模块独立式单片机实验系统的设计_龙玲

西南民族大学学报·自然科学版第36卷第3期 Journal of Southwest University for Nationalities⋅Natural Science Edition May. 2010___________________________________________________________________

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收稿日期：2010-03-02 作者简介：龙玲(1981-), 女, 西南民族大学电信学院实验师, 研究方向为测控技术及仪器. 文章编号: 1003-2843(2010)03-0496-04

模块独立式单片机实验系统的设计

龙玲

(西南民族大学电气信息工程学院, 四川成都 610041)

摘 要：介绍一种模块独立式单片机实验系统设计, 该设计解决了传统实验箱式在教学过程中的不直观、复杂等等问题, 以

单片机最小系统板为中心, 若干分功能外围模块为辅助, 实现了整个单片机实验教学过程的直观化、模块化和简单化, 从而大

大提高了单片机教学的效率.

关键词：模块独立式; 单片机实验; 单片机最小系统 中图分类号: TP36 文献标识码: A

引言

随着单片机技术的不断发展, 单片机技术的学习成为了电子类专业的专业必修课, 如电子、通信、测控以及

自动化等等专业. 在当今的单片机实验教学中, 普遍都采用实验箱式教学, 虽然其使用便携, 容易整理, 但是根

据多年的单片机实验教学研究和分析, 实验箱式的实验教学一直存在如下问题：（1）所有模块电路都集成在一

个实验箱上, 电路不完全直观可见, 使得电路复杂且不易懂；（2）大多数电路已经连接好, 一定程度上限制了学

生的动手能力；（3）由于模块多且连接紧密, 所以一旦出现问题很难解决；（4）只重视程序的编写, 忽略了硬件

知识的学习. 而本文介绍这种基于模块独立式的单片机实验系统, 就是为了摆脱传统的实验箱式单片机实验教

学方式的以上缺点, 让整个实验过程更加透明、简单易懂, 从根本上提高单片机实验教与学的效率.

1 模块独立式的单片机实验系统总体结构

所谓模块独立式, 指的是把传统的复杂集成模式设计为独立的简单模块, 使得每个分模块都具有独立的功

能, 作为外围设备来配合单片机最小系统板的工作. 因此, 在该模块独立式的单片机系统结构中, 单片机的最小

系统板是本实验系统的核心模块, 而剩下的分功能小模块为辅助部分.

模块独立式的单片机实验系统总体结构如图1所示, 在这个模块独立式的单片机实验系统中, 除了中心模块

“单片机最小系统板”外, 实验系统中还包括了发光二极管模块、键盘模块、拨位开关模块、传感器模块、步进

电机模块以及LED数码管模块共六个功能模块, 它们分别实现不同的功能. 单片机最小系统板通过若干个I/O

口来实现对其他六个功能模块进行数据传输和功能实现, 各分模块之间相互独立, 最小系统板与分模块之间的

连接通过排线来实现. 根据不同的实验项目要求, 学生可以亲自动手把分模块与最小系统板连接起来, 并通过

编写相应的程序开控制分模块, 从而达到单片机实验的目的. 从认识单片机以及外围器件等实物到亲手编写程

序控制单片机以及分模块, 使得整个实验过程比较传统的实验箱更加直观、简单易懂.

2 单片机最小系统板

在模块独立式的单片机实验系统中, 单片机最小系统板是核心部分, 它负责实现单片机正常工作的最基本497 第3期 ___________________________________________________________________ 龙玲: 模块独立式单片机实验系统的设计

电路, 包括电源部分、时钟电路、复位电路以及用于连接其他分模块的接插件等等.

图1 模块独立式单片机实验系统总体结构图

图2 单片机最小系统板的结构图

图2为单片机最小系统板的结构图, 如图所示, 虚线框内部分即为单片机最小系统板, 其中电源部分、时钟

电路以及复位电路是单片机工作的最基本外围电路, 因此它们和单片机芯片本身就构成了一个单片机的最小化

系统, 而最小系统板中的接插件一般情况使用若干排针就可以实现, 主要是负责把系统板以外的分模块连接到

单片机的I/O口, 当我们编写相应的程序去控制某I/O口时, 那这些被控制的I/O将根据程序的要求来实现与被

连接分模块的信息交换或命令执行.

由于在单片机最小系统板上所包括的电路已经简化到最小程度, 因此在进行最小系统板的PCB布局布线时,

可以尽可能地使用最简单的单面板布线和制作工艺完成. 同时, 还可以在制作最小系统板时, 在相应的位置标

明跟书本上一致的器件标号及其管脚名, 如89C51、P0、P1、P2、VCC、GND等等标号. 从电路板的外观看来,

可以很容易就看清楚每一条电路的起点和终点, 也可以很直观的认识到最小系统板上核心芯片单片机与其他部

分之间的连接情况, 从而把单片机书本上的理论知识与实验教学真正联系起来, 达到更好的实验教学效果.

3 模块独立式设计

在本实验系统中, 除了单片机最小系统板之外, 各独立模块也是单片机实验教学过程中不可缺少的一部分.

