单片机技术实验指导书（通用8篇）
实验一 流水灯实验（左移右移方式）
一． 实验项目卡编号：59010115-01 二． 实验目的
通过此实验，让大家初步掌握左移位、右移位指令的使用。三． 实验设备
1． S51E单片机学习开发板一块 2． PC微机一台
四． 实验步骤
1． 打开编译软件伟煌MCS51开发系统。
2． 编写源程序并进行调试。要求：小灯先向左依次移动8次，再向右依次移动7次，随后循环前面的工作。
3． 将S51E开发板连接到PC机上。
对应的89S51与LED引脚的连线为 LED1——————P1.0 LED2——————P1.1 LED3——————P1.2 LED4——————P1.3 LED5——————P1.4 LED6——————P1.5 LED7——————P1.6 LED8——————P1.7 4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，观察实验现象。
五．实验参考程序 ORG 0000H START：MOV A，#0FFH CLR C MOV R2，#08H LOOP：RLC A MOV P1，A LCALL DELAY DJNZ R2，LOOP MOV R2，#07H LOOP1：RRC A MOV P1，A LCALL DELAY DJNZ R2，LOOP1 JMP START DELAY：MOV R4，#200 D1： MOV R5，#248 DJNZ R5，$ DJNZ R4，D1 RET END
实验二 流水灯实验（利用查表方式）
一．实验项目卡编号：59010115-02 二．实验目的
通过此实验，让同学们掌握查表指令的使用。三．实验设备
1．S51E单片机学习开发板一块 2．PC微机一台 四．实验步骤
1． 打开编译软件伟煌MCS51开发系统。
2． 编写源程序并进行调试。要求：学习利用查表方式，使小灯做舞台灯效果的变化，左移3次，右移3次，闪烁3次，廷时时间为200毫秒。3． 将S51E开发板连接到PC机上。
对应的89S51与LED引脚的连线为 LED1——————P1.0 LED2——————P1.1 LED3——————P1.2 LED4——————P1.3 LED5——————P1.4 LED6——————P1.5 LED7——————P1.6 LED8——————P1.7 4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，观察实验现象。
五．实验参考程序 ORG 0000H MOV P1，#00H MOV A，#00H START:MOV DPTR，#TABLE LOOP: CLR A MOVC A，@A+DPTR CJNE A,#01H,LOOP1 JMP START LOOP1:MOV P1,A MOV R3,#20 LCALL DELAY JMP LOOP DELAY:MOV R4,#20 D1: MOV R5,#248 DJNZ R5,$ DJNZ R4,D1 DJNZ R3,DELAY RET TABLE:DB 0FEH,0FDH,0FBH,0F7H DB 0EFH,0DFH,0BFH,07FH DB 0FEH,0FDH,0FBH,0F7H DB 0EFH,0DFH,0BFH,07FH DB 0FEH,0FDH,0FBH,0F7H DB 0EFH,0DFH,0BFH,07FH DB 7FH, 0BFH,0DFH,0EFH DB 0F7H,0FBH,0FDH,0FEH DB 7FH, 0BFH,0DFH,0EFH DB 0F7H,0FBH,0FDH,0FEH DB 7FH, 0BFH,0DFH,0EFH DB 0F7H,0FBH,0FDH,0FEH DB 00H,0FFH,00H,0FFH DB 00H,OFFH
END
实验三 按键的应用（按键控制小灯）
一．实验项目卡编号：59010115-03 二．实验目的
1．掌握按键的识别与处理。2．加强对输入控制的理解。三．实验设备
1．S51E单片机学习开发板一块 2．PC微机一台 四．实验步骤
1．打开编译软件伟煌MCS51开发系统。
2．编写源程序并进行调试。要求：利用按键的方式，控制小灯的亮灭，按键后小灯亮，再次按键后小灯灭。了解人为按键的自然规律：由于单片机的指令执行很快，按键必须进行延时来消除抖动，并要求在按键后执行子程序的最后加入一条指令检测按键是否放下。3．将S51E开发板连接到PC机上。
对应的89S51与LED引脚的连线为 LED1——————P1.0 SW1———————P2.2 SW2———————P2.3 SW3———————P2.4 SW4———————P2.5 SW5———————P2.6 SW6———————P2.7 4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，按动键盘观察实验现象。
五．实验参考程序
KEY BIT P3.3 SW1 BIT P2.2 ORG 0000H
START:MOV SP,#40H
MOV P2,#0FFH
MOV P3,#0FFH
MOV P1,#0FFH
CLR KEY
WAIT: JB KEY,$
JB SW1,$
LCALL DELAY
CPL P1.0
JNB SW1,$
JMP WAIT
DELAY:MOV R3,#200
D1:
MOV R4,#200
DJNZ R4,$
DJNZ R3,D1
RET
END
实验四 外部中断实验
一．实验项目卡编号：59010115-04 二．实验目的
1．了解51单片机外部中断原理和概念。
2．学习如何使用编程来调用中断服务子程序的整个过程。三．实验设备
1．S51E单片机学习开发板一块 2．PC微机一台 四．实验步骤
1．打开编译软件伟煌MCS51开发系统。
2．编写源程序并进行调试。要求：当主程序运行后，小灯一直在做右移循环运动，当按键发生后则触发了中断1，开始执行中断1的服务子程序，小灯全部闪烁10次，然后再返回主程序，继续原来的循环。
3．将S51E开发板连接到PC机上。
对应的89S51与LED引脚的连线为 LED1——————P1.0 LED2——————P1.1 LED3——————P1.2 LED4——————P1.3 LED5——————P1.4 LED6——————P1.5 LED7——————P1.6 LED8——————P1.7 SW1———————P2.2 SW2———————P2.3 SW3———————P2.4 SW4———————P2.5 SW5———————P2.6 SW6———————P2.7 INT1（P3.3）——————SW 4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，按动键盘观察实验现象。
五．实验参考程序
ORG 0000H
JMP START
ORG 0013H
JMP EXT1
ORG 100H
START：MOV IE，#84H
MOV IP，#04H
MOV TCON，#00H
MOV SP，#40H
MOV P1，#0FFH
MOV P2，#00H
MOV P3，#0FFH
SETB P2.0
LOOP：MOV A，#0FFH
CLR C
MOV R2，#08H
LOOP1：RLC A
MOV P1，A
LCALL DELAY
DJNZ R2，LOOP1
JMP LOOP
EXT1：PUSH ACC
PUSH PSW
MOV A，#00H
MOV R3，#10 LOOP2：MOV P1，A
LCALL DELAY
CPL A
DJNZ R3，LOOP2
POP PSW
POP ACC
RETI
DELAY：MOV R5，#20
D1：MOV R6，#20
D2：MOV R7，#248
DJNZ R7，$
DJNZ R6，D2
DJNZ R5，D1
RET
END
实验五 定时器中断实验
一．实验项目卡编号：59010115-05 二．实验目的
1．了解51单片机定时器中断原理和概念。
2．学习如何使用编程来调用中断服务子程序的整个过程。三．实验设备
1．S51E单片机学习开发板一块 2．PC微机一台 四．实验步骤
1．打开编译软件伟煌MCS51开发系统。
2．编写源程序并进行调试。要求：当主程序运行后，用51单片机定时器中断来令小灯每隔1秒就左移一次。
3．将S51E开发板连接到PC机上。
对应的89S51与LED引脚的连线为 LED1——————P1.0 LED2——————P1.1 LED3——————P1.2 LED4——————P1.3 LED5——————P1.4 LED6——————P1.5 LED7——————P1.6 LED8——————P1.7 4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，观察实验现象。
五．实验参考程序
ORG 0000H
JMP START
ORG 000BH
JMP TIM0
ORG 100H START：MOV P1,#0FFH
MOV TMOD,#01H
MOV TH0,#HIGH(65536-10000)
MOV TL0,#LOW(65536-10000)
SETB TR0
MOV IE,#82H
MOV R2,#100
MOV P1.#0FEH
SJMP $
TIM0: PUSH ACC
PUSH PSW
MOV TH0,# HIGH(65536-10000)
MOV TL0,#LOW(65536-10000)
DJNZ R2,LOOP
MOV R2,#100
MOV A,P1
RL A
MOV P1,A LOOP: POP PSW
POP ACC
RETI
END
实验六 中断优先级实验
一．实验项目卡编号：59010115-06 二．实验目的
1．学习设置51单片机的中断优先级。
2．学习如何使用编程来调用中断服务子程序的整个过程。三．实验设备
1．S51E单片机学习开发板一块 2．PC微机一台 四．实验步骤
1．打开编译软件伟煌MCS51开发系统。2．编写源程序并进行调试。要求：当主程序运行后，首先P1的8个LED每隔1秒就左移一次，当按键后8个LED闪烁5次。
3．将S51E开发板连接到PC机上。
