在线调试与编程的单片机教学实验板设计

维普资讯

・

７４・　实验科学与技术　２００８年６月　

在线调试与编程的单片机教学实验板设计　

石建国，王丽娟，罗　朗，赖泽鸿　

（电子科技大学中山学院，广东中山５２８４０２）　

摘要：针对目前高校学生单片机设计训练不足、应用能力低下的现状，设计了一种支持在线调试与编程的教学实验板。该　

板以ＳＳＴ系列５１兼容型单片机为核心，最大限度利用其片上资源，并在外围配置了ＬＥＤ数码管、ＬＣＤ点阵显示器、蜂呜　

器、行列键盘、功率驱动电路、数字温度传感器、红外收发器及多种Ｉ　ｃ器件，具有体积小、成本低、可靠性高、可扩展　

性强等优点。除用于实验教学外，也可作为课程设计、毕业设计、课外电子设计等方面的通用开发板。通过大量案例学习　

和任务驱动训练，可使学生的应用设计能力得到快速、有效的提高。文章还具体阐述了实验板的总体设计思想、硬件实现　

与实际应用。　

关键词：单片机实验板；ＳＳＴ单片机；在线应用编程；在线传真；１２Ｃ器件　

中图分类号：ＴＰ３６８，２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—４５５０（２００８）０３—００７５—０３　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ＭＣＵ　Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　

Ｂｏａｒｄ　ｗｉｔｈ　ＩＡＰ　ａｎｄ　ＩＣＥ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　

ＳＨＩ　Ｊｉａｎ—ｇｕｏ，ＷＡＮＧ　Ｈ－ｊｕａｎ，ＬＵＯ　Ｌａｎｇ，ＬＡ１　Ｚｅ—ｈｏｎｇ　

（Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ　ｌｎｓｉｆｔｕｔ￣，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｃｅｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ　５２８４０２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆａｃｔ　ｔｈａｔ　ｉｎｓｕｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘｅｒｃｉｓｅｓ　ｏｎ　ＭｉｃｒｏｃｏｎｔｏｒＵｅｒ　Ｕｎｉｔ（ＭＣＵ）ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｗｅａｋ　ｐｒａｃｔｉ—　

ｃａｌ　ａｂｉｌｉｔｙ，ａ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ｂｏａｒｄ　ｗｉｔｈ　Ｉｎ—Ａｐｐｈｃａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ（ＩＡＰ）ａｎｄ　Ｉｎ—Ｃｉ￣ｎｉｔ　Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ（ＩＣＥ）ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｉｓ　ｓｐｅｃｉａｌｌｙ　

ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌｌｙ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏａｒｄ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ＳＳＴ　５１一ｃｏｒｅ　ＭＣＵ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ　ｕｓｅｄ　ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ　

ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　７一ｓｅｇｍｅｎｔ　ＬＥＤ　ｄｉｓｐｌａｙ，ｄｏｔ—ｍａｔｒｉｘ　ＬＣＤ　ｍｏｄｕｌｅ，ｐｉｅｚｏｅｌｃｅｔｒｉｃ　ｂｕｚｚｅｒ，１６一ｂｕＲｏｎ　ｍａｔｒｉｘ　ｋｅｙｂｏａｒｄ，ｄｕａｌ　ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ　

ｐｏｗｅｒ　ｄｒｉｖｅｒ，１一ｗｉｒｅ　ｄｉｇｉｔｌａ　ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ．ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｐｏｐｕｌａｒ　１２Ｃ　ｂｕｓ　ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｔ　ｅｘｈｉｂｉｔｓ　ｍａｎｙ　ａｄｖａｎｔａ・　

ｇｅｓ　ｓｕｃｈ聃ｌｏｗ　ｃｏｓｔ，ｓｍａｌｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｉｚｅ，ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉｂａｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｘｔｅｎｓｉｂｉｉｌｔｙ，Ｂｅｓｉｄｅｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｉｔ　ｃｏｕｌｄ　ａｌｓｏ　ｂｅ　

ｕｓｄｅ聃ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｂｏａｒｄ　ｆｏｒ　ｃｏｕｒｓｅ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．ｇｒａｄｕａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｃｅｔｓ　ｏｒ　ｅｘｔｒａｃｕｒｉｒｃｌｕａｒ　ｐｒｏｊｃｅｔｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏＵｅｒ，Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　

