（电工理论与新技术专业论文）单片机教学实验平台的设计.pdf

重庆大学高校教师硕士学位论文 管显示实验、步进电机和直流电机测控实验、a d 转换实验、d a 转换实验和综 合实验( 家用空调控制系统实验) 等项目的实验方式、程序流程图和范例程序， 让学生在实验时输入范例程序并运行来理解程序中各指令的功能；结合电路修改 范例程序参数或结构来掌握指令的功能，程序的结构和重新编制程序完成实验项 目所规定的实验任务，达到学会独立编程的目的：通过家用空调控制系统实验让 学生全面掌握电路和程序这一有机的整体，形成单片机应用“系统”的概念，培 养开发单片机应用系统的能力。 关键词：单片机，实验平台，实验教学 i i 英文摘要 a b s t r a c t b a c a u s eo f s t r o n gc o n t r o lf u n c t i o n , h i g hr e l i a b i l i t y , s m a l lv o l u m ea n dl o wc o s t ，t h e m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ( m e u lh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti ni n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s a n da p p a r a t u s ，i n d u s t r i a lm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dh o m ea p p l i a n c e s a l m o s ta l lo fu n i v e r s i t i e sa n dc o l l e g e sp r o v i d et h em c ue o i l r s e , n a m e l yt h ep r i n c i p l e a n da p p l i c a t i o no fm c u t h i sc o i l l 噶ei sap r a c t i c a lc o u r s e , w h i c hn e e d sas u i to f e x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n dv a r i o u sc o n t e n t st os u p p o r tt e a c h i n ga n dl e a r n i n gp r o c e s s a c c t u a l l y , t h e8 0 c 5 1m c ui sh i 曲l ya c c e p t e di nt h em a r k e ta n dr a p i d l yd e v e l o p e d b e c a u s eo fi t sm a t u r ea n dp e r f e c tt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rd e s i g n sam c ut e a c h i n ga n d e x p e r i m e n tp l a t f o r mb yu s i n g8 0 c 5 1p r o d u c t t h i se x p e r i m e n t a lf l a t f o r mp r i m a r i l yr e a l i z e st h ef u n c t i o no fh o m ea i r - c o n d i t i o n c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t of u l f i l lt h ea i mo fe s t a b l i s h i n gam c ua p p l i c a t i o ns y s t e m i t f o c u s e so nd e s i g n i n gp r a c t i c a l ，c o n v e n i e n t , e c o n o m i c , c o m p r e h e n s i v ea n do p e n e x p e r i m e n t s t h ep r a c t i c a lt e a c h i n go fe a c hb a s i si t e m , w h i c hs u r r o u n d st h es i m p l eb u t p r a c t i c a lm e a s u r es y s t e mo fh o m ea i r - c o n d i t i o ns y s t e m , i n s p i r e ss t u d e n t s i n t e r e s ti n l e a r n i n ga n du s i n gm c ut e c h n o l o g y , g u i d e st h es t u d e n t st om a s t e ri t sp r i n c i p l ea n d a p p l i c a t i o n , a c q u a i n t st h ef l o wc h a r ta n dm e t h o d st od e v e l o pn o wp r o d u c tt h a ti st h e c o r ea i mo f o p c n i n gt h ec o u r s eo f m c u t e c h n o l o g y 1 1 他w o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d e s ： ( 1 ) i n v e s t i g a t i n gt h et h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lt e a c h i n gr e a f i t yo ft h em c uc o u l e e ， a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h et e a c h i n gr u l e s ( e s p e c i