51系列单片机教学实验板硬件设计与实现可行性研究方案.docx
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51系列单片机教学实验板硬件设计与实现可行性研究方案
51系列单片机教学实验板硬件设计与实现可行性研究方案
摘要
在全国高等院校电子信息类专业中,已普遍开设单片机及其相关课程。
单片机课程是大中专院校电子类专业实践性、应用性和工程性很强的专业基础课或专业选修课。
从加强学生能力培养的要求来看,这类课程仅在课堂上讲授基本原理是不够的,必须在教学中加强实践环节,让学生有足够的实践机会。
其中,单片机实验板就是一个很好的学习单片机的工具。
目前,市场上单片机实验板的种类较多。
此次设计的实验板的特点是将各种单元电路合理的拼凑在一块大印刷电路板上,构成一个有机的整体。
设计中利用Protel99SE软件先设计原理图,然后进行元件封装,PCB出图,最后是制板。
它与传统的教学实验板相比有如下的优点:
⑴价格低廉;⑵使用简单方便,只要有带RS232串口的PC机就能进行实验;⑶功能全,基本上具备单片机常用的接口,如数模转换、模数转换、存储器、LED数码管显示、键盘人机接口、串行接口、温度传感器接口等等。
采用本仿真开发实验板,可使初学者迅速掌握单片机原理及应用,熟悉汇编语言、单片机C语言。
关键词:
单片机;实验板;接口电路;C语言
51SeriesSingle-chipTeachingExperimentalBoard
HardwareDesign
Abstract
Nationalinstitutionsofhigherlearningintheprofessionalcategoryofelectronicinformation,hasgenerallybeenthecreationofsingle-chipanditsrelatedprograms.
Single-chipcollegeisthecourseprofessionalpracticeofelectronicinstitutions,appliedandengineeringfoundationforastrongprofessionalorprofessionalelectivecourses.Fromtherequirementsofstudentscapacity-buildingperspective,suchcoursesaretaughtonlythebasicprinciplesoftheclassroomisnotenough,wemuststrengthentheteachingpractice,toallowsufficientopportunitytopractice.Amongthem,single-chipexperimentalboardisagoodlearningtoolforthestudents.Atpresent,moretypesofexperimentalplateinthesingle-chipmarket.Thedesignedboardischaracterizedbyavarietyofunitscircuitwillbereasonabletogetheronalargeprintedcircuitboardandthenconstituteanorganicwhole.ThedesignmakeuseofProtel99SEsoftwaretodesignschematicdiagram,andthenpackagingcomponents,PCBmap,andfinallythesystemboard.Itcomparedtothetraditionalteachinghasthefollowingadvantages:
⑴Theprizecheap.⑵Useitsimple,thereisaslongasRS232serialportwiththePCmachineswillbeabletocarryoutsuchexperiments.⑶Widefeatures,theboardbasicallyhastheinterfacewithcommonlyusedsingle-chip,full-to-analogconverter,analog-to-digitalconversion,memory,LEDdigitaldisplay,keyboardman-machineinterface,serialinterface,temperaturesensorinterfaceandsoon.Thedevelopmentoftheuseofthesimulationexperimentboard,beginnerscanquicklygrasptheprincipleandapplicationofsingle-chip,andisfamiliarwithassemblylanguage,microcontrollerClanguage.Beginnersusethedevelopmentofthesimulationexperimentboard,canquicklygrasptheprincipleandapplicationofsingle-chip,andarefamiliarwithassemblylanguage,Single-chipClanguage.
