单片机实习实验板设计及教学模式

摘 要：设计了一款低成本、多功能的单片机实验板，可应用于高校电子工程专业的单片机实验教学、综合实习或作为电子爱好者的实验开发板，给出了电路原理图及电路板图。详细介绍了一种应用此实验板完成单片机综合实习的新颖教学方法。

关键词：单片机 开发板 综合实习

单片机技术已经渗透到我们生产、生活的各个方面，在工业控制、仪器仪表、家用电器等众多领域有着广泛应用。掌握单片机技术以及相应的程序设计语言是完成微处理器系统软、硬件设计和功能开发的基础，也是作为电子工程领域高级工程技术人员必须具备的基本能力。

目前，各高校已将单片机教学纳入电子工程专业的教学计划中，设置了单片机原理与应用、C语言程序设计等多门相关课程。其中，单片机综合实习是单片机教学的重要组成部分，如果能够通过综合实习激发学生对单片机应用的兴趣，让学生对电路设计和程序设计有系统的认识和掌握，则能为学生今后从事基于单片机的嵌入式系统开发打下坚实的基础[1]。基于上述目的，通过几年来教学经验的总结，我们设计了一款低成本、多功能的单片机实验开发板以及配套的综合实习教学方法，应用于教学实践并取得了良好的效果。

1 单片机综合实习实验板的设计

实验板包含单片机最小系统、信号处理电路、串行通信接口以及键盘、显示电路等，同时实验板在电路板尺寸、成本等因素允许的情况下预留了功能扩展接口，以适应更多的设计需要，方便使用者自行开发其他功能。单片机实验开发板的功能框图如图1所示。

1.1 实验板电路原理图

（1）图2为单片机的最小系统[2]。选用与8051系列单片机指令集完全兼容的可在线编程STC系列单片机作为核心处理器，程序下载不需要编程器，可以利用计算机及专用软件（如STC-ISP）直接通过串口完成。

（2）图3为电源电路，由于实际应用中9 V直流电源使用比较普遍，所以电路中需要三端稳压器LM7805产生芯片工作时所需的+5 V电压。

（3）图4为键盘电路，按键与单片机I/O口直接相连。

（4）图5为显示电路。该部分使用译码器74LS138节省单片机I/O口，使用7407驱动数码管。

（5）图6为模拟信号处理电路，用于频率测量实验。待测信号通过比较器LM311比较整形后转化为单片机可以识别的高、低电平，进而完成脉冲计数或计时，实现频率测量。

（6）图7为串行通信电路，应用MAX232实现TTL电平和RS232电平之间的转换。

1.2 印制电路板设计

实验电路板图如图8所示。不难看出，印制电路板充分利用空间，尺寸小巧，结构紧凑。同时设计者将单片机一些闲置的I/O口引到了电路板上，并预留了功能扩展接口，方便使用者根据自己的思路进行程序设计或加入元器件开发其他功能。例如，可以在电路板最左端的焊盘位加入温度传感器（DS18B20），实现环境温度信息采集的功能；在LM311左侧的8引脚双列直插空位加入模拟/数字转换器（ADC0809），实现由单片机采集模拟电压信号的功能等。

2 综合实习的教学方式

我院综合实习的内容是利用上述实验板设计基于单片机的数字频率计。近年来，随着计算机技术的不断发展，各种应用软件的功能不断强大，使用仿真软件可以改善教学效果，提高学生的学习效率。因此，我们在数字频率计设计的过程中加入了绘图软件Protel99se和单片机仿真软件Proteus的学习要求。综合实习为20个学时，分电路设计、程序设计和整体调试3个环节。

2.1 硬件电路设计

Protel99se是一款电子设计自动化（EDA）软件，包含了电路原理图绘制、多层印制电路板（PCB）设计、模拟和数字电路混合信号仿真、可编程逻辑器件设计等功能[3]。Protel99se与其升级版软件DXP是目前电子产品的研发和设计领域完成电路原理图、PCB图制作的常用软件之一[4]。掌握该软件应用对电子工程专业的学生具有一定的实际价值。

在第一个环节中，首先，以讲座的形式向学生介绍Protel99se绘图软件的功能、硬件电路的设计方法以及设计过程中应注意的问题。其次，要求学生利用课余时间通过查找资料和适当的练习初步掌握Protel99se绘图软件的基本功能，自行设计数字频率计的硬件电路，并在Protel99se软件中绘出电路原理图，完成自动生成印制电路板图，手动布局、自动布线，输出元件清单的全过程，以作业的形式上交打印版的电路原理图。最后，由教师向学生介绍上述单片机实验开发板的电路结构，并组织学生完成电路焊接。由于此时学生对硬件电路设计已经做了充分的了解和运用，所以对知识的掌握会更牢固，对电路功能的理解也更深刻。

由于没有经验，学生会在电路设计中出现很多错误，指导教师可以通过检查学生绘制的原理图发现问题，加以讲解。虽然使用了现成的实验开发板，但经过前面的教学步骤，学生在电路设计方面得到了必要的锻炼，对设计过程也有了切身体会，避免了学生“只动手，不动脑”的教学弊端。

