基于独立院校课程改革的单片机综合实训板设计

潘玉荣 张道德

摘 要：该文针对独立院校单片机原理及应用课程改革，设计了一款单片机综合实训板，旨在培养适合社会需求的应用型人才。综合实训板主要由按键、流水灯、数码管显示、继电器控制、AD/DA、电位器阻值采集、步进电机控制及串口通信等模块构成。学生由电路分析入手，绘制电路原理图、焊接PCB印制电路板、编写各个模块控制程序，取得了较好的教学效果。

关键词：单片机 数码管显示模块 电位器阻值采集

中图分类号：TP391.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（a）-0116-03

近年来，国家推行独立院校改革，独立学院以培养应用型人才为目标，重视学生的实践动手能力和创新思维的培养[1]。《单片机原理与应用》是一门实践性、应用性很强的课程，普通高校的单片机课程教学方法，导致学生学习的困难，掌握专业技能有限，将来走上社会竞争力不足[2]，重视实践教学环节才能切实提高学生的动手能力。该课题针对独立院校单片机课程教学方法实践性改革，设计了一款适用于独立院校学生的单片机综合实训板。

学生由电路分析入手，绘制电路原理图、焊接PCB印制电路板、编写各个模块控制程序，最终以此作为课程考核依据，让学生掌握专业技能，提高动手能力。

1 实训板总体方案设计

课题对独立院校单片机原理及应用课程的教学大纲、课时（36学时）、教学方法（实践教学）、考核方法（以综合实训编程结果为课程考试成绩）和单片机实训板的使用对象（基础为零的学生）综合考虑，要求这款实训板层次性要强。其教学模块有较为简单入手的独立按键模块、流水灯模块、光电隔离输入输出模块、继电器隔离控制模块；相对复杂的模块有动态数码管模块、矩阵键盘接口模块、蜂鸣器演奏模块、AD/DA模块、点阵LED屏汉字显示模块、串口控制模块等；综合性能较强的有继电器控制直流电机模块、步进电机开环控制模块、电位器阻值采集模块等。

针对上述所有模块，进行分类综合，可分为三种教学方案：（1）电位器阻值采集及显示综合实训方案；（2）按键控制直流电机启动、停止综合实训方案；（3）按键控制步进电机调速、并将速度显示综合实训方案。该文将针对电位器阻值采集及显示综合实训方案进行详细介绍。该方案选取流水灯模块及独立按键模块作为简单入手模块，动态数码管模块、AD模块作为入门提高模块，电位器阻值采集模块作为综合实训及考核模块，系统功能模块结构如图1所示。

2 综合实训板硬件设计

下面对电位器阻值采集、显示综合实训方案的硬件模块进行介绍。

2.1 单片机最小应用模块介绍

单片机型号为ATMEL公司生产的AT89S52单片，它是一款低功耗、高性能8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储空间[3]。其价格便宜，性能稳定，完全符合单片机教学大纲的要求。系统直接选用现成的USB-Blaster下载器，用于供电和程序下载调试，因此，将电源模块和USB下载模块省略，使得实训板更加简单，方便后期学生设计与调试。AT89S52单片机晶振为12 MHz，高电平复位。单片机P0、P1、P2、P3口分别引出8路接口，以便单片机与其他模块用插线连接。其中，P1口并联一个8路排阻RA1，使用灌电流增加P1口的驱动力。由于按键和流水灯通常用于系统的检测、调试，是单片机系统必不可少的部分，因此按键模块与流水灯模块和单片机最小系统结合起来构成了单片机最小应用系统。

2.2 动态数码管显示模块

实训板中，选用四位七段共阴极数码管作为显示器。共阴极数码管若不加驱动集成块，则必须加680Ω的上拉电阻；若加驱动集成块，选用74LS244、74LS245、CD4011、74LS240等，可不用串联限流电阻，也不必接上拉电阻；若选用74LS06、74LS07等集电极开路输出的集成电路，必须加680Ω的上拉电阻（不接不亮），不能串联限流电阻（串了不亮）。而在实际上680 Ω的电阻可在470 Ω～1 K之间选择。所以电路中选74LS245和74LS07分别为单片机段选和位选驱动芯片。

