積木式51系列單片機實驗實訓系統的設計及制作

【摘 要】本文結合筆者多年從事單片機教學的工作經驗，自制積木式51系列單片機實驗實訓系統。本文主要介紹了該實驗實訓系統的總體結構和特點，詳細闡述了其軟硬件設計及制作的技術方案，指明了其應用領域及推廣前景。

【關鍵詞】積木式 51系列單片機 實驗實訓系統

【中圖分類號】G712 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）08-0187-02

一 相關的背景技術

當今微型計算機技術發展形成了兩大分支，一是以微處理器為核心所構成的通用微機系統；二是微控制器，俗稱單片機。單片機主要用于工業測控，如家用電器、計算機外圍設備、工業智能化儀表、機器人、生產過程的自動控制、農業、化工、軍事、航空航天等領域。51系列8位單片機，根據被控對象的要求，以計算機技術為基礎，對其軟、硬件切割、合成，使軟、硬件匹配后嵌入被控對象中，以實現被控對象實時控制的需要。雖然近十年來也發展出16位和32位產品，但在目前乃至今后相當長的時間內仍將以8位機為主。

二 設計及制作目的

不少院校開設單片機課程，51系列單片機面向中職、高職、大專、本科甚至研究生開設，他們所用的實驗實訓設備大都技術不夠先進，注重演示、價格昂貴，不利于普及。為此，筆者結合自己多年從事單片機教學的工作經驗，經過反復研究、試驗，制作了積木式51系列單片機教學實驗實訓系統。

三 系統的總體結構

1.電路原理圖

2.板上硬件資源

板上硬件包括：（1）微控制器1套，包括DIP40腳管座1個，上插MCU芯片，芯片下壓晶振1個、起振瓷片電容2個；（2）20腳管座，上插活動數碼管2個；（3）LED燈8個；（4）1K電阻16個，排阻2個；（5）輸入設備1套，包括按鍵4個、4位撥碼開關1個；（6）濾波穩壓電路1套，包括3端穩壓器7805一個、濾波電容4個、紅色小LED燈1個、電阻1個；（7）復位電路1套，包括復位按鍵1個、電阻2個、二極管1個、電容1個，采用電平復位，復位時間大于30毫秒；（8）跳線器32個，用于選擇板上或板外資源，也可用于系統擴展。以上8個組成部分設置在一塊電路板上，構成完整良好的應用系統；（9）RS232電壓轉換板、51系列專用控制器、1個9針串口，三者合成一個專用模塊。該模塊以積木的方式插在應用系統上并與個人機連接后構成仿真器、編程器。

四 系統的軟硬件制作方案

1.設計及制作所要解決的技術問題

目前，多數院校使用的單片機實驗實訓設備主要支持高級語言編程，而該實驗實訓系統可支持匯編語言、C51高級語言、混編及實時多任務操作系統對照編程，更能夠適應市場編制軟件的需要。

多數院校使用的單片機實驗實訓設備，在硬件配置上注重演示，使用者不能對其分解、合成，難以培養學習者的動手能力與實際工作技能。該系統在現有同類產品的基礎上進行了創新，以實用為出發點，針對學生的特點，把教與學的重點放在現場控制上，緊抓“通過口來實現控制”這一單片機核心內容，輔之以微控器與負載之間有機結合（對負載而言，連接使用方便）；負載之間在電氣上嚴格獨立，使學生可以根據實際需要對該系統進行分解，加入所需負載后，重新合成，以滿足現場控制的需要，進而培養操作人員的動手能力和實踐技能。

多數院校使用的單片機實驗實訓設備多采購于大公司，從應用角度看主要使用高級語言寫作，給出一個最終結果，忽視數制在嵌入式控制中的核心地位，無視匯編語言與特定硬件一一對應的動作匹配，在教學環節上缺乏針對性。而該系統結合單片機應用特點及學習的一般規律，面向學生將單片機的口全部開放，且硬件以積木的方式自由組合，將教材上的理論知識與現場應用相結合，準確地控制現場硬件的任何一個動作。從技術應用角度看，該系統實現了理實環節的統一，并提供了一條學習和編程的捷徑。

該實訓系統易于繼承用其他語言編制的軟件，減少了編程的工作量。

2.設計及制作所采用的具體技術方案

該系統以Keil C51為工具軟件，設計思想上采用“層次化”“模塊化”設計。（1）外圍設備與整機控制系統，通過32個跳線器完整隔離，確保使用者自由選擇板上資源或板外自掛資源；（2）該系統專門制作了穩壓模塊，不需要專用電源，只要使用普通電源即可獲得穩定的工作電壓，而且板上觸及部位無危險電壓，確保人身安全；（3）在該板上插入工作芯片，即形成用戶系統；（4）在該板上或其他廠家的用戶板上插入RS232/TTL轉換板，加上仿真芯片，就可形成一臺仿真器，為學習嵌入式控制提供了極大的方便。該仿真器植入一段代碼后，可轉變為一臺PLC，功能接近于專用PLC如西門子PLC等；（5）在該板上或其他廠家的用戶板上插入RS232/TTL轉換板，加上編程芯片，就可形成一臺編程器。該編程器模塊還具有下載機、拷貝機、工作機三種實用功能；（6）在該板上32個端口（PORT）通過跳線器全部引出，學生可將自己設計的電路連入該板，極大地減輕連線工作，提高學生的應用效率；（7）該系統上的資源大多為插拔式或可拆卸的，學生可自設故障，提高學生現場解決問題的能力；（8）僅需配一個普通電源，利用該系統上的鍵盤、數碼管、微控制器，系統可以獨立運行；（9）通過RS232通信接口，在Keil C51支持下，利用上位機豐富的軟、硬件資源，實現用戶程序編輯、編譯、調試、運行，提高實驗效率。

該系統緊緊圍繞實驗實訓目的，在使用匯編語言、C51高級語言、混編及實時多任務操作系統編程的基礎上，采用3+2形式（用戶板使用3次、電壓轉換板使用2次）制作硬件，體現了電路形式上的通用性（仿真、編程必須在用戶板上進行），突出了電路功能上的專用性，貫穿了負邏輯控制的實用性。從應用角度看，該系統克服了當今市場上相關產品的弱點，集仿真、編程、應用于一體，實現了現場編程、現場調試、現場完成的技術突破和創新。

五 系統的特點及應用領域

該系統集實用性與先進性于一體，應用領域較為廣泛。它不僅可作為用戶系統現場工作，也可以作為仿真器進行程序編輯、編譯、調試、運行，還可以作為編程器使用，該編程器同時具有下載機、工作機等實用功能。此外，積木的方式突出了單片機用口實現控制的特點，解決現有實驗實訓設備貪大求多、主次不明、價格昂貴、不利于普及等弊端。該系統既可滿足單片機課程教學需要，同時也為專業人員從事開發工作提供了穩定可靠的技術平臺。

六 系統的前景預測

該實驗實訓系統已獲CMA認證，并在校試用兩年，效果良好。該系統結構設計簡潔合理、思路獨特、技術先進、功能強大，而且元器件易購、制作價格低廉，易學易用，便于初學者入門，是目前大中專院校、職業技術學院單片機實驗室理想的更新替代品。

〔責任編輯：肖薇〕