關(guān)于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)板的設(shè)計(jì)與教學(xué)運(yùn)用
關(guān)于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)板的設(shè)計(jì)與教學(xué)運(yùn)用
MCU(MicroControllerUnit，單片機(jī))具有體積小、耗電量低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和研發(fā)成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控、智能化設(shè)備和機(jī)器人研制與操控等領(lǐng)域。隨著MCU應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，將MCU應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的諸多優(yōu)點(diǎn)引入到計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中是十分必要的［1］，MCU技術(shù)也因此成為高等院校電氣信息類專業(yè)一門非常重要的工程實(shí)踐性課程［2］。
1、MCU實(shí)驗(yàn)教學(xué)板系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
為擺脫傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱體積相對(duì)較大、使用場(chǎng)所相對(duì)固定、再開發(fā)能力相對(duì)較弱、功能應(yīng)用受限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)等弊端，我們自主設(shè)計(jì)了一種MCU實(shí)驗(yàn)教學(xué)板(以下簡(jiǎn)稱MCU板)，以推進(jìn)高校單片機(jī)相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展，為學(xué)生能夠充分利用課余時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供一個(gè)符合開放式自主實(shí)踐教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)踐環(huán)境，并為學(xué)生的深入思考、繼續(xù)探究與實(shí)踐創(chuàng)新營(yíng)造一個(gè)發(fā)揮想象空間和體現(xiàn)自我的個(gè)性化環(huán)境。
目前，該裝置經(jīng)過多次改進(jìn)、完善，現(xiàn)已成批制作并在實(shí)際教學(xué)中投入使用。MCU板是一種綜合了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)多種功能設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，系統(tǒng)功能組成框圖如圖1所示。
圖 1 MCU 實(shí)驗(yàn)教學(xué)板系統(tǒng)功能組成框圖
2、MCU實(shí)驗(yàn)教學(xué)板硬件設(shè)計(jì)與制作
MCU板系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主要由MCU主控模塊、系統(tǒng)供電模塊、USB下載模塊、輸入模塊、輸出模塊、擴(kuò)展功能接口模塊和端口選擇跳線設(shè)置模組等部分組成。
2.1、MCU主控模塊
MCU主芯片采用DIP－40封裝的89C52單片機(jī)，MCU板上提供的芯片插座和配置電路可以支持全系列STC單片機(jī);時(shí)鐘電路采用外接的11.0592MHz晶振和2個(gè)30pF電容;通過由1個(gè)10μF電解電容和1個(gè)10kΩ電阻構(gòu)成的復(fù)位電路中設(shè)計(jì)的按鍵開關(guān)，可以手動(dòng)控制MCU復(fù)位［3］。
在MCU板上，還將MCU的可編程I/O端口引腳、時(shí)鐘振蕩引腳以及控制信號(hào)引腳全部對(duì)應(yīng)地以插針方式擴(kuò)展出來(lái)，既可以使用戶將自己設(shè)計(jì)的電路通過插腳與MCU相應(yīng)引腳直接連接，也可以方便系統(tǒng)調(diào)試時(shí)使用。
2.2、系統(tǒng)供電模塊
MCU板采用雙供電模式，既可以由標(biāo)準(zhǔn)2.5接口5V/1A電源適配器直接接入到PWＲ電源接口［4］為系統(tǒng)供電，也可以通過4芯USB線連接PC機(jī)的USB接口來(lái)為系統(tǒng)供電。利用1個(gè)雙向撥動(dòng)式開關(guān)控制整個(gè)系統(tǒng)的通/斷電，利用1個(gè)紅色LED發(fā)光管指示系統(tǒng)通/斷電狀態(tài)。
2.3、USB下載模塊
MCU板上提供的USB接口，除可為系統(tǒng)直接提供5V工作電源外，還可通過USB轉(zhuǎn)串口芯片CH341T［5-6］的轉(zhuǎn)換控制，將PC機(jī)中調(diào)試好的單片機(jī)控制程序直接下載至MCU中。
2.4、輸入模塊
