单片机实验教学平台的改进设计与实现

【摘要】本文主要阐述了现有单片机实验教学平台的不足，并针对实验室现有单片机实验平台的不足之处，提出了相应的改进设计。

【关键词】单片机实验平台;改进设计;实现

1.现有实验教学平台存在的不足及改进设计方案

现有实验教学平台中，单片机芯片各引脚在印制电路板上已经和对应的模块固定好了，在这种固定模式下，学生设计逻辑电路的空间很小，不利于学生深入思考和创新。学生做实验时，只要按照商家定义好的电路连接，在实验指导书的指导下，正确输入和操作，便能得到正确的结果。这样的实验过程很难激发学生参与实验的热情和兴趣，往往会出现应付实验的现象，达不到开设实验的目的。会做实验和会设计系统之间的差距很大。为了提高学生的实践动手能力和创新能力，针对实验室现有单片机实验平台的不足之处，本实验教学平台在以下两个方面做了相应的改进：

（1）本实验教学平台采用开放式系统结构设计，各个模块在平台上是相互独立的。在改进的实验平台上，每个模块都有独立的输入和输出接口，学生需要哪个模块就可以通过连接线和转换板搭接起来，暂时用不上的模块可以断开。这样既可以避免模块之间的相互干扰，也方便学生根据自己的实际需求来搭建电路，为学生提供了自主设计的空间。

（2）考虑到单片机实验系统内容的完整性和趣味性，本章在原有实验平台的基础上进行了模块的添加与改进，主要包括步进电机和继电器驱动模块、16*16点阵模块等。下面将详细阐述各模块的改进设计与实现。

图1 单片机端口连接图

2.改进的实验教学平台各模块设计

本实验教学平台要求系统具有开放性，单片机的I/O资源要得到充分的利用。因此，AT89C51单片机芯片的各端口没有固定在印制电路板上，而是与相应的输入和输出接口相连。做实验时，学生可通过连接线和转换板灵活的选择单片机端口搭建电路，实现了资源的充分利用。单片机端口的连接如图1所示。

2.1 步进电机和继电器驱动模块设计

单片机各引脚提供的电平是无法驱动步进电机和继电器的，故本课题增设了步进电机和继电器的驱动电路模块，该模块选用了ULN2003芯片驱动。ULN2003由一组达林顿管组成，有16个脚共7路驱动。引脚功能是：1～7脚为单片机脉冲输入端;8脚为接地端;9脚为内部7个续流二极管负极的公共端;16～10脚为脉冲信号输出端，与1～7脚的输入端一一对应。该模块用P0.0驱动一个继电器，P0.0接ULN2003的1脚，ULN2003的16脚接继电器线圈的一端， 继电器线圈的另一端接+5V电源。当P0.0为高电平时，继电器吸合;当P0.0为低电平时， 继电器释放。电路原理图如图2所示。

图2 步进电机和继电器驱动模块电路

2.2 16*16点阵模块设计

LED显示屏是一种新型的显示媒体，是当今大屏幕显示的主流产品，它具有亮度高、使用寿命长、显示内容多样、色彩丰富、对室内外环境适应能力强等优点，在各行业得到了广泛的应用。因此，为了让学生能够很好的掌握用单片机控制LED显示屏的能力，本实验教学平台增加了16*16点阵电路模块。该模块采用RS232接口的第3脚（TXD）由计算机向控制电路发送字符或汉字内码;该内码被存储在控制电路中，控制电路找出对应该内码的点阵，然后向驱动电路发送行列选通信号;根据行列选通信号，显示驱动电路负责向指定LED提供驱动电流。采用串行的方法，控制电路可以是一根信号线，将列数据一位一位地传到列驱动器，在硬件方面是十分经济的。解决串行传输中数据准备和列数据显示的时间问题，可以采用重叠处理的方法。这种方法需要列数据的显示具有锁存的功能。因此，该模块选用带锁存输出的8位移位寄存器74HC595作为LED显示屏的列线驱动输入。它是由各自独立控制的一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器构成，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。

图3 16*16点阵模块电路

该模块使用了4块74HC595和4块8*8点阵构成一个16*16点阵，可以完整的显示一个汉字。P1.0与74HC595的DS端相连，输入串行数据;P1.1与SH_CP端相连，提供移位时钟信号;P1.2与ST _CP端相连，提供锁存时钟信号。上一级74HC595芯片的Q7端与下一级74HC595芯片的DS端相连，实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据（即达到重叠处理的目的）。U16、U17、U18、U19芯片的Q0～Q7端用来驱动16*16点阵对应的行和列。电路如图3所示。

参考文献

[1]李学礼，林海峰.基于Proteus软件的单片机实验室建设[J].单片机与嵌入式系统应用，2005（9）：5-6.

[2]陆婷，兰国原，杜月林.基于Proteus的单片机虚拟实验室的构建[J].国外电子测量技术，2007（8）：24-26.

作者简介：雷媛媛（1979—），女，硕士，讲师，主要从事电子信息方面的应用研究和教学工作。