作者/趙興宇，武漢城市職業(yè)學(xué)院

基于STC15F2K60S2單片機(jī)模塊化教學(xué)載體設(shè)計(jì)

作者/趙興宇，武漢城市職業(yè)學(xué)院

在目前單片機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)中，大多數(shù)院校使用的教學(xué)載體主要集中在實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)箱和實(shí)驗(yàn)板三種。三者各有優(yōu)點(diǎn)，但都有一個(gè)共性問(wèn)題就是將各部分功能模塊都集中在一起，集成化程度高，不利于學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)。本文介紹以STC15F2K60S2單片機(jī)為核心的模塊教學(xué)載體設(shè)計(jì)，將高集成度的教學(xué)載體按照功能分解成一個(gè)個(gè)獨(dú)立模塊，然后通過(guò)接口又可以將這些獨(dú)立的模塊組成一個(gè)大的單片機(jī)系統(tǒng)，從而徹底解決實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中高集成度的教學(xué)載體存在的弊端，使學(xué)生能更加全面、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)。

教學(xué)載體；模塊化；核心

1.設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求

根據(jù)目前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及單片機(jī)課程教學(xué)實(shí)際情況，結(jié)合企業(yè)針對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)崗位所對(duì)應(yīng)的典型工作任務(wù)—“單片機(jī)應(yīng)用軟、硬件設(shè)計(jì)”所需的知識(shí)、能力及素質(zhì)，以應(yīng)用性和適用性為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套適合高職電子信息工程技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)等專業(yè)的單片機(jī)模塊化教學(xué)載體，以解決在單片機(jī)教學(xué)中存在問(wèn)題。

本套模塊化教學(xué)載體主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）控制核心：采用STC公司STC15系列單片機(jī)。

（2）模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)模塊、I/O控制模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、點(diǎn)陣模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、蜂鳴器及繼電器模塊。

（3）包含程序下載電路，無(wú)需使用下載器下載程序。

（4）電源：采用電腦USB直接供電，實(shí)現(xiàn)一條USB線完成供電及程序下載。

2.模塊化教學(xué)載體總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)所包含的模塊，系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。整套模塊化教學(xué)載體以STC15系列單片機(jī)為核心組成單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，外圍可以控制I/O控制模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、點(diǎn)陣模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、蜂鳴器及繼電器模塊，整套教學(xué)載體由8個(gè)模塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.主要芯片選擇及各模塊硬件電路組成

■3.1 微處理器選型

微處理器選擇STC15F2K60S2單片機(jī)，STC15F2K60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，比傳統(tǒng)8051速度快8-12倍[1]。STC15F2K60S2單片機(jī)具有60K的Flash程序存儲(chǔ)器、2K的SRAM，具有兩組高速異步串行口、3路CCP/PWM/PCA、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器還有1組高速同步串行通信端口SPI。

■3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要完成程序下載、向各模塊供電及控制各模塊工作的作用，是控制核心。為了使用方便，系統(tǒng)中電源直接采用計(jì)算機(jī)USB口直接供電。下載電路采用PL-2303SA、SOP8封裝的USB轉(zhuǎn)串口芯片，由于STC15F2K60S2系列單片機(jī)內(nèi)部集成高可靠復(fù)位和高精度時(shí)鐘，因此可以省掉傳統(tǒng)51單片機(jī)構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路中的復(fù)位電路和時(shí)鐘電路，使電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔。但為了提高抗干擾能力，在芯片VCC和GND之間需加上去耦電容。將單片機(jī)全部I/O引腳擴(kuò)展引出，方便與各模塊直接連接，完成相應(yīng)的控制。

■3.3 I/O口控制模塊

I/O控制模塊由16個(gè)LED構(gòu)成，主要完成I/O口輸出的控制。電路采用兩種方式驅(qū)動(dòng)LED，在共陰電路中，由于直接使用I/O口是無(wú)法使LED點(diǎn)亮的，因此在共陰電路中加入74HC573驅(qū)動(dòng)芯片。

■3.4 顯示模塊

顯示模塊由四位一體數(shù)碼管、1602液晶接口、12864液晶接口組成，主要完成相應(yīng)的顯示功能，數(shù)碼管連接使用單排圓孔IC座，使數(shù)碼管更換更加方便，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)采用74HC573芯片，1602和12864液晶接口使用2.54mm間距排母，方便插拔。

