基于STC15单片机的模块化智能小车实训平台开发

施芸 杨晓艳 雷刚 彭林

（四川工程职业技术学院 四川省德阳市 618000）

单片机在工业控制、汽车电子、信息通信、家用电器等多个领域应用十分广泛，单片机相关课程已成为很多应用型本科和高职院校电子、电气和机电类专业的重要专业技术课程[1][2]。学生在单片机学习过程中，须通过大量实践才能完全理解单片机的结构及工作原理，熟练掌握外围电路设计、程序设计、调试工具使用等知识和方法，最终才能具备开发应用的基础能力，因此一款能调动学生学习兴趣，又适应当下碎片化学习方式的实验装置对单片机的学习非常重要[3][4]。目前，单片机实验解决方案以实验箱和开发板两类为主，文献[5]提出了一种基于“STD 总线+叠合式模块”设计思路的单片机实验箱，文献[6]设计了一种适合项目教学法的多功能单片机实验箱，文献[7][8]从尺寸小巧，便于携带的角度出发，设计了以开发板为呈现方式的实验平台。总的来说，实验箱功能较全面、集成度高、可实现的实验项目较多，但价格较昂贵。开发板便于携带、较便宜，但实验项目有限、被控对象简单。

本文介绍一款以STC 增强型51 单片机IAP15W4K61S4 为核心控制器，集通用性、可拓展性、竞赛性、趣味性、便携性于一体的模块化结构的智能小车实训平台。既能满足单片机各阶段的学习需求，也能满足翻转课堂、小组学习、项目化教学等课堂革命需要，能有效提高学生的学习效率，更好地培养实践和创新能力。

1 实训平台整体规划

实训平台以智能控制小车为载体，采用模块化结构，各组成部分通过插接件连接，并采用隔离柱固定安装，可根据需要更换或添加功能模块。智能小车实训平台的实物图如图1 所示，各组成部分具备的功能如下：

（1）小车车架：小车采用左、右轮独立驱动，安装于车架四周。车架尾部安装锂电池，车架前后预设多个外围扩展模块安装孔位，可极大满足平台扩展功能模块的安装需求。

（2）电源及电机驱动模块：电源模块为单片机、控制单元及电机提供能源。电机驱动控制模块电路采用经典的H 桥驱动电路，以实现小车的运动控制。

（3）I/O 扩展板：该部分除了具备声音检测、蜂鸣器、显示/按键接口、RS232、SPI、模拟I2C、PWM 等模块电路外，还尽可能地预留了可用的I/O 端口，以便外扩模块使用。

（4）主控核心板：主控电路模块采用单片机最小系统设计，所有端口通过插针与I/O 扩展板相连。此设计的目的是为了方便地更换不同类型和型号的单片机，以达到单一平台完成多系统实验的目的。

（5）按键/显示模块：用于实现人机交互功能。主要用于数码管显示、按键输入。该模块接口与LCD1602 液晶显示模块接口兼容，以便完成不同显示模块实验。

图1：智能小车实物图

图2：USB 接口的ISP 端口电路图

图3：项目任务模块示意图

通过模块化结构设计，实训平台既满足单片机内部结构、I/O端口、寄存器、功能模块、指令系统、编程调试等基础知识的学习和技能训练，又可用于项目化课程设计或专周实训，进而开展一些寓教于乐的竞赛活动，将课前课中课后、理论与实践、基础与进阶等阶段很好地串联起来，能较全面的满足单片机相关课程的教学需求，并为后续学习32 位嵌入式系统开发或其他控制类课程奠定坚实基础。

2 实训平台硬件设计

实训平台包括基本功能模块和扩展功能模块两大部分。基本功能模块由主控核心、I/O 扩展（声音检测、A/D 输入、通信端口）、电源及电机驱动、人机接口等模块构成，扩展功能模块通过通信端口（SPI、模拟I2C、串口）及预留I/O 连接系统，并根据需要安装使用。

