單片機實習實驗板設(shè)計和教學模式

1、單片機實習實驗板設(shè)計和教學模式摘要：設(shè)計了一款低成本、多功能的單片機實驗板, 可應(yīng)用于高校電子工程專業(yè)的單片機實驗教學、綜合實習或 作為電子愛好者的實驗開發(fā)板，給出了電路原理圖及電路板 圖。詳細介紹了一種應(yīng)用此實驗板完成單片機綜合實習的新 穎教學方法。關(guān)鍵詞：單片機 開發(fā)板綜合實習單片機技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生產(chǎn)、生活的各個方面，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。 掌握單片機技術(shù)以及相應(yīng)的程序設(shè)計語言是完成微處理器 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計和功能開發(fā)的基礎(chǔ)，也是作為電子工程領(lǐng) 域高級工程技術(shù)人員必須具備的基本能力。目前，各高校已將單片機教學納入電子工程專業(yè)的教學 計劃中，設(shè)置了單片機

2、原理與應(yīng)用、c語言程序設(shè)計等多門 相關(guān)課程。其中，單片機綜合實習是單片機教學的重要組成 部分，如果能夠通過綜合實習激發(fā)學生對單片機應(yīng)用的興 趣，讓學生對電路設(shè)計和程序設(shè)計有系統(tǒng)的認識和掌握，則 能為學生今后從事基于單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)打下堅實 的基礎(chǔ)1。基于上述目的，通過幾年來教學經(jīng)驗的總結(jié)， 我們設(shè)計了一款低成本、多功能的單片機實驗開發(fā)板以及配 套的綜合實習教學方法，應(yīng)用于教學實踐并取得了良好的效果。1單片機綜合實習實驗板的設(shè)計實驗板包含單片機最小系統(tǒng)、信號處理電路、串行通信接口以及鍵?顯示電路等,同時實驗板在電路板尺寸、成本等因素允許的情況下預(yù)留了功能擴展接口，以適應(yīng)更多的設(shè)計需要，方便

3、使用者自行開發(fā)其他功能。單片機實驗開發(fā) 板的功能框圖如圖1所示。1.1實驗板電路原理圖(1) 圖2為單片機的最小系統(tǒng)2。選用與8051系列單片機指令集完全兼容的可在線編程stc系列單片機作為核 心處理器，程序下載不需要編程器，可以利用計算機及專用 軟件(如stc-isp)直接通過串口完成。(2) 圖3為電源電路，由于實際應(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 片工作時所需的+5 v電壓。(3) 圖4為鍵盤電路，按鍵與單片機i/o 口直接相連。(4) 圖5為顯示電路。該部分使用譯碼器74ls138節(jié)省單片機i/o 口，使用7407驅(qū)動數(shù)碼管。(5) 圖6為

4、模擬信號處理電路，用于頻率測量實驗。待測信號通過比較器lm311比較整形后轉(zhuǎn)化為單片機可以識 別的高、低電平，進而完成脈沖計數(shù)或計時，實現(xiàn)頻率測量。(6) 圖7為串行通信電路，應(yīng)用max232實現(xiàn)ttl電平 和rs232電平之間的轉(zhuǎn)換。1. 2印制電路板設(shè)計實驗電路板圖如圖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。同時設(shè)計者將單片機一些 閑置的i/o 口引到了電路板上，并預(yù)留了功能擴展接口，方 便使用者根據(jù)自己的思路進行程序設(shè)計或加入元器件開發(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),實現(xiàn)環(huán)境溫度信息采集的功能；在lm311 左側(cè)的8

5、引腳雙列直插空位加入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (adc0809),實現(xiàn)由單片機采集模擬電壓信號的功能等。2綜合實習的教學方式我院綜合實習的內(nèi)容是利用上述實驗板設(shè)計基于單片 機的數(shù)字頻率計。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，各 種應(yīng)用軟件的功能不斷強大，使用仿真軟件可以改善教學效 果，提高學生的學習效率。因此，我們在數(shù)字頻率計設(shè)計的 過程中加入了繪圖軟件protel99se和單片機仿真軟件 proteus的學習要求。綜合實習為20個學時，分電路設(shè)計、 程序設(shè)計和整體調(diào)試3個環(huán)節(jié)。2.1硬件電路設(shè)計protel99se是一款電子設(shè)計自動化(eda)軟件，包含 了電路原理圖繪制、多層印制電路板(pcb)設(shè)計

6、、模擬和 數(shù)字電路混合信號仿真、可編程邏輯器件設(shè)計等功能3。protel99se與其升級版軟件dxp是目前電子產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè) 計領(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)用對電子工程專業(yè)的學生具有一定的實際價值。在第一個環(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)計方法以及設(shè)計 過程中應(yīng)注意的問題。其次，要求學生利用課余時間通過查 找資料和適當?shù)木毩暢醪秸莆誴rotel99se繪圖軟件的基本 功能，自行設(shè)計數(shù)字頻率計的硬件電路，并在protel99se 軟件中繪出電路原理圖，完成自動生成印制電路板圖，手動 布局、自動布線，輸出元件

7、清單的全過程，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 機實驗開發(fā)板的電路結(jié)構(gòu)，并組織學生完成電路焊接。由于 此時學生對硬件電路設(shè)計已經(jīng)做了充分的了解和運用，所以 對知識的掌握會更牢固，對電路功能的理解也更深刻。由于沒有經(jīng)驗，學生會在電路設(shè)計中出現(xiàn)很多錯誤，指 導(dǎo)教師可以通過檢查學生繪制的原理圖發(fā)現(xiàn)問題，加以講 解。雖然使用了現(xiàn)成的實驗開發(fā)板，但經(jīng)過前面的教學步驟, 學生在電路設(shè)計方面得到了必要的鍛煉，對設(shè)計過程也有了 切身體會，避免了學生“只動手，不動腦”的教學弊端。2. 2程序設(shè)計proteus是英國labcenter公司推出的電路分析實物仿真系統(tǒng)，包含鍵盤、數(shù)