对应的89S51与LED引脚的连线为 LED1——————P1.0 LED2——————P1.1 LED3——————P1.2 LED4——————P1.3 LED5——————P1.4 LED6——————P1.5 LED7——————P1.6 LED8——————P1.7 INT1（P3.3）——————SW 4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，按动键盘观察实验现象。
五．实验参考程序
ORG 0000H JMP START ORT 000BH JMP TIM0 ORG 100H START:MOV P1,#0FFH MOV TMOD,#01H MOV TH0,#HIGH(65536-10000)MOV TL0,#LOW(65536-10000)SETB TR0 MOV IE,#86H MOV IP,#04H:用MOV IP，#00H代替本行看结果如何？ MOV R2,#50 MOV P2,#00H MOV P3,#0FFH SETB P2.0 MOV P1,#0FEH SJMP $ EXT1: PUSH ACC PUSH PSW MOV A,#00H MOV R3,#10 LOOP1: MOV P1,A LCALL DELAY CPL A DJNZ R3,LOOP1 MOV P1,#0FEH POP PSW POP ACC RETI TIM0: PUSH ACC PUSH PSW MOV TH0,#HIGH(65536-10000)MOV TL0,#LOW(65536-10000)DJNZ R2，LOOP MOV R2，#100 MOV A，P1 RL A MOV P1，A LOOP: POP PSW POP ACC RETI DELAY: MOV R6,#0FFH D1: MOV R7,#0FFH DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RET END
实验七 RS232串行通讯实验
一．实验项目卡编号：59010115-07 二．实验目的
1．了解RS232串行通讯的工作原理。
2．掌握用查询方式进行数据传输的控制原理。三．实验设备
1．S51E单片机学习开发板一块 2．PC微机一台 四．实验步骤
1．打开编译软件伟煌MCS51开发系统。
2．编写源程序并进行调试。要求：实验中通过RS232的自收自发对小灯进行右移控制。3．将S51E开发板连接到PC机上。
将89S51的引脚RXD（P3.0）与TXD（P3.1）引脚对接。
4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，观察实验现象。
五．实验参考程序
NUM EQU 20H
ORG 0000H JMP START ORG 100H MOV NUM，#00H START：MOV SCON，#50H MOV P0，#0FFH MOV P1，#0FFH MOV P2，#0FFH MOV P3，#0FFH MOV TMOD，#20H MOV TH1，#0FDH MOV TL1，#0FDH SETB TR1 LOOP：MOV DPTR，#TABLE MOV A，NUM MOVC A，@A+DPTR JZ CLRA0 RET1：INC NUM CLR TI MOV SUBF，A CLR RI LOOP1：JBC RI，LOOP2 JMP LOOP1 LOOP2：MOV A，SUBF MOV P1，A LCALL DELAY JMP START CLRA0：MOV NUM，#00H MOV A，NUM
MOV DPTR，#TABLE MOVC A，@A+DPTR JMP RET1 DELAY：MOV R7，#50 D1：MOV R6，#20 D2：MOV R5，#248 DJNZ R5，$ DJNZ R6,D2 DJNZ R7,D1 RET TABLE:DB 0FEH,0FDH,0FBH,0F7H DB 0EFH,0DFH,0BFH,7FH DB 00H END
实验八 八段数码管动态显示实验
一．实验项目卡编号：59010115-08 二．实验目的
1．掌握数码管的显示原理。2．掌握动态显示的控制原理。三．实验设备
1．S51E单片机学习开发板一块 2．PC微机一台 四．实验步骤
1．打开编译软件伟煌MCS51开发系统。
2．编写源程序并进行调试。要求：实验中能在开发板的两个数码管上显示99倒记时。3．将S51E开发板连接到PC机上。
89S51与数码管显示器对应引脚的联机为： P0.0————————数码管显示器的a脚 P0.1————————数码管显示器的b脚 P0.2————————数码管显示器的c脚 P0.3————————数码管显示器的d脚 P0.4————————数码管显示器的e脚 P0.5————————数码管显示器的f脚 P0.6————————数码管显示器的g脚 P0.7————————数码管显示器的dp脚 P2.6————————数码管显示器1的驱动脚 P2.7————————数码管显示器2的驱动脚
4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，观察实验现象。
五．实验参考程序
MIAO EQU 21H GEWEI EQU 22H SHIWEI EQU 23H SCANLED BIT 01H ORG 0000H JMP START ORG 0BH JMP TIMER0 ORG 100H START：MOV SP，#40H MOV P0，#0FFH MOV P1，#0FFH MOV P2，#0FFH MOV P3，#OFFH MOV R0，#20H MOV R5，#60H CLR0：MOV @R0，#00H INC RO DJNZ R5，CLR0 MOV TMOD，#01H
MOV TH0，#HIGH（65536-5000）MOV TL0，#HIGH（65536-5000）SETB TR0
MOV IE，#82H MOV R7，#200 MOV MIAO，#99 AJMP $ TIMER0: PUSH ACC PUSH PSW MOV TH0，#HIGH（65536-5000）
MOV TL0，#HIGH（65536-5000）DJNZ R7,TIM0_LP MOV R7,#200 DJNZ R7,TIM0_LP MOV MIAO,#99 TIM0_LP: MOV A,MIAO LCALL BIN_BCD MOV SHIWEI,A MOV GEWEI,B CPL SCANLED JB SCAN_L1 JMP SCAN_L2 SCAN_L1:MOV P2,#7FH MOV A,SHIWEI JMP END_SCAN SCAN_L1:MOV P2,#0BFH MOV A,GEWEI JMP END_SCAN END_SCAN:MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A POP PSW POP ACC RETI BIN_BCD:MOV B,#10 DIV AB RET TABLE:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H DB 90H END 实验九 模拟交通灯实验（调用延时子程序方式）
一．实验项目卡编号：59010115-09 二．实验目的
1．掌握数码管的显示原理。2．学习延时子程序的编写。三．实验设备
1．S51E单片机学习开发板一块 2．PC微机一台 四．实验步骤
1．打开编译软件伟煌MCS51开发系统。
2．编写源程序并进行调试。要求：实验中模拟交通灯红灯先亮10秒时间，接着黄灯亮3秒时间，随后绿灯再亮10秒时间。
89S51与数码管显示器对应引脚的联机为： P0.0————————数码管显示器的a脚 P0.1————————数码管显示器的b脚 P0.2————————数码管显示器的c脚 P0.3————————数码管显示器的d脚 P0.4————————数码管显示器的e脚 P0.5————————数码管显示器的f脚 P0.6————————数码管显示器的g脚 P0.7————————数码管显示器的dp脚 P2.6————————数码管显示器1的驱动脚 P2.7————————数码管显示器2的驱动脚
LED1——————P1.0 LED2——————P1.1 LED3——————P1.2 LED4——————P1.3 LED5——————P1.4 LED6——————P1.5 4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，观察实验现象。
五．实验参考程序
GEWEI EQU 21H SHIWEI EQU 22H SCANLED EQU 23H RED EQU 24H GREEN EQU 25H YELLOW EQU 26H NUMTIM EQU 27H ORG 0000H JMP START ORG 0BH JMP TIMER0 ORG 100H START：MOV SP,#40H MOV R0,#20H MOV R5,#20 CLR0: MOV @R0,#00H INC R0 DJNZ R5,CLR0 MOV TMOD #01H MOV TH0,#HIGH(65536-5000)
MOV TL0,#LOW(65536-5000)
SETB TR0 MOV IE,#82H MOV P0,#0FFH MOV P1,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV P3,#0FFH MOV R3,#10 MOV R2,#3 MOV R1,#10 INE: MOV RED,#10 MOV YELLOW,#3 MOV GREEN,#10 LOOP:MOV P1,#0FBH MOV NUMTIM,RED LCALL DELAY1 DEC RED DJNZ R3,LOOP MOV R3,#10 MOV NUMTIM,#00H LCALL DELAY1 LOOP1:MOV P1,#0F3H MOV NUMTIM,YELLOW LCALL DELAY1 DEC YELLOW DJNZ R2,LOOP1 MOV R2,#3 MOV NUMTIM,#00H LCALL DELAY1 LOOP2: MOV P1,#0BFH MOV NUMTIM,GREEN LCALL DELAY1 DEC GREEN DJNZ R1,LOOP2 MOV R1,#10 MOV NUMTIM,#00H LCALL DELAY1 MOV YELLOW,#3 LOOP3: MOV P1,#0F3H MOV NUMTIM,YELLOW LCALL DELAY1 DEC YELLOW DJNZ R2,LOOP3 MOV R2,#3 MOV NUMTIM,#00H LCALL DELAY1 LJMP INI TIMER0:PUSH ACC PUSH PSW MOV TH0,#HIGH(65536-5000)
