基于獨立院校課程改革的單片機(jī)綜合實訓(xùn)板設(shè)計

潘玉榮 張道德

摘 要：該文針對獨立院校單片機(jī)原理及應(yīng)用課程改革，設(shè)計了一款單片機(jī)綜合實訓(xùn)板，旨在培養(yǎng)適合社會需求的應(yīng)用型人才。綜合實訓(xùn)板主要由按鍵、流水燈、數(shù)碼管顯示、繼電器控制、AD/DA、電位器阻值采集、步進(jìn)電機(jī)控制及串口通信等模塊構(gòu)成。學(xué)生由電路分析入手，繪制電路原理圖、焊接PCB印制電路板、編寫各個模塊控制程序，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 數(shù)碼管顯示模塊 電位器阻值采集

中圖分類號：TP391.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（a）-0116-03

近年來，國家推行獨立院校改革，獨立學(xué)院以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，重視學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[1]。《單片機(jī)原理與應(yīng)用》是一門實踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，普通高校的單片機(jī)課程教學(xué)方法，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的困難，掌握專業(yè)技能有限，將來走上社會競爭力不足[2]，重視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)才能切實提高學(xué)生的動手能力。該課題針對獨立院校單片機(jī)課程教學(xué)方法實踐性改革，設(shè)計了一款適用于獨立院校學(xué)生的單片機(jī)綜合實訓(xùn)板。

學(xué)生由電路分析入手，繪制電路原理圖、焊接PCB印制電路板、編寫各個模塊控制程序，最終以此作為課程考核依據(jù)，讓學(xué)生掌握專業(yè)技能，提高動手能力。

1 實訓(xùn)板總體方案設(shè)計

課題對獨立院校單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的教學(xué)大綱、課時（36學(xué)時）、教學(xué)方法（實踐教學(xué)）、考核方法（以綜合實訓(xùn)編程結(jié)果為課程考試成績）和單片機(jī)實訓(xùn)板的使用對象（基礎(chǔ)為零的學(xué)生）綜合考慮，要求這款實訓(xùn)板層次性要強(qiáng)。其教學(xué)模塊有較為簡單入手的獨立按鍵模塊、流水燈模塊、光電隔離輸入輸出模塊、繼電器隔離控制模塊；相對復(fù)雜的模塊有動態(tài)數(shù)碼管模塊、矩陣鍵盤接口模塊、蜂鳴器演奏模塊、AD/DA模塊、點陣LED屏漢字顯示模塊、串口控制模塊等；綜合性能較強(qiáng)的有繼電器控制直流電機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制模塊、電位器阻值采集模塊等。

針對上述所有模塊，進(jìn)行分類綜合，可分為三種教學(xué)方案：（1）電位器阻值采集及顯示綜合實訓(xùn)方案；（2）按鍵控制直流電機(jī)啟動、停止綜合實訓(xùn)方案；（3）按鍵控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)速、并將速度顯示綜合實訓(xùn)方案。該文將針對電位器阻值采集及顯示綜合實訓(xùn)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。該方案選取流水燈模塊及獨立按鍵模塊作為簡單入手模塊，動態(tài)數(shù)碼管模塊、AD模塊作為入門提高模塊，電位器阻值采集模塊作為綜合實訓(xùn)及考核模塊，系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 綜合實訓(xùn)板硬件設(shè)計

下面對電位器阻值采集、顯示綜合實訓(xùn)方案的硬件模塊進(jìn)行介紹。

2.1 單片機(jī)最小應(yīng)用模塊介紹

單片機(jī)型號為ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片，它是一款低功耗、高性能8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲空間[3]。其價格便宜，性能穩(wěn)定，完全符合單片機(jī)教學(xué)大綱的要求。系統(tǒng)直接選用現(xiàn)成的USB-Blaster下載器，用于供電和程序下載調(diào)試，因此，將電源模塊和USB下載模塊省略，使得實訓(xùn)板更加簡單，方便后期學(xué)生設(shè)計與調(diào)試。AT89S52單片機(jī)晶振為12 MHz，高電平復(fù)位。單片機(jī)P0、P1、P2、P3口分別引出8路接口，以便單片機(jī)與其他模塊用插線連接。其中，P1口并聯(lián)一個8路排阻RA1，使用灌電流增加P1口的驅(qū)動力。由于按鍵和流水燈通常用于系統(tǒng)的檢測、調(diào)試，是單片機(jī)系統(tǒng)必不可少的部分，因此按鍵模塊與流水燈模塊和單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)合起來構(gòu)成了單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)。

2.2 動態(tài)數(shù)碼管顯示模塊

實訓(xùn)板中，選用四位七段共陰極數(shù)碼管作為顯示器。共陰極數(shù)碼管若不加驅(qū)動集成塊，則必須加680Ω的上拉電阻；若加驅(qū)動集成塊，選用74LS244、74LS245、CD4011、74LS240等，可不用串聯(lián)限流電阻，也不必接上拉電阻；若選用74LS06、74LS07等集電極開路輸出的集成電路，必須加680Ω的上拉電阻（不接不亮），不能串聯(lián)限流電阻（串了不亮）。而在實際上680 Ω的電阻可在470 Ω～1 K之間選擇。所以電路中選74LS245和74LS07分別為單片機(jī)段選和位選驅(qū)動芯片。

