单片机原理及应用教学实践系统设计

摘要：《单片机原理及应用》是电子信息工程、测控技术与仪器等专业中很重要的一门专业技术基础课，它是一门面向应用的、具有很强的实践性与综合性的课程，为使学生较深入地了解MCS-51系列单片机的工作原理、内部结构，熟练掌握其内部资源应用及常用外设接口的工作原理和扩展方法，设计了《单片机原理及应用》教学实践系统。此系统要涵盖了单片机教学的主要内容，采用了目前单片机应用领域最流行的多种总线技术，CPLD技术等，同时可以用计算机的USB接口供电和下载程序，使学生可以从认识元件开始，到设计、加工、调试、设计较复杂测控系统，全面培养学生的设计、实践能力，取得了比较好的教学效果。

关键词：单片机；教学；实践

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）24-0181-02

单片机具有体积小、控制功能强、可靠性高、性价比高等特点，得到越来越广泛的应用。目前，很多工科高校都开展了《单片机原理及应用》课程，并且在各相关专业中占有重要地位。《单片机原理及应用》是一门实践性、综合性很强的课程，可以综合学生所学的电路、数字电路、模拟电路、可编程逻辑器件、编程语言、控制系统设计、传感器等多门基础课和专业基础课的知识，主要培养学生进行智能化电子系统整体设计能力。《单片机原理及应用》必须加强实践教学才能取得好的效果。但是，目前在实践教学过程中所使用的教学设备主要是实验箱，其主要元件一般是目前已经淘汰的插接式器件，同时由于实验时间场地的限制，学生很难有足够的实践时间。为此，本文设计了单片机教学实践系统，主要元件均采用贴片元件，体积小、成本低，可直接使用计算机的USB接口供电和下载程序，并且采用了目前单片机应用领域最流行的多种总线技术，CPLD技术等，使学生可以从认识元件开始，到设计、加工、调试、设计较复杂测控系统，全面培养学生的设计、实践能力。

一、单片机实践教学系统组成

为使学生在学生使用过程中，尽可能学生更新的知识，并且与教学过程相匹配，同学又要留有足够的扩展空间供学有余力的学生有更多深入学习的机会，因此在设计过程中，既保留的目前教学课本中最经典的教学内容，同时，又引入了目前实际应用领域中广泛使用的新技术。系统主要组成如图1所示。

教学系统以AT89S52单片机为核心，设计了CPLD扩展电路、人机接口、模拟信号输入输出电路、数字量输入输出电路、存储器扩展电路及几种比较典型的应用电路。

二、单片机实践教学系统电路设计

1.CPU及CPLD扩展电路设计。CPU选择AT89S52作为主控CPU，可以在线编程，内部8K的Flash存储器，不需要扩展程序存储器，内带看门狗，最大工作频率33MHz。扩展8K数据存储器（62624），可以满足学习需要。数字量的输入、输出罗辑均由CPLD实现，CPLD采用EPM7128，它带有2500门，128个宏单元，8个逻辑阵列，可用输入输出引脚100个。CPLD输出实现数字量的输入、输出外，还实现单片机总线扩展的锁存器、译码器等需要的数字逻辑单元。为学生使用方便，为学生提供输入、输出接口、计数器、数值比较器等基本数字电路的程序示例及单片机控制程序示例，以保证没有学过CPLD的同学无障碍的学习使用单片机。

2.模拟信号输入输出电路设计。模拟信号输出采用目前教学过程中普遍采用的8位逐次逼近型A/D转换器ADC0809，带8个模拟通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器，启动方式为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约100微秒。模拟信号输出通道采用DAC0832，它由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器组成。模拟信号的参考电压均采用REF195设计，输出5V标准信号。地址译码及选通信号等逻辑信号均在CPLD中编程实现，可以使学生充分灵活的实现自己的接口设计。

3.人机接口电路。人机接口电路采用了单片机电路最常用的键盘、数码管管理器件HD7279作为核心电路，设计了3×4的小键盘及四位数码管，可以满足测控的基本需要，同时可以满足学生对于人机接口程序设计联系的需要。

4.USB下载电路及供电电路设计。单片机实践教学系统采用USB供电，即可以保证学生可以充分自由的使用教学系统，同时也保证使用安全。单片机程序下载采用USB下载，提供给学生上位机的下载程序，方便学生使用。下载电路采用AVR的单片机Atmeg8为核心，Atmeg8是一个简指令单片机，是一款功能强、可靠性高的工业级单片机，内带Flaseh、SRAM、EEPROM等典型存储器，A/D转换器等实用的单元。电路设计中除了将它用于程序下载外，还提供了一路数字量和一路模拟量的输入，以使学有余力的学生可以学习到一种新的单片机，扩展单片机知识。

5.典型应用电路设计。为保证学生不仅学到单片机的基础知识，还要兼顾目前流行的新技术，同时又要提高学生的学习效率，在尽可能短的时间内学习到更多的知识，选择了三种典型的新器件，既具有实用性，又具有代表性。其中DS18B20是基本于单总线的温度传感器，DS1302是基于SPI总线的日历时钟芯片，AT24C02是基于二线串行总线的EEPROM芯片，三种芯片采用了三种不同的总线，基本涵盖了单片机测控领域最常用的串行总线方式。

三、单片机实践教学系统应用

本单片机实践教学系统己经应用于单片机的教学实践中，让学生根据教师所提供的电路图，采购元器件，焊接电路板，调试电路板，调试程序，设计单片能测控系统的整个单片机的教学过程。同时该系统既兼顾了单片机教学的传统内容，又体现了单片机应用领域的最新技术，取得了比较好的教学效果。