a l l yt h ep r a c t i c a lt e a c h i n g ) ， i n v e s t i g a tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e e x i s t i n gm c ue x p e r i m e n tf l a t f o r m s ，t h e i n a d v a n t a g e sa n dd e f i c i e n c i e s ( 2 ) t h ew h o l el a y o u to ft h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e s f u n d a m e n t a lf u n c t i o no f t h et e a c h i n ga n de x p e r i m e n tf l a t f o r mo f m c u , a n de s t a b l i s h e s ap l a t f o r mm o d e la b o u tt h eh o m ea i r - c o n d i t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e mu n d e rt h ec a u t i o u s s e l e c t i o no ft h em a i nc m o sc h i p ，s i m u l a t i o nm o d e ，p r o g r a m m i n gm o d ea n df u n c t i o n e x t e n s i o n ( 3 ) h a r d w a r ed e s i g n i n gm c ue x p e r i m e n tt l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ew h o l el a y o u t , t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h eg e n e r a lp r e p r o e e s sm c u e x p e r i m e n tm o d u l e ，t e m p e r a t u r e a n ds i g n a lm o d u l a t i o nc i r c u i th d 7 2 7 9 ak e y b o a r di m p o r ta n dl e de x h i b i t i o nc i r c u i t ， r s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n d i s pc o m m u n c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ，d r i v i n gc i r c u i to f i 重庆大学高校教师硕士学位论文 s t e p m o t o r , m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gc i r c u i to fd cm o t o r , p h o t o e l e c t r i cc o u p l i n ga n d r e l a yd r i v i n gc i r c u i t ( 4 ) e x p e r i m e n tc o n t e n t sa n ds o f t w a r ed e s i g n i n g a f t e rt h ea c c o m p l i s h m e n to f f o r m e rw o r k s ，t i m e re x p e r i m e n t ，i oe x p e r i m e n t ，h d 7 2 7 9 ak e y b o a r di n p o r ta n dl e d e x h i b i t i o ne x p e r i m e n t ，s t e p p e rm o t o r , d cm o t o rm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n ge x p e r i m e n t ， a da n dd ac o n v e r s i o n e x p e r i m e n t ，a n dc o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t s ( h o m e a i r - c o n d i t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e m ) a r ed e v e l o p e d i tm a k e ss t u d e n t su n d e r s t a n dt h e f u n c t i o no fe a c hi n s t r u c t i o no fc o m p u t e rp r o c e d u r eb yi n p u t t i n ge x a m p l ep r o g r a ma n d c i r c u l a t i n gi nt h ee x p e r i m e n t c o m b i n i n gc i r c u i tp r i n c i p l e ，s t u d e n tc a nr e v i s et h e p a r a m e t e r so rs t r u c t u r eo fe x a m p l ep r o g r a mi no r d e r t om a s t e rt h ef u n c t i o no fc o m p u t e r i n s t r u c t i o n s ，a n dl e a r nh o wt ow r i t ec o m p u t e rp r o g r a mt oa c c o m p l i s he x p e r i m e n t a l a s s i g n m e n t s ，i n d e p e n d e n t l y t h r o u g ht h eh o m