2.2 程序设计

Proteus是英国Labcenter公司推出的电路分析实物仿真系统，包含键盘、数码管、74系列等多种常用电子元器件，AVR，MCS8051和ARM等多种微处理器以及信号源、示波器、逻辑分析仪等各种虚拟仪器仪表，均可直接用于仿真设计。因此，Proteus是一款很好的模拟单片机及其电路的仿真工具，可以在没有硬件电路的情况下，仅利用计算机实现单片机软、硬件系统的模拟仿真[5，6]。

在第二个环节中介绍Proteus仿真软件的功能，要求学生通过练习掌握添加仪器、元件，调用Keil C51中的程序进行仿真的方法。在讲解中，一般以单片机I/O口控制和流水灯程序为例演示整个调试过程。由于应用Proteus的编程和调试过程非常简单、方便，无形中激发了学生的自信心和学习兴趣，使其主观上愿意通过努力完成较复杂的程序设计，减少了学生直接剽窃别人的程序蒙混过关的情况。

Proteus软件还可以解决学生在频率计设计过程中仪器设备短缺带来的问题。其库中提供的信号源、示波器等虚拟测试仪器，让学生可以随时验证频率计的测量结果。仿真器是程序调试时的辅助工具，如果没有仿真器想要发现程序设计中存在的问题就十分困难，但其价格较高，一般的学生没有购买能力。而Keil C51与Proteus结合使用可以像拥有仿真器一样调试程序，极大地方便了学生查找程序中的错误，提高了程序设计的效率，保证了编程调试的顺利完成。

2.3 系统调试和撰写实习报告

最后一个环节的主要内容是对频率计进行实际调试。在计算机软件仿真调试通过的情况下，程序下载到单片机中，由于时序不准和噪声影响，实际的频率测量过程仍然可能出现一些问题，学生要针对这些问题对程序进行修改和完善。在此环节中，实验室全天开放，提供函数信号发生器、示波器、万用表等仪器设备，方便学生实际测试，发现、解决问题，教师也会给予必要的帮助和指导。频率测量的功能实现后，学生需要完成一份实习报告总结整个设计过程。报告中应包括的具体内容有：主要元件及其典型工作电路的介绍；信号频率测量的程序设计思想；学习各种软件使用方法的心得体会；设计过程中遇到的问题、解决方法和得到的经验教训等。撰写实习报告的过程是学生理清设计思路、总结提高的过程，有利于培养学生科学严谨的工作作风[7]。

3 结束语

针对实验教学，如果将每个学生设计的硬件电路都制作成印制电路板，给每个学生配备仿真器会大大增加教学成本，造成资源浪费。单片机综合实习将Protel99se和Proteus软件的使用加入到教学任务中，很好地解决了学生不能进行电路设计和程序调试的问题。在综合实习的上课时间主要由教师介绍相关知识或总结答疑，具体的设计任务则由学生利用课余时间完成，这样，每个学生可以根据自己对知识的接受和掌握程度，投入不同的时间和精力，这显然是一种开放、自主、高效的教学方法，能够充分激发学生的学习兴趣。此教学方式要求学生通过查找资料和实验实践掌握并运用一些新知识；设计任务多样化，也突出了对学生自学能力和创新能力的培养。可见，该教学方法科学合理，教学过程高质高效。

通过本次综合实习，学生可以掌握很多实用的技能以及分析处理实际问题的方法，对系统设计也有了更深入的认识。在综合实习结束后，不时有学生利用此实验板练习程序设计，开发各种功能软件。目前的综合实习显然让学生得到了更全面的锻炼，发挥了更大的优势，带来了更理想的教学效果，符合新时期培养具有创新能力工程技术人员的要求，为学生今后从事电子工程领域的设计工作打下了良好的基础。

本次设计的实验开发板，成本低、体积小、功能完善，能实现如键盘、显示、频率计、数字钟、信号采集、串行通信等多种功能，便于学生或其他单片机学习者进行程序设计和功能开发，是掌握单片机技术时一款廉价高效的学习工具；该实验板也可用于科研，作为辅助基于单片机的嵌入式系统设计初期实验调试时的硬件电路，节约开发成本，节省设计时间，具有一定的推广价值。

参考文献

[1]袁锋伟，赵立宏，朱慧玲.基于Proteus的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007，26（12）：75-78.

[2]孙涵芳，徐爱卿.单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3]梁恩主，梁恩维.Protel99SE电路设计与仿真应用[M].北京：清华大学出版社，2000.

[4]倪泽峰，江中华.Protel DXP典型实例[M].北京：人民邮电大学出版社，2003.

[5]刘心红，郭福田，孙振兴.PROTEUS仿真技术在单片机教学中的应用[J].实验技术与管理，2007，24（3）：96-98.

[6]侯玉宝.基于PROTEUS的51系列单片机设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2008.

[7]孟昕元.MCS-51单片机实验及课程设计电路板的设计[J].河南高等机电专科学校学报，2004，12（6）：29-34.