單片機課程實驗系統研制探析

丁坤 傅雯 史中權

摘要：研制了一種單片機課程實驗系統，該實驗系統由電腦、仿真器、示波器、實驗板等主要部件構成。自主研制了實驗系統的核心部件——實驗板，實驗板由多個實驗模塊組成，可以滿足單片機課程的實驗教學要求。同時根據課程要求設計了12個實驗內容。該實驗板上的各模塊間可以自主設計接線，具有較高的靈活性。

關鍵詞：單片機；實驗系統；實驗板

作者簡介：丁坤（1975-），男，福建泉州人，河海大學機電工程學院，副教授；傅雯（1964-），女，浙江衢州人，河海大學機電工程學院，高級實驗師。（江蘇 常州 213022）

基金項目：本文系2013年江蘇省高等教育教改研究立項課題（項目編號：2013JSJG121）、江蘇省教育科學“十二五”規劃2013年度課題（批準號：2013/01/011）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0127-02

單片機課程是高等院校電氣、自動化、計算機、機電控制等專業的重要基礎課程。由于該課程是一門理論性、邏輯性和實踐性很強的課程，為了得到更好的教學效果，我國各高校都針對該課程開展了課程優化和教學改革，并取得了一定的成績。[1-3]

單片機課程實驗環節是該課程教學的重要環節，通過課程實驗不僅可以讓學生把在課堂上學到的理論知識應用于實踐，而且可以提高學生對各類電路的認知能力、設計能力以及動手能力。針對不同專業學生的教學實驗要求，有些高校開發研制了適合本校要求的單片機課程實驗系統。[4-6]本文針對河海大學機械工程及自動化專業的教學要求，研制了一種可滿足單片機課程實驗要求的單片機課程實驗系統。

一、課程設置基本情況

河海大學機械工程及自動化專業的單片機課程教學以MCS-51系列單片機為授課內容，分為“微機原理及應用”和“接口技術”兩門課程。“微機原理及應用”課程的總學時數為48學時，其中課堂教學40學時，實驗教學8學時。課程的主要內容包含單片機基礎知識、MCS-51系列單片機系統結構及電路、MCS-51系列單片機指令系統和程序設計方法、MCS-51系列單片機的功能模塊及其應用。“接口技術”課程的總學時數為32學時，其中課堂教學26學時，實驗教學6學時。課程的主要內容包含：MCS-51系列單片機并行擴展原理、MCS-51系列單片機存儲器的擴展、MCS-51系列單片機并行接口的擴展、鍵盤顯示接口、A/D和D/A的基本原理和擴展方法、串行通信技術。所要研制的實驗系統需能滿足上述兩門課程的實驗教學要求。

二、實驗系統構成

如圖1所示，本實驗系統由電腦、仿真器、示波器、實驗板等主要部件構成。系統中電腦用于安裝仿真實驗軟件。示波器主要用于觀察D/A實驗輸出的電壓波形。仿真器采用南京萬利SE系列仿真器，該仿真器采用Client/Server結構，無跳線、無按鍵、無開關，所有硬件配置和運行控制全由MedWin軟件調試器設置，可以完全仿真常見MCS-51系列單片機。配套的MedWin軟件集編輯、編譯/匯編、在線模擬調試于一體，VC風格的用戶界面，完全支持Franklin/Keil C擴展OMF格式文件，支持所有變量類型及表達式。

實驗板是本單片機課程實驗系統最關鍵的部分，其設計時充分考慮了課程教學內容、學生動手能力培養、學生認知能力訓練等方面的需求。本文所說實驗板完全自主研制。

三、實驗板研制

圖2是實驗板功能模塊實際分布的示意框圖。如圖2所示，該單片機仿真實驗板具備以下幾個功能模塊：

1.核心模塊

核心模塊由插入仿真頭的插座、74LS373、6264（RAM），以及引出引線的插孔構成。核心模塊用于模擬MCS-51系列的單片機，構成用于實驗的并行口、地址總線、數據總線、控制總線，并且提供了8K的外部數據存貯器以做實驗。

2.A/D模塊

A/D模塊由ADC0809和一個頻率為500K的時鐘電路構成。其中，ADC0809的通道選通信號、模擬輸入端口、控制信號全部引出到引線的插孔，可供A/D轉換實驗時自由使用。

3.D/A模塊

D/A模塊由DAC0832和運放電路構成。其中，DAC0832的控制信號和經運放電路處理后的D/A輸出信號引出到引線的插孔，可供D/A轉換實驗時自由使用。在該實驗時需要通過示波器觀察D/A輸出的電壓波形。

4.譯碼模塊

譯碼模塊由74LS138構成，74LS138的3個輸入端和8個輸出端引出到引線的插孔，可供實驗自由使用。

5.串行模塊

串行模塊由74LS164和RS232電平轉換器MAX232兩個主要芯片構成。74LS164可以做串行口方式0應用實驗，RS232電平轉換器可以做串行通信實驗。74LS164的輸入控制盒輸出端口以及MAX232的TTL端口和RS232端口被引出到引線的插孔。

