基于8051单片机的开放式实验平台设计

徐 坤，周子昂，吴定允，马 超

（周口师范学院 物理与电子工程系，河南 周口466001）

单片机广泛地应用在工业自动化控制、自动监测、智能仪器仪表、智能电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面［1］.国内高校电类相关专业几乎都开设了“单片机原理与接口技术”这门课程.单片机是一门实践性很强的应用性课程，综合应用能力的培养是一个重点.实验教学在对学生实践应用能力培养方面起着理论教学不可替代的作用［2］.

现有的实验系统把单片机I／O口、数据线和地址线在 印 制 电 路 板 （Printed Circuit Board，PCB）上已经定义死了［3］，这种固定模式的实验设备，留给学生自己设计逻辑电路的空间很小，不利于学生认知的提高和思考的深入［4］.学生进行试验时，只好按照商家定义好的电路连接，在实验指导书的指导下验证一下，只要输入和操作无误，则必定会得到正确的结果.这样的实验过程不能很好地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，从而不能达到开设实验的目的.会做实验和会设计完成一个单片机应用系统的差距很大［5］.鉴于上述原因，本文详细论述了基于8051单片机的电子设计实训平台的设计方案.

1 开放式单片机实验平台的设计思路

本设计为了提高学生的实践创新能力，针对实验室现有单片机实验系统的不足之处，设计出各个模块相互独立的单片机实验实训系统.在此实验平台上，学生要独立思考，采用自己设计的方案，依据平台上的开放资源完成硬件电路的设计，并设计出相应功能的程序.在设计实验的过程中发现问题、分析解决问题，在解决问题的过程中加深对硬件电路的理解和软件设计流程的掌握.

1.1 系统框图

本设计要求系统在做PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）时，就要充分规划好单片机的I／O资源和各个模块的输入与输出接口，留出连接端口供进行设计时连接电路.开放式实验平台的系统采用模块化设计，主要有电源模块、MCU模块、功能模块等.系统框图如图1所示.

图1 系统框图

1.2 主-从设计方案

实验平台采用了主-从机设计方案，即平台上设计了两个相互独立的单片机最小系统，其中一个作为主机，一个作为从机.每个单片机系统都可以作为主机系统，增加了系统灵活性.这种设计方式，弥补了传统单片机实验系统不能开设双机通信和多机控制的实验项目的不足.图2是在该实验平台上设计的温度采集与无线传输系统原理图.从机系统控制温度传感器DS18B20采集现场温度，再通过无线发射模块将采集的温度发射到主机系统，主机系统由无线接收模块接收温度数据，经主单片机处理后，送往液晶显示模块.这样就完成了由单片机控制的温度采集与无线传输的综合实验项目.

图2 温度采集与无线传输系统的设计原理图

1.3 独立模块设计

本系统是为单片机实践教学和电子设计竞赛培训而开发的，因此要求该系统不但能培养学生的软件编程能力，同时也能培养学生的硬件电路组合应用能力.此外，合理分配I／O资源，支持在此系统的基础之上继续开发扩充.下面以液晶显示模块为例来说明实验的过程，液晶采用LCD1602，显示容量为16×2字符，即每行显示16个字符，分2行显示，其引脚功能说明如表1所示.

表1 LCD160引脚功能表

图3为LCD1602显示电路原理图，有图3可知，液晶模块的数据端口DB0-DB7、寄存器选择端口RS、读写控制端口R／W及使能端E都定义好了，并没有与单片机的某一I／O口连接.学生可以根据自己的喜好分配I／O，在分配I／O的同时，必须对LCD1602的引脚做到充分的了解.完成这样的实验项目，即从软件上掌握了单片机控制液晶模块的流程，又从硬件上了解了引脚端口的功能及特性.

图3 液晶显示模块连接图

1.4 电源模块

作为系统的供电部分，电源模块非常重要，直接关系到系统的稳定.开关稳压电源以其工作效率而得到了广泛应用，然而其带来的脉冲干扰对系统模块的稳定性有一定的影响.因此，在采用开关稳压电源供电的同时，采用滤波和隔离的方法，使其对系统的影响降低.此外，为了方便，实验系统的＋5V，＋12V，-12V电源各有一自锁按键控制三路的通断，且其输出端均有电容进行滤波和稳压，还预留有多个插针可以连线的方式为其他部分供电.在PCB上从电源模块引出印制导线到各个模块的电源开关处，为各模块供电.图4为正5V电源接口原理图，其中J1，J2和J3分别为扩展电源接口.

图4 正5V电源接口原理图

2 分层次实验设置模式

软件编程的训练是单片机实验系统重要的训练内容.在程序的调试过程中，学生既要考虑硬件电路，又要考虑软件编程.每一个实验都像是一个小项目、解决一个实际问题，可提高学生参与实验的积极性和兴趣.同时，编程训练也采用分层次的设置模式，先简后繁，即先模块程序训练后综合设计编程训练.

在实验项目的设置上，不再是单纯开设验证性试验，而是以综合性、设计性实验为主，引导学生利用基本实验方法和实验技能去解决实际问题.要使学生从根本上对单片机技术深入地理解与掌握，由浅入深、由简到繁、由个别单元到综合应用，有层次的设置实验，即合理的设置基本的验证性、设计性实验和综合性实验［6］.本设计精选了9个基础的验证性实验，通过这些实验项目的教学，可以使学生充分了解单片机的片内和片外资源，进而可以做基于单片机的设计性和综合性的实验.综合性的实验则需要用到系统的多个模块，它是以前面的验证性实验为基础，目的是提高学生综合应用所学知识解决实际问题的能力［7］.开发的实验项目类型及所占比例如图5所示.

图5 实验项目类型及所占比例图

3 结论

本文分析了现有单片机实验平台存在的不足，论述了开放式单片机实验平台的设计思想，设计了一个硬件资源分配灵活、循序渐进、理论联系实际的单片机实验实训平台.开放性思想贯穿于整个设计过程中，目的就是提高学生的积极性，从过去的被动参与演示实验到主动参与实验，培养学生的实践动手能力和创新思维.该实验实训平台既可以承担单片机课程实验的任务，也可以在学生参与全国大学生电子设计竞赛和其他赛事的训练中发挥重要的作用.

［1］张毅刚.单片机原理及应用［M］.北京：高等教育出版社，2004：1-3.

［2］周晓雁.单片机实验教学改革的尝试［J］.山东工业大学学报：社会科学版，1995，33（2）：92-94.

［3］徐坤，吴定允.单片机实验教学平台若干问题的思考及改进方案［J］.周口师范学院学报，2011，28（2）：59-61.

［4］宋蕴璞，裘文进.单片机实验教学方式探讨［J］.高等教育研究，2007，24（4）：46-59.

［5］杜波，王瑾.单片机应用技术课程体系改革的研究与思考［J］.才智，2009（18）：121-122.

［6］贾玉瑛，陈波.单片机实验教学改革与探索［J］.实验室科学，2008（6）：26-28.

［7］李莉.单片机实验教学改革与创新能力的培养［J］.电脑与电信，2008（4）：71-72.