基于STC12C5A60S2的便攜式實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)

馬艷彬,孫春志

(商丘師范學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,河南 商丘 476000)

“C51應(yīng)用技術(shù)”是電子信息工程、自動(dòng)化、電氣工程等電子類相關(guān)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的一門核心課程,學(xué)好本課程對(duì)電子類人才創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)至關(guān)重要,同時(shí)也為學(xué)生就業(yè)打下良好的基礎(chǔ).然而,現(xiàn)有課堂教學(xué)模式存在許多問(wèn)題.首先是理論教學(xué):該課程長(zhǎng)期以來(lái)采用傳統(tǒng)教學(xué)模式,課堂以講授為主,輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué).這種傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)滿足不了應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求,學(xué)生普遍存在理論與實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié),實(shí)際動(dòng)手能力差的現(xiàn)象.其次是實(shí)驗(yàn)教學(xué):在開(kāi)展“C51應(yīng)用技術(shù)”實(shí)驗(yàn)時(shí)大多采用實(shí)驗(yàn)箱完成,由于實(shí)驗(yàn)箱看不見(jiàn)內(nèi)部電路,不利于學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性或者綜合性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn).而且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱笨重不易攜帶,已經(jīng)不能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需要和課堂實(shí)驗(yàn)要求.最終導(dǎo)致學(xué)生受以往教學(xué)思想及實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣束縛,無(wú)法很快適應(yīng)這類應(yīng)用型課程的學(xué)習(xí),從而失去學(xué)習(xí)興趣.

綜上所述,為了提高教學(xué)效果,增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力,達(dá)到應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo),本文專門為學(xué)生設(shè)計(jì)了一款便攜式實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板,方便學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)使用.并以此為契機(jī),進(jìn)一步推進(jìn)教材建設(shè)和“C51應(yīng)用技術(shù)”課程教學(xué)范式改革.

1 便攜式實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)要求

根據(jù)“C51應(yīng)用技術(shù)”的課程教學(xué)大綱可知,該課程包含的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要有I/O口的基本應(yīng)用、定時(shí)器的應(yīng)用、中斷的應(yīng)用、串口應(yīng)用等.實(shí)驗(yàn)板要具有蜂鳴器、流水燈、按鍵輸入等功能.為了使學(xué)生學(xué)習(xí)完課程之后,能夠設(shè)計(jì)一個(gè)完整的單片機(jī)小項(xiàng)目,實(shí)驗(yàn)板還設(shè)計(jì)有液晶顯示、串口通信電路、溫度傳感器等擴(kuò)展功能.這些功能足以滿足學(xué)生基本的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)需求.

2 便攜式實(shí)驗(yàn)板的總體框圖

根據(jù)便攜式實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)要求,綜合各方面的因素,采用STC12C5A60S2作為主控制器,外圍電路包含流水燈、按鍵電路、蜂鳴器、LCD1602液晶顯示、OLED顯示屏、DS18B20溫度傳感器、CH340G USB轉(zhuǎn)串口電路等單元電路.其中CH340G既可以用于程序的下載,又可以用于串口通信.最后,實(shí)驗(yàn)板通過(guò)排針引出了所有的I/O,方便擴(kuò)展和用于創(chuàng)新項(xiàng)目二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì).便攜式實(shí)驗(yàn)板的系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 便攜式實(shí)驗(yàn)板的系統(tǒng)框圖

3 便攜式實(shí)驗(yàn)板的硬件電路設(shè)計(jì)

便攜式實(shí)驗(yàn)板硬件電路采用模塊化的電路設(shè)計(jì)方法.根據(jù)便攜式實(shí)驗(yàn)板的系統(tǒng)框圖,將實(shí)驗(yàn)板的硬件分為STC12C5A60S2控制器核心電路模塊、流水燈電路模塊、按鍵電路模塊、CH340G串口模塊、蜂鳴器電路模塊、DS18B20電路模塊、顯示電路模塊.

