單片機創(chuàng)新實驗板系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

肖大薇，李 彤，張盈謙

（大連理工大學(xué) 城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

單片機即單片微型計算機，是集 CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。它具有體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優(yōu)點，故可以廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，對各行各業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代起到了重要的推動作用[1]。單片機技術(shù)的應(yīng)用是信息技術(shù)發(fā)展的一個方面，它為人們的生產(chǎn)和生活帶來了極大的方便。單片機系統(tǒng)及應(yīng)用是計算機類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)生在學(xué)習(xí)了計算機組成原理等課程之后，為進一步提高單片機應(yīng)用系統(tǒng)的使用和設(shè)計能力而開設(shè)的。本課程主要介紹單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部資源和特性、單片機的指令系統(tǒng)、C語言程序設(shè)計、存儲器和并行口擴展、中斷系統(tǒng)和定時/計數(shù)器、A/D與D/A、人機交互和串行口通信等主要內(nèi)容，在授課內(nèi)容的組織上應(yīng)力求循序漸進、深入淺出。學(xué)生修完本課程可以熟練運用單片機原理的基礎(chǔ)知識和程序設(shè)計方法，并具有獨立設(shè)計和開發(fā)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的能力。

單片機教學(xué)過程中必須理論和實踐結(jié)合[2]。單片機系統(tǒng)及應(yīng)用的實驗課作為理論課的輔助教學(xué)，對于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的實際動手能力有著非常重要的作用。由于硬件設(shè)計有一定的難度，所以學(xué)生和老師可能更偏重于軟件教學(xué)，其實單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程中，更重要更基礎(chǔ)的是硬件設(shè)計[3]。實驗過程中可以讓學(xué)生在完全理解硬件結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計電路并編寫程序，實現(xiàn)單片機應(yīng)用系統(tǒng)。但是現(xiàn)在的單片機系統(tǒng)及應(yīng)用的實驗課存在著一個非常普遍的問題是：學(xué)校已經(jīng)為本實驗課準(zhǔn)備好了實驗箱，此實驗箱能完成流水燈、定時器/計數(shù)器、數(shù)碼管、單片機通信等多個實驗。學(xué)生在上實驗課時，首先根據(jù)實驗要求編寫源程序，然后進行編譯仿真并生成可執(zhí)行文件，下載到單片機上之后進行連線，最后觀察實驗結(jié)果。在整個實驗的過程當(dāng)中，實驗板的使用不靈活，而且編程占據(jù)了主導(dǎo)地位，學(xué)生無法透徹地學(xué)到單片機系統(tǒng)的硬件知識，導(dǎo)致大部分學(xué)生在出現(xiàn)故障時無法排除?；谝陨锨闆r，本文提出了一個自主設(shè)計創(chuàng)新實驗板系統(tǒng)，該系統(tǒng)要求學(xué)生從實驗板的硬件選材、設(shè)計方案、制圖、仿真到焊接的過程全部獨立完成，從而在對各個模塊進行實驗時，學(xué)生對自己的實驗板結(jié)構(gòu)了如指掌，實驗起來得心應(yīng)手，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該系統(tǒng)在實際使用中已經(jīng)取得了很好的效果。

1 實驗板系統(tǒng)的實現(xiàn)

此系統(tǒng)包括兩塊板，一塊是主機板，另一塊是I/O板。主機板上包含單片機的最小系統(tǒng)（包括單片機芯片、電源、復(fù)位電路、時鐘電路），單片機的并行接口全部由16針排電纜連接插座引出。I/O板上主要包含多個人機接口模塊，其中包括八段式LED數(shù)碼管模塊、LED指示燈模塊、鍵盤模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、單片機通信模塊和可擴展模塊，每個模塊的數(shù)據(jù)輸入輸出也都由16針排電纜連接插座完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

電路原理圖如圖2、3所示。

圖2 主機板電路原理圖Fig.2 Main board circuit diagram

圖3 I/O板電路原理圖Fig.3 I/O board circuit diagram

系統(tǒng)通過串口線完成可執(zhí)行文件的在線下載；通過USB口線提供+5 V電源；主機板上51單片機的P0-P3口全部由16針排電纜連接插座引出；I/O板上有8位數(shù)碼管，8個指示燈、16個按鍵和數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備。此實驗板可以完成流水燈實驗、外中斷實驗、定時器/計數(shù)器中斷實驗、數(shù)碼管實驗、鍵盤實驗、數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗、單片機通信實驗和存儲器、I/O接口的擴展實驗等，可以完全滿足學(xué)生實驗課上的實驗要求。圖4是學(xué)生完成的一個實驗板系統(tǒng)。

圖4 實驗板系統(tǒng)實物圖Fig.4 Physical diagram of the experiment board system

實驗課上，學(xué)生首先要熟悉元器件、畫出電路圖并焊接實驗板，然后根據(jù)實驗需求設(shè)計連線方案，最后根據(jù)連線方案進行編程、調(diào)試、下載、觀察實驗結(jié)果?？梢允褂肒eil軟件對源程序進行編輯、匯編、編譯、鏈接、仿真和調(diào)試。

2 實驗板系統(tǒng)的使用——交通燈實驗

以下給出以AT89C52單片機為核心的十字路口交通燈設(shè)計實例，來演示此系統(tǒng)在單片機實驗課程中的使用。AT89C52是低功耗、高性能的CMOS 8位單片機[4]。

2.1 實現(xiàn)一個十字路口紅綠交通燈的控制

實驗要求如下：

1）使用T0的工作方式1

2）數(shù)碼管顯示綠燈點亮的剩余時間，每隔1s數(shù)碼管綠燈計數(shù)值減1

3）用指示燈顯示交通燈的亮滅狀態(tài)，在點亮的后半程綠燈要發(fā)生1次閃爍

2.2 單片機并口使用方案

表1 單片機并口使用方案Tab.1 Use plan of MCU parallel port

2.3 程序流程圖

實現(xiàn)程序流程圖如圖5所示。

3 實驗板系統(tǒng)應(yīng)用

學(xué)生在焊接電路板的過程中，熟悉了各個元器件的結(jié)構(gòu)和工作原理，理解了單片機最小系統(tǒng)的構(gòu)成及其作用[5]。在使用此系統(tǒng)開發(fā)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的過程中，從簡單的流水燈實驗到十字路口的交通燈實驗，從數(shù)碼管的靜態(tài)實驗到8位電子時鐘實驗，以及鍵盤的外中斷實驗，層次化的教學(xué)內(nèi)容，綜合性實驗的開展，既能很好地配合課堂理論教學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，又有較大的擴展空間，形成了單片機實驗課程相對獨立的體系結(jié)構(gòu)[6]。學(xué)生必須掌握每個并口的功能并自己設(shè)計所有實驗的連線方案。調(diào)試的過程，也鍛煉并提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow diagram

4 結(jié) 論

自主設(shè)計創(chuàng)新實驗板，使實驗板的功能結(jié)構(gòu)更加靈活恰當(dāng)，不僅激發(fā)了學(xué)生對單片機的學(xué)習(xí)興趣，而且增強了學(xué)生的動手能力。同時，積極引導(dǎo)學(xué)生利用課堂所學(xué)的相關(guān)知識參加各種競賽，這不僅是對課堂內(nèi)容的補充，也是對課堂教學(xué)內(nèi)容的深化和鞏固?，F(xiàn)在，已經(jīng)有越來越多的學(xué)生在課余時間設(shè)計電子產(chǎn)品并參加社會上各種電子競賽。這對學(xué)校的學(xué)風(fēng)建設(shè)起到了非常好地促進作用。

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