2.1 主控核心板

核心板采用最小系统设计方式，单片机的I/O 端口通过插接件与I/O 扩展板连接，以方便更换不同类型或型号的单片机。本文介绍的核心板选用宏晶科技(STC)推出的增强型51内核IAP15W4K61S4 单片机作为主控芯片。单片机片内集成4KSRAM、61KFlash 存储空间，具备5 个定时/计数器、8 路10bit的A/D、8 路PWM、4 路独立串口、1 路SPI 高速接口等接口资源。单片机具备7 种复位方式，高可靠复位电路和较强的抗干扰能力，除外接时钟外，还具备高精度R/C 内部时钟（±0.3%），可编程实现5-30MHz 的系统工作时钟，通过1 路串口可实现ISP（In System Programmability，在系统编程）功能，能很方便地实现程序仿真、调试、下载等操作[9]。

2.2 I/O扩展板

实训平台通过I/O 扩展板进行单片机I/O 端口的功能扩展。除了用于固定功能的I/O 端口之外，还预留了多个通用I/O 端口，可根据不同需求实现串口、PWM 信号、A/D 输入、中断等功能，便于扩展模块连接和使用。

I/O 扩展板配备USB 转RS232 转换电路，电路原理如图2 所示，采用CH340 芯片与串口1（P3.0/P3.1）相连[10]，实训平台可直接与电脑的USB 端口连接，进行单片机程序开发。

2.3 电源及电机驱动

平台具备锂电池和外接稳压电源两种供电方式。供电电源输出额定电压7.4V，直接作为电机驱动电源，然后通过稳压芯片LM1117-5 输出5V 电压，提供给I/O 扩展版及核心板使用。

智能小车选用额定电压6V，额定转速210r/min，减速比为1:34的小功率直流减速电机。电机自带编码器，分辨率为341PPR，具有较高的准确度和稳定性。

小功率直流电机常采用PWM 脉冲控制的分离功率器件构成的H 桥或集成H 桥组件的方式进行调速控制[11]-[13]。可方便通过H 桥进行电机正反转控制，并通过逻辑门实现硬件逻辑互锁，防止H 桥臂出现直通短路。

2.4 人机接口

人机接口部分采用四个独立式按键及四位七段LED 共阳数码管作为显示电路。单片机P7 端口作为共阳数码管数据输入端，P6端口用于共阳数码管公共端控制和按键输入检测。

按键输入检测电路采用二极管D5～D8 实现“与”逻辑，然后接入P3.3 端口电路，可实现中断检测按键动作功能。此外，该模块端口完全兼容LCD1602 字符型液晶显示屏。

3 实训平台在教学中的应用

实训平台在我院主要承担着电类专业嵌入式系统相关课程的实践教学、学生课外创新能力训练、各类参赛训练的任务。目前，依托平台已开发的主要项目任务模块，如图3 所示。

教学过程中，学生从小车车体的组装入手，结合主流单片机开发软件Keil，逐步在项目式教学的引导下完成硬件和软件的设计任务。同时，可利用仿真软件Proteus 进行辅助虚拟仿真验证，能有效解决实验时间、实验场地受限的问题。

在学生课外创新方面，车体模块化的结构设计提供了灵活设计空间。其中主控板设计为最小系统，支持从标准51 到增强型51 单片机，再到STM32 等ARM 内核的控制器，将相关行业的新技术、新工艺的发展引入到课程教学中来，为学生的课外创新能力训练和各类参赛训练提供了良好的平台。

4 结束语

本文所设计的模块化智能小车实训平台，根据课程培养目标，从硬件搭建和程序设计两方面入手，通过项目式教学，全面体现课程软硬结合的特点。从而激发学生学习兴趣入手，本着“以学生为本”的理念，服务于学生实践与创新能力的培养。从教学效果来，智能小车运行稳定、可靠、易于操作、便于携带，极大程度上激发了学生的学习积极性和主动性，开拓了学生的视野。从教师的教学能力提高来看，课程组教师在省级和国家级教学能力大赛中均有获奖。而学生方面，通过利用小车进行课内学习，课外拓展，赛前培训，在所参加的全国大学生电子设计大赛中均多次取得佳绩。