利用4×4行列式矩陣鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵輸入。利用預(yù)留接口的HS0038紅外接收管，可以將接收到的紅外線信號(hào)經(jīng)過解碼后轉(zhuǎn)換為4bit數(shù)據(jù)送入MCU處理。利用預(yù)留接口的DS18B20單線式數(shù)字溫度傳感器，可以將–55℃～+125℃范圍內(nèi)的檢測(cè)溫度值通過編程確定后轉(zhuǎn)換為9bit～12bit數(shù)據(jù)(包括1bit符號(hào)位)［7］送入MCU處理。此外，利用預(yù)留接口插針，還可以實(shí)現(xiàn)其他多種傳感器信號(hào)的輸入。
2.5、輸出模塊
2組共16個(gè)均能單獨(dú)控制使用的LED發(fā)光管，可以用來(lái)觀測(cè)高/低電平的輸出狀態(tài)。由1個(gè)四位一體和2個(gè)獨(dú)立的共陽(yáng)型七段數(shù)碼管構(gòu)成的6位數(shù)碼顯示電路，可以實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)顯示。8×8的LED點(diǎn)陣顯示屏，可用于文字或圖形的顯示輸出。通過預(yù)留的液晶顯示屏擴(kuò)展接口，可以分別支持16×2字符的LCD1602字符型液晶屏和128×64像素的LCD12864點(diǎn)陣型液晶屏。利用5V蜂鳴器，可以實(shí)現(xiàn)音頻輸出;通過預(yù)留接口插針，還可以外接揚(yáng)聲器。
2.6、擴(kuò)展功能接口模塊
為了拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠?qū)CU板方便地應(yīng)用于其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)與操控，在MCU板上還設(shè)計(jì)并預(yù)留了2個(gè)電機(jī)控制電路的擴(kuò)展接口:步進(jìn)電機(jī)控制電路采用高耐壓、大電流、達(dá)林頓陣列的ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片;直流電機(jī)控制電路則采用微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路L293電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，并為滿足L293芯片9V工作電源的需求預(yù)留了9V電源接入接口［8］。此外，在MCU板上還設(shè)計(jì)并預(yù)留了用來(lái)存取片外數(shù)據(jù)的擴(kuò)展存儲(chǔ)器電路及其接口，可支持具有I2C總線接口功能的AT24C0X系列串行EEPＲOM存儲(chǔ)芯片［9］等。
2.7、端口選擇跳線設(shè)置模組
由于單片MCU的可編程I/O端口數(shù)量有限，為了盡量縮小PCB設(shè)計(jì)面積而又能盡可能多地共用功能模塊，在MCU板上特意設(shè)計(jì)了一組端口選擇跳線，避免多種功能電路共用同一端口的沖突問題。
3、MCU實(shí)驗(yàn)教學(xué)板實(shí)際教學(xué)應(yīng)用
利用MCU板，既可以完成單片機(jī)課程所要求的絕大多數(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也可以為MCU實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和MCU應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)提供支持，還能夠以此為基礎(chǔ)，利用預(yù)留接口外接一些自行設(shè)計(jì)的擴(kuò)展電路，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的拓展以及其他測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用。在MCU板的擴(kuò)展接口上插接LCD液晶屏顯示一組字符的實(shí)驗(yàn)效果如圖2所示。
圖 2 MCU 實(shí)驗(yàn)教學(xué)板液晶屏顯示字符
在MCU板上可以完成并實(shí)現(xiàn)的部分實(shí)驗(yàn)的名稱如表1所示。
表 1 MCU 實(shí)驗(yàn)教學(xué)板部分實(shí)驗(yàn)名稱
4、結(jié)語(yǔ)
便攜式MCU實(shí)驗(yàn)教學(xué)板的研制與應(yīng)用，既可以將單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際電路裝置，應(yīng)用于相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)中，也可以方便學(xué)生走出實(shí)驗(yàn)室也能夠完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)或項(xiàng)目研發(fā)，同時(shí)，為采購(gòu)大型實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備節(jié)省了資金。
經(jīng)實(shí)際使用表明，MCU板具有豐富和實(shí)用的實(shí)驗(yàn)資源、適用面廣，在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，訓(xùn)練基本技能和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，提供自主性、開放式的實(shí)驗(yàn)條件，更新實(shí)驗(yàn)裝置、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量等方面都起到了積極作用。
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