单片机实验开发板的设计与制作
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1 单片机的广泛应用近些年单片机广泛应用于工业生产、智能仪器仪表、家用电器等领域，单片机的应用大大提高了人们生产、生活的自动化水平。由于单片机的广泛应用，许多中高职院校的计算机技术、电气工程自动化及机电专业中都开设了单片机技术这门课程。2 单片机课程传统教学模式的不足依照长期的教学经验可以看出：单片机技术的传统教学方式以理论讲授为主，课本中采用的汇编语言或C语言常常会让学生感到抽象难懂，掌握不熟练很容易造成学生学习积极性不高，更别提设计创新能力的提高了。在对较多学校进行调查分析发现：大部分中职学校都采购了单片机实验箱，在实践教学时，会让学生按照实验手册的要求，一步步的进行实验箱外部插线、程序下载、结果验证。这种教学方法存在一定的弊端，因为实验箱大多是封闭的，学生并不了解内部的结构，只是机械地完成实验要求。这种传统的教学模式已经不能满足现在学生的需求，所以探究一种新的教学模式非常重要。在长期的教学中本人发现学生对于操作内容很感兴趣，就尝试利用单片机实验开发板教学，并取得了一定效果。自制单片机开发板教学模式就是在教学中引导学生动手制作单片机最小系统及外围设备并编写程序，得出结果。这种教学模式更强调学生对知识的运用能力及创新能力。下面以一个项目“4×4矩阵键盘密码锁的制作”来展开单片机实验开发板教学的全过程。3 根据项目任务制作开发板4×4矩阵键盘密码锁项目要求用矩阵键盘输入密码“123456”，如果密码输入正确，按下确认键后，LED灯会被点亮，否则灯不亮。我们按以下步骤来完成教学过程：首先制作单片机最小系统并测试；接着安装4×4矩阵键盘及LED灯；最后完成矩阵键盘及主程序编程，测试电路功能。3.1 单片机最小系统的制作（1）最小系统的原理及元件选择单片机最小系统是保证单片机工作所需的最基本条件，它由电源模块供电，内部还包含时钟和复位电路。电源模块：在电源模块设计时，引导学生搜素我们生活中常用的电源，比较每种电源的使用范围及优缺点，最后选择计算机的USB口为最小系统提供电源。在工作过程中需要电源指示，我们选用发光二极管作为电源指示灯。因为使用发光二极管，电路中必须用到限流电阻，我们选用1KΩ的电阻起到限流作用。复位电路：单片机的复位电路就是使单片机恢复到起始状态的电路，在课堂上学生已经学习了复位电路的功能，学生在设计复位电路时遇到的困难是如何选择手动复位按钮，按钮的种类很多，具体选择哪种开关作为复位按钮，我给出了两种方案：方案一：单刀双掷开关：单刀双掷开关中常用的是铁氧体开关，它是通过改变偏置磁场方向，进而改变导磁率和信号的传输常数，实现开关功能。方案二：四脚轻触开关：四角轻触开关由常开、常闭触点构成，当手按下去以后，在力的作用下，常开触点闭合，开关闭合；手松以后，力消失，常开触点断开，开关断开。学生比较两种开关的优缺点，从焊接工艺的难易、开关灵敏度及对环境的适应性等方面综合考虑后选择了方案二，通过查找资料，找到焊接方法，分两次焊接，第一次焊好以后恢复到常温，再进行二次焊接，避免因连续加热引起外形变化或端子脱落。时钟电路：如何能让单片机有条不紊的运行，必不可少的是时钟电路，他是单片机的心脏，在单片机引脚介绍时，学生已经了解了单片机内部有两个引脚：XTAL1和XTAL2，这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。如图1所示，我们选择33pF的电容，晶体振荡器频率的范围通常在3-24MHZ。