ｉｗｔｈ　ｃａＳｅ—ｂａＳｅｄ　ｌｅａｒｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｔａｓｋ—ｄｒｉｖｅｎ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ａｃｔｕａｌ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　Ｃａｎ　ｂｅ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ　ｇｌｏｂａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉ・　

ｄｅａ，ｈａｒｄｗａｒ￣ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ｂｏａｒｄ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔｍ１．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＣＵ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｂｏａｒｄ；ＳＳＴ　ＭＣＵ：ＩＡＰ；ＩＣＥ：Ｉ　Ｃ　

１　引　言　统设计技术起到了很好的作用。　

《单片机原理及接口技术》是电子信息类专业　

２设计思想　

开设的一门重要专业基础课，鉴于课程本身的综合　

单片机是一门实践性很强的课程，有些学生想　

性、应用性特点，单靠原理学习、验证性实验和简　

在课外深入学习单片机开发，却找不到一种适合他　

单的课程设计是不够的，必须加强课外实践训练。　

们的目标实验板。教学使用的单片机实验箱很多都　

为此，我们设计了一种支持在线调试与编程，成本　

采用并行扩展模式，与单片机系统的ＳＯＣ（Ｓｙｓｔｅｍ　

不足百元的单片机教学实验板，将其用于课堂教学　

Ｏｎ　Ｃｈｉｐ片上系统）发展方向相背离。功能虽多，　

和学生课程设计、毕业设计、课外电子实践及电子　

但体积大，成本高，可靠性差，有些还需要仿真器　

设计竞赛训练，对学生快速、有效地掌握单片机系　

和编程器的支持，因而不适合用作学生课外工程设　

计训练。　

我们设计的这款实验板最大限度地利用了单片　

收稿日期：２００８—０１—０３；修改日期：２００８一ｏ３—１２　

基金项目：电子科技大学中山学院教研基金项目（编号：　

机软硬件资源，充分考虑多功能、多用途、高可靠　

０６ＹＪＹＯ５）。　

性及可扩展性，自带仿真与编程功能，具有很高的　

作者简介：石建国（１９６８一），男，讲师，硕士。主要从事　

性价比。有利于调动学生的学习兴趣，在分层次渐　

单片机与嵌入式系统应用研究及实验教学管理。　

进式案例学习和任务驱动训练过程中快速提高了学　

维普资讯

第６卷第３期　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　‘７５・　

生的设计能力。　

电蜂鸣器及１６键行列键盘实现人机交互。交流型　

３硬件设计　

实验板的硬件系统由ＳＳＴ　５１单片机、通信接　

蜂鸣器为乐曲播放提供了支持，动态显示的ＬＥＤ　

数码管节省了口线，１６个按键（０—９数字键、确　

认键、取消键、Ｆ１一Ｆ４功能键）可满足多数应用系　

口、人机交互设备、功率驱动器、温度传感器、串　

行Ｅ　ＰＲＯＭ、实时钟、Ａ／Ｄ及Ｄ／Ａ转换器等部分　

组成，其结构如图１所示。　

统需要，ＬＣＤ显示器的背光由程序控制其亮灭，　

便于实现低功耗要求。　

３．４功率驱动　

ｆ串行Ｅ２ＰＲＯＭ　—　ＬＥＤ数码显示器　

使用Ｌ２９８高压大电流双全桥驱动芯片，直接接　

受，ＩＴＩＬ数字输入，输出可驱动继电器、直流电机或步　

实时钟　一　—　ＬＣ点阵显示器示器　