2.3 A/D模块

A/D转换接口是传感器接口通道中的一个重要环节，其任务是从一个或几个信号源中采集模拟信号，并将其转换成二进制数字信号。TLC0832是美国TI公司推出的8位逼近型的串行A/D转换器，其体积小，引脚少，与微处理器接口电路简单、编程方便[5]。

图2中，RC2为电位器（即滑动变阻器），其阻值电压模拟信号通过CHO传到TLC0832芯片，转换为TTL电平信号，由J2接线端子传送到单片机，实现了电位器阻值采集的功能。

3 综合实训软件设计

在确定学生综合实训板硬件电路设计、焊接都没有问题之后，要求学生分别将单片机最小应用模块、数码管显示模块、A/D模块的调试程序编写出来并验证正确，最后要求学生将所学的知识糅合起来，编写一个综合实训程序，作为课程最终考核成绩。这样可以达到巩固知识、提高学生专业能力和动手能力的目的。因各个模块的调试程序比较简单，这里就不再介绍，下面是对综合实训程序的讲解。

综合实训要求：（1）LED七段数码管能实时显示电位器的阻值；（2）按下按键1，LED流水灯集体亮1 s，灭1 s，重复循环；（3）按下按键2，LED流水灯依次间隔1 s点亮，在全部点亮后延时1 s全部熄灭，再延时1 s后LED流水灯又依次间隔1 s点亮……如此重复循环。

3.1 电位器实际阻值的计算

TLC0832是8位A/D转换器，其通过DO传送到单片机的二进制数值并不是真的电阻阻值大小，其大小可以通过公式1计算得到：

其中SingleVoltage为测量电阻的阻值大小；

ValueRead为单片机接受到来自TLC0832信号得二进制值大小；

R为图2中RC2最大阻值，图中为10 KΩ。

3.2 综合实训程序设计

图3中，电路板上电后，程序开始运行。首先对电路板进行初始化，如定时中断初始设置（定时时间为5 ms），全局变量的初始值设置等。随后主程序判断全局变量空闲任务运行标志t1msflag是否等于0，若等于0则表示任务完成，原地等待；若等于1，则表示任务继续向下执行。程序通过全局变量flag实现任务分时操作，每时段时间为5 ms，由定期中断T0来实现，当flag=0时，执行电位器阻值采集任务；当flag=1时，执行电位器阻值显示任务；当flag=2时，则对按键值变量key进行读取判断，若key=1，则执行流水灯集体闪烁任务，若key=2，则执行流水灯依次点亮任务。任务执行完成后则进入空闲任务，等待中断时间的到来。在中断程序里对定时器T0重新装载初值，对变量flag进行加1求余运算，对空闲任务标志t1msflag置1，以便退出中断后，刷新下一个任务。

4 结语

该文针对独立院校单片机原理及应用课程教学改革，设计了这款单片机实训板。综合实训板主要由按键、流水灯、数码管显示、AD/DA、步进电机控制及串口通信等模块构成。以独立院校学生为使用对象，在36个学时里，需教会学生使用Protel软件绘制电路图、焊接、调试电路板、编写综合实训程序。该款单片机实训板不仅包含了单片机教学大纲要求的所有内容，且学生入门、操作使用容易，教学效果反应良好。

参考文献

[1] 胡明.独立学院应用型本科单片机课程体系教学改革探讨[J].通讯世界，2015（23）：281.

[2] 盂雷.应用型本科院校单片机实验教学改革探讨[J].现代商贸工业，2013，25（8）：129-130.

[3] AT89S52 device data sheet[Z].2004.

[4] 于永，戴佳.51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2007.

[5] 杨光友，朱宏辉.单片微型计算机原理及接口技术[M].北京：中国水利水电出版社，2004.