正如在本文图1中给出的发光二极管模块、键盘模块、拨位开关模块、传感器模块、步进电机模块以及LED数

码管模块, 这些模块上的器件（如发光二极管、按键、拨位开关、传感器等）都是在单片机实验教学中最常使

用的, 只是在传统的实验箱里, 这些器件都已经被厂家直接焊接在一整块电路板上了, 当这块包含了所有器件

的电路板被安装在实验箱上后, 就使得实验教学过程不够直观, 学生不仅无法看到电路板的背面的器件, 而且

看不见电路板背面的布线情况, 通过实验老师的讲解也只能得到某个程度上的抽象认识, 因此模块独立式的设第36卷 498 西南民族大学学报·自然科学版 ___________________________________________________________________

计从根本上解决了这一问题, 实现真正意义上的直观化、简单化.

由于模块较多, 且基本结构和设计原理相似, 本文仅以其中最常用的发光二极管模块作为例在此进行介绍.

发光二极管模块结构图如图3所示, 点划线框内包括了两个虚线框, 左边的虚线框包括了n个发光

图3 发光二极管模块结构图

二极管, 边的虚线框包括了n个发光二极管, 它们排成一列可供实现单片机实验中最常做的流水灯实验, 还可以

根据实验要求的难易程度把流水灯实验扩展成更多个的不同亮灭规则的实验, 硬件模块不变, 只需要学生在实

现了最简单了流水灯实验之后, 在原有的程序上进行适当的修改便可实现其他类似甚至稍微复杂的实验. 例如

图3右边的虚线框部分所示, 通过改变图中接插件的连接和程序, 四个方向的红黄绿灯排列就可以实现十字路

口红黄绿灯的模拟实验, 这样由浅到深的学习进程, 可以让学生在实验教学中能达到举一反三的效果, 不仅仅

停留在理论上的感性认识, 而是从理性上认识到单片机控制发光二极管所能实现了功能, 最终达到真正掌握单

片机应用的目的.

4 传统实验箱式和模块独立式教学的实现比较

传统的实验箱式教学较重视程序的编写实现, 完成了程序就几乎完成了实验, 导致大部分学生在学习完单

片机实验后都只知道程序是怎么编写的, 却连布线布局是什么、发光二极管是什么样的、拨位开关是什么样的

等等这些最简单的实物都不认识, 虽然这些东西都是在数字电路、模拟电路、PCB板绘制等课程中学习过, 但

是他们基本上没有办法把这些课程的知识联系在一起来运用于实践. 另外, 实验箱上的大部分线已经连接好,

所有实验模块均在一块电路板上且电路不完全可见, 完成一个实验项目, 学生需要连接的线路只有几根, 无法

透彻地学习到系统中的硬件知识. 而且, 一旦电路板出现了问题, 学生几乎没有办法自己检查问题并尽可能的

去排除故障, 甚至有的时候实验老师也没有办法解决, 只有联系厂家来进行拆卸检查排除故障.

与传统的单片机实验箱式教学相比, 模块独立式单片机实验教学的实现也有着不可忽视的优势. 在模块独

立式单片机实验系统中, 每一个小模块上的电路布线布局均可以直接看到. 当学生拿到这样的硬件电路时, 首

先在实验老师的讲解下, 他们可以先对硬件知识进行学习, 包括电路板上的结构、原理图、器件、打孔、布线规

则等等. 然后, 根据实验项目要求亲自动手用排线把独立模块上的接插件和单片机最小系统板上的接插件连接

起来, 仔细观察不同单片机的I/O口所控制的分模块上的连接点, 并在程序的编写时从相应的I/O口发送或接收

信息, 从而达到实验目的.

在实验过程中出现问题时, 学生可以通过检查电路板各连接点的故障, 也可以利用数字万用表来测量器件

的管脚电压和电路的连接情况, 判断到底硬件问题还是软件问题, 便能较快的排除一个个系统故障. 在这个亲499 第3期 ___________________________________________________________________ 龙玲: 模块独立式单片机实验系统的设计

自排除故障的过程中, 不但提高了学生的动手能力, 而且扩展了他们对电路和器件的认识, 同时还会在多次实

验过程中积累一定的电路故障检测经验, 增强学习单片机知识的信心.

5 结束语

经过几年的单片机实验教学经验总结, 与传统的单片机实验箱式教学相比, 模块独立式实验系统使得整个

实验过程显得更加直观、简单且易懂；其次, 它兼顾了软件和硬件两方面知识, 更重要的是很大程度上提高了学

生的动手能力, 甚至可以根据自己的想象搭建出各种各样的单片机系统来, 并通过实验来实现其功能；另外, 由

于实验系统的可直观性强, 故障检测也显得简单方便, 可以一定程度上培养学生自己解决简单故障的能力. 由

此可见, 在单片机实验教学中, 模块独立式单片机实验系统体现出无可比拟的优越性.

参考文献:

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[5] 赵振德. 单片机原理及实验/实训[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2009.

A design of the MCU experiment system based on independent modules LONG Ling

(School of Electric & Information Engineering, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)

Abstract: This paper provides a design of the MCU experiment system based on independent modules. The design resolves