"单片机原理及应用"是一门理论性和实践性很强的课程，目前大部分院校均采用MCS- 51单片机作为传统教学机型，教学过程中学生普遍反映单片机难学难懂，教学效果和教学质量难令人满意。特别是在实践教学环节存在诸多问题：①实验课偏重验证性实验，不能提高学生对单片机课的学习兴趣，不利于培养学生的创新能力和创新思维。②实验依赖指导书和实验箱，无法发挥学生的想象力和主观能动性，扼杀了学生的创新意识。③实验箱类的实验开发装置的开发能力较弱，综合性设计性实验项目少，工程实训不足。④实习手段落后，对于新器件的实验实习，大大滞后于技术市场，甚至忽略了这个环节。针对传统单片机实践教学的诸多弊端，课程组自行研制开发了该实验教学开发系统，将其应用到日常的实验教学和课程实习，使学生从被动应付式学习转变为对新知识、新技术的主动探索和研究，为今后从事这方面的技术开发工作培养了兴趣，奠定了专业基础。

一、系统硬件设计原则

结合多年的教学和实际开发经验，课程组经过精心设计，确定了系统开发原则。

系统最小原则。结合实际系统的开发经验，CPU的所有输入输出口均做IO口使用，系统不再扩展并行IO接口和存储器。

模块化设计原则。各模块均有独立的电源开关，每个模块均可独立工作。初学者可分模块进行简单的验证性实验；有一定基础的学生，配合相关的控制开关，将几个相应模块灵活组合，设计开发综合性较强的实验实习项目；系统留有冗余，学生可自行设计电路进行功能扩展。使用费用的投入最低原则。选择可在线仿真的CPU，免去了购买仿真器和烧录器的费用。

使用方便原则。USB电源供电，学生只要拥有一块开发板，就可以在宿舍、机房随时随地的边玩边学，可以寓学习于娱乐之中，收到更好的学习效果。开发板系统总体框图如图1 所示。

二、基础实验模块的硬件设计

根据多年的教学经验，课程组在充分尊重教材的前提下，采取从易到难的单元模块的练习项目进行开发板的设计。根据大部分高校现有教材的内容，系统设计了流水灯、LED 显示、LCD 显示、键盘电路、AD 转换、DA转换、串口通信等基础实验模块。在进行单元模块设计时，遵循由已知到未知，由易到难，由简单到综合的学习规律，同时尽量采用传统的典型芯片，方便学习参考资料的查阅。下面简要介绍几个主要基础实验模块。

（一）CPU 的选择

常用51 系列单片机有3 种：AT89C51，AT89S51，宏晶公司生产的STC89C51。其中AT89C51 需要编程器，这无疑会加大教学经费的投入，配套开发设备的增加也会进一步加大教学设备的维护维修工作量，目前该款芯片已经基本被淘汰。另两款芯片均支持在线编程，不同之处是AT89S51 需要并口JTAG，STC89C51 只需要串口编程。为了提高系统的性价比，使用更方便，我们选用了STC89C51 单片机。PC 机串口通过MAX232 同单片机连接，使用STC- ISP 程序下载软件将程序下载，使用非常方便。

（二）LED 显示模块设计

系统有4 个共阴极LED 数码管，该模块由串口静态显示和动态扫描显示两部分电路组成。静态显示部分利用单片机的串口，外接74LS164 作LED 数码管段控码的显示驱动，其公共端通过拨码开关接地。动态扫描显示使用P0 口做段控口，P2.0- P2.3 做位控口。74LS164、74LS14 和74LS244 均配有独立的电源开关。相应电源开关接通，配合拨码开关接地或与P2 口接通，实现静态显示和动态扫描显示的切换。实验时可要求学生对同一个显示任务分别用静态显示和动态扫描显示两种工作方式编程调试实现。电路框图如图2 所示。

（三）键盘输入模块设计

键盘和中断的使用对初学者来说是一个重点和难点内容，为此系统设计了K1- K16 16 个按键，配合相应开关的的接通与否有四种工作方式，其模块电路如图3所示。

选择开关S11、S15 拨向下方，S12- S13 拨向上方，K13- K16 为四个独立按键；选择开关S11 拨向上方，S12，S13，S14 均向下接通键盘，K1- K16 为16 个行列扫描矩阵键盘；S15 向上键盘和P3.2 相连，此时键盘工作在中断方式。

（四）其它基础实验模块设计

系统还设计了定时器、AD 转换、DA 转换和串行通讯几个模块。开发板最终选用了0809 作为AD转换电路， 0809 的IN0、IN1 分别接了两个热敏电阻用来检测温度，AD转换的结果通过P0 口输入CPU。IN2- IN7引脚引出，学生可自行设计信号采集部分电路作为0809 的输入。根据实验具体情况，完成设计性、综合性实验的硬件设计和软件调试。

三、能力拓展模块硬件设计

为了加强工程实训教学环节，改善实习手段，增加新器件的学习内容，系统设计了能力拓展实验模块。

（一）几种串行总线接口模块设计

51 系列单片机没有SPI、I2C 等串行总线接口，为了使系统设计电路简单，提高设计可靠性，实际应用系统均利用软件模拟各种串行总线[2]，这就需要同学更多的接触这些新器件和掌握相应的数据传输协议和典型器件的应用。为此开发板设计了SPI、I2C、1- wire 总线

模块：

SPI 串行总线模块：开发板选用MAX25045 看门狗电路使用相应的软件来模拟SPI 三线制串行总线的操作。

I2C 总线模块： I2C 总线是一种用于IC 器件之间的二线制总线。它通过SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）两根线再连接到总线的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。开发板选用AT24C04E2PROM和DS1302 日历芯片使用相应的软件来模拟I2C 总线的操作。

1- wire 模块： 1- wire 总线支持一主多从式通信[4]，所以支持该总线的器件在交互数据过程中需要完成器件寻址以确认哪个从机接收数据。开发板外接两个单总线数字温度传感器DS18B20，实现一主两从的通信。

（二）其他功能模块

电机调速模块:系统通过P3.4- P3.7 控制步进电机的启停，正转，反转，转速的快慢；可控硅控温模块：系统将发热元件和温度传感器密封在一起，通过光耦控制可控硅的导通角，从而控制发热元件加热与否。利用PID 算法实现密闭箱体的恒温控制。