單片機(jī)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)及教學(xué)模式

王 虹 常鐵原 龐 嬌 劉 鑫

河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院 河北保定 071002

單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面，在工業(yè)控制、儀器儀表、家用電器等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。掌握單片機(jī)技術(shù)以及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是完成微處理器系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)和功能開發(fā)的基礎(chǔ)，也是作為電子工程領(lǐng)域高級(jí)工程技術(shù)人員必須具備的基本能力。

目前，各高校已將單片機(jī)教學(xué)納入電子工程專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中，設(shè)置了單片機(jī)原理與應(yīng)用、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等多門相關(guān)課程。其中，單片機(jī)綜合實(shí)習(xí)是單片機(jī)教學(xué)的重要組成部分，如果能夠通過(guò)綜合實(shí)習(xí)激發(fā)學(xué)生對(duì)單片機(jī)應(yīng)用的興趣，讓學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和掌握，則能為學(xué)生今后從事基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]?；谏鲜瞿康?，通過(guò)幾年來(lái)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款低成本、多功能的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板以及配套的綜合實(shí)習(xí)教學(xué)方法，應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐并取得了良好的效果。

1 單片機(jī)綜合實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)板包含單片機(jī)最小系統(tǒng)、信號(hào)處理電路、串行通信接口以及鍵盤、顯示電路等，同時(shí)實(shí)驗(yàn)板在電路板尺寸、成本等因素允許的情況下預(yù)留了功能擴(kuò)展接口，以適應(yīng)更多的設(shè)計(jì)需要，方便使用者自行開發(fā)其他功能。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的功能框圖如圖1所示。

圖1 功能框圖

1.1 實(shí)驗(yàn)板電路原理圖

(1)圖2為單片機(jī)的最小系統(tǒng)[2]。選用與8051系列單片機(jī)指令集完全兼容的可在線編程STC系列單片機(jī)作為核心處理器，程序下載不需要編程器，可以利用計(jì)算機(jī)及專用軟件(如STC-ISP)直接通過(guò)串口完成。

圖2 單片機(jī)及外圍電路

(2)圖3為電源電路，由于實(shí)際應(yīng)用中9 V直流電源使用比較普遍，所以電路中需要三端穩(wěn)壓器LM7805產(chǎn)生芯片工作時(shí)所需的+5 V電壓。

圖3 電源電路

(3)圖4為鍵盤電路，按鍵與單片機(jī)I/O口直接相連。

圖4 鍵盤電路

(4)圖5為顯示電路。該部分使用譯碼器74LS138節(jié)省單片機(jī)I/O口，使用7407驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。

圖5 顯示電路

(5)圖6為模擬信號(hào)處理電路，用于頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)。待測(cè)信號(hào)通過(guò)比較器LM311比較整形后轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識(shí)別的高、低電平，進(jìn)而完成脈沖計(jì)數(shù)或計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。

圖6 信號(hào)處理電路

(6)圖7為串行通信電路，應(yīng)用MAX232實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。

圖7 串行通信電路

1.2 印制電路板設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)電路板圖如圖8所示。不難看出，印制電路板充分利用空間，尺寸小巧，結(jié)構(gòu)緊湊。同時(shí)設(shè)計(jì)者將單片機(jī)一些閑置的I/O口引到了電路板上，并預(yù)留了功能擴(kuò)展接口，方便使用者根據(jù)自己的思路進(jìn)行程序設(shè)計(jì)或加入元器件開發(fā)其他功能。例如，可以在電路板最左端的焊盤位加入溫度傳感器(DS18B20)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度信息采集的功能；在LM311左側(cè)的8引腳雙列直插空位加入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC0809)，實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)采集模擬電壓信號(hào)的功能等。

圖8 印制電路板圖

2 綜合實(shí)習(xí)的教學(xué)方式

我院綜合實(shí)習(xí)的內(nèi)容是利用上述實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種應(yīng)用軟件的功能不斷強(qiáng)大，使用仿真軟件可以改善教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。因此，我們?cè)跀?shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的過(guò)程中加入了繪圖軟件Protel99se和單片機(jī)仿真軟件Proteus的學(xué)習(xí)要求。綜合實(shí)習(xí)為20個(gè)學(xué)時(shí)，分電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)和整體調(diào)試3個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