2.3 A/D模塊

A/D轉(zhuǎn)換接口是傳感器接口通道中的一個重要環(huán)節(jié)，其任務(wù)是從一個或幾個信號源中采集模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號。TLC0832是美國TI公司推出的8位逼近型的串行A/D轉(zhuǎn)換器，其體積小，引腳少，與微處理器接口電路簡單、編程方便[5]。

圖2中，RC2為電位器（即滑動變阻器），其阻值電壓模擬信號通過CHO傳到TLC0832芯片，轉(zhuǎn)換為TTL電平信號，由J2接線端子傳送到單片機(jī)，實現(xiàn)了電位器阻值采集的功能。

3 綜合實訓(xùn)軟件設(shè)計

在確定學(xué)生綜合實訓(xùn)板硬件電路設(shè)計、焊接都沒有問題之后，要求學(xué)生分別將單片機(jī)最小應(yīng)用模塊、數(shù)碼管顯示模塊、A/D模塊的調(diào)試程序編寫出來并驗證正確，最后要求學(xué)生將所學(xué)的知識糅合起來，編寫一個綜合實訓(xùn)程序，作為課程最終考核成績。這樣可以達(dá)到鞏固知識、提高學(xué)生專業(yè)能力和動手能力的目的。因各個模塊的調(diào)試程序比較簡單，這里就不再介紹，下面是對綜合實訓(xùn)程序的講解。

綜合實訓(xùn)要求：（1）LED七段數(shù)碼管能實時顯示電位器的阻值；（2）按下按鍵1，LED流水燈集體亮1 s，滅1 s，重復(fù)循環(huán)；（3）按下按鍵2，LED流水燈依次間隔1 s點亮，在全部點亮后延時1 s全部熄滅，再延時1 s后LED流水燈又依次間隔1 s點亮……如此重復(fù)循環(huán)。

3.1 電位器實際阻值的計算

TLC0832是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其通過DO傳送到單片機(jī)的二進(jìn)制數(shù)值并不是真的電阻阻值大小，其大小可以通過公式1計算得到：

其中SingleVoltage為測量電阻的阻值大小；

ValueRead為單片機(jī)接受到來自TLC0832信號得二進(jìn)制值大小；

R為圖2中RC2最大阻值，圖中為10 KΩ。

3.2 綜合實訓(xùn)程序設(shè)計

圖3中，電路板上電后，程序開始運行。首先對電路板進(jìn)行初始化，如定時中斷初始設(shè)置（定時時間為5 ms），全局變量的初始值設(shè)置等。隨后主程序判斷全局變量空閑任務(wù)運行標(biāo)志t1msflag是否等于0，若等于0則表示任務(wù)完成，原地等待；若等于1，則表示任務(wù)繼續(xù)向下執(zhí)行。程序通過全局變量flag實現(xiàn)任務(wù)分時操作，每時段時間為5 ms，由定期中斷T0來實現(xiàn)，當(dāng)flag=0時，執(zhí)行電位器阻值采集任務(wù)；當(dāng)flag=1時，執(zhí)行電位器阻值顯示任務(wù)；當(dāng)flag=2時，則對按鍵值變量key進(jìn)行讀取判斷，若key=1，則執(zhí)行流水燈集體閃爍任務(wù)，若key=2，則執(zhí)行流水燈依次點亮任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行完成后則進(jìn)入空閑任務(wù)，等待中斷時間的到來。在中斷程序里對定時器T0重新裝載初值，對變量flag進(jìn)行加1求余運算，對空閑任務(wù)標(biāo)志t1msflag置1，以便退出中斷后，刷新下一個任務(wù)。

4 結(jié)語

該文針對獨立院校單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革，設(shè)計了這款單片機(jī)實訓(xùn)板。綜合實訓(xùn)板主要由按鍵、流水燈、數(shù)碼管顯示、AD/DA、步進(jìn)電機(jī)控制及串口通信等模塊構(gòu)成。以獨立院校學(xué)生為使用對象，在36個學(xué)時里，需教會學(xué)生使用Protel軟件繪制電路圖、焊接、調(diào)試電路板、編寫綜合實訓(xùn)程序。該款單片機(jī)實訓(xùn)板不僅包含了單片機(jī)教學(xué)大綱要求的所有內(nèi)容，且學(xué)生入門、操作使用容易，教學(xué)效果反應(yīng)良好。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡明.獨立學(xué)院應(yīng)用型本科單片機(jī)課程體系教學(xué)改革探討[J].通訊世界，2015（23）：281.

[2] 盂雷.應(yīng)用型本科院校單片機(jī)實驗教學(xué)改革探討[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2013，25（8）：129-130.

[3] AT89S52 device data sheet[Z].2004.

[4] 于永，戴佳.51單片機(jī)C語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5] 楊光友，朱宏輝.單片微型計算機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2004.