单片机课程实验系统研制探析

摘要：研制了一种单片机课程实验系统，该实验系统由电脑、仿真器、示波器、实验板等主要部件构成。自主研制了实验系统的核心部件——实验板，实验板由多个实验模块组成，可以满足单片机课程的实验教学要求。同时根据课程要求设计了12个实验内容。该实验板上的各模块间可以自主设计接线，具有较高的灵活性。

关键词：单片机；实验系统；实验板

作者简介：丁坤（1975-），男，福建泉州人，河海大学机电工程学院，副教授；傅雯（1964-），女，浙江衢州人，河海大学机电工程学院，高级实验师。（江苏 常州 213022）

基金项目：本文系2013年江苏省高等教育教改研究立项课题（项目编号：2013JSJG121）、江苏省教育科学“十二五”规划2013年度课题（批准号：2013/01/011）的研究成果。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0127-02

单片机课程是高等院校电气、自动化、计算机、机电控制等专业的重要基础课程。由于该课程是一门理论性、逻辑性和实践性很强的课程，为了得到更好的教学效果，我国各高校都针对该课程开展了课程优化和教学改革，并取得了一定的成绩。[1-3]

单片机课程实验环节是该课程教学的重要环节，通过课程实验不仅可以让学生把在课堂上学到的理论知识应用于实践，而且可以提高学生对各类电路的认知能力、设计能力以及动手能力。针对不同专业学生的教学实验要求，有些高校开发研制了适合本校要求的单片机课程实验系统。[4-6]本文针对河海大学机械工程及自动化专业的教学要求，研制了一种可满足单片机课程实验要求的单片机课程实验系统。

一、课程设置基本情况

河海大学机械工程及自动化专业的单片机课程教学以MCS-51系列单片机为授课内容，分为“微机原理及应用”和“接口技术”两门课程。“微机原理及应用”课程的总学时数为48学时，其中课堂教学40学时，实验教学8学时。课程的主要内容包含单片机基础知识、MCS-51系列单片机系统结构及电路、MCS-51系列单片机指令系统和程序设计方法、MCS-51系列单片机的功能模块及其应用。“接口技术”课程的总学时数为32学时，其中课堂教学26学时，实验教学6学时。课程的主要内容包含：MCS-51系列单片机并行扩展原理、MCS-51系列单片机存储器的扩展、MCS-51系列单片机并行接口的扩展、键盘显示接口、A/D和D/A的基本原理和扩展方法、串行通信技术。所要研制的实验系统需能满足上述两门课程的实验教学要求。

二、实验系统构成

如图1所示，本实验系统由电脑、仿真器、示波器、实验板等主要部件构成。系统中电脑用于安装仿真实验软件。示波器主要用于观察D/A实验输出的电压波形。仿真器采用南京万利SE系列仿真器，该仿真器采用Client/Server结构，无跳线、无按键、无开关，所有硬件配置和运行控制全由MedWin软件调试器设置，可以完全仿真常见MCS-51系列单片机。配套的MedWin软件集编辑、编译/汇编、在线模拟调试于一体，VC风格的用户界面，完全支持Franklin/Keil C扩展OMF格式文件，支持所有变量类型及表达式。

实验板是本单片机课程实验系统最关键的部分，其设计时充分考虑了课程教学内容、学生动手能力培养、学生认知能力训练等方面的需求。本文所说实验板完全自主研制。

三、实验板研制

图2是实验板功能模块实际分布的示意框图。如图2所示，该单片机仿真实验板具备以下几个功能模块：

1.核心模块

核心模块由插入仿真头的插座、74LS373、6264（RAM），以及引出引线的插孔构成。核心模块用于模拟MCS-51系列的单片机，构成用于实验的并行口、地址总线、数据总线、控制总线，并且提供了8K的外部数据存贮器以做实验。

2.A/D模块

A/D模块由ADC0809和一个频率为500K的时钟电路构成。其中，ADC0809的通道选通信号、模拟输入端口、控制信号全部引出到引线的插孔，可供A/D转换实验时自由使用。

3.D/A模块

D/A模块由DAC0832和运放电路构成。其中，DAC0832的控制信号和经运放电路处理后的D/A输出信号引出到引线的插孔，可供D/A转换实验时自由使用。在该实验时需要通过示波器观察D/A输出的电压波形。

4.译码模块

译码模块由74LS138构成，74LS138的3个输入端和8个输出端引出到引线的插孔，可供实验自由使用。

5.串行模块

串行模块由74LS164和RS232电平转换器MAX232两个主要芯片构成。74LS164可以做串行口方式0应用实验，RS232电平转换器可以做串行通信实验。74LS164的输入控制盒输出端口以及MAX232的TTL端口和RS232端口被引出到引线的插孔。

