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模块化单片机实验装置的开发

  摘 要:针对传统单片机实验装置的弊端,开发了一种模块化单片机实验装置,该装置由单片机最小系统模块、基本模块、A/D和D/A转换模块、电机驱动模块、继电器控制模块等组成。应用实践表明,该实验装置具有很好的灵活性、开放性和可扩展性,有利于提高学生的单片机开发能力和创新能力。
  关键词:模块化;单片机;实验装置
  单片机课程是电气自动化专业的一门重要专业课,具有很强的综合性与实践性,能较好地培养学生解决实际工程问题的能力,因此需要一种实用性强的单片机实验装置。在传统的单片机实验教学中,普遍采用单片机实验箱,实验箱将各种单元电路设计在一块大印刷电路板上。它的优点是结构简单、技术成熟。其缺点主要有:(1)电路连接线很多,学生容易接错;(2)实验电路固定,难以升级和更新,无法满足新技术、新实验的要求;(3)灵活性和扩展性差,不利于培养学生的综合实验能力和创新能力。
  针对实验箱的缺点,结合电气自动化专业特点,笔者设计了一种新型的模块化单片机实验装置,既能满足单片机课程的实验教学和课程设计要求,又能满足大学生课外创新活动的需要。该实验装置主要由单片机最小系统模块、基本模块、A/D和D/A转换模块、电机驱动模块、继电器控制模块等组成。
  1 单片机最小系统模块
  单片机最小系统模块是单片机系统的核心模块,主要由3部分组成:电源部分、单片机最小系统电路和下载电路。为方便起见,电源部分采用USB供电和外部电源供电2种方式。单片机最小系统部分(如图1所示)。由单片机、电源、复位电路、时钟电路、存储器选择电路组成。为便于单片机芯片的插入和卸载,该模块采用锁紧卡座设计;复位电路包括上电复位和手动复位2种方式;时钟电路的晶振部分采用排针插座,便于使用者更换不同频率的晶振。
  为了降低开发成本,该模块选用STC单片机,其内部集成了ISP在线下载模块,配合下载电路即具有在线下载程序的功能,下载电路如图2所示。在下载电路中,采用PL2303芯片及其外围电路实现USB-UART的电平转换。
  2 基本模块
  基本模块是单片机系统的基本功能实现模块,主要包括LED灯电路、数码管电路、液晶显示电路、独立按键电路和矩阵键盘电路。LED灯电路由8个LED灯组成。数码管电路采用4位数码管,为简化电路,采用动态扫描方式,提供了4根位选线和8根段选线。液晶显示部分包括1602液晶显示电路和12864液晶显示电路,2个显示电路共用数据口,使用时选用不同的插座。独立按键电路采用4个按键,每个按键都提供了独立的接口。矩阵键盘电路实现4×4共16个按键的矩阵。
  3 A/D和D/A转换模块
  A/D转换模块如图3所示,该模块采用ADC0832芯片。ADC0832芯片是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,能够满足一般的模拟量转换要求。芯片的模拟电压输入范围是0~5 V。芯片转换时间仅为32 μs,数据转换误差小,转换速度快、稳定性强。
  D/A转换模块如图4所示,该模块采用TLC5615芯片。TLC5615芯片是具有3线串行总线接口、10位CMOS电压输出型的数模转换器,芯片工作电压为+5 V,转换后最大输出模拟电压是基准电压值的两倍,输出电压和基准电压极性相同。
  4 电机驱动模块
  步进电机驱动电路如图5所示。单片机的输出引脚驱动能力很小,而驱动步进电机需要较大电流,所以笔者采用ULN2003芯片放大驱动电流。通过单片机引脚输出的脉冲序列和方向控制信号,被直接送入ULN2003芯片进行功率放大,达到步进电机所需的驱动电流和电压时,驱动步进电机工作。
  5 继电器控制模块
  继电器控制电路如图6所示。单片机的一个输出引脚经过电阻与三极管T1基极相连,电流通过三极管放大后,驱动控制继电器。通过三极管的基极电平可以控制继电器的开和关。当单片机引脚输出高电平,三极管T1截止,继电器不工作;反之,当单片机引脚输出低电平,三极管T1导通,继电器得电吸合。
  6 结束语
  模块化单片机实验装置中的各个模块独立分开,学生可以根据实验需要自由选择模块构建单片机系统,还可以自行设计其他的扩展功能模块,与现有模块一起使用构建新的单片机系统,具有很好的灵活性、开放性和可扩展性。该单片机实验装置投入应用以来,大大提高了学生的单片机系统应用开发能力和创新能力。
  参考文献
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