图1（2）最小系统硬件安装及调试在电路设计好，元件也选好以后，开始最小系统制作，先要求学生画出元件布置图，合理安排好元件位置，利用软件把元件接线图画好，最后才开始在万能电路板上焊接，焊接过程中注意焊接工艺，分布操作，直到所有元件都焊好为止。单片机实验开发板的设计与制作江苏省睢宁中等专业学校 段崇秀• 191
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下面开始检测电源模块是否可以使用，用USB线连上电源，用万用表测量VCC引脚和GND引脚之间的电压，如果为5V则说明电源模块和USB没有问题。在以上调试结束后，在开发板上按照下图电路焊接流水灯显示模块，输入一个使8个极管交叉发光二点亮的程序，并编译下载，检验最小系统能否正常工作。程序如下：
至此单片机开发板的最小系统就制作完成了。3.2 4×4矩阵键盘硬件电路及LED灯安装键盘是操作者与单片机互动的重要工具，常和显示模块一起应用。单个键盘和矩阵键盘是单片机中常用的键盘电路。单个键盘电路一般用于简单的操作系统，而矩阵键盘在使用时可以节省I/O口，提高I/O口的利用率。所以在设计学生实验开发板时我们采用4×4矩阵键盘形式。4×4矩阵键盘有四行四列，四行需要四个单片机口，同样四列也需要四个单片机口，我们选用单片机的P1口来使用，P1口的低四位连接矩阵键盘的行线，P1口的高四位连接矩阵键盘的列线。在P2.0口外接一个LED和一个限流电阻，目的使电流不会太大，有效地避免发光二极管被烧坏，限流电阻的阻值选择300Ω，然后接电源。3.3 软件编程，完成功能单片机编程常用的语言有汇编和C语言两种，由于中职生理解能力有限，与汇编语言相比，C语言较易理解，所以教学中我们给学生讲解的是C语言，引导学生利用C语言进行编程，并利用制作好的开发板，设计出程序流程图，再由流程图一步一步编程、调试，出现问题再思考、修改、调试，循环往复，直到结果正确且程序最简为止。在这个项目编程中，如何判断按键是关键，教师引导学生利用反转查询法进行程序编写。学生按照思路编写了程序，但验证时却不是我们所要的结果，学生思考为什么会出现这种情况？中职学生由于知识储备有限，虽能发现问题，但不知如何入手解决，教师引导学生查阅矩阵键盘编程的相
关资料，找出问题的原因。图2因为我们设计时采用的是机械按键，当有一个按键被按下时两触点接触会产生毛刺，如果没有消抖就有可能一次按键被认为是多次，所以程序编写时要先进行消抖，确定有按键按下再判断是哪个按键。按键子程序完成以后，引导学生编写主程序，预设数组，规定密码，在主程序中调用按键子程序，与数组中预设的密码逐位比对，比对正确，点亮灯。学生编写完以后调试，完成整个项目的制作。4 单片机开发板在教学中应用在实际操作中，以上的项目只是我们开发板的一部分，在教学中我们会加入LED显示模块、电动机模块、继电器模块、声音模块等，会引导学生由简单的跑马灯实验到复杂的完成计算器功能，让学生逐步熟悉单片机系统，掌握单片机正常工作的基本条件，直观地理解单片机系统、外围设备和程序之间的关系，真正把理论知识提升到开发项目的层面，实现理论到实践的转化。在探索开发板应用教学时，本人选择两个班级进行比较。运用实验开发板教学的班级，理论成绩优秀率达到18%，而采用传统教法的班级优秀率仅为10%；在技能操作中，运用实验开发板教学的班级优秀率为48%，而采用传统教法的班级优秀率仅为18%。从分析得到的两组数据，明显的感受到了应用实验开发板教学的优势。总结：以自制实验开发板为核心的教学模式，教师作为课堂的组织者，只需要起到引导作用，学生才是课堂的主体，按照教师的引导，分组协作，从原理分析到电路设计，元件的选用，最后完成开发板的制作、调试和程序的编写。在动手做的过程中去感知、体验和领悟相关技能专业知识，从而提高学习兴趣，为以后的工作奠定了基础。
