浅析学生自制单片机实验板的意义

摘要：《单片机原理及实训》是电子技术专业的一门动手能力要求很强的课程，只有在实验板上才能很好的理解和学好它, 但是学生只能在实验室才能使用到实验板，运用仿真软件有时也不能达到很好的效果，只有自己设计制作简单的实验板，才能方便学习，况且造价不高，可以达到综合实训的目的。

关键词：单片机 实验板

电子技术专业中《单片机原理及实训》是非常重要的一门综合课程，学好它可以在以后的就业中发挥重要的作用。但是同学们在课后自学时，不能在实验板上对自己所设计的电路和程序进行充分的验证，是因为学生自己没有实验板，虽然仿真软件能起到一定的作用，有时在效果上不如实验板那么逼真，还可能还会出现误导现象。故在学习中有自己的实验板就显得相当重要。

1 学生自制单片机实验板的意义

1.1 可以在课后验证自己设计的电路和程序。学生只在课堂上学习是不行的，课后还需要花大量的时间去复习和理解老师在课堂上讲的内容。

单片机是一门实践性非常强的课程，要用实验去验证，如果没有实验器材，所设计的电路和编写的程序是否正确就无法验证，这对学习是不利的，如果有了实验板问题就解决了。

1.2 可以把所学的《电子线路CAD》、《电子装配与工艺》等课程加以综合学习和巩固。自己设计制作实验板，可以把以前所学的知识，如PCB板的设计和制作、电子元件的选择和安装，充分综合运用并检验这些知识的掌握程度，真正做到学以致用。

1.3 可以很好的理解单片机的硬件设计。通过自制实验板可以很好理解单片机的内部结构和用途，理解和掌握输入和输出系统，认识和利用扩展电路。

2 学生自制实验板的可行性

2.1 有《电子线路CAD》和《电子装配与工艺》等前期知识的储备。①前期学习了电子装配与工艺，对元器件的识别和选用都比较的熟悉，焊接技术也掌握的比较好，基本扫除元件的识别和安装的障碍。②学习了PCB板的设计，单层板的设计是可以完成的。

2.2 电子元器件的购买和所需的费用对于学生来讲也是可以承受的。元器件在市场上的店面可以采购，也可以在网上购买。整个做下来的费用大概在50元左右，PCB板我们可以采用万能板，不需要制作PCB 板的费用，可能最贵的就是我们的主要芯片——单片机了（AT89S51、STC89C52等），也就是20元以下可以买到。其余的元件就比较便宜了。

3 具体的实施方案

3.1 单片机实验板的内容。

3.1.1 单片机最小系统的设计。单片机的最小系统：单片机、复位电路、外接晶振、电源和4个8位I/O口都需外接插件连接接口，这样可以方便使用I/O口，也可以根据需要连接其他电路板。①单片机最好选用STC89C51，它存储容量是（Flash ROM）有4K，RAM有256B，完全可以满足学习和毕业设计的需要。另外他可以直接利用软件（STC-ISP-V397）把计算机上编译的程序通过9口的连接线下载到单片机上。②电源可以用计算机的USB接口的5V电源，最好加上外接+5V的其它电源的接口，做好电源的指示灯。电源的正负极要多做几个接口，方便对其它模块的供电。③ISP在线下载。可以通过计算机RS323的接口采用串行通信(MAX23)的方式在线下载我们编译的程序到实验板上。④I/O口采用插接的方式连接，连接线采用排线和单根线相结合的方式，可以方便灵活的运用。

3.1.2 输出系统的设计。①两位8段静态显示的输出数字和简单的字符，方便在开始学习的时候用于输出显示。②6位8段动态显示的输出。可以用于多位的显示和时钟等实验项目。③蜂鸣器输出的方式可以用于音乐、简单电子琴等实验项目。④步进电机的实验可以在输出系统中采用（如L293D）芯片来实现，直流电机用（如LG9110）芯片来实现机器人的运动等实验项目。⑤单个发光二极管的输出方式可以实现模拟交通灯、彩灯等实验项目。

3.1.3 输入系统的设计。①简单的4个单独的按键输入方式，可以实现外部中断等按键不多的实验项目。②矩阵键盘16键的输入方式，可以实现时钟、计算器等实验项目。③电位器、开关量的输入方式，可以实现模拟-数字相互转换的实验项目。④其他比如温度传感器等特殊的实验项目的开发。

