基于STC12C5A60S2的便携式实验板设计

马艳彬,孙春志

(商丘师范学院 电子电气工程学院,河南 商丘 476000)

“C51应用技术”是电子信息工程、自动化、电气工程等电子类相关专业应用型人才培养的一门核心课程,学好本课程对电子类人才创新实践能力的培养至关重要,同时也为学生就业打下良好的基础.然而,现有课堂教学模式存在许多问题.首先是理论教学:该课程长期以来采用传统教学模式,课堂以讲授为主,辅以实验教学.这种传统教学模式已经满足不了应用型人才的培养要求,学生普遍存在理论与实践应用脱节,实际动手能力差的现象.其次是实验教学:在开展“C51应用技术”实验时大多采用实验箱完成,由于实验箱看不见内部电路,不利于学生进行设计性或者综合性的创新实验.而且传统的实验箱笨重不易携带,已经不能满足学生学习的需要和课堂实验要求.最终导致学生受以往教学思想及实验操作习惯束缚,无法很快适应这类应用型课程的学习,从而失去学习兴趣.

综上所述,为了提高教学效果,增强学生的实践动手能力,达到应用型人才的培养目标,本文专门为学生设计了一款便携式实验开发板,方便学生学习和创新项目设计开发使用.并以此为契机,进一步推进教材建设和“C51应用技术”课程教学范式改革.

1 便携式实验板设计要求

根据“C51应用技术”的课程教学大纲可知,该课程包含的实践环节主要有I/O口的基本应用、定时器的应用、中断的应用、串口应用等.实验板要具有蜂鸣器、流水灯、按键输入等功能.为了使学生学习完课程之后,能够设计一个完整的单片机小项目,实验板还设计有液晶显示、串口通信电路、温度传感器等扩展功能.这些功能足以满足学生基本的学习、开发和设计需求.

2 便携式实验板的总体框图

根据便携式实验板的设计要求,综合各方面的因素,采用STC12C5A60S2作为主控制器,外围电路包含流水灯、按键电路、蜂鸣器、LCD1602液晶显示、OLED显示屏、DS18B20温度传感器、CH340G USB转串口电路等单元电路.其中CH340G既可以用于程序的下载,又可以用于串口通信.最后,实验板通过排针引出了所有的I/O,方便扩展和用于创新项目二次开发设计.便携式实验板的系统框图如图1所示.

图1 便携式实验板的系统框图

3 便携式实验板的硬件电路设计

便携式实验板硬件电路采用模块化的电路设计方法.根据便携式实验板的系统框图,将实验板的硬件分为STC12C5A60S2控制器核心电路模块、流水灯电路模块、按键电路模块、CH340G串口模块、蜂鸣器电路模块、DS18B20电路模块、显示电路模块.

3.1 STC12C5A60S2控制器核心电路

图2所示为STC12C5A60S2控制器电路为实验板的核心部分,主要由STC12C5A60S2微控制器、电源电路、复位电路、晶振电路和接口引出插件部分组成.STC12C5A60S2微控制器的P1口、P2口、P3口通过双排排针J2、J3、J4引出.若排针J2、J3、J4通过短路帽短接,则微控制器核心电路与板载其他电路模块接通,构成单片机实验板,可以进行“C51应用技术”课程实验;若排针J2、J3、J4不短接,则微控制器核心电路与板载其他电路模块断开,可作为一个核心板进行创新项目开发与设计.

图2 STC12C5A60S2控制器电路

3.2 CH340G下载电路设计

学生开发完成程序后,需要通过keil软件编译成二进制文件*.hex,经控制器的串口将hex文件下载到微控制器中.为了使用方便,本实验板已经集成了USB下载电路,如图3所示.可以通过下载电路实现计算机与STC12C5A60S2微控制器之间的程序下载功能.CH340G USB转串口下载电路除了具有程序下载功能外,还承担整个实验板的供电功能和通信功能.通过下载电路也可实现实验板与计算机的串口通信功能.

图3 CH340G USB转串口下载电路

3.3 流水灯电路设计

便携式实验板有8个LED指示灯,如图4所示.每个LED灯串联一个限流电阻,LED阴极通过J4双排指针短接到单片机P2口上.其中LED2—LED7颜色排列顺序为红黄绿红黄绿.此电路不仅可实现流水灯控制实验,还可以实现模拟交通灯控制实验.