■3.5 鍵盤模塊

鍵盤模塊由4×4矩陣鍵盤和4個(gè)獨(dú)立按鍵組成，主要作為I/O口的輸入設(shè)備，可以配合其它模塊完成相應(yīng)的功能。鍵盤模塊的按鍵采用四角輕觸開關(guān)，為使用方便選用12mm×12mm×6mm輕觸開關(guān)，本模塊可與I/O口控制模塊以及顯示模塊配合使用。

■3.6 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括自帶10位A/D采集和16位A/D芯片兩個(gè)部分。由于STC15F2K60S2系列單片機(jī)內(nèi)部集成了8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，因此在外部無(wú)需更高精度的A/D采集時(shí)，可以直接使用內(nèi)部A/D。除自帶A/D外，還包含了一個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS115，用做高精度數(shù)據(jù)采集。

■3.7 點(diǎn)陣模塊

點(diǎn)陣模塊由四個(gè)8×8點(diǎn)陣構(gòu)成16×16點(diǎn)陣，可以顯示圖形和漢字。行和列掃描使用74HC595芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可完成圖形和漢字顯示的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

■3.8 機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用ULN2003芯片，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)則使用L298N芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以完成電機(jī)控制相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

■3.9 蜂鳴器及繼電器模塊

蜂鳴器和繼電器作為單片機(jī)常用的報(bào)警單元和控制大電流器件被廣泛使用。蜂鳴器和繼電器控制分別采用三極管驅(qū)動(dòng)方式和ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)方式，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、控制簡(jiǎn)單。

4.系統(tǒng)的基本功能及工作原理

本套模塊化教學(xué)載體以“核心+模塊”形式開展教學(xué)，“核心”指的是單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，任何實(shí)驗(yàn)都需要此模塊，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)單片機(jī)控制核心的概念，“模塊”則指的是除了單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊外其它七個(gè)模塊。這樣的組合形式下，教師可以根據(jù)不同的專業(yè)對(duì)單片機(jī)教學(xué)的要求的不同，選擇不同的模塊開展教學(xué)，并且獨(dú)立的模塊在電路結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單，講解更具有針對(duì)性，可以讓學(xué)生更好的學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)，除了“核心+模塊”的形式外，還可以根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜程度使用“核心+模塊1+模塊2”的形式，如“單片機(jī)最小系統(tǒng)+鍵盤模塊+顯示模塊”就可以完成一個(gè)較復(fù)雜的簡(jiǎn)易計(jì)算器的功能。因此在基礎(chǔ)教學(xué)時(shí)，可以選擇“核心+模塊”的形式開展教學(xué)，更有利于理解和掌握，而進(jìn)行綜合訓(xùn)練時(shí)，可以選擇多個(gè)模塊間的組合來(lái)進(jìn)行開展教學(xué)，讓復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)“搭積木”的方式得以實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生從“核心—模塊—系統(tǒng)”由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由易到難，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)。

此外本系統(tǒng)中的單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊提供了豐富的接口電路，使用者可以進(jìn)行更多的擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，在技能大賽中也可以直接拿來(lái)使用。本系統(tǒng)可以完成LED循環(huán)類實(shí)驗(yàn)、顯示類實(shí)驗(yàn)、鍵盤類實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集類實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器/中斷類實(shí)驗(yàn)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)類實(shí)驗(yàn)、串口通信實(shí)驗(yàn)等七大類實(shí)驗(yàn)，每大類試驗(yàn)中又可以進(jìn)行若干個(gè)小實(shí)驗(yàn)，可滿足絕大部分專業(yè)對(duì)單片機(jī)課程的要求。

5.結(jié)語(yǔ)

模塊化教學(xué)載體從根本上解決了單片機(jī)課程以往高集成度實(shí)驗(yàn)設(shè)備在教學(xué)過(guò)程中存在的弊端，模塊教學(xué)載體將復(fù)雜的單片機(jī)系統(tǒng)以一個(gè)個(gè)獨(dú)立模塊的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，給交“教”和“學(xué)”都帶來(lái)了新的形式，使學(xué)生可以從易到難、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)。

* [1]宏晶科技公司.STC15系列單片機(jī)器件手冊(cè)念[P]. 2015.

* [2]肖遼亮,張文初,熊異,等.基于工作過(guò)程的高職應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案與核心課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:高等教育出版社,2008.

* [3]丁向榮.《增強(qiáng)型8051單片機(jī)原理與系統(tǒng)開發(fā)（C51版）》[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013

2015年武漢市教育局教學(xué)研究課題“高職電子類專業(yè)單片機(jī)課程模塊化教學(xué)載體的開發(fā)”，課題編號(hào)：2015134