积木式51系列单片机实验实训系统的设计及制作
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作者: 郑团民
【摘 要】本文结合笔者多年从事单片机教学的工作经验，自制积木式51系列单片机实验实训系统。本文主要介绍了该实验实训系统的总体结构和特点，详细阐述了其软硬件设计及制作的技术方案，指明了其应用领域及推广前景。
【关键词】积木式 51系列单片机 实验实训系统
【中图分类号】G712 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2013）08-0187-02
一 相关的背景技术
当今微型计算机技术发展形成了两大分支，一是以微处理器为核心所构成的通用微机系统；二是微控制器，俗称单片机。单片机主要用于工业测控，如家用电器、计算机外围设备、工业智能化仪表、机器人、生产过程的自动控制、农业、化工、军事、航空航天等领域。51系列8位单片机，根据被控对象的要求，以计算机技术为基础，对其软、硬件切割、合成，使软、硬件匹配后嵌入被控对象中，以实现被控对象实时控制的需要。虽然近十年来也发展出16位和32位产品，但在目前乃至今后相当长的时间内仍将以8位机为主。
二 设计及制作目的
不少院校开设单片机课程，51系列单片机面向中职、高职、大专、本科甚至研究生开设，他们所用的实验实训设备大都技术不够先进，注重演示、价格昂贵，不利于普及。为此，笔者结合自己多年从事单片机教学的工作经验，经过反复研究、试验，制作了积木式51系列单片机教学实验实训系统。
三 系统的总体结构
1.电路原理图
2.板上硬件资源
板上硬件包括：（1）微控制器1套，包括DIP40脚管座1个，上插MCU芯片，芯片下压晶振1个、起振瓷片电容2个；（2）20脚管座，上插活动数码管2个；（3）LED灯8个；（4）1K电阻16个，排阻2个；（5）输入设备1套，包括按键4个、4位拨码开关1个；（6）滤波稳压电路1套，包括3端稳压器7805一个、滤波电容4个、红色小LED灯1个、电阻1个；（7）复位电路1套，包括复位按键1个、电阻2个、二极管1个、电容1个，采用电平复位，复位时间大于30毫秒；（8）跳线器32个，用于选择板上或板外资源，也可用于系统扩展。以上8个组成部分设置在一块电路板上，构成完整良好的应用系统；（9）RS232电压转换板、51系列专用控制器、1个9针串口，三者合成一个专用模块。该模块以积木的方式插在应用系统上并与个人机连接后构成仿真器、编程器。
四 系统的软硬件制作方案
1.设计及制作所要解决的技术问题
目前，多数院校使用的单片机实验实训设备主要支持高级语言编程，而该实验实训系统可支持汇编语言、C51高级语言、混编及实时多任务操作系统对照编程，更能够适应市场编制软件的需要。
多数院校使用的单片机实验实训设备，在硬件配置上注重演示，使用者不能对其分解、合成，难以培养学习者的动手能力与实际工作技能。该系统在现有同类产品的基础上进行了创新，以实用为出发点，针对学生的特点，把教与学的重点放在现场控制上，紧抓“通过口来实现控制”这一单片机核心内容，辅之以微控器与负载之间有机结合（对负载而言，连接使用方便）；负载之间在电气上严格独立，使学生可以根据实际需要对该系统进行分解，加入所需负载后，重新合成，以满足现场控制的需要，进而培养操作人员的动手能力和实践技能。
多数院校使用的单片机实验实训设备多采购于大公司，从应用角度看主要使用高级语言写作，给出一个最终结果，忽视数制在嵌入式控制中的核心地位，无视汇编语言与特定硬件一一对应的动作匹配，在教学环节上缺乏针对性。而该系统结合单片机应用特点及学习的一般规律，面向学生将单片机的口全部开放，且硬件以积木的方式自由组合，将教材上的理论知识与现场应用相结合，准确地控制现场硬件的任何一个动作。从技术应用角度看，该系统实现了理实环节的统一，并提供了一条学习和编程的捷径。
该实训系统易于继承用其他语言编制的软件，减少了编程的工作量。
2.设计及制作所采用的具体技术方案
该系统以Keil C51为工具软件，设计思想上采用“层次化”“模块化”设计。（1）外围设备与整机控制系统，通过32个跳线器完整隔离，确保使用者自由选择板上资源或板外自挂资源；（2）该系统专门制作了稳压模块，不需要专用电源，只要使用普通电源即可获得稳定的工作电压，而且板上触及部位无危险电压，确保人身安全；（3）在该板上插入工作芯片，即形成用户系统；（4）在该板上或其他厂家的用户板上插入RS232/TTL转换板，加上仿真芯片，就可形成一台仿真器，为学习嵌入式控制提供了极大的方便。该仿真器植入一段代码后，可转变为一台PLC，功能接近于专用PLC如西门子PLC等；（5）在该板上或其他厂家的用户板上插入RS232/TTL转换板，加上编程芯片，就可形成一台编程器。该编程器模块还具有下载机、拷贝机、工作机三种实用功能；（6）在该板上32个端口（PORT）通过跳线器全部引出，学生可将自己设计的电路连入该板，极大地减轻连线工作，提高学生的应用效率；（7）该系统上的资源大多为插拔式或可拆卸的，学生可自设故障，提高学生现场解决问题的能力；（8）仅需配一个普通电源，利用该系统上的键盘、数码管、微控制器，系统可以独立运行；（9）通过RS232通信接口，在Keil C51支持下，利用上位机丰富的软、硬件资源，实现用户程序编辑、编译、调试、运行，提高实验效率。
该系统紧紧围绕实验实训目的，在使用汇编语言、C51高级语言、混编及实时多任务操作系统编程的基础上，采用3+2形式（用户板使用3次、电压转换板使用2次）制作硬件，体现了电路形式上的通用性（仿真、编程必须在用户板上进行），突出了电路功能上的专用性，贯穿了负逻辑控制的实用性。从应用角度看，该系统克服了当今市场上相关产品的弱点，集仿真、编程、应用于一体，实现了现场编程、现场调试、现场完成的技术突破和创新。
五 系统的特点及应用领域
该系统集实用性与先进性于一体，应用领域较为广泛。它不仅可作为用户系统现场工作，也可以作为仿真器进行程序编辑、编译、调试、运行，还可以作为编程器使用，该编程器同时具有下载机、工作机等实用功能。此外，积木的方式突出了单片机用口实现控制的特点，解决现有实验实训设备贪大求多、主次不明、价格昂贵、不利于普及等弊端。该系统既可满足单片机课程教学需要，同时也为专业人员从事开发工作提供了稳定可靠的技术平台。
六 系统的前景预测
该实验实训系统已获CMA认证，并在校试用两年，效果良好。该系统结构设计简洁合理、思路独特、技术先进、功能强大，而且元器件易购、制作价格低廉，易学易用，便于初学者入门，是目前大中专院校、职业技术学院单片机实验室理想的更新替代品。
〔责任编辑：肖薇〕
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