加及　转换｝－＿一　ＳＳＴ　—　ＬＥＤ指示灯　

温度传感器　一　单片机　

—　

蜂鸣器　

红外收发器　－＿　行列键盘　

ＲＳ２３２接口　一　—　功率驱动　

图１实验板硬件结构　

３．１　单片机　

本实验板选用了具有ｌＡＰ功能的ＳＳＴ８９Ｅ５２／　

５４／５８／５１６ＲＤ单片机，其指令系统及引脚排列与　

ＭＣＳ一５１兼容，而片内资源和性能指标则有很大　

提升。片内ＳｕｐｅｒＦｌａｓｈ存储器被分为Ｂｌｏｃｋ０（８／１６／　

３２／６４ＫＢ）和Ｂｌｏｃｋｌ（８ＫＢ）两部分，出厂时Ｂｌｏｃｋｌ　

中已写入程序装载器ＢＳＬ（Ｂｏｏｔ—Ｓｔｒａｐ　Ｌｏａｄｅｒ）固　

件，利用一根串口电缆和ＳＳＴＥａｓｙｌＡＰ软件就可在　

线下载用户程序到Ｂｌｏｃｋ０。ＳＳＴＥａｓｙＩＡＰ还提供一　

个菜单命令，可将ＳＳＴ公司的ＳｏｆｔｌＣＥ固件写入单　

片机，以支持Ｋｅｉｌ　ｐＮｉｓｉｏｎ环境下的在线仿真调　

试。ＳＳＴ单片机具有１ＫＢ内部ＲＡＭ、４个８位Ｉ／，Ｏ　

口、３个ｌ６位定时／计数器、１个５通道可编程计　

数器阵列（ＰＣＡ）、１个可编程看门狗定时器ＷＤＴ、　

１个全双工增强型ＵＡＲＴ、１个ＳＰＩ口、８向量４级　

中断、双ＤＰＴＲ指针，此外还支持ＡＬＥ输出禁止、　

Ｂｒｏｗｎ—ｏｕｔ（电源不足）检测等功能。　

３．２通信接口　

实验板的在线仿真、在线编程及用户程序对外　

通信可通过标准串口或红外收发器两种途径进行，　

两者共用单片机ＲＸＤ、ＴＸＤ引脚。串口电平转换　

采用ＭＡＸ２３２芯片，红外接收使用ＳＦＨ５１　１０一体　

化接收器，红外发射使用的３８　ｋＨｚ载波由单片机　

Ｐ１．０口提供。　

３．３人机交互设备　

由４位共阳极ＬＥＤ数码管显示器、１６０２型　

ＬＣＤ字符显示器、４只ＬＥＤ发光管、１个交流型压　

进电机等负载。该芯片支持过温保护和电流检测。　

３．５温度传感器　

采用１一Ｗｉｒｅ数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０，　

一

ｌＯｃｃ一＋８５ｃｃ范围内精度可达±０．５￣Ｃ，分辨率　

９—１２位（包括１位符号位）可通过程序设定，转换　

时间９３．７５—７５０　ｍｓ（与分辨率有关）。每片　

ＤＳ１８Ｂ２０具有唯一的６４位序列码，为大型温度测　

控系统中单总线网络的实现提供了支持。　

３．６　１２Ｃ器件　

实验板使用多片Ｉ　ｃ器件，其中串行Ｅ　ＰＲＯＭ　

采用２５６Ｋｂｉｔｓ容量的ＣＡＴ２４ＷＣ２５６，实时钟采用具　

有可编程频率输出、定时器、闹钟报警、低压监视　

功能的ＰＣＦ８５６３，Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器选用ＰＣＦ８５９１，　

２片ＰＣＦ８５９１可支持８路Ａ／Ｄ输人及２路Ｄ／Ａ输　

出。　

３．７单片机口线分配　

本实验板摒弃了单片机外部并行扩展存储器或　

Ｉ／０接口的系统结构，３２根口线全部作为一般Ｉ／０　

口使用，其功能分配方案如图２所示。其中，ＬＥＤ　

段码、ＬＣＤ数据／指令、行列键盘列扫描码的输出　

分时复用Ｐ０口，软件模拟的Ｉ　Ｃ时钟及数据线占　

用Ｐ３．６和Ｐ３．７。ＰＣＦ８５６３的ＩＮＴ输出接到单片机　

的ＩＮＴ０，可将单片机从断电（Ｐｏｗｅｒ—ｄｏｗｎ）状态唤　

醒。Ｐ１．４和Ｐ１．３作为ＳＳＴ单片机ＰＣＡ模块的功　

能引脚，可直接输出ＰＷＭ信号，控制Ｌ２９８使能　

端，实现电机调速功能。　

Ａｔｍｅｌ公司ＡＶＲ系列中的ＡＴＭＥＧＡ８５１５单片　

机具有与５１单片机兼容的引脚排列，并且也支持　

开机自动加载（ＢｏｏｔｏＬａｄｅｒ）方式，只是复位电平相　

反。因此，只需将复位电阻与电容位置互换，该实　

验板就可用于ＡＶＲ单片机的教学与应用开发。　

４应用项目开发　

本实验板硬件资源丰富，可支持多种基础性、　