MOV TL0,#LOW(65536-5000)MOV A,NUMTIM LCALL BIN_BCD MOV SHIWEI,A MOV GEWEI,B MOV A,SCANLED CPL A MOV SCANLED,A JZ SCAN_L1 JMP SCAN_L2 SCAN_L1:MOV P2,#7FH MOV A,SHIWEI JMP END_SCAN SCAN_L2:MOV P2,#0BFH MOV A,GEWEI JMP END_SCAN END_SCAN:MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A POP PSW POP ACC RETI BIN_BCD:MOV B,#10
DIV AB RET DELAY1:MOV R6,#10 D1:MOV R5,#200 D2:MOV R4,#248 DJNZ R4,$ DJNZ R5,D2 DJNZ R6,D1 RET TABLE: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H END 实验十 模拟交通灯实验（调用定时中断方式）
一．实验项目卡编号：59010115-10 二．实验目的
1．掌握数码管的显示原理。2．学习中断子程序的编写。三．实验设备
1．S51E单片机学习开发板一块 2．PC微机一台 四．实验步骤
1．打开编译软件伟煌MCS51开发系统。
2．编写源程序并进行调试。要求：实验中模拟交通灯红灯先亮10秒时间，接着黄灯亮3秒时间，随后绿灯再亮10秒时间。
89S51与数码管显示器对应引脚的联机为： P0.0————————数码管显示器的a脚 P0.1————————数码管显示器的b脚 P0.2————————数码管显示器的c脚 P0.3————————数码管显示器的d脚 P0.4————————数码管显示器的e脚 P0.5————————数码管显示器的f脚 P0.6————————数码管显示器的g脚 P0.7————————数码管显示器的dp脚 P2.6————————数码管显示器1的驱动脚 P2.7————————数码管显示器2的驱动脚
LED1——————P1.0 LED2——————P1.1 LED3——————P1.2 LED4——————P1.3 LED5——————P1.4 LED6——————P1.5 4．打开开发板电源，用软件将调试好的程序下载至单片机中，观察实验现象。
五．实验参考程序
GEWEI EQU 21H SHIWEI EQU 23H SCANLED EQU 25H SCANMODE EQU 26H RED EQU 28H GREEN EQU 29H YELLOW EQU 2AH NUMTIM EQU 2BH LED EQU 34H ORG 0000H JMP START ORG 0BH JMP TIMER0 ORG 100H START：MOV SP,#30H MOV R0,#20H
MOV R5,#40 CLR0: MOV @R0,#00H INC R0 DJNZ R5,CLR0 MOV TMOD #01H MOV TH0,#HIGH(65536-5000)
MOV TL0,#LOW(65536-5000)
SETB TR0 MOV IE,#82H MOV P0,#0FFH MOV P1,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV P3,#0FFH MOV R3,#10 MOV R2,#3 MOV R1,#10
MOV RED,#10 MOV YELLOW,#3 MOV GREEN,#10 MOV NUMTIM，#10 MOV LED，#0FFH AJMP $ TIMER0:PUSH ACC PUSH PSW MOV TH0,#HIGH(65536-5000)
MOV TL0,#LOW(65536-5000)
DJNZ R7,RET0 MOV R7,#200 MOV A,SCANMODE MOV B,#4 DIV AB MOV A,B RL A MOV DPTR,#TAB_SCAN JMP @A+DPTR TAB_SCAN:AJMP RED_LIGHT AJMP YEL_LIGHT AJMP GRE_LIGHT AJMP YEL_LIGHT RET0:MOV A,NUMTIM
LCALL BIN_BCD MOV SHIWEI,A MOV GEWEI,B INC SCANLED MOV A,SCANLED MOV B,#4 DIV AB RL A MOV DPTR,#TAB_SCAN0 JMP @A+DPTR TAB_SCAN0:AJMP SCAN_L1 AJMP SCAN_L2 SCAN_L1: MOV P2,#0F7H MOV A,SHIWEI JMP END_SCAN SCAN_L2: MOV P2,#0FBH MOV A,GEWEI JMP END_SCAN END_SCAN:MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A MOV A,LED MOV P1,A POP PSW POP ACC RETI RED_LIGHT:MOV LED,#OFBH MOV NUMTIM,RED DEC RED MOV A,RED CJNE A,#0FFH,RET0 MOV RED,#10 MOV A,SCANMODE ADD A,#01H MOV SCANMODE,A
1 功能扩展思路
整个功能扩展以配备GSK980TD系统的数控综合实验台为载体。首先利用单片机与接口技术以及电气故障设置电路与故障检测电路对数控综合实验台进行电气故障点设置与诊断, 然后利用高级程序语言设计电气故障设置与诊断界面, 实现电气故障点设置与诊断界面化, 进而简化故障诊断过程, 为数控机床电气故障诊断提供一种新的思路与方法。
2 软件设计
软件设计是功能扩展的核心, 主要包括单片机软件设计与计算机操作界面设计。单片机包括主控单片机与检测单片机。其中主控单片机的功能是负责传输数据和执行相应的命令, 主控单片机主流程软件设计思想如图1所示, 软件设计主要包括通讯部分、I2C方式通讯的部分、故障的设置以及故障的解除四个部分;而检测单片机的软件采用的是等待主控单片机发送命令过来的方式。当主控单片机发送起始信号到来, 首先确认信号是否有效, 若为无效的信号, 则退出, 若是有效的信号则向下执行与主控单片机同步, 同步完成后则开始收集一次数据, 并将数据暂时寄存起来, 开始采用I2C的方式传送数据到主控单片机。完成后则返回主程式, 重新等待下一次的数据传输请求。
计算机的控制软件是采用VC语言写成的。本软件一共分为三个窗体, 第一个窗体为欢迎窗体, 第二个为主操作窗体。主操作窗体如图2所示, 包括端口设置与打开区、实时状态显示开关区、监测点状态显示区、故障点设置区、故障点解除区以及图片显示区。其中监测点状态显示区主要用于显示监测点的实时状态与标准状态, 当设置故障后, 可以根据监测点的实时状态与标准状态的对比[2,3], 找出可能故障点, 并结合图片显示区显示的电气原理图判断出故障点。当确定故障点后, 通过故障点解除区点击相应故障接触按钮, 故障解除。如果判断错误, 提示“判断出错”。如果出现三次错误, 则此故障不能再解除。
3 硬件设计
整个硬件电路设计包括电源电路、主控电路、故障设置电路和故障检测电路。具体设计思想如下。
(1) 电源电路。采用稳压块的方法来获得系统所需的工作电压, 其中采用了L7812和电容C2来获得12V的稳定直流电压, 为故障设置继电器提供12V的工作电压;采用L7805和电容C3来获得5V的稳定直流电压, 为后续的单片机提供5V的工作电压。
(2) 主控电路。包括通讯电路与单片机电路。其中单片机电路如图3所示。整个电路采用了两片单片机连接的方式来构成主要系统, 包括主控单片机和检测单片机。其中主控单片机负责接收计算机发过来的命令, 并将命令转化成相应的控制点, 同时负责把检测单片机检测得到的数据返回到计算机。而检测单片机主要负责检测外部信号。
(3) 故障设置电路与故障检测电路。故障的设置采用了继电器的方式来控制相应的线路通和断。由于单片机不能直接控制继电器动作, 所以使用三极管S9014作开关之用。单片机通过P1端口输出的控制信号通过电阻R1和发光二极管D1构成降压作用和指示作用。降压后的信号输入到三极管的基极中, 信号经三极管放大控制继电器K1的线圈是否得电。而线圈的常闭点的两端接入电路中, 在未设置故障的时候, 保证电路能正常工作。当设置了故障后, 由于继电器吸合断开电路, 而使电路表现出故障。故障检测电路采用了跟故障设置相反的方法设计电路。
4 软件与界面操作
软件与界面操作过程如下:
(1) 双击程序*.EXE“演示程序”文件, 弹出欢迎窗口;
(2) 等待1.5秒后即可进入主程序;
(3) 运行示教机, 检查是否有故障设置。当故障设置成功后, 按下实时状态开, 即可得到如图4所示界面。
通过对比实时状态与标准状态可以得知4号点的状态与标准状态不一致, 而3号点的状态与标准状态一致, 所以可以确认故障是存在8号线上。从而得出故障所在位是KA1与KM1断路。然后按下解除故障按钮, 故障即可消失。
5 结论与讨论
本文以配备GSK980TD系统的数控综合实验台为载体, 针对一种新的数控机床电气故障诊断与维修方法进行了软件与硬件设计。该方法操作简单, 可以通过操作界面直接判断出故障点所在。如果进一步开发, 可以形成数控机床电气故障诊断与排除考试系统, 规范数控机床装调维修工考证。另外, 从另一个角度看, 假如在数控机床上能够显示该数控机床电气控制原理图, 将会在一定程度上降低数控机床故障诊断与排除难度, 提高数控机床工作效率。
参考文献
[1]余建熙.高职院校学生职业能力培养研究[J].内江科技, 2010 (9) :167-168.