6.并行口模块

并行口模块由8155为主构成。8155的控制总线、I/O口和计数器引脚被引出到引线的插孔。该模块可以做关于8155的各种实验。

7.指示灯模块

指示灯模块由8个LED发光二极管构成，每个LED的阴极被引出到引线的插孔。该模块可以做指示灯输出相关实验。

8.数码管模块

数码管模块由4个8位数码管及其驱动电路组成。可以做动态显示实验。其中每个数码管的公共端和每个段控制位被引出到引线的插孔。

9.键盘模块

键盘模块由一个4×4的小键盘构成。键盘的4位行控制信号和4位列控制信号被引出到引线的插孔。可以做行列式键盘实验。

10.模拟输入模块

模拟输入模块由2个电位器构成，可以通过调节电位器得到不同的电压值。其中，电位器的中间抽头被引出到引线的插孔。

11.数字输入模块

数字输入模块由两个8位的DIP开关组成，既可作为16位的数字量的输入，又可作为单个开关量的输入以做控制之用。每个DIP开关的输出都被引出到引线的插孔。

在实验过程中，各个模块的接线都需要学生根据实验要求设计接线并动手通过各个模块引线的插孔进行接线，可以充分锻炼学生的设计能力和动手能力。

四、实验设计

根据研制的实验板和“微机原理及应用”、“接口技术”两门课程的实验要求，设计了12个实验，其中7个“微机原理及应用”课程实验和5个“接口技术”课程实验。“微机原理及应用”课程实验包括4个纯软件实验和3个与硬件相关的实验——并行口实验、计数器/定时器实验、外部中断实验。“接口技术”课程实验都是硬件相关的实验——并行口扩展实验、键盘显示实验、A/D、D/A转换实验、串行口方式0应用实验、双机通讯实验。

安排软件实验的目的是为了让学生掌握仿真软件的使用，熟悉所学的汇编指令，并且练习程序的编辑、汇编和调试及运行。

安排硬件实验的目的是为了让学生掌握上课所学的MCS-51系列单片机相关硬件知识，并且通过实验应用强化理解硬件和软件的相结合。以并行口实验为例，本实验利用MCS-51单片机仿真实验板的核心模块（CPU）、指示灯模块和数字输入模块。核心模块中有MCS-51单片机的P0、P1、P2、P3的引出引脚供接线使用。指示灯模块有8个LED，这8个LED分别由8个引脚控制，当引脚为高电平时对应的LED亮。数字输入模块由两个8位的DIP开关组成，既可作为16位的数字量的输入，又可作为单个开关量的输入以做控制之用，当DIP开关在OFF状态时对应的引脚输出高电平，当DIP开关在ON状态时对应的引脚输出低电平。

实验要求如下：

第一，利用软件延时的方法使指示灯模块中的LED按如图3规律亮灭（间隔时间为500ms，当某个LED亮时其他的LED全灭）。

可将核心模块中P1口通过引脚与指示灯模块的4个LED控制引脚对应相接，然后通过编程控制P1口的状态变化即可实现控制要求。

第二，用P1.0～P1.3口控制指示灯模块中某4个LED的亮灭，用P1.4～P1.7口读取数字输入模块中某4位的DIP开关的状态，使得DIP开关的状态与被P1.0～P1.3口控制的LED的亮灭状态一一对应。要求：当DIP开关处于OFF状态时其读入引脚所对应引脚控制的LED灭，当DIP开关处于ON状态时其读入引脚所对应引脚控制的LED亮。分别使用位操作和字节操作的方法编程。

对应关系如下：P1.0与P1.4对应、P1.1与P1.5对应、P1.2与P1.6对应、P1.3与P1.7对应。

将核心模块中P1.0～P1.3口通过引脚与指示灯模块的前4个LED控制引脚对应相接，将核心模块中的P1.4～P1.5口通过引脚与数字输入模块中某4位的DIP开关对应的引脚相接。

实验过程中，学生要根据要求接好实验板的接线，并编写程序、调试试验相关的实验要求。通过该实验可以使学生更进一步熟悉MCS—51系列单片机并行口等知识点的内容。

五、使用效果

本文研制的单片机课程实验系统在河海大学机械工程及自动化专业的单片机课程实验已投入使用多年，效果良好，尤其是自行研制的实验板可以由学生自主接线，提高了学生对单片机系统的认识和动手能力。但是也存在着一些缺点，如：实验板上的插孔在使用一段时间后由于失去弹性需要更换；学生实验时的误接线、误操作会损坏实验板上的芯片，这些方面都有待进一步改进。

参考文献：

[1]王芳，花怀海.单片机课程教学改革的实践与探索[J].电子世界，

2013，（3）.

[2]韩翠娥，郭清晨.单片机原理与应用课程教学改革实践[J].中国现代教育装备，2013，（7）.

[3]金红，蒋存波.单片机课程教学的探索与实践[J].电气电子教学学报，2013，（2）.

[4]石爱平，杜玉杰.高校单片机实验教学系统的设计[J].电气电子教学学报，2010，（1）.

[5]包建华，张兴奎，丁启胜.模块化单片机实验系统的研制[J].电气电子教学学报，2010，（6）.

[6]杨风开，徐慧平.开放式单片机电气控制综合实验教学平台[J].中国电力教育，2012，（27）.