单片机实验系统的设计与制作

秦 强，王富东

(苏州大学 文正学院，江苏 苏州 215000 )

单片机实验系统的设计与制作

秦 强，王富东

(苏州大学 文正学院，江苏 苏州 215000 )

单片机实验系统是学习单片机及相关课程不可缺少的辅助手段。文中对实验系统的功能和性能需求进行了分析，在此基础上设计并制作了针对MCS-51系列单片机的教学实验系统。实际应用结果表明，设计制作的实验系统能够很好地实现所期望的教学实验要求，并且可以大量节省系统购置和维护的成本。

单片机；接口技术；教学实验系统；设计

与单片机相关的课程包括单片机原理与应用、单片机接口技术、计算机控制技术、嵌入式系统与应用等，在高等学校的教学体系中具有重要的地位。首先，由于计算机原理与接口技术课程的教学内容和实际系统差别很大，教学效果很不理想，单片机相关课程就成为替代课程;其次，单片机相关课程可以进行大量的实验，甚至可以涉及其他很多课程的内容，例如,电子电路、传感器、电机驱动、自动控制系统、智能控制等，这些相关课程的实验能够很好地锻炼学生的动手能力与创新能力。

单片机的实验设备比其他实验设备简单和廉价，但比较容易损坏，特别是提供学生进行创新型实验的设备。另外，各个学校的情况不同，一种实验设备往往很难满足所有学校的教学要求。因此，我们尝试自制单片机的教学实验设备。经过若干年的积累，我们自制的单片机教学实验设备不仅行之有效，而且能够大量节省购置和维护的成本。

1 功能与性能要求

1)单片机的实验设备要能够满足单片机课程教学要求。具体来说，就是汇编语言的程序设计与单片机内部各个功能模块的使用方法。这个要求一般不难做到，比较困难的是要考虑到其他课程的教学需求。

2)单片机的实验设备要有足够的硬件实验资源。单片机的纯软件实验可以采用软件仿真进行，这仅仅能满足学生学习汇编语言程序设计的需要。要使学生真正理解和掌握单片机，必须通过硬件实验。因此，所设计的单片机实验系统必须具备充分的硬件资源，除了单片机本身的硬件资源外，还应该包括基本的键盘与显示电路、串行接口的输入输出电路、多种存储器、常用的A/D与D/A电路、新型的传感器、简单的控制电路等。

3)良好的开发环境和编程下载手段。早期单片机开发系统的开发环境和编程下载手段都不是很理想，这在很大程度上影响了单片机的教学与实际应用。目前，大多数单片机的生产厂家都采用了第三方提供的开发环境，再配置自己开发的编程下载工具，可以最大限度地扩大自己产品的适应性，减少产品的市场成本。目前，广泛采用的开发环境是Keil 公司的μVision系列软件，对于MCS-51系列的单片机，该软件能够与各个公司生产的上千种产品兼容；对于某些公司的产品，该软件还可以挂接下载工具，实现程序的调试和下载功能。

2 硬件设计

基于上述分析，我们自行设计了单片机的实验系统电路板。该系统由CPU及其外围电路、键盘与接口电路、静态显示与接口电路、LED显示电路、A/D与D/A接口电路、EEPROM存储器以及一个由555电路组成的频率发生器电路等组成。

大多数单片机的实验系统采用Atmel或宏晶公司的CPU。这两个厂家的CPU内部具有一定容量的Flash存储器和RAM存储器，足够一般的实验系统应用；此外，也都具有IAP/ISP功能，通过专用的编程软件可以实现程序的下载，以便用户开发使用。但是这两个厂家的产品都需要使用专用的仿真器进行仿真调试，很难适应教学实验系统的要求[1]。有些资料中曾经介绍过SST公司的单片机[2]，该单片机采用特殊的存储器结构，具有IAP/ISP功能。通过适当的软件支持，可以很好地实现单片机的仿真功能。本实验系统采用SST89E564RD作为CPU。其内部具有64 KB+8 KB的Flash存储器，1 K字节的内部RAM，增强型的MCS-51内核，还额外包括一个PCA(可编程计数器阵列)模块，足够一般的教学与应用系统使用。

实验系统的开发环境采用Keil公司的μVision2[3]。这是目前广泛流行的软件，可以很容易购买，也可以使用免费的评估版软件。该软件与SST89E564RD可以实现良好的对接。在有关软件的支持下，实验板与PC机之间可以通过串行通信接口实现程序的下载和调试。由于大多数个人电脑已经取消了RS-232通信接口，我们又用USB转串口的转换器代替了原来的RS-232通信接口，并采用TTL电平接口直接与单片机连接。实验系统总体结构如图1所示。

图1 单片机实验系统组成框图

3 实验设计

在上述单片机实验系统电路板的基础上，我们设计了相应的单片机实验，并编写了实验讲义。单片机的实验分为软件实验(10个)和硬件实验(10个)两个部分。软件实验侧重于使学生熟悉单片机的指令系统，训练学生的编程能力；硬件实验则侧重于使学生了解和掌握单片机的功能模块，培养和训练学生使用单片机控制外部器件的技能。

3.1 软件实验

实验一 数据传送实验。

实验二 数据分类与校验实验。

实验三 简单算术运算实验。

实验四 定点数算术运算实验。

实验五 逻辑运算实验。

实验六 数制转换实验。

实验七 数据统计实验。

实验八 数据排序实验。

实验九 查表与程序散转实验。

实验十 数字滤波实验。

3.2 硬件实验

实验一 单个端口输出控制实验。

实验二 P1口输出控制实验。

实验三 定时器应用实验。

实验四 LED数码管显示实验。

实验五 计数器应用实验。

实验六 定时中断实验。

实验七 外部中断实验。

实验八 D/A应用实验。

实验九 A/D应用实验。

实验十 综合应用实验。

4 结束语

经过几年的单片机及相关课程的教学实践，自制的单片机实验系统取得了很好的实际应用效果。由于是自制的实验设备，一旦发生损坏和故障，也可以自行维护，使实验系统的维护成本大大降低。

随着微电子技术和计算机技术的发展，单片机及其相关技术也在迅速发展。现在的单片机和早期的单片机相比，无论是单片机本身的功能和性能，还是单片机的开发手段和环境，都发生了翻天覆地的变化。这也会促使单片机的教学内容和教学手段发生变化。通过自制单片机的实验系统，我们能够深刻地感受到这些变化，也能够使我们不断更新教学实验设备，跟上单片机技术的发展与进步。

[1] 陈涛.单片机应用及C51程序设计[M].2版.北京：机械工业出版社，2011.

[2] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3]徐爱钧.Keil Cx51V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践[M]．2版.北京：电子工业出版社，2008.

Design and Manufacture of a MCU Experiment Board

QIN Qiang，WANG Fudong

( College of Wenzheng, Soochow University， Suzhou 215000, China)

A MCU experiment board is necessary for the course of single-chip computer and related curriculum. Based on the analysis for the function and need of MCU experiment board, we designed and fabricated an experiment board for MCS-51 micro-controller. The experiment application shows that the board can meet the expected need of the MCU course. The board cost of purchasing and maintenance can also be reduced greatly.

MCU;interfacing technology;teaching experiment system;design

2013-11-19

苏州大学文正学院课程建设基金资助项目。

秦 强(1977-)，男，硕士，实验师，主要从事电子技术、单片机与PLC等教学工作。

TP39

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.005