[2]韩俊, 陶军, 盛堰, 等.基于单片机控制的孔隙水自动采样器[J].机电工程, 2009 (8) :37-40.
关键词：单片机；教学改革；现状；措施
【中图分类号】TP368.1-4
单片机是一种最简单的电子计算机，在实际的生活中发挥着重要的作用，使得传统的电子设备具有智能化、自动化的功能，从而提高了设备的运行效率。同时单片机又因其结构简单、操作简便的特点，在各大高校中的自动化、通信等专业得到了普遍的应用。在实际的生产领域，单片机的性能的在不断的提高、其构造也在不断的复杂化，复杂数据的处理能力以及编程语言更加智能化，这就对单片机的实验教学提出了更高要求。
一、单片机实验教学的现状分析
目前，在单片机的实验教学的过程中，一般都是由老师在黑板或者是投影仪上，将在实验指导书中有关实验方面的内容讲解给学生，然后在试验箱中进行操作，将实验的结果演示给学生，最后让学生根据实验指导书的步骤进行实验。因单片机存在实践性很强的特点，老师只是采取口头讲解的方法，导致一些概念学生不理解，而试验箱的结果也会因学生的做法存在差别，从而影响其授课效果。
一般来说，现在单片机的实验教学设备大多采用实验箱或实验板的方式，其实验内容基本上是验证性的基本实验，如 I/O 口控制实验、串并转换、显示与键盘及 A / D等[1]。其实验的模式一般采用由实验老师选择一个实验，然后由学生编写程序，最后在实验箱上进行连线操作，验证其结果正确与否的方式。而在这其中就会存在一些问题，首先由于实验箱的限制，会使得实验的内容受到限制，重复性比较高，学生之间的抄袭现象严重。经常会出现一个做出来，全班都做出来了相同实验的现象，达不到实验的目的[2]。其次，由于实验箱的使用时间过长，存在接触不良等现象，就会导致实验效果出错，从而降低学生的兴趣。最后，由于试验箱只能放在实验室，对于一些爱好学习的学生来说，想做实验，会受到限制。因此必须对单片机的实验教学进行改革，使其适应当前社会发展的需要。
二、单片机实验教学改革措施
1、在单片机的实验教学中采用多媒体软件
多媒体教学的发展给实验教学带来了极大的便利，打破了传统的老师采用黑板教学的方式。教师可以利用多媒体软件直接进行各种实验的演示，让学生清楚的明白单片机的工作原理，实验的原理以及操作过程。利用多媒体软件技术，可以让学生清楚的看到每个实验的原理、步骤，从而实现了集语音、图像等一体的教学模式。这样不仅减轻了教师的负担，而且提高了教学效率，带动了学生的学习积极性。
例如在闪烁灯的实验中，教师就可以利用多媒体软件来进行教学。闪烁灯实验的任务就是在电路图中的P1.0端口上接一个发光二极管L1，使L1不停的一亮一灭，且时间间隔为0.2秒。如果是用传统的黑板教学，就会使得描述电路图中端口的接线比较繁琐，若利用多媒体软件教学则可以利用软件不仅可以将电路图中的接线过程清晰的呈现在学生的面前，而且可以将在闪烁灯这个实验中的实验原理、实验流程以及程序设计都可以清晰的表现出来，有利于学生的理解，便于学生掌握有关实验的知识，达到教学的目的。
2、引入 Proteus 仿真软件
由于在利用实验箱进行实验时，一般只有单片机I/O的接线示意图，学生只需要根据接线图接好线就可以进行实验，从而导致学生对外围电路一点也不了解。如果利用Proteus 仿真软件进行实验，就可以达到让学生熟悉单片机的外围电路以及了解常用元器件使用方法的目的。Proteus 仿真软件具有原理图设计、电路仿真、软件仿真的功能。Proteus虚拟仿真实验还具有不需要实验硬件设备就可以完成实验的优点。对于学生来说，计算机更容易普及，就可以不受实验室条件的限制可以自由的开展实验[3]。对教师而言，利用Proteus 仿真软件进行教学，使得教学目的更容易实现。
利用Proteus 仿真软件，可将复杂、难理解的概念形象化、具体化。例如在走马灯这个基本的实验，就牵扯到了中断的概念。在设计走马灯实验的时候共分为硬件设计和软件设计两个部分，其中硬件设计部分：首先使用89C2051单片机作为控制芯片，可以用P1端口作为控制端口，用来控制LED的點亮，其次用外部中断0控制走马灯的暂停和继续操作，最后用定时/计数器T0来控制走马灯闪烁的速度问题。这时教师可以利用Proteus 仿真软件演示给学生看，首先给学生演示不加中断的走马灯实验，可以看到由P1口控制LED灯的闪烁，其闪烁速度是由延时控制的。其次加上外端中断，即用外部的按键控制走马灯的暂停和继续操作。最后加上定时/计数器来控制走马灯的闪烁的速度，而此时的闪烁速度是由定时器控制[4]。其用Proteus 仿真软件仿真的效果图如图1所示。这样通过教师的演示操作，能够让了解中断的概念，以及对外端终端和定时器的使用方法，达到教学实验的目的。
结束语：
随着电子科学技术的不断发展，越来越多的芯片不断被研制出来并投入实际生产中，使得各种智能化的设备逐渐被带入人们的生活中，给人们的生活带来了极大的便利。随之带来的就是对硬件设备制造、嵌入式系统开发人才的大量需求[5]。各大院校通过对单片机实验教学的改革，使得学生更容易对单片机有关的知识进行掌握，从而使自身的专业能力得到提升，促进学生的就业能力。
参考文献：
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实
验
实
训
指
导
书
2011年3月
实训一 基本造型修剪方法训练
一、目的要求
通过实际操作了解造型修剪的意义。掌握植物造型截、疏、伤、变、放的一般方法。
二、材料及用具
枝剪、大平剪、手锯、电动锯、各种植物若干等。
三、实训内容
1、教师现场演示截、疏、伤、变、放各种修剪技术的要点。
2、在老师指导下选择有代表性的植物修剪对象。
3、学生独立进行截、疏、伤、变、放各种修剪技术的操作练习。
4、学习剪枝剪、整枝大剪刀等园林植物造型常用工具的正确使用和保养。
四、考核要求
从实际操作效果及实训报告两个方面进行综合考核。
1、每位学生完成一定次数的截、疏、伤、变、放修剪操作的实际训练。
2、完成对截、疏、伤、变、放修剪操作的体会报告。
实训二 球形独干造型
一、目的要求
通过动手操作，掌握观叶园林植物简单几何独干造型的基本方法和技能。
二、材料及工具
1、植物材料：达到一定规格的圆柏（根据实际情况选择植物种类）若干株。
2、用具：剪枝剪、整枝大剪刀等。
三、实训内容
1、造型准备：仔细观察树体情况，根据树高、冠幅及其生长状况，确定独干造型的球体直径及保留主干的高度。
2、截顶、定干：消除树体上的病虫枝、枯枝，在低于预定造型高度约5 cm处截断顶枝，剪去树冠预定球形直径下部主干上的部分侧枝。
3、造型修剪：按预定的球形直径以树干为中心，沿圆周方向先剪出一条水平带，再从树冠顶部向两侧沿圆周剪出一条中心带，然后以这两条带为引导修剪树冠的其他部分，最后修剪出一个圆球形的树冠。再将球形树冠下面主干上的侧枝全部剪除。
4、检查：修剪之后对整个造型再仔细观察，可以在球形树冠中心部位的主干上系一条绳子，以球形直径的半径为长度，拉直对球形树冠的各个部位进行检查，看是否存在问题，并进行补偿修剪。
5、剪口的保护：造型修剪时如果有较大的剪口或者出现伤口，要涂抹伤口保护剂。
6、整理：修剪完毕，收好工具，清理现场。
四、考核要求
从实际操作效果及实训报告两个方面进行综合考核。
1、在造型操作中，检查其造型的方法步骤是否正确，修剪的方法和程序是否得当，最终的造型是否符合规格和要求。
2、将实际操作的独干造型的方法步骤做以记录，总结分析在整个造型过程中存在的问题，提出改进措施和建议以提高实践的技能和技巧。
实训三 组合造型