Protel99se是一款電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件，包含了電路原理圖繪制、多層印制電路板(PCB)設(shè)計(jì)、模擬和數(shù)字電路混合信號(hào)仿真、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等功能[3]。Protel99se與其升級(jí)版軟件DXP是目前電子產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域完成電路原理圖、PCB圖制作的常用軟件之一[4]。掌握該軟件應(yīng)用對(duì)電子工程專業(yè)的學(xué)生具有一定的實(shí)際價(jià)值。

在第一個(gè)環(huán)節(jié)中，首先，以講座的形式向?qū)W生介紹Protel99se繪圖軟件的功能、硬件電路的設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。其次，要求學(xué)生利用課余時(shí)間通過(guò)查找資料和適當(dāng)?shù)木毩?xí)初步掌握Protel99se繪圖軟件的基本功能，自行設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的硬件電路，并在Protel99se軟件中繪出電路原理圖，完成自動(dòng)生成印制電路板圖，手動(dòng)布局、自動(dòng)布線，輸出元件清單的全過(guò)程，以作業(yè)的形式上交打印版的電路原理圖。最后，由教師向?qū)W生介紹上述單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的電路結(jié)構(gòu)，并組織學(xué)生完成電路焊接。由于此時(shí)學(xué)生對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)已經(jīng)做了充分的了解和運(yùn)用，所以對(duì)知識(shí)的掌握會(huì)更牢固，對(duì)電路功能的理解也更深刻。

由于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)在電路設(shè)計(jì)中出現(xiàn)很多錯(cuò)誤，指導(dǎo)教師可以通過(guò)檢查學(xué)生繪制的原理圖發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，加以講解。雖然使用了現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，但經(jīng)過(guò)前面的教學(xué)步驟，學(xué)生在電路設(shè)計(jì)方面得到了必要的鍛煉，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程也有了切身體會(huì)，避免了學(xué)生“只動(dòng)手，不動(dòng)腦”的教學(xué)弊端。

2.2 程序設(shè)計(jì)

Proteus是英國(guó)Labcenter公司推出的電路分析實(shí)物仿真系統(tǒng)，包含鍵盤、數(shù)碼管、74系列等多種常用電子元器件，AVR，MCS8051和ARM等多種微處理器以及信號(hào)源、示波器、邏輯分析儀等各種虛擬儀器儀表，均可直接用于仿真設(shè)計(jì)。因此，Proteus是一款很好的模擬單片機(jī)及其外圍電路的仿真工具，可以在沒(méi)有硬件電路的情況下，僅利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的模擬仿真[5,6]。

在第二個(gè)環(huán)節(jié)中介紹Proteus仿真軟件的功能，要求學(xué)生通過(guò)練習(xí)掌握添加儀器、元件，調(diào)用Keil C51中的程序進(jìn)行仿真的方法。在講解中，一般以單片機(jī)I/O口控制和流水燈程序?yàn)槔菔菊麄€(gè)調(diào)試過(guò)程。由于應(yīng)用Proteus的編程和調(diào)試過(guò)程非常簡(jiǎn)單、方便，無(wú)形中激發(fā)了學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)興趣，使其主觀上愿意通過(guò)努力完成較復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)，減少了學(xué)生直接剽竊別人的程序蒙混過(guò)關(guān)的情況。

Proteus軟件還可以解決學(xué)生在頻率計(jì)設(shè)計(jì)過(guò)程中儀器設(shè)備短缺帶來(lái)的問(wèn)題。其庫(kù)中提供的信號(hào)源、示波器等虛擬測(cè)試儀器，讓學(xué)生可以隨時(shí)驗(yàn)證頻率計(jì)的測(cè)量結(jié)果。仿真器是程序調(diào)試時(shí)的輔助工具，如果沒(méi)有仿真器想要發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題就十分困難，但其價(jià)格較高，一般的學(xué)生沒(méi)有購(gòu)買能力。而Keil C51與Proteus結(jié)合使用可以像擁有仿真器一樣調(diào)試程序，極大地方便了學(xué)生查找程序中的錯(cuò)誤，提高了程序設(shè)計(jì)的效率，保證了編程調(diào)試的順利完成。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試和撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告