3.1 STC12C5A60S2控制器核心電路

圖2所示為STC12C5A60S2控制器電路為實(shí)驗(yàn)板的核心部分,主要由STC12C5A60S2微控制器、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和接口引出插件部分組成.STC12C5A60S2微控制器的P1口、P2口、P3口通過(guò)雙排排針J2、J3、J4引出.若排針J2、J3、J4通過(guò)短路帽短接,則微控制器核心電路與板載其他電路模塊接通,構(gòu)成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板,可以進(jìn)行“C51應(yīng)用技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn);若排針J2、J3、J4不短接,則微控制器核心電路與板載其他電路模塊斷開(kāi),可作為一個(gè)核心板進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì).

圖2 STC12C5A60S2控制器電路

3.2 CH340G下載電路設(shè)計(jì)

學(xué)生開(kāi)發(fā)完成程序后,需要通過(guò)keil軟件編譯成二進(jìn)制文件*.hex,經(jīng)控制器的串口將hex文件下載到微控制器中.為了使用方便,本實(shí)驗(yàn)板已經(jīng)集成了USB下載電路,如圖3所示.可以通過(guò)下載電路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與STC12C5A60S2微控制器之間的程序下載功能.CH340G USB轉(zhuǎn)串口下載電路除了具有程序下載功能外,還承擔(dān)整個(gè)實(shí)驗(yàn)板的供電功能和通信功能.通過(guò)下載電路也可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)板與計(jì)算機(jī)的串口通信功能.

圖3 CH340G USB轉(zhuǎn)串口下載電路

3.3 流水燈電路設(shè)計(jì)

便攜式實(shí)驗(yàn)板有8個(gè)LED指示燈,如圖4所示.每個(gè)LED燈串聯(lián)一個(gè)限流電阻,LED陰極通過(guò)J4雙排指針短接到單片機(jī)P2口上.其中LED2—LED7顏色排列順序?yàn)榧t黃綠紅黃綠.此電路不僅可實(shí)現(xiàn)流水燈控制實(shí)驗(yàn),還可以實(shí)現(xiàn)模擬交通燈控制實(shí)驗(yàn).

3.4 按鍵電路設(shè)計(jì)

便攜式實(shí)驗(yàn)板有4個(gè)獨(dú)立按鍵,分別是SET設(shè)置、OK確認(rèn)、DOWN向下和UP向上,其原理圖如圖5所示.每個(gè)按鍵都通過(guò)上拉電阻接到5 V電源網(wǎng)絡(luò).按鍵通過(guò)J2雙排針短接接到單片機(jī)P1口上.按鍵未按下時(shí),輸入到STC12C5A60S2單片機(jī)IO口的電壓為5 V高電平;按鍵按下時(shí),輸入到STC12C5A60S2單片機(jī)I/O口的電壓為為低電平.此電路可以實(shí)現(xiàn)按鍵輸入實(shí)驗(yàn),例如模擬汽車轉(zhuǎn)向燈實(shí)驗(yàn),也可以實(shí)現(xiàn)外部中斷實(shí)驗(yàn),通過(guò)杜邦線接到外部中斷引腳.

圖5 獨(dú)立按鍵電路

3.5 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

便攜式實(shí)驗(yàn)板板載蜂鳴器報(bào)警電路,如圖6所示.S8050三極管的基極通過(guò)雙排針J3的13腳和14腳短接連接到控制器的P3.6引腳.

圖6 蜂鳴器電路

3.6 DS18B20測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

DS18B20是一種常用的數(shù)字溫度傳感器.本實(shí)驗(yàn)板上有一路DS18B20測(cè)溫電路,如圖7所示.DS18B20的數(shù)據(jù)端通過(guò)雙排針J3的15腳和16腳短接連接到控制器的P3.7引腳.

3.7 顯示電路設(shè)計(jì)

便攜式實(shí)驗(yàn)板上設(shè)計(jì)了 LCD1602液晶顯示接口電路,用來(lái)顯示數(shù)據(jù),為同學(xué)們課外創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)和深入學(xué)習(xí)C51應(yīng)用知識(shí)提供支持.圖8所示為L(zhǎng)CD1602顯示屏接口電路.LCD1602顯示屏接口電路的引腳說(shuō)明及連接方式如表1所示.