一、目的要求
通过实训使学生了解采用群植法进行组合造型的基本要求，明确组合造型的方法步骤，掌握造型技术要领。
二、材料及用具
枝剪、大平剪、手锯、电动锯、各种植物若干。
三、实训内容
1、了解造型地的环境情况和设计要求，画好设计图。
2、严格按照比例进行定点放线。
3、栽种植物，并做好日常养护管理。
四、考核要求
从实际操作效果及实训报告两个方面进行综合考核。
1、以实训小组为单位组织实训，每小组上交一份设计图，图上需注明组员、命题、立意。
2、根据定点放线的准确性，植物种植的密度、均匀度，修剪技法的应用，造型效果等进行考核打分。
3、完成操作的体会报告1份。
实训四 几何图案造型
一、目的要求
通过实训，使学生了解几何图案造型技艺的基本要求，明确造型的方法步骤，掌握造型技术要领。
二、材料及用具
枝剪、大平剪、手锯、电动锯、各种植物若干。
三、实训内容
1、造型前对上盆植物进行轻度修剪，仔细观察并设计几何图案的长、宽、高。
2、修剪几何体表面，仔细检查是否达到设计要求。
四、考核要求
从实际操作效果及实训报告两个方面进行综合考核。
1、根据设计的合理性，修剪技法的运用和造型效果等进行考核打分。
2、完成操作的体会报告1份。
实训五 花灌木修剪造型
一、目的要求
通过实习，使学生学会园林花灌木的修剪造型方法。
二、材料及用具
1、材料：紫薇、月季或蜡梅等花灌木的幼龄、成龄植株。
2、工具：修枝剪、修枝锯。
三、实训内容
1、教师根据实际条件选择并准备好无干开心形、丛状形、无主干分层形等植物待造型材料，为学生操作备用。
2、教师先进行操作示范，使同学明确技术要点和方法步骤；然后学生分组练习，教师辅导。
3、学生要全面仔细观察所需修剪造型的植株，了解树体枝芽特性、生长情况、树形特点，做到心中有数。
4、结合树种特性和树体实际生长情况选择最佳观赏树形，小组讨论制定出修剪方案。
5、根据已定修剪方案，按照顺序依次修剪。原则是先选定修剪骨干枝，再处理其他辅养枝。短截骨干枝的延长枝和有发展空间的枝条，疏除枯死枝、病虫枝、密生枝、重叠枝、交叉枝、竞争枝，回缩过长枝和过强枝以及靠近地面的拖地枝。回缩修剪时，先处理大枝，再处理中枝，最后处理小枝。
6、剪完以后检查一遍，看是否有漏剪、错剪的地方。及时进行补剪或纠正。修剪完毕，清理现场。
四、考核要求
从实际操作效果及实训报告两个方面进行综合考核。
1、花灌木修剪造型实际训练效果。
2、书写花灌木修剪造型操作的体会报告。
实训六 造型植物参观
一、目的要求
通过城市绿地参观、考察造型植物，体会不同植物造型的形式、观赏特点，临摹造型植物的设计形式，掌握本地区园林植物造型设计的一般方法。
二、材料及用具
铅笔、画纸、画板等。
三、实训内容
1、由指导老师事前选择有代表性的苗圃或城市绿地。
2、组织学生现场参观、考察，讲解植物造型的特点。
3、学生临摹造型植物的设计形式。
四、考核要求
从实际操作效果及实训报告两个方面进行综合考核。
1、学生完成造型植物的设计形式的临摹。
2、完成考察报告。
实训七 造型植物的养护
一、目的要求
通过实际操作了解造型园林树木养护修剪的意义。掌握养护修剪的一般方法。
二、材料及用具
枝剪、手锯、电工刀、伤口涂补剂等。
三、实训内容
1、疏枝：疏除枯枝、病虫枝，过密枝，并疏除开败的残花。
2、短截：短剪徒长枝、伸出冠外影响造型的枝条。
3、回缩：重剪下垂枝、衰老枝。
4、变向：对造型遭到损坏的树木，采取撑、拉、压、坠、别枝、蟠扎等措施，结合其他修剪，恢复树体造型
5、刮树皮：在秋冬季对有伤口和粗糙反卷的老树皮用刀刮平，并用伤口涂补剂涂平。
6、修枝后的大伤口也应涂抹伤口涂补剂。修剪后的枝叶应及时清除。
四、考核要求
从实际操作效果及实训报告两个方面进行综合考核。
1、实际操作过程与效果。
书
电气与信息工程学院实验室
一、设计任务：
1.1 设计一个单片机最小系统，用仿真软件设计，要求有5V电
源，8个LED灯，12MHZ晶振，完成流水灯的仿真。1.2外部脉冲自动计数，自动显示。
1.2.1设计一个255计数器：0－255计数，计满后自动清0，重新计数（在数码管中显示）。
1.2.2设计一个50000计数器：0－50000计数，计满后自动清0，重新计数（在数码管中显示）。
1.3 设计一个出租车计费系统：
起步价为5元（2km以内），2km后，0.8元/0.5km;要求每500m刷新计费一次，在8位数码管中，前3位显示数码管显示里程数,后3位数码管显示价钱（角，元，十元，百元）
1.4 单片机最小系统实训板的设计。（要求采用PROTEL完成单片机最小系统的硬件电路设计）
二．课程安排：
17周完成设计任务（1.1-1.2）的程序设计以及软件仿真 18周完成设计任务（1.3-1.4）以及所有设计任务的硬件实现
三、单片机最小系统硬件资源介绍：
※89S51单片机； ※6位共阳极数码管；
※段码驱动器74HC573，位选译码器74HC138； ※4路独立式按键； ※外部晶振电路；
※ISP下载接口（In system program,在系统编程）； ※DC+5V电源试配器（选配）； ※ISP下载线（选配）。
单片机最小系统实训板硬件资源分布见图1元件布局图和图2电路原理图：其中P1为外部电源输入座（DC+5V），S8为电源最小系统的电源开关，E1和C3为电源滤波，去耦电容。D1为系统电源指示灯。J2为ISP下载接口，S7系统复位按键。CRY1，C1，C2为外部时针电路。IC1为89S51（DIP-40），左上角为第一脚。PRE1，PRE2。为上拉排阻（阻值4.7k—10k）。J5，J9，J6，J10分别对应单片机的P0，P1，P2，P3口。便于二次开发。6路共阳极数码管动态显示电路，P0口通过74HC573（起驱动和隔离作用，让电流通过74CH573流入公共地），来控制数码管的8路段码，P20-P22通过74HC138译码器（使用其中的6
路）控制数码管的公共端（中间还有三极管做驱动器）。这样设计的理由：为了保证该单片机最小系统的二次开发的资源充足和合理性。如果单只做一个动态显示电路，可以省去74HC573，和74HC138。
图1 元件布局图
图2 单片机最小系统原理图
四、设计思路：
1、255计数：255可用8位二进制数表示，故本设计可直接采用可以重
装载的计数器T1模式二进行计数。然后对TL1的内容进行相应的二进制---十进制转换：首先TL1的内容除以64H，所的商就是十进制的百位，然后用余数除以0AH，所得的商就是十进制数的十位，余数即相应的十进制的个位。接着将相应的十进制数进行译码，并在LED数码管上显示出来。每来一个脉冲其显示的结果加一，直加至255然后T1重新开始计数。
图3 255计数程序流程图2、0-50000计数：
思路1：由于DIV AB指令中A、B均为8位寄存器，因此255二进制转十进
制计数的方法不能用于0-50000的循环计数。可根据TH0（T0计数）或TH1（T1计数）中的内容为多少进行256累加，因为TH0或TH1中每一个二进制‘1’代表十进制的256，再和TL0或TL1按前一步二转十的方法转换得到的百、十、个相加，即可完成16位二进制转十进制。
思路2：置TL0或TL1的内容为0FFH，这样每来一个计数脉冲，TL0或TL1的内容就会溢出回零，只要通过指令判断TL0或TL1的内容是否为零，为零则70H（个位）加1，70H（个位）逢9进一，71H（十位）加1，十位个位为99进一，72H（百位）加1，以此类推，可实现0-999999（只有6个数码管）的循环计数。
3、出租车计费：
