项目型单片机实训系统的设计和实现

-84-学园┃XUEYUAN2016年第30期

项目型单片机实训系统的设计和实现

沈德峰 辽宁轨道交通职业学院电气工程系

【摘 要】本文结合高职院校中单片机项目教学常用的基本电路和常用扩展电路，设计了一种适合项目教学的单片机实训系统原理电路，并给出了具体的装联和调试方法。该实训系统在教学过程中使用非常方便，能够很好地提升单片机课程的教学质量，降低授课教师的工作强度。通常使用本系统进行单片机项目教学能够完成设计的基本实训项目，学生也能够对单片机系统建立最基本的认识，同时实训系统支持扩展功能，可以使学生的能力得到进一步的提升。【关键词】单片机 外围电路 实训系统 项目教学

在高职院校的理实一体化项目教学中，单片机课

程是课程体系的重要组成部分和教学的难点。在绝大

部分的职业院校中，单片机课程的教学存在理论性

强、指导教师不足、实训设备单一等问题。市场上成

型的单片机实验板和实验箱很多，但是针对职业院校

学生认知特点的实训设备却很少。许多实训设备追求

“大而全”，忽略了项目教学循序渐进的规律和项目的

完整性，使用这些实训设备在进行理实一体化项目教学

的过程中，教学难度比较大。本文介绍一种针对高职院

校学生的项目型单片机实训系统，通过整合常用的实训

电路，使单片机课程的教学能够达到较好的效果。

一 课题来源

本课题是辽宁轨道交通职业学院机电实训基地建

设单片机实训室的子课题。经过具体的课程调研，单

片机课程以理实一体化形式教学的课时通常为3～5

周，每周16～20学时，其主要的实践项目可以分为I/O口初步应用、I/O口高速应用、定时/计数器应用、

外部中断应用、串行数据通信口应用和综合应用等。

同时还应满足的扩展内容有部分串行总线的模拟、数

字温度传感器的使用、多信息显示器件的驱动、看门

狗的使用、可擦除E2PROM的使用等功能。二 需要解决的问题

和市场上其他单片机实验板或实验箱相比，本系

统需要考虑的方面主要是如何适应高职学生的实践教

学，并预留一部分提升空间。结合教学的实际情况，

需要解决的问题主要有以下两点。

第一，基本功能电路的选择。单片机课程的基本

功能电路具有形式和原理简单、实现方便、维护灵

活、以软件功能为主的特点。因此，首先需要解决的

问题是确定选取哪些电路作为单片机实训系统的基本

电路。基本电路与单片机的连接采用短路片来实现，

减少基本电路中电路搭建部分的工作量，因为其简单

不易出错，将更多的教学内容放在软件编程上，着重

对实训现象的观察和再现，也可以实现一些验证性质

的实验和实训。

第二，扩展功能电路的选择。扩展功能电路是针

对部分学有余力的学生进行设计的。由于实际应用的

单片机外围器件种类很多，诸如液晶显示模块、LED

点阵显示、专用键盘和数码管驱动器件等电路都有应

用，还有一些定制和特制的外围器件。扩展功能电

路采用插线方式设计，最大限度上实现了电路的灵

活性。

三 实现方案

根据以上提出的问题，经过方案论证，给出如下学园┃XUEYUAN2016年第30期

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将基本电路和扩展电路分别进行设计和考虑。

单片机项目课程、随堂的实验等内容采用基本电路

来实现，在一块基本板上即可实现需要的功能。在

进行学生课程设计、技能竞赛和分组研究的教学过

程中，可以采用扩展电路来实现，充分发挥学生的

思维能力、创造能力和动手能力，达到分层次教学

的基本目的。

在教学过程中，鼓励学生自行查阅资料，自行设

计电路。因此，在实训系统上应留出适当的位置让学

生自行搭接电路。本系统在扩展板上设计了万能的芯

片接线插座和面包板，方便学生完成自己感兴趣的

电路。

基于以上解决办法，制订以下实现方案。

1. 单片机最小系统电路的设计

任何一个以单片机为核心的实训项目都需要先搭

建一个单片机最小系统，然后以最小系统为基础，配

合外围电路，实现相关的功能。所谓最小系统就是单

片机工作必需的电路，使用最少的器件组成一个可以

使单片机工作的系统。单片机最小系统包括时钟电

路、复位电路、下载电路等。

本系统采用MCS—51单片机来实现，考虑单片机

程序的下载方式，选择STC89C52RC单片机。MCS—51单片机的时钟电路可以使用有源晶振也可以使用无

源晶振。

复位是使CPU与单片机最小系统中的其他部件都

处于一个确定的初始状态，并从这一点开始工作。复

位是单片机的初始化操作，当RST引脚上出现能够持

续两个机器周期的高电平时，单片机在第二个机器周

期执行复位。MCS—51单片机的复位电路有上电复位

和手动复位两种。

下载电路实际上就是一个典型的RS—232接口电

路，使用电气协议转换芯片MAX232实现。

除了这些最小系统电路之外，还需要注意，当使

用片内ROM的时候，需要将EA脚接到电源上。

2. 基本电路的选择和设计

基本电路需要考虑涵盖I/O口初步应用、I/O口高

速应用、定时/计数器应用、外部中断应用、串行数据通信口应用等实践项目。因此根据这些项目选择实

现的电路，具体的电路如表1。

表1 基本电路的选择和设计教学次序实践项目具体电路项目一I/O口初步应用8位流水灯电路、按键读取电路项目二I/O口高速应用多位数码管动态显示电路、 矩阵键盘读取电路项目三定时/计数器应用NE555振荡电路项目四外部中断应用中断按键电路项目五串行数据通信口应用串口通信电路流水灯电路是单片机I/O口输出功能的最基本电