（下转第１１７页）　

维普资讯

第６卷第３期　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　・１　１　７・　

在调查中我们发现，所有被调查的院校都设有　主要的是不利于在校内建设一个强大而功能齐备的　

实习、实训场所和相应的管理机构，但约有７５％　

实践性教学单位，进而有碍于实践性教学体系的建　

的学校没有按照多功能原则建设实践性教学机构，　立和实施。因此，建议有关院校按照教育部要求和　

一一一一一一一　一　

即在实训基地或者实训中心中集中“教学、培训、　高职教育的需求，将实训基地建设成为集教学、培　

职业技能鉴定和技术服务”等主要功能。虽然在进　训、职业技能鉴定和技术服务为一体的多功能教育　

一

步的访谈中发现，这些院校几乎都或多或少地在　培训中心，即建设“大而全”的实训基地。但在建　

开展培训、职业技能鉴定和技术服务工作，但一般　设过程中，要注意“大而全”是相对分散建设而言　

都是分布在教务处、成教部或是专设的培训中心中　

的，不是说全校只能有一个实践教学机构，而是强　

进行，而没有集中到实训基地（中心）中。这样做　调要围绕学校的主干、强势专业集中建设一个　

一

是容易形成多头管理，不利于提高工作效率，更　

“大”基地，形成拳头效应。　

（上接第７５页）　

电子温度计、红外遥控器等），要求学生利用演示　

眦　

程序熟悉Ｃ５１的主要语法和编程风格，然后自行　

设计感兴趣的功能。网络上的参考设计很多，不反　

Ｌ　ＥＤＢＩＩ　＂０　、－　

对学生引用，但要求注明出处、理解原理并且对功　

能和指标提出更高要求，同时我们还加大了过程和　

态度在考核中所占的比重。经过一段时间的训练，　

ｌ　—　ｌ　

多数学生的自主创新意识、对单片机系统的认识和　

Ｉ　Ｉ　

应用设计能力都得到了很大提高，上进心、自信心　

ｊ　枯　｝　

也明显增强。　

ｊ　｝　

５结束语　

该教学实验板以较低的成本实现了仿真器、编　

程器和应用板的　体化，大大降低了单片机系统开　

ａｃ。　

３０ｐ　Ｆ　

Ｉ　韦３Ｉ　０　ｐＦ　

发门槛，可作为课堂教学、单片机课程设计、毕业　

设计、课外电子实践和电子竞赛训练等的通用目标　

板。与单片机教学内容和教学方法的改革相配合，　

图２单片机口线分配　

可有效调动学生的学习热情。提高学习效率，对培　

综合性实验及设计、开发性项目。仅使用发光管、　

养学生应用设计能力和创新意识、提高就业竞争力　

数码管、按键、蜂鸣器等常规外设便可进行流水　

具有重要意义。　

灯、交通灯、音乐门铃、电子琴、电子钟、抢答　

参考文献　

器、防盗报警器、电子密码锁、矩形波及ＰＷＭ波　

发生器、频率计、电子游戏机等实验。加上其他不　

［１］林志贵，袁臣虎，李现国．单片机原理及接口技术　

同组件，又能设计出很多实用项目，如红外遥控　

课程教学改革新思路【Ｊ］．电气电子教学学报，２００７，　

器、障碍检测器、多路定时控制器、数字电压表、　

２９（２）：１６—１８．　

任意波形发生器、数据记录仪、流量检测仪、脉搏　

［２］朱震华．单片机综合实验箱的研制［Ｊ］．实验科学与　

测试仪、水位控制器、温度测控仪、目标跟踪系　

技术，２００７，５（１）：１２４—１２５．　

统、串行总线网络模型、分布式数据采集系统、电　

［３］　张铮，苏旭武，张道德．多功能单片机实验板的开　

发与应用［Ｊ］．湖北工业大学学报，２００５，２０（１）：２ｌ一　

梯控制系统、智能玩具车、简易机器人、数字录放　

２３．　

机、Ｉｃ卡读卡器和门禁系统等。　

［４］杨明欣，郑郁正，赵建，等．结合电子设计竞赛进　

将实验板分发给学生，并提供了几个Ｃ５１写　

行单片机课程改革［Ｊ］．实验科学与技术，２００７，５　

的演示程序（包括流水灯、倒计时器、音乐门铃、　

（４）：９４—９７．