6.并行口模塊

并行口模塊由8155為主構成。8155的控制總線、I/O口和計數器引腳被引出到引線的插孔。該模塊可以做關于8155的各種實驗。

7.指示燈模塊

指示燈模塊由8個LED發光二極管構成，每個LED的陰極被引出到引線的插孔。該模塊可以做指示燈輸出相關實驗。

8.數碼管模塊

數碼管模塊由4個8位數碼管及其驅動電路組成。可以做動態顯示實驗。其中每個數碼管的公共端和每個段控制位被引出到引線的插孔。

9.鍵盤模塊

鍵盤模塊由一個4×4的小鍵盤構成。鍵盤的4位行控制信號和4位列控制信號被引出到引線的插孔。可以做行列式鍵盤實驗。

10.模擬輸入模塊

模擬輸入模塊由2個電位器構成，可以通過調節電位器得到不同的電壓值。其中，電位器的中間抽頭被引出到引線的插孔。

11.數字輸入模塊

數字輸入模塊由兩個8位的DIP開關組成，既可作為16位的數字量的輸入，又可作為單個開關量的輸入以做控制之用。每個DIP開關的輸出都被引出到引線的插孔。

在實驗過程中，各個模塊的接線都需要學生根據實驗要求設計接線并動手通過各個模塊引線的插孔進行接線，可以充分鍛煉學生的設計能力和動手能力。

四、實驗設計

根據研制的實驗板和“微機原理及應用”、“接口技術”兩門課程的實驗要求，設計了12個實驗，其中7個“微機原理及應用”課程實驗和5個“接口技術”課程實驗。“微機原理及應用”課程實驗包括4個純軟件實驗和3個與硬件相關的實驗——并行口實驗、計數器/定時器實驗、外部中斷實驗。“接口技術”課程實驗都是硬件相關的實驗——并行口擴展實驗、鍵盤顯示實驗、A/D、D/A轉換實驗、串行口方式0應用實驗、雙機通訊實驗。

安排軟件實驗的目的是為了讓學生掌握仿真軟件的使用，熟悉所學的匯編指令，并且練習程序的編輯、匯編和調試及運行。

安排硬件實驗的目的是為了讓學生掌握上課所學的MCS-51系列單片機相關硬件知識，并且通過實驗應用強化理解硬件和軟件的相結合。以并行口實驗為例，本實驗利用MCS-51單片機仿真實驗板的核心模塊（CPU）、指示燈模塊和數字輸入模塊。核心模塊中有MCS-51單片機的P0、P1、P2、P3的引出引腳供接線使用。指示燈模塊有8個LED，這8個LED分別由8個引腳控制，當引腳為高電平時對應的LED亮。數字輸入模塊由兩個8位的DIP開關組成，既可作為16位的數字量的輸入，又可作為單個開關量的輸入以做控制之用，當DIP開關在OFF狀態時對應的引腳輸出高電平，當DIP開關在ON狀態時對應的引腳輸出低電平。

實驗要求如下：

第一，利用軟件延時的方法使指示燈模塊中的LED按如圖3規律亮滅（間隔時間為500ms，當某個LED亮時其他的LED全滅）。

可將核心模塊中P1口通過引腳與指示燈模塊的4個LED控制引腳對應相接，然后通過編程控制P1口的狀態變化即可實現控制要求。

第二，用P1.0～P1.3口控制指示燈模塊中某4個LED的亮滅，用P1.4～P1.7口讀取數字輸入模塊中某4位的DIP開關的狀態，使得DIP開關的狀態與被P1.0～P1.3口控制的LED的亮滅狀態一一對應。要求：當DIP開關處于OFF狀態時其讀入引腳所對應引腳控制的LED滅，當DIP開關處于ON狀態時其讀入引腳所對應引腳控制的LED亮。分別使用位操作和字節操作的方法編程。

對應關系如下：P1.0與P1.4對應、P1.1與P1.5對應、P1.2與P1.6對應、P1.3與P1.7對應。

將核心模塊中P1.0～P1.3口通過引腳與指示燈模塊的前4個LED控制引腳對應相接，將核心模塊中的P1.4～P1.5口通過引腳與數字輸入模塊中某4位的DIP開關對應的引腳相接。

實驗過程中，學生要根據要求接好實驗板的接線，并編寫程序、調試試驗相關的實驗要求。通過該實驗可以使學生更進一步熟悉MCS—51系列單片機并行口等知識點的內容。

五、使用效果

本文研制的單片機課程實驗系統在河海大學機械工程及自動化專業的單片機課程實驗已投入使用多年，效果良好，尤其是自行研制的實驗板可以由學生自主接線，提高了學生對單片機系統的認識和動手能力。但是也存在著一些缺點，如：實驗板上的插孔在使用一段時間后由于失去彈性需要更換；學生實驗時的誤接線、誤操作會損壞實驗板上的芯片，這些方面都有待進一步改進。

參考文獻：

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（責任編輯：孫晴）