在上步的基础上，每1个脉冲当作1公里（可自己设置几个脉冲1公里），5个脉冲，数码管显示05.0 005，前3位金额，后3位为里程，超过5个脉冲，里程加1，金额加0.8元。难点主要在于计费金额的显示，可将初值置为50，其中十位调用带点的字型码，即显示05.0，超过5个脉冲，里程加1，金额加8，由于十位是带有小数点，即可实现金额加0.8元。
五、设计报告要求：
1.要求完成所有的设计任务，并且将仿真的效果截图贴在设计报告中。2.写出所有的程序，关键部分要求写出注释 3.写不少于1000字的设计心得。
将片内20H~2FH及片外0010H~001FH单元清0；
然后将片内30H~3FH的数据移到片外0000H~000FH中；判断：
若（30H）≤10，则求其平方存到31H中，并将位00H置1（其它位清0）若（30H）=10，则将AA存到31H中，并位01H置1（其它位清0）若（30H）≥10，则减10存到31H中，并位02H置1（其它位清0）
实验二加法、排序
有两个长度为10的无符号数分别放在片内20H和30H为首的存储单元中（低位），求其对应项之和（带进位位），结果放在40H为首的单元中（若最高位有进位则存在后续单元中），然后按升序排列放在50H为首的单元中
实验三查表、散转
设有一表格，表中数为：00H、11H、22H、33H、44H、55H、66H、77H、88H、99H、AAH、BBH、CCH、DDH、EEH、FFH。根据片外0001H单元的低4位的数，取出表中相应的值存到片内30H中；根据片外0001H单元的高4位的数，将片内RAM区中可位寻址的相应的位置1（从位00H~位0FH，只可有一个位地址为1）
实验四外中断
P1.0~P1.7接8个发光二极管，管脚INT0、INT1接两个按键，分别定义为“L”和“R”。
要求：上电全灭，按 “L”(或R)键，最右（左）侧灯亮，每按一次“L” ”(或R)键，则亮的灯向左（右）移一位，当移到最左（右）端时，灯全灭
实验五定时器
P1.0、P1.1分别接两个发光二极管，INT0脚接
一按键做开关，按一次开关，则启动，两个发
光管一亮一灭，亮灭时间均为1秒；再按一次
开关，则关闭，即两个发光管都灭。
实验六定时器、计数器
1) 很多用户需要在前期验证其电路的正确性,采用的办法就是自行搭建一个单片机核心板,并在此基础上外接其他接口与应用电路模块。但是需要看到的是,复杂的连线,电源接口提供有限,模块与模块之间跳线众多、导致接触不良频发。
2) 如果一旦制版,发现错误又再次改版、再错再改这样会陷入制版次数太多的问题,导致成本增加。如果肯能,在早期能够直接通过模块化较为固定的搭接电路来验证原型功能,则改版的概率将大大降低。
3) 如果有可能使用某种单片机模块化底板技术,则在初步验证、学生使用、教学使用等应用领域将是非常有效的手段。
1 研究背景
模块化技术一直以来常用于软硬件开发过程,软件上采用中间件技术[3],硬件上采用标准模块化技术[4]。模块化对设计而言产生了深远的影响,从嵌入式技术角度出发,模块化减少了设计技术中的复杂性,并且增加了设计灵活性。因此在产品设计过程中,采用模块化技术实现前期的验证是一个很好的手段。一般而言,在嵌入式系统设计[4]当中,尤其是单片机系统设计当中,很多模块是常用并且用了很多年的技术,已经非常成熟了。物联网概念提出之后,对于基于单片机的嵌入式系统设计也就是增加了通讯模块与协议软件。其中比较重要的是协议软件,通讯模块也能够实现标准化。该文在此仅讨论使用宏晶科技公司的STC12C5A60S2芯片[5]作为单片机主控制核心来完成模块化设计工作。
单片机底板设计对很多嵌入式开发用户来说是一件很简单的事情,但是对于产品开发而言,为了降低成本的前期系统搭建是必要的。这种系统的搭建可以在后期降低改版次数,并实现初步技术上的验证工作[6]。但是需要看到的是,由于工程师的个体差异性与核心板搭建过程中的随意性,问题百出。典型的情况就是采用多孔实验板搭建的单片机系统核心,由于前期布线考虑不周,以至于后期需要搭建外部模块化电路的时候,跳线多、电源分布不均匀、线路板分布电容杂散电容问题突出、没有考虑EMC等等问题,导致前期验证工作耗时耗力效果不一定理想,并且延误工程周期[7]。所以本文提出一种基于模块化技术的单片机核心板设计思路,希望对前期嵌入式技术验证工程师而言起到一定参考作用,并希望本文的设计思路对行业当中从事单片机教学的工作者有一定参考作用。
2 基于模块化技术的单片机核心板设计
基于模块化技术的单片机核心板设计方法源于模块化设计思维。首先,模块化是现代软硬件设计的基本方法。软件设计当中采用基于中间件的模块化设计技术,而硬件设计当中采用标准的硬件模块来快速搭建应用电路。第二,模块化技术有助于快速定位问题。在现代系统设计当中,实际应用电路总会在调试阶段出现某些问题,采用模块化设计之后,定位、隔离、修改、更新问题成为较为方便的手段。当找到问题之后,通常只需对模块进行替换、修改或重新设计有助于减小问题的规模。第三,模块化技术在本专业的教学当中能够使得学生逐步从简到繁,一步一步掌握接口技术应用电路设计的设计与实现。该文采用的模块化方法为预留方式,预留方式为各种模块预留一定位置,用户可以依据自身需求来进行模块的添加与卸载。总体的设计思路分为几个步骤:设计核心电路模块、设计外部模块接口、设计底板预留部分。以下就依照这几个步骤来完成模块化技术的单片机核心板设计。
2.1设计核心电路模块
本文采用的核心为STC12C5A60S2芯片,用户也可以借鉴本文的思维开发其他的核心来作为主控。核心的总体设计为几个部分:电源部分、晶振部分、复位部分、核心单片机部分等。
1) 电源部分设计
考虑到外部模块采用何种供电方式是不确定的,这里的设计仅考虑输出5V与3.3V。由于输入电源可以直接采用5V电源,则如果采取此方式则直接引出5V;如果输入电源为220V交流,则需要进行交流转5V电源模块的设计。为简化问题,该文采用输入电源为外部电源5V直流输入的方式。则应用设计的原理图如图1所示:
图1中(a)为输入电源接头,为直流5V,1A;图(b)为DIP-6的6脚输入电源开关,用于STC单片机的冷启动[8]操作。图(c)为USB连接接口,用于计算机为核心板提供电源。考虑到输出为5V与3.3V则输出电路设计如图2所示:
图2中,(a)为输出3.3V提供电路,(b)为输出5V电源组接口部分电路,(c)图为输出5V与3.3V电源接口部分电路。这样,核心板上提供了众多的输出电源以便于后续用户扩展其需要的模块电路提供充足的电源组。考虑到扩展电源模块问题,也就是有些用户希望自行扩展自己的电源模块,所以在电路设计过程中需要扩展外部电源模块,其接口设计如图3所示:
预留该接口则用户可以自行设计电源模块,并将其输出设计为5V直流,则核心板仍然可以正常工作。
2)晶振部分设计
为满足核心单片机部分的三大工作条件之一时钟电路,该文设计时钟电路(晶振部分)如图4所示:
图4中的晶振电路采用了18.432Mhz的晶体振荡器,使用18.432Mhz晶振的优势在于:如果希望单片机与PC机进行通讯,则当采用该参数的晶振计算波特率时,某些速率的误码率为0相对适合。
3)复位部分设计
为满足核心单片机部分的三大工作条件之一复位电路,该文设计复位电路如图5所示。
4)核心电路模块部分设计
核心电路模块部分设计包含:核心处理器部分、芯片滤波部分、系统电源指示灯部分、P0口上拉部分。具体设计电路如图6所示:
5) 设计底板预留部分
