模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)

嵇 萍 姚蘇華 徐香梅

江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 210017

單片機(jī)課程是電氣自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，具有很強(qiáng)的綜合性與實(shí)踐性，能較好地培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，因此需要一種實(shí)用性強(qiáng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置。在傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，普遍采用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱將各種單元電路設(shè)計(jì)在一塊大印刷電路板上。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟。其缺點(diǎn)主要有：(1)電路連接線很多，學(xué)生容易接錯(cuò)；(2)實(shí)驗(yàn)電路固定，難以升級(jí)和更新，無(wú)法滿足新技術(shù)、新實(shí)驗(yàn)的要求；(3)靈活性和擴(kuò)展性差，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)箱的缺點(diǎn)，結(jié)合電氣自動(dòng)化專業(yè)特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一種新型的模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，既能滿足單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)要求，又能滿足大學(xué)生課外創(chuàng)新活動(dòng)的需要。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、基本模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器控制模塊等組成。

1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊是單片機(jī)系統(tǒng)的核心模塊，主要由3部分組成：電源部分、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路和下載電路。為方便起見，電源部分采用USB供電和外部電源供電2種方式。單片機(jī)最小系統(tǒng)部分(如圖1所示)。由單片機(jī)、電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器選擇電路組成。為便于單片機(jī)芯片的插入和卸載，該模塊采用鎖緊卡座設(shè)計(jì)；復(fù)位電路包括上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位2種方式；時(shí)鐘電路的晶振部分采用排針插座，便于使用者更換不同頻率的晶振。

圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

為了降低開發(fā)成本，該模塊選用STC單片機(jī)，其內(nèi)部集成了ISP在線下載模塊，配合下載電路即具有在線下載程序的功能，下載電路如圖2所示。在下載電路中，采用PL2303芯片及其外圍電路實(shí)現(xiàn)USB-UART的電平轉(zhuǎn)換。

圖2 下載電路

2 基本模塊

基本模塊是單片機(jī)系統(tǒng)的基本功能實(shí)現(xiàn)模塊，主要包括LED燈電路、數(shù)碼管電路、液晶顯示電路、獨(dú)立按鍵電路和矩陣鍵盤電路。LED燈電路由8個(gè)LED燈組成。數(shù)碼管電路采用4位數(shù)碼管，為簡(jiǎn)化電路，采用動(dòng)態(tài)掃描方式，提供了4根位選線和8根段選線。液晶顯示部分包括1602液晶顯示電路和12864液晶顯示電路，2個(gè)顯示電路共用數(shù)據(jù)口，使用時(shí)選用不同的插座。獨(dú)立按鍵電路采用4個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵都提供了獨(dú)立的接口。矩陣鍵盤電路實(shí)現(xiàn)4×4共16個(gè)按鍵的矩陣。

3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示，該模塊采用ADC0832芯片。ADC0832芯片是一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，能夠滿足一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。芯片的模擬電壓輸入范圍是0～5 V。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32 μs，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換誤差小，轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)。

D/A轉(zhuǎn)換模塊如圖4所示，該模塊采用TLC5615芯片。TLC5615芯片是具有3線串行總線接口、10位CMOS電壓輸出型的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，芯片工作電壓為+5 V，轉(zhuǎn)換后最大輸出模擬電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍，輸出電壓和基準(zhǔn)電壓極性相同。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路

4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。單片機(jī)的輸出引腳驅(qū)動(dòng)能力很小，而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)需要較大電流，所以筆者采用ULN2003芯片放大驅(qū)動(dòng)電流。通過(guò)單片機(jī)引腳輸出的脈沖序列和方向控制信號(hào)，被直接送入U(xiǎn)LN2003芯片進(jìn)行功率放大，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電流和電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

5 繼電器控制模塊

繼電器控制電路如圖6所示。單片機(jī)的一個(gè)輸出引腳經(jīng)過(guò)電阻與三極管T1基極相連，電流通過(guò)三極管放大后，驅(qū)動(dòng)控制繼電器。通過(guò)三極管的基極電平可以控制繼電器的開和關(guān)。當(dāng)單片機(jī)引腳輸出高電平，三極管T1截止，繼電器不工作；反之，當(dāng)單片機(jī)引腳輸出低電平，三極管T1導(dǎo)通，繼電器得電吸合。

圖6 繼電器控制電路

6 結(jié)束語(yǔ)

模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置中的各個(gè)模塊獨(dú)立分開，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要自由選擇模塊構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)，還可以自行設(shè)計(jì)其他的擴(kuò)展功能模塊，與現(xiàn)有模塊一起使用構(gòu)建新的單片機(jī)系統(tǒng)，具有很好的靈活性、開放性和可擴(kuò)展性。該單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置投入應(yīng)用以來(lái)，大大提高了學(xué)生的單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)能力和創(chuàng)新能力。

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