表1 LCD1602顯示屏接口電路的引腳說(shuō)明

圖8 LCD1602顯示接口電路

3.8 PCB電路板設(shè)計(jì)

PCB板設(shè)計(jì)主要包括PCB布局、PCB布線設(shè)計(jì)、覆銅處理.考慮到實(shí)驗(yàn)板的便攜性,盡量縮小PCB面積.綜合考慮元器件的數(shù)量、元器件擺放的位置、絲印的大小、液晶顯示屏的尺寸等信息,最終將板子尺寸設(shè)計(jì)為寬8 cm×高9 cm.如圖9所示,為了節(jié)約板子空間,減少尺寸,這里將下載電路布局在了LCD1602液晶顯示的下方.圖10為便攜式實(shí)驗(yàn)板的3D視圖.

圖9 串口下載電路電路板布線布局

圖10 便攜式實(shí)驗(yàn)板的3D視圖

3.9 便攜式實(shí)驗(yàn)板的外殼設(shè)計(jì)

便攜式實(shí)驗(yàn)板的小型化、可移動(dòng)化,使其使用更方便.學(xué)生可以攜帶進(jìn)課堂,也可以帶到圖書館,隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì).為了更好地保護(hù)電路板,以延長(zhǎng)其使用壽命,為實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)了一種透明的小型電路板外殼體.將電路板安裝于外殼中,以保護(hù)電子元器件.為了方便使用,外殼上蓋不固定,可以拆卸.針對(duì)電路板上一些交互式元器件,對(duì)外殼上蓋進(jìn)行了開(kāi)孔設(shè)計(jì),以方便實(shí)驗(yàn)操作.實(shí)驗(yàn)板3D外殼如圖11所示.

圖11 3D外殼視圖

4 項(xiàng)目化教學(xué)及便攜式實(shí)驗(yàn)板的使用

“C51應(yīng)用技術(shù)”課程采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式,打破傳統(tǒng)的先理論講解再做實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?轉(zhuǎn)變?yōu)橄软?xiàng)目實(shí)踐再理論講解,并始終做到興趣導(dǎo)向、學(xué)生為中心、由感性過(guò)渡到理性認(rèn)識(shí).通過(guò)具體項(xiàng)目設(shè)計(jì),比如發(fā)光二極管的點(diǎn)亮、流水燈、蜂鳴器報(bào)警、三人搶答器、模擬交通燈、模擬汽車轉(zhuǎn)向燈等實(shí)踐項(xiàng)目,給學(xué)生以感性認(rèn)識(shí),激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生對(duì)該課程產(chǎn)生濃厚的興趣.

本文所設(shè)計(jì)的便攜式實(shí)驗(yàn)板具有體積小,方便攜帶的優(yōu)勢(shì),便于開(kāi)展項(xiàng)目化教學(xué),表2列出了便攜式實(shí)驗(yàn)板的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目20個(gè).除了可以完成課程的基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外,還可以充分利用微控制器核心板的功能開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì).

表2 便攜式實(shí)驗(yàn)板的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

5 結(jié) 語(yǔ)

“C51應(yīng)用技術(shù)”是一門實(shí)踐應(yīng)用較強(qiáng)的課程.通過(guò)為該課程量身設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板,能方便、深入、系統(tǒng)的進(jìn)行該課程的教學(xué)活動(dòng),使得項(xiàng)目化教學(xué)方法落到實(shí)處.目前,該實(shí)驗(yàn)板已經(jīng)應(yīng)用于我校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)過(guò)程中.通過(guò)讓學(xué)生在自己制作的實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以成功地燃起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和開(kāi)發(fā)熱情,為“C51應(yīng)用技術(shù)”教學(xué)范式改革和課程建設(shè)取得良好效果提供了硬件保證.通過(guò)本課程的實(shí)際教學(xué)反饋?zhàn)C明,學(xué)生的動(dòng)手能力和C51語(yǔ)言編程能力得到很大提升,教學(xué)效果提升明顯,該實(shí)驗(yàn)板具有一定的教學(xué)應(yīng)用和推廣價(jià)值.