设计底板预留部分主要为预留各种基本接口。此部分一般应依据用户需求来设计,但是此处可以采用预留几种标准方式来完成:预留流水灯、预留USB外部模块接口、预留232模块接口、预留全部I/O接口。见图7所示:
图7中(a)显示了USB外接模块与RS232外接模块的接口,图(b)显示了LED流水灯的模块,该模块主要用户在使用I/O口进行数据传输过程中的人为状态可视化判定,图(c)显示了外部I/O接口模块。
综上所述,在原理图设计上的模块化工作基本上围绕着核心电路设计与外部模块引出两个方面。其中,电源组的接口希望尽可能地多;其他部分接口应该尽可能引出,以满足用户扩展需求。原理图部分显示的仅仅是一个概念性的设计,实际电路对于模块化的支持在机械路板布局方面应予以充分支持。因此,下一节重点介绍实际电路布局中对模块化的支持。
3 实现与验证
通过上述的原理图设计可见,在原理图层面对模块化的支持是充分预留各种接口,以备用户未来的模块扩展用;但是,仅有原理图层次的模块化支持远远不够,这是由硬件模块本身就是一个实体模块决定的。实体模块存在机械尺寸、电源支持、信号连接以及在电路板上如何稳定地固定等问题存在。因此对机械电路板设计当中应当充分考虑这些因素并尽可能规避某些影响上述因素的问题。
1) 支撑模块化硬件结构的底板布局
硬件模块以模块功能为划分基础,通常有电源与复位部分电路模块、通讯电路模块、USB电源与3.3V供电模块、核心控制底板模块、其他预留模块等部分。整个底板的PCB图如图8所示:
由图8(a)可见七个任意扩充均有机械安装孔的模块预留,允许用户采用通用连接件任意固定各种需要的自由设计模块。(a)图左侧剩余三个模块为:电源与复位模块,用于外部电源模块用户设计输入、或是直接5V直流输入,并提供一个复位、一个总电源开关、一个外部5V电源输入接头、3组5V输出、3组3.3V输出;串行通讯模块,用于外部用户自定义RS232电平转换输入,或是USB转232电平转换模块输入,并附带了安装孔,允许用户采用通用连接件任意固定这些模块;3.3V电源转换模块,允许用户直接使用USB电源作为输入,并转换系统电源5V直流为3.3V直流输出。(b)图上丝印层有版权标记。以上就是模块化设计的底板PCB结构图全貌。
2) 实际电路板与测试验证
实际制版之后的电路需要经过测试验证,实际制版并焊接元器件之后的实际电路图如图9所示:
连接RS232模块到电脑的串口后,通讯成功。该文的测试分别使用了RS232连接线连接到电脑与USB转串口(分别测试了CH340主控、PL2303主控、FT232主控等串行转USB)连接到电脑,经测试下载正常、运行测试代码(跑马灯,测试10片主板)均正常。
通过上述设计与实现过程可见,硬件的模块化设计技术在于依照功能的模块划分。且在底板设计过程中,重点需要考虑的是模块的电源支持、机械固定方式、接口连接等问题。充分考虑这些问题可以设计出具有一定范围内适用性的单片机底板,并具支持前提模块化验证工作。
4 总结与展望
本文提出了一种基于模块化的电路设计技术,主要为满足制版之前 的前期技 术验证工 作。文中 重点介绍 了采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理单元的原理图、线路板设计方法,着重强调了原理图上的模块接口预留问题并推荐了PCB的机械模块预留方法,使用该方法可以简单设计单片机的主控制底板,并能较好地支持模块化前期验证工作。由于经验与技术有限,在原理图与PCB布局方面本设计仍略显不足,在后续的研究中将加入常用的接口模块电路到各个模块部分中,使得该基础电路设计更具针对性、与扩展性。
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關键词：Proteus；Keil；单片机；虚拟实验室
单片机作为嵌入式系统的一个重要分支，目前已广泛地应用于智能化家用电器、办公自动化设备、工业自动化控制、智能化仪表、通信产品、汽车电子产品、航空航天国防军事等人类生活的各个领域。全国大中专院校电气自动化专业、应用电子技术专业、通信专业、机电专业等许多专业相继开设了单片机课程。
目前单片机的课堂教学及实验中存在诸多问题：一是单片机课堂教学多以理论教学为主，教学中需要很多硬件设备，一般理论课堂难以辅助硬件进行教学，即便演示，效果也不好。二是单片机实验室由专人管理，学生除了上课外，平时难得有机会实践，而采用的单片机实验设备大多是成品，学生很难参与其中的细节设计，因此学生动手能力也很难得到提高。三是配套的实验设备多采用实验箱或硬件仿真器配目标实验板，这种配置方式直接导致该课程的实验项目有限、实验时间过长、设备维护工作量大等现实问题。四是实验设备不足、落后，单片机实验室建设成本高，由于技术的不断更新，设备的不断老化，实验仪器也会很快落后。
针对上述问题，作者将Proteus和Keil软件引入单片机课堂教学，以构建一个适合“教、学、做”一体化教学的单片机虚拟实验室，把单片机实验室搬进课堂，实现理论教学和实践教学的无缝衔接，让理论教学和实践教学同时进行，教师根据授课要求随意切换理论教学和实践教学的环境，教师能够做到“教中做、做中教”，学生能够做到“学中做、做中学”，达到真正意义上的“教、学、做”一体化的教学要求，将理论教学和实践教学融为一体，提高学生的动手实践能力，激发学生的创新思维，强化学生的职业能力，提高教学效果。
一、Proteus和Keil软件特点
（一）Proteus软件特点
Proteus软件是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，它运行于Windows操作系统，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。当硬件和软件调试成功后，利用Proteus软件提供的原理图绘制工具和印刷电路板设计工具，很容易获得其PCB图，为实物的制作提供方便。因此该软件给我们提供了一个元器件丰富、测试仪器齐全、单片机的种类繁多、开发工具齐备的单片机虚拟实验室。
（二）Keil软件特点
Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的开发软件，它提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部份组合在一起。KEIL μVision支持众多不同公司的MCS-51架构的芯片，它集编辑、编译、仿真等于一体，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序、软件仿真方面也有很强大的功能。
将Proteus与Keil整合起来使用，构建单片机虚拟实验室，充分利用各自的仿真功能，可以让单片机的软硬件设计和调试变得十分方便。
二、单片机虚拟实验室构建
利用Proteus实现对单片机实验的改进，单片机实验将脱离传统实验硬件的限制，并结合目前广泛使用的一款51单片机开发平台KeilμVision2，将Proteus与KeilμVision2结合起来，联合利用它们的仿真功能，充分利用各自的优势构建虚拟实验室。基于Proteus和Keil的虚拟实验室构建步骤如下：
1.分析问题，提出解决方案。针对要解决的问题进行分析，确定控制要求，提出多种解决方案，综合考虑实现难易程度、硬件成本和系统性能等因素，确定最终的软硬件实施方案。
2.设计仿真电路。将手工绘制的硬件电路原理图在Proteus软件中实现，学生通过Proteus软件的使用，可以学到硬件电路设计、组装、调试的方法。