路，而按键读取电路是单片机I/O口输入功能的最基

本电路。MCS—51单片机的I/O口由于有上拉电阻，因

此其输入默认为高电平，读取输入值时应先将I/O口

置1。

多位数码管动态显示电路是单片机I/O口高速输

出应用的基本电路，通过快速刷新和视觉错觉达到动

态显示的目的；矩阵键盘电路是单片机I/O口高速输

入应用的基本电路，通过给相应的行列线置0，并不

断地读取I/O口的信息，确定按键在矩阵中的位置。

定时/计数器的应用采用NE555构成的多谐振荡

器，通过RC网络改变其频率。使用单片机的定时/计

数器的测频率功能测量多谐振荡器的振荡信号频率。

外部中断应用采用中断按键来实现，其电路与按

键读取电路基本相同，只需将按键接在外部中断接口

上即可。

串行数据通信口用下载电路即可实现。

3. 扩展电路的选择和设计

扩展电路需要考虑电机驱动、串行总线的模拟、

数字温度传感器的使用、多信息显示器件的驱动、看

门狗的使用、可擦除E2PROM等实践项目。因此根据

这些项目选择实现的电路，具体的电路如表2。

表2 扩展电路的选择和设计教学次序实践项目具体电路项目一步进电机驱动ULN2003电路项目二串行总线的模拟AT24C02电路、74HC595 电路项目三数字温度传感器的使用DS18B20电路

项目四多信息显示器件的驱动液晶模块电路、LED点阵 显示电路项目五看门狗的使用MAX813电路项目六可擦除E2PROMAT93C46电路使用ULN2003电路可以驱动小型的步进电机。该

电路具有结构简单的特点，该项目的目的是使用单片

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机I/O口模拟步进电机的驱动时序。

串行总线是单片机最常用的外围电路，主要包括I2C总线和SPI总线。I2C总线是二线总线，使用最常

用的I2C总线器件AT24C02作为驱动对象；SPI总线是

三线总线，使用常用的SPI器件74HC595电路作为驱

动对象。

传感器也是单片机电路中不可或缺的电路，本

系统采用集成的数字温度传感器DS18B20来实现。DS18B20采用1—wire单线总线来实现，其总线上通常

上拉一个4.7kΩ的电阻。

在实际的系统中，数码管的显示往往不能满足要

求，多信息的显示器件就显得非常重要。在本系统

中，多信息显示器件采用LCD显示模块和LED点阵显

示电路来实现。常用的LCD显示模块包括1602字形显

示模块和12864点阵显示模块两种，本系统同时支持

这两种显示模块。LED点阵显示电路采用74HC595和74HC138来实现，点阵显示为16×16点阵模块，可以

显示中文。

当对于单片机系统可靠性要求较高时，为了防止

单片机程序“跑飞”，通常加入看门狗电路。MCS—51系列单片机的52单片机支持片内的看门狗电路，而

在实际的应用中，外部的看门狗电路也有很多应用。

因此，本系统设计了片外的看门狗电路，采用常用的

复位器件MAX813来实现。

单片机系统运行过程中，通常需要保存一些信

息，要求这些信息在系统掉电后仍然能够保存，

因此需要引入E2PROM电路。之前的I2C总线器件AT24C02就是一种E2PROM电路。为了丰富电路的设

计，深化对E2PROM的理解，增加另一种E2PROM器

件AT93C46，以便更好地实现教学设计。

4. 电源设计

电源设计需要考虑器件的供电电压，单片机电路

的供电电压基本都是5V。考虑到系统电源的稳定性，

不采用5V开关电源供电，而采用9V开关电源配合线

性集成稳压器7805对系统供电。

四 实际制作

由于本系统是实训室实际使用的设备，制作时应充分考虑装联的可靠性和可操作性。由于实训室需要

的设备数量较多，可以通过专业的焊接工厂来对电路

板进行装联和调试，也可以由教师或学生自行焊接。

在设计过程中，需要考虑的工艺情况如下：

（1）PCB图应尽可能地整洁和规范，标注和元

器件位置应合理布局，避免因干扰而造成器件装错或

漏装。

（2）由于实际的课程过程中采用基础电路和扩

展电路结合的模式进行，因此系统采用“基本板+扩

展板”的形式设计。基本板上侧重基础电路，扩展板

上设计扩展电路。

（3）基本板设计装联工艺尽量采用贴片式原

件，加工时制作钢网，采用回流焊方法焊接，提高成

品率。

（4）扩展板设计装联工艺尽量采用插装式原

件，加工时可由教师或学生进行手工焊接。

电路板焊接制作好以后，就可以对其进行整体调

试。调试时，需要注意各种功能的实现和I/O口配置

要尽量和设计保持一致，避免教学过程中造成误解。

五 结论和改进

在教学反馈中，使用本系统可以提高单片机教学

的质量。电路的搭建时间由过去的半小时左右缩短为5～10分钟，而学生对单片机电路原理的理解并没有

削弱，同时在实践过程中更改线路非常方便，便于根

据不同的实际情况修改项目设计方案。可见，项目型

单片机实训系统基本可以满足单片机课程的教学需

要。在使用过程中，教师和学生也反馈了一些改进意

见，例如：部分外围连接器形式比较单一，可以进一

步优化；固定方式有待优化，应对基本板和扩展板之

间的固定部分适当加强；应制作坚固的外盒或外箱，

避免电路板的损坏。这些建议在接下来的改进工作中

也具有重要的指导意义。

参考文献

［1］阎石.数字电子技术基础（第五版）［M］.北京：高等教育出版社，2009［2］胡汉才.单片机原理及其接口技术（第二版）［M］.北京：清华大学出版社，2004［3］周正鼎.单片机应用与调试项目教程［M］.北京：机械工