的大小和間距，并且要把選定萬能板的參數(shù)要測量出來。

4.2 PCB 圖的繪制。我們可以根據(jù)自己所學(xué)或熟悉的軟件在計算機(jī)上設(shè)計PCB圖，設(shè)計要根據(jù)所選定的元器件和萬能板的參數(shù)來繪制元器件的封裝，這樣才能達(dá)到實際的效果。最好設(shè)計成單層板，以便于安裝和降低成本。

4.3 PCB圖轉(zhuǎn)印到萬能板。把設(shè)計好的圖通過噴墨打印機(jī)按照設(shè)計的1:1大小打印在熱轉(zhuǎn)印紙上，打印時要注意分別打印底層信號層和頂層絲印層，也可以都打印在底層。在定位孔對齊的情況下分別用熱轉(zhuǎn)印機(jī)（也可以用照片的過塑機(jī)）把墨粉附著在萬能板上，注意溫度的控制。

4.4 元器件的安裝和布線。根據(jù)設(shè)計的PCB圖先安裝元器件，再根據(jù)轉(zhuǎn)印的線用焊錫或者用網(wǎng)線中的銅線布線和焊接元器件。

5 實驗項目的設(shè)計

根據(jù)自制的實驗板可以設(shè)定實驗項目，方便學(xué)生的學(xué)習(xí)和老師的教學(xué)，達(dá)到學(xué)習(xí)單片機(jī)的效果和提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

5.1 基礎(chǔ)訓(xùn)練實驗項目。①讓單片機(jī)動起來—單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)?？梢詫纹瑱C(jī)在電氣控制系統(tǒng)中的作用及芯片的使用有個直觀的認(rèn)識，掌握組成單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)的基本方法。②汽車轉(zhuǎn)向燈控制。熟悉單片機(jī)的并行口、位尋址區(qū)及位操作指令的應(yīng)用，初步了解子程序運行方法及流程圖的作用。③霓虹燈控制。熟悉單片機(jī)的并行接口的應(yīng)用及循環(huán)程序、查表程序及子程序的設(shè)計與調(diào)試方法。④數(shù)碼管顯示控制。通過數(shù)碼管的靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示，學(xué)會數(shù)碼管的使用方法，進(jìn)一步熟悉單片機(jī)并行接口的使用，學(xué)會串行接口的使用，學(xué)會編寫與調(diào)試較復(fù)雜的程序。⑤音樂盒控制。用單片機(jī)制作一個能演奏音樂的電路，通過這一有趣的實驗，鞏固定時器和按鍵的運用技能，增進(jìn)對單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品制作過程的了解。⑥交通燈控制。通過制作和調(diào)試單片機(jī)交通燈顯示與控制系統(tǒng)，進(jìn)一步熟悉單片機(jī)內(nèi)部的硬件資源，學(xué)會可編程定時器的使用、學(xué)會中斷技術(shù)的使用，提高綜合程序調(diào)試能力。

5.2 接口應(yīng)用實驗項目。①簡易秒表。通過此實驗可以進(jìn)一步熟悉LED數(shù)碼管與單片機(jī)的接口方式及定時/計數(shù)器、中斷計數(shù)的綜合應(yīng)用，并學(xué)會簡易鍵盤的使用。②密碼鎖。通過這個實驗可以進(jìn)一步熟悉鍵盤接口和顯示器接口計數(shù)，掌握獨立式和矩陣式兩種不同鍵盤結(jié)構(gòu)下的程序設(shè)計思路和步驟。③波形發(fā)生器?？梢詫W(xué)會D/A轉(zhuǎn)換芯片在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的硬件接口技術(shù)和編程方法。④簡易數(shù)字電壓表?？梢詫W(xué)會A/D轉(zhuǎn)換芯片在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的硬件接口技術(shù)和編程方法。熟悉模擬信號采集和輸出數(shù)據(jù)顯示的綜合設(shè)計與調(diào)試方法。⑤液晶顯示廣告牌（有液晶顯示器才可以）。學(xué)會LCD顯示器與單片機(jī)的接口方法，熟悉實現(xiàn)各種常用顯示方式的編程思路。

5.3 綜合實驗項目(課程設(shè)計項目)①數(shù)字鐘。通過專用時鐘芯片制作數(shù)字鐘，學(xué)會編程芯片與單片機(jī)接口的設(shè)計、調(diào)試及編程方法。②人造小氣候。通過小范圍溫濕度自動調(diào)節(jié)項目的制作，熟悉用單片機(jī)實現(xiàn)溫濕度閉環(huán)控制的一般概念；學(xué)會單片機(jī)與實用技術(shù)及器件進(jìn)行集成化的基本方法。③電動窗簾控制。學(xué)會用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的一般方法。了解開環(huán)控制的基本概念。（有此控制芯片的才能用）

通過自制單片機(jī)實驗板，學(xué)生能進(jìn)一步掌握和理解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、I/O口的使用、電路的設(shè)計、電子線路板的設(shè)計和裝配工藝等知識，而且能大大提高動手能力。當(dāng)然也可以用于課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計，對單片機(jī)的開發(fā)也有很大的幫助。

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