3.4 按键电路设计

便携式实验板有4个独立按键,分别是SET设置、OK确认、DOWN向下和UP向上,其原理图如图5所示.每个按键都通过上拉电阻接到5 V电源网络.按键通过J2双排针短接接到单片机P1口上.按键未按下时,输入到STC12C5A60S2单片机IO口的电压为5 V高电平;按键按下时,输入到STC12C5A60S2单片机I/O口的电压为为低电平.此电路可以实现按键输入实验,例如模拟汽车转向灯实验,也可以实现外部中断实验,通过杜邦线接到外部中断引脚.

图5 独立按键电路

3.5 蜂鸣器电路设计

便携式实验板板载蜂鸣器报警电路,如图6所示.S8050三极管的基极通过双排针J3的13脚和14脚短接连接到控制器的P3.6引脚.

图6 蜂鸣器电路

3.6 DS18B20测温电路设计

DS18B20是一种常用的数字温度传感器.本实验板上有一路DS18B20测温电路,如图7所示.DS18B20的数据端通过双排针J3的15脚和16脚短接连接到控制器的P3.7引脚.

3.7 显示电路设计

便携式实验板上设计了 LCD1602液晶显示接口电路,用来显示数据,为同学们课外创新项目设计和深入学习C51应用知识提供支持.图8所示为LCD1602显示屏接口电路.LCD1602显示屏接口电路的引脚说明及连接方式如表1所示.

表1 LCD1602显示屏接口电路的引脚说明

图8 LCD1602显示接口电路

3.8 PCB电路板设计

PCB板设计主要包括PCB布局、PCB布线设计、覆铜处理.考虑到实验板的便携性,尽量缩小PCB面积.综合考虑元器件的数量、元器件摆放的位置、丝印的大小、液晶显示屏的尺寸等信息,最终将板子尺寸设计为宽8 cm×高9 cm.如图9所示,为了节约板子空间,减少尺寸,这里将下载电路布局在了LCD1602液晶显示的下方.图10为便携式实验板的3D视图.

图9 串口下载电路电路板布线布局

图10 便携式实验板的3D视图

3.9 便携式实验板的外壳设计

便携式实验板的小型化、可移动化,使其使用更方便.学生可以携带进课堂,也可以带到图书馆,随时随地进行实验操作和创新项目设计.为了更好地保护电路板,以延长其使用寿命,为实验板设计了一种透明的小型电路板外壳体.将电路板安装于外壳中,以保护电子元器件.为了方便使用,外壳上盖不固定,可以拆卸.针对电路板上一些交互式元器件,对外壳上盖进行了开孔设计,以方便实验操作.实验板3D外壳如图11所示.

图11 3D外壳视图

4 项目化教学及便携式实验板的使用

“C51应用技术”课程采用项目驱动的教学模式,打破传统的先理论讲解再做实验模式,转变为先项目实践再理论讲解,并始终做到兴趣导向、学生为中心、由感性过渡到理性认识.通过具体项目设计,比如发光二极管的点亮、流水灯、蜂鸣器报警、三人抢答器、模拟交通灯、模拟汽车转向灯等实践项目,给学生以感性认识,激发他们的学习兴趣,使学生对该课程产生浓厚的兴趣.

本文所设计的便携式实验板具有体积小,方便携带的优势,便于开展项目化教学,表2列出了便携式实验板的基础实验项目20个.除了可以完成课程的基本实验项目外,还可以充分利用微控制器核心板的功能开展大学生创新项目设计和毕业设计.

表2 便携式实验板的基础实验项目

5 结 语

“C51应用技术”是一门实践应用较强的课程.通过为该课程量身设计实验开发板,能方便、深入、系统的进行该课程的教学活动,使得项目化教学方法落到实处.目前,该实验板已经应用于我校自动化专业教学过程中.通过让学生在自己制作的实验板上进行实验,可以成功地燃起学生的学习兴趣和开发热情,为“C51应用技术”教学范式改革和课程建设取得良好效果提供了硬件保证.通过本课程的实际教学反馈证明,学生的动手能力和C51语言编程能力得到很大提升,教学效果提升明显,该实验板具有一定的教学应用和推广价值.