最后一個(gè)環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容是對(duì)頻率計(jì)進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。在計(jì)算機(jī)軟件仿真調(diào)試通過(guò)的情況下，程序下載到單片機(jī)中，由于時(shí)序不準(zhǔn)和噪聲影響，實(shí)際的頻率測(cè)量過(guò)程仍然可能出現(xiàn)一些問(wèn)題，學(xué)生要針對(duì)這些問(wèn)題對(duì)程序進(jìn)行修改和完善。在此環(huán)節(jié)中，實(shí)驗(yàn)室全天開放，提供函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、萬(wàn)用表等儀器設(shè)備，方便學(xué)生實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題，教師也會(huì)給予必要的幫助和指導(dǎo)。頻率測(cè)量的功能實(shí)現(xiàn)后，學(xué)生需要完成一份實(shí)習(xí)報(bào)告總結(jié)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。報(bào)告中應(yīng)包括的具體內(nèi)容有：主要元件及其典型工作電路的介紹；信號(hào)頻率測(cè)量的程序設(shè)計(jì)思想；學(xué)習(xí)各種軟件使用方法的心得體會(huì)；設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題、解決方法和得到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等。撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告的過(guò)程是學(xué)生理清設(shè)計(jì)思路、總結(jié)提高的過(guò)程，有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)[7]。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如果將每個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)的硬件電路都制作成印制電路板，給每個(gè)學(xué)生配備仿真器會(huì)大大增加教學(xué)成本，造成資源浪費(fèi)。單片機(jī)綜合實(shí)習(xí)將Protel99se和Proteus軟件的使用加入到教學(xué)任務(wù)中，很好地解決了學(xué)生不能進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和程序調(diào)試的問(wèn)題。在綜合實(shí)習(xí)的上課時(shí)間主要由教師介紹相關(guān)知識(shí)或總結(jié)答疑，具體的設(shè)計(jì)任務(wù)則由學(xué)生利用課余時(shí)間完成，這樣，每個(gè)學(xué)生可以根據(jù)自己對(duì)知識(shí)的接受和掌握程度，投入不同的時(shí)間和精力，這顯然是一種開放、自主、高效的教學(xué)方法，能夠充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此教學(xué)方式要求學(xué)生通過(guò)查找資料和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐掌握并運(yùn)用一些新知識(shí)；設(shè)計(jì)任務(wù)多樣化，也突出了對(duì)學(xué)生自學(xué)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?？梢?jiàn)，該教學(xué)方法科學(xué)合理，教學(xué)過(guò)程高質(zhì)高效。

通過(guò)本次綜合實(shí)習(xí)，學(xué)生可以掌握很多實(shí)用的技能以及分析處理實(shí)際問(wèn)題的方法，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有了更深入的認(rèn)識(shí)。在綜合實(shí)習(xí)結(jié)束后，不時(shí)有學(xué)生利用此實(shí)驗(yàn)板練習(xí)程序設(shè)計(jì)，開發(fā)各種功能軟件。目前的綜合實(shí)習(xí)顯然讓學(xué)生得到了更全面的鍛煉，發(fā)揮了更大的優(yōu)勢(shì)，帶來(lái)了更理想的教學(xué)效果，符合新時(shí)期培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力工程技術(shù)人員的要求，為學(xué)生今后從事電子工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作打下了良好的基礎(chǔ)。

本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，成本低、體積小、功能完善，能實(shí)現(xiàn)如鍵盤、顯示、頻率計(jì)、數(shù)字鐘、信號(hào)采集、串行通信等多種功能，便于學(xué)生或其他單片機(jī)學(xué)習(xí)者進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和功能開發(fā)，是掌握單片機(jī)技術(shù)時(shí)一款廉價(jià)高效的學(xué)習(xí)工具；該實(shí)驗(yàn)板也可用于科研，作為輔助基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)的硬件電路，節(jié)約開發(fā)成本，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，具有一定的推廣價(jià)值。

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