3.1.4 数模转换器的设计。

3.1.5 电路扩展系统的设计。

3.2 设计的方框图

4 自制Pcb板的制作方法

PCB的制作对设备和工艺的要求都较高。如果做好PCB图到工厂去加工的话，成本较高，因为要的数量较少。要是我们用万能板做PCB就解决了以上的问题，而且还能增强我们的动手能力，更好的理解PCB的制作工艺和设计规范。

4.1 万能板的选用。要根据元器件的封装选定万能板的大小，根据集成块脚的间距选定万能板焊盘的大小和间距，并且要把选定万能板的参数要测量出来。

4.2 PCB 图的绘制。我们可以根据自己所学或熟悉的软件在计算机上设计PCB图，设计要根据所选定的元器件和万能板的参数来绘制元器件的封装，这样才能达到实际的效果。最好设计成单层板，以便于安装和降低成本。

4.3 PCB图转印到万能板。把设计好的图通过喷墨打印机按照设计的1:1大小打印在热转印纸上，打印时要注意分别打印底层信号层和顶层丝印层，也可以都打印在底层。在定位孔对齐的情况下分别用热转印机（也可以用照片的过塑机）把墨粉附着在万能板上，注意温度的控制。

4.4 元器件的安装和布线。根据设计的PCB图先安装元器件，再根据转印的线用焊锡或者用网线中的铜线布线和焊接元器件。

5 实验项目的设计

根据自制的实验板可以设定实验项目，方便学生的学习和老师的教学，达到学习单片机的效果和提高学生学习的兴趣。

5.1 基础训练实验项目。①让单片机动起来—单片机最小应用系统。可以对单片机在电气控制系统中的作用及芯片的使用有个直观的认识，掌握组成单片机最小应用系统的基本方法。②汽车转向灯控制。熟悉单片机的并行口、位寻址区及位操作指令的应用，初步了解子程序运行方法及流程图的作用。③霓虹灯控制。熟悉单片机的并行接口的应用及循环程序、查表程序及子程序的设计与调试方法。④数码管显示控制。通过数码管的静态显示、动态显示，学会数码管的使用方法，进一步熟悉单片机并行接口的使用，学会串行接口的使用，学会编写与调试较复杂的程序。⑤音乐盒控制。用单片机制作一个能演奏音乐的电路，通过这一有趣的实验，巩固定时器和按键的运用技能，增进对单片机应用产品制作过程的了解。⑥交通灯控制。通过制作和调试单片机交通灯显示与控制系统，进一步熟悉单片机内部的硬件资源，学会可编程定时器的使用、学会中断技术的使用，提高综合程序调试能力。

5.2 接口应用实验项目。①简易秒表。通过此实验可以进一步熟悉LED数码管与单片机的接口方式及定时/计数器、中断计数的综合应用，并学会简易键盘的使用。②密码锁。通过这个实验可以进一步熟悉键盘接口和显示器接口计数，掌握独立式和矩阵式两种不同键盘结构下的程序设计思路和步骤。③波形发生器。可以学会D/A转换芯片在单片机应用系统中的硬件接口技术和编程方法。④简易数字电压表。可以学会A/D转换芯片在单片机应用系统中的硬件接口技术和编程方法。熟悉模拟信号采集和输出数据显示的综合设计与调试方法。⑤液晶显示广告牌（有液晶显示器才可以）。学会LCD显示器与单片机的接口方法，熟悉实现各种常用显示方式的编程思路。

5.3 综合实验项目(课程设计项目)①数字钟。通过专用时钟芯片制作数字钟，学会编程芯片与单片机接口的设计、调试及编程方法。②人造小气候。通过小范围温湿度自动调节项目的制作，熟悉用单片机实现温湿度闭环控制的一般概念；学会单片机与实用技术及器件进行集成化的基本方法。③电动窗帘控制。学会用单片机控制步进电机和直流电机的一般方法。了解开环控制的基本概念。（有此控制芯片的才能用）

通过自制单片机实验板，学生能进一步掌握和理解单片机的内部结构、I/O口的使用、电路的设计、电子线路板的设计和装配工艺等知识，而且能大大提高动手能力。当然也可以用于课程设计和毕业设计，对单片机的开发也有很大的帮助。

参考文献：

[1]王平.热转印制作PCB详解[J].无线电，2011，10：90-93.

[2]张永枫.单片机应用实训教程[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]丁向荣，贾萍.单片机应用系统与开发技术[M].北京：清华大学出版社，2009.（32-45）.