8、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。 因此，proteus是一款很好的模擬單片機及其外圍電路的仿 真工具，可以在沒有硬件電路的情況下，僅利用計算機實現(xiàn) 單片機軟、硬件系統(tǒng)的模擬仿真5, 6。在第二個環(huán)節(jié)中介紹proteus仿真軟件的功能，要求學 生通過練習掌握添加儀器、元件，調(diào)用keil c51中的程序 進行仿真的方法。在講解中，一般以單片機i/o 口控制和流 水燈程序為例演示整個調(diào)試過程。由于應(yīng)用proteus的編程 和調(diào)試過程非常簡單、方便，無形中激發(fā)了學生的自信心和

9、學習興趣，使其主觀上愿意通過努力完成較復(fù)雜的程序設(shè) 計，減少了學生直接剽竊別人的程序蒙混過關(guān)的情況。 proteus軟件還可以解決學生在頻率計設(shè)計過程中儀器設(shè)備 短缺帶來的問題。其庫中提供的信號源、示波器等虛擬測試 儀器，讓學生可以隨時驗證頻率計的測量結(jié)果。仿真器是程 序調(diào)試時的輔助工具，如果沒有仿真器想要發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計中 存在的問題就十分困難，但其價格較高，一般的學生沒有購 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，極大地方便了學生查找程序中的錯誤，提 高了程序設(shè)計的效率，保證了編程調(diào)試的順利完成。2.3系統(tǒng)調(diào)試和撰寫實習報告最后一個環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容是對頻

10、率計進行實際調(diào)試。在 計算機軟件仿真調(diào)試通過的情況下，程序下載到單片機中， 由于時序不準和噪聲影響，實際的頻率測量過程仍然可能出 現(xiàn)一些問題，學生要針對這些問題對程序進行修改和完善。 在此環(huán)節(jié)中，實驗室全天開放，提供函數(shù)信號發(fā)生器、示波 器、萬用表等儀器設(shè)備，方便學生實際測試，發(fā)現(xiàn)、解決問 題，教師也會給予必要的幫助和指導(dǎo)。頻率測量的功能實現(xiàn) 后，學生需要完成一份實習報告總結(jié)整個設(shè)計過程。報告中 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； 信號頻率測量的程序設(shè)計思想；學習各種軟件使用方法的心 得體會；設(shè)計過程中遇到的問題、解決方法和得到的經(jīng)驗教 訓等。撰寫實習報告的過程是學生理清設(shè)計

11、思路、總結(jié)提高 的過程，有利于培養(yǎng)學生科學嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L7。3結(jié)束語針對實驗教學，如果將每個學生設(shè)計的硬件電路都制作 成印制電路板，給每個學生配備仿真器會大大增加教學成 本，造成資源浪費。單片機綜合實習將protel99se和proteus 軟件的使用加入到教學任務(wù)中，很好地解決了學生不能進行 電路設(shè)計和程序調(diào)試的問題。在綜合實習的上課時間主要由 教師介紹相關(guān)知識或總結(jié)答疑，具體的設(shè)計任務(wù)則由學生利 用課余時間完成，這樣，每個學生可以根據(jù)自己對知識的接 受和掌握程度，投入不同的時間和精力，這顯然是一種開放、 自主、高效的教學方法，能夠充分激發(fā)學生的學習興趣。此 教學方式要求學生通過查找資料和實

12、驗實踐掌握并運用一 些新知識；設(shè)計任務(wù)多樣化，也突出了對學生自學能力和創(chuàng) 新能力的培養(yǎng)?？梢姡摻虒W方法科學合理，教學過程高質(zhì) 高效。通過本次綜合實習，學生可以掌握很多實用的技能以及 分析處理實際問題的方法，對系統(tǒng)設(shè)計也有了更深入的認 識。在綜合實習結(jié)束后，不時有學生利用此實驗板練習程序 設(shè)計，開發(fā)各種功能軟件。目前的綜合實習顯然讓學生得到 了更全面的鍛煉，發(fā)揮了更大的優(yōu)勢，帶來了更理想的教學 效果，符合新時期培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力工程技術(shù)人員的要求， 為學生今后從事電子工程領(lǐng)域的設(shè)計工作打下了良好的基 礎(chǔ)。本次設(shè)計的實驗開發(fā)板，成本低、體積小、功能完善， 能實現(xiàn)如鍵盤、顯示、頻率計、數(shù)字鐘、信號采

13、集、串行通 信等多種功能，便于學生或其他單片機學習者進行程序設(shè)計 和功能開發(fā)，是掌握單片機技術(shù)時一款廉價高效的學習工 具；該實驗板也可用于科研，作為輔助基于單片機的嵌入式 系統(tǒng)設(shè)計初期實驗調(diào)試時的硬件電路，節(jié)約開發(fā)成本，節(jié)省 設(shè)計時間，具有一定的推廣價值。參考文獻1 袁鋒偉，趙立宏，朱慧玲.基于proteus的單片機課 程教學與實驗改革j.實驗室研究與探索，2007, 26 (12)：75-78.2 孫涵芳，徐愛卿單片機原理及應(yīng)用m.北京：北京 航空航天大學出版社，2004.3 梁恩主，梁恩維.protel99se電路設(shè)計與仿真應(yīng)用 m.北京：清華大學出版社，2000.4 倪澤峰,江中華.prote