Keywords:
microcomputer;experimentalplate;interfacecircuit;Clanguage
第一章引言
我设计的这款实验板最大限度地利用了单片机软硬件资源,充分考虑多功能、多用途、高可靠性及可扩展性,具有很高的性价比。
有利于调动学生的学习兴趣,在实践中快速提高了学生的设计能力。
传统的单片机实验系统因其购买成本高、系统使用烦琐,已经越来越不适合当前以培养学生实际能力为主要方向的高等教育,本系统可以让学生基本上人手一套,使用方便,功能齐全,真正达到让学生理论与实践的结合,深刻学习单片机的理论知识目的。
1.1研究背景和意义
完整的单片机实验教学和开发系统应包括微型计算机、编程器(又叫烧录器)、软硬件仿真器、实验电路板等。
编程器用于把编译好的程序写入单片机的ROM里面,把写好后的芯片插到实验板上面进行试验。
单片机仿真器用来实时仿真调试单片机程序及硬件电路,随时发现问题,修改程序,提高编写程序的效率。
硬件实验板,作为单片机实验的外围电路部分,可以进行相关实验电路的单片机编程实验,测试单片机程序能否实现实验电路的功能。
目前,单片机的实验教学中存在诸多问题,如:
⑴单片机课堂教学往往多以理论教学为主,实验课教学为辅,实验教学也多是进行验证性实验。
但单片机是一门实践性很强的学科,只学习理论不做实验练习,很难真正地把单片机方面的知识理解掌握,也很难真正成为单片机应用领域的高级人才。
⑵学生实验时也存在着不少问题,单片机实验室由于存在着场地和时间限制等问题,学生除了上课外,平时难得有机会实践。
个人配备单片机实验开发系统,因成本较高,很多学生无法承受。
同时一般单片机实验箱由于是成品,学生很难参与到其中的细节设计中去,一般单片机实验箱也只是起验证实验的作用,学生动手能力很难得到训练与提高。
⑶单片机教材陈旧,实验设备不足、落后,一般学校很少有学生人手一套实验开发系统进行单片机实验及开发。
实验板与计算机之间用通信电缆连接,可以互相通信。
这样,实验题目可以与时俱进,随时更新,根据学生知识能力水平,实验教学内容可深可浅,更加符合多层次学习单片机的需求。
该单片机实验教学仿真系统不仅能胜任于学生的课程实验、毕业设计、课外科技活动(如电子设计竞赛)等各个不同的实验与实践阶段,并且使用该系统有利于实验者进行自主开发实验,有利于培养学生的创新精神和创造能力。
1.2研究现状
目前单片机已经引起各行业极大关注,展现出广阔的应用前景。
很多大型公司都设计开发并生产专业的单片机仿真器,编程器以及单片机实验板,以供大中专院校进行教学培训、实验研究以及个人学习使用。
早期的单片机实验教学和开发系统,如北京启东达爱思电子有限公司生产的达爱思系列微机实验开发系统,可以做单片机、微机、控制等课程的实验。
上海埃威航空电子有限公司(原上海航虹高科技有限公司)生产的AEDK51系列单片机实验系统,包括AEDK51W(AEDK320W)型仿真机和EXP51实验板,可以做传统的单片机实验,如基本I/O口实验、定时计数器实验、A/D和D/A转换实验、电动机、电子琴、打印机以及并行扩展接口实验等。
南京伟福实业有限公司开发的伟福单片机仿真实验系统,由板上仿真器、实验仪、伟福仿真软件、开关电源构成。
其不仅能做传统的51系列单片机实验,还提供了强大的逻辑分析、波形输出和程序跟踪功能,可以让学生直观地观察到单片机内部及外部电路工作的波形。
上述几个公司生产的仿真器大都价格昂贵,凭学生个人的能力是不可能买到的,因而需要设计出功能完全,价格便宜,便于携带的实验板。
本文就是论述简单实用实验板的设计与开发。
1.3本文主要的研究工作
本文的主要工作包括单片机实验教学仿真系统的硬件设计和软件设计两个方面。
鉴于单片机串行扩展总线技术的发展,本文的主要研究工作就是设计并实现硬件仿真系统部分的实验板和根据单片机课程实验教学的内容给出典型的实验例程。
因此,硬件设计部分需要完成的工作主要有实验板原理图,PCB电路板的绘制设计和制作,这也是软件部分设计、调试和正常运行的基础。
其中硬件设计需要做的主要工作如下:
⑴单片机最小应用系统
⑵单片机基本实验电路部分;
⑶扩展多样化接口
软件部分主要进行了以下几个方面的工作:
⑴使用汇编或C51语言编写单片机控制通用实验电路的实验程序。
程序检查无误后可通过仿真功能实现对各部分实验电路的控制。
⑵深入理解实验板程序,从原理上理解清楚实验板的工作原理及PC机传送的各项操作指令的执行情况。
⑶PC机调试、仿真、实验板程序。
在此使用德国KEIL公司的KeilC51集成开发环境uVision3,深入理解该实验板的应用。
第二章实验板硬件电路设计
2.1实验板的MCU选型
据不完全统计,目前全世界微处理器的品种和数量已超过1000多种,流行的体系结构达30多种。
其中,8051体系占一多半。
生产8051单片机的半导体厂家有20多家,共350多种衍生品。
一个好的单片机实验教学仿真系统必须有与之适合的MCU,文中选用了ATEMEL公司生产的单片机AT89S51。
2.1.1单片机选型原则
对于MCU的选择,主要基于以下几个原则:
⑴应用典型
MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品,典型产品有8031(内部没有程序存储器,实际使用方面已经被市场淘汰)、8051(芯片采用HMOS,功耗是630mW,是89C51的5倍,实际使用方面已经被市场淘汰)和8751等通用产品,一直到现在,MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品(比如目前流行的SST89E564RD、AT89S51等),各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单机作为代表进行理论基础学习。
⑵兼容性强
8051是早期的最典型的代表作,由于MCS-51单片机影响极深远,许多公司都推出了兼容系列单片机,就是说
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