3.编写程序。学生通过Keil软件编制、调试应用程序，掌握单片机软件开发的步骤、方法和技巧。
4.软硬件联合仿真系统。软硬件联合仿真系统是将Proteus硬件开发环境和Keil软件开发环境二者在计算机上结合使用，达到完美的单片机模拟开发全过程，其结合方式有两种，一种是静态结合，一种是动态结合。静态结合仿真就是把Keil C51软件下生成的HEX文件，嵌入Proteus软件进行软硬件模拟仿真。静态结合仿真优点是简单方便，缺点是HEX文件嵌入Proteus软件后，只能在Proteus软件下仿真，不能在Keil C51软件动态观察。动态结合仿真就是利用Proteus软件支持第三方的软件编译和调试环境的特点，把Proteus软件和Keil C51软件动态连接，实现二者的动态实时仿真。动态结合仿真优点是可以实现在Keil C51软件动态仿真，在Proteus软件实时观察结果，缺点是Pruteus软件和Keil C51软件设置相对比较繁琐。
5.观察实验结果。单击Proteus中的执行按钮，开始仿真。如果实验没有达到预期效果，可以很方便地修改硬件电路或软件程序重新实验，直到完全达到控制要求为止。
三、仿真教学实例
下面以基于AT89C51的串行多通道A/D转换模拟实验为例，介绍如何用Proteus和Keil实现对单片机控制系统的联合仿真。
（一）硬件设计
根据实验目的和要求，在Proteus中建立电路原理图。首先是工作窗口加入电路所必需的元器件，其中包括控制芯片AT89C51，A/D转换芯片TLC2543，驱动芯片ULN2003A，显示设备数码管以及其它必需的电容、电阻、晶振等。随后根据电路工作原理对已加入项目的元器件进行连接，并加入电源和地线。如果在实验要观察某些信号的变化则可加入电压表，电流表或是逻辑分析仪等虚拟显示设备，至此系统硬件电路已设计完成。
（二）软件设计
打开Keil μVision2，新建一个项目，命名为“串行A/D转换.uv2”。选择Project菜单下的Select Device for Targer为这一项目选择目标CPU，这里选择AT89C51。然后单击Project菜单下的Option for Targer工程名菜单项，选择Debug选项进行相应设置，接下来编写源程序并命名“串行转换A/D.asm”，将此文件加入到工程里面，经过编译、调试、修改生成Hex文件。
（三）联合调试
Proteus软件和Keil软件联合调试在这里采用的静态结合的方法，即在Proteus软件中将Keil软件编译生成的Hex文件加载到89C51单片机中。单击Proteus软件中运行按钮，观察仿真结果可见，每个通道模拟电压值被转换为数字量轮流显示在数码管上。如果出现错误或是没有达到控制要求则可以检查电路或是修改程序再进行调试，直到完成实验目标。
四、虚拟实验室的实际意义
（一）有利于解决设备紧缺问题
解决以往以理论为主实践少，且存在实践以验证性为主及设备不足等问题。由于Proteus特有的虚拟仿真技术能在没有单片机实际硬件的条件下实现单片机系统的软硬件同步仿真调试，只要在安装有Proteus和Keil软件的虚拟实验室里就可以完成整个开发过程，无需任何其他硬件设备的支持；在实验室不开放的情况下，学生也可以利用自己的电脑来完成。
（二）有利于培養学生创新能力
由于Proteus提供的都是虚拟设备，可以让学生自由、大胆地进行各种设计，无需担心损害实验设备，也不用承担设计开发的各种费用，节约了实验经费。学生的某些创造性设想在仿真软件可以很快地得以实施，相比于到电子市场购买元器件再组装调试，既节约了成本又提高了效率。
（三）有利于推进课程教学改革
基于“工作过程系统化”的单片机项目式教学法突破了传统的教学模式，以项目取代章节，将理论知识贯穿于各项目中，开展理实一体化项目教学，强调理论知识与实践技能相结合，融“教、学、做”一体。单片机虚拟实验室的建立成为大力推进项目教学的有力保障，对于项目教学来说课程划分若干项目，每一个项目都是一个具体的控制任务，软硬件均可以在Keil和Proteus联合仿真调试，学生可以在教师指导下独立完成设计任务并检查控制效果。单片机虚拟实验室的建立可以较好地克服传统的单片机教学中无法兼顾理论教学和实践教学，或是由实物演示带来教师工作量大和教学效率低等问题。
（四）为学生实习就业创造条件
建成的单片机创新虚拟实验室可以作为学生实习的场地，在没有合适的实习场所的情况下，让学生做创新性设计实习。
单片机技术应用于各种嵌入式系统中，掌握单片机技术是自动化类专业学生就业的一个基本条件，有相当的单片机设计、开发经验，对学生毕业找工作将起到很好的帮助作用。
五、结 语
伴随着电子信息技术的飞速发展，出现了大量的仿真工具，为实际系统的开发提供了准确可靠的保证，同时节约人力和物力，是未来产品设计的发展方向。本文运用Proteus与Keil联合仿真功能完成单片机虚拟环境的构建，是对传统实物电路仿真的一种有力补充，有利于促进课程和教学改革，有利于提高学生的学习兴趣和创新能力。利用Proteus提供的可靠的虚拟仪器和仪表，不仅可以节约开发时间和开发成本，而且具有很大的灵活性和可扩展性，大大提高了教学效率。但必须指出，仿真不能完全代替实物，在实际应用中会遇到很多新的问题，不可能抛弃已有的教学模式和实验手段而仅仅依靠虚拟的实验环境。只有将仿真结果应用于具体电路系统，才能真正锻炼学生的软硬件综合开发能力。
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Higher Vocational Colleges Microcontroller Virtual Laboratory Construction
Scheme Research
HUANG Ke-ya
Abstract: Based on the single chip microcomputer curriculum theory teaching and traditional practice teaching problems or insufficient, Proteus was put forward based on the joint simulation of single chip microcomputer and Keil virtual laboratory construction plan. Specific means is Proteus software design in hardware circuit and software development in Keil software program, both the union simulation realize commissioning. The plan to reduce the laboratory construction funds, to promote the reform of teaching and improve teaching efficiency and to improve students' interest in learning and innovation ability.
Key words: proteus; keil; single chip microcomputer; virtual laboratory
收稿日期：2012-07-01
作者简介：黄克亚（1982-），男，硕士，苏州大学阳澄湖校区自动控制系讲师、软件设计师，从事电气自动化、集成电路