ea i r - c o n d i t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e m e x p e r i m e n t ，i ti sp o s s i b l et om a k es t u d e n t su n d e r s t a n dt h ec o m b i n a t i o no fh a r d w a r e c i r c u i ta n d c o m p u t e rp r o g r a m ，a n dc u l t i v a t et h e i ra b i l i t yo f d e v e l o p i n gm c up r o d u c t s k e yw o r d s ：m i e r o c o n t r o l l e ru n i t ( m c u ) ，e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名绣叛签字日期：护罗年s 月狮 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重鏖盍堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庭太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：李嵌 导师签名： 够至 签字日期：刁年皇月谢日 签字日期：沙7 年r 月) 8 曰 i 绪论 1 绪论 1 1 引言 在工业测控领域，根据计算机技术的结构和特点，主要有工业控制计算机 ( i p c ：i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 、单片机( m c u ：m i c r o e o n t r o l l e r su n i t 或s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ) 和可编程序控制器( p l c ：p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 等三种类型。这三种测控系统都是运用匈牙利数学家冯诺依曼的“程序存储”和 “二进制运算”思想，以计算机技术为核心技术的测控系统。 i p c 自2 0 世纪9 0 年代初进入工业自动化领域以来，势不可挡地获得了广泛 应用，在过程控制、制造自动化及楼宇自动化等方面扮演着重要角色。这主要基 于两方面的原因：一是p c 具有开放性，具有丰富的硬件资源、软件资源和人力资 源：易于与其它信息技术集成，且性价比高，因而得到广大工程技术人员的欢迎。 二是p c 机飞速发展，迅速普及。为此，工控领域的专家、技术人员和厂家自然会 想到把p c 机推向工控大市场，形成可以用于恶劣工业测控环境的i p c 。i p c 主要 用于复杂的工控场合，可单独应用，也可作为单片机和p l c 的上位机使用。 自1 9 7 6 年i n t e l 公司推出了m c s - - 4 8 系列单片机以来，从技术到应用都有了 相当大的发展。大致经历了以下三个阶段。第一阶段是( 1 9 7 6 1 9 7 8 年) 以i n t e l 公司m c s - - 4 8 为代表，这个系列片内集成8 位c p u 、并行f o 口、8 位定时，计数 器，寻址范围不大于4 k b ，无串行口。第二阶段是( 1 9 7 8 1 9 8 2 年) 以i n t e l 公司 m c s - - 5 1 为代表，该系列普遍带有串行i o 口、1 6 位定时计数器、多级中断处理 系统，寻址范围可达6 4 k b ，有串行口。第三阶段是( 1 9 8 2 年至今) ，主要是m c s - - 5 1 系列8 位机巩固发展及1 6 位机推出阶段，以满足不同的用户需要，体现单片 机“好用、够用”，充分发挥内在资源的特点。单片机在智能仪器仪表、机电一体 化产品、工业测控、家用电器等领域有非常广泛的应用 2 - 5 1 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 研制出世界第一台p l c 。它具有编程简 单易学，功能强，性价比高，硬件配套齐全，适应性强，无触点配线，可靠性高， 系统设计、安装、调试工作量少，维修工作量少，体积小，能耗低等特点。在开 关量逻辑控制、运动控制、闭环控制等方面有广泛的应用【6 】。 单片机和i p c 、p l c 比较而言，i p c 、p l c 主要用于工控场合，而单片机不光 在工控场合有着大量应用，还在智能仪器仪表、机电一体化产品、家用电器等领 域有非常广泛的应用。我国的单片机年用量已达l 一3 亿片，且每年以大约1 6 的 速度增长。但相对于世界市场，我国的占有率还不到1 。这不但说明单片机在我 国现在拥有量大，而且随着我国世界加工厂的地位日趋成熟和巩固，单片机市场 重庆大学高校教师硕士学位论文 有着更加广阔的前景。由此培养单片机应用人才，特别是在工程技术人员中普及 单片机知识有着重要的现实意义，因此，几乎在每所学校的机电一体化、自动控 制、计算机、应用电子技术等工科专业中都开设了单片机原理与应用课程。 m c s - - 5 1 系列单片机面世近3 0 年来，技术不断成熟和完善，同时满足成熟和 先进两个条件，市场拥有量快速增长，而且在将来相当长一段时间都将受市场欢 迎，从而成为各个学校单片机教学的首选和主流机型。原因有五：一是改良的功 能，更多的外围器件，具有竞争性的成本。现代8 位单片机性能的改善以及外围 器件的增加已开拓了新的市场机遇，特别是在消费电子和工业控制领域。二是闪 存( f l a s h ) 的影响。闪存的面世和扩张使8 位器件更具灵活往，单片机可在应用产品 的研发、设计和测试过程中被改变，这鼓励了设计工程师尝试不同方法，而无需 担心浪费资源和增加额外的开发成本。三是功效扩散。性价比的提高和诸多通信 标准的统一已经使系统设计人员进一步将精力从“中心( h u b ) ”转移至“节点 ( n o d e ) ”，随着8 位单片机越来越智能化，需要中心存储的功能也越来越少。四 是一些消费和工业应用产品十分重视成本，价格较低的8 位单片机就很有优势。 它们具有可升级性和灵活性，其升级的价格也j 常合理。五是轻松编程，8 位技术 日益普及的另一个因素就是8 位器件易于编程，开发软件也相对便宜，这就能满 足设计工程师要求具有成本效益方案的需求，也就是加快将产品推向终端系统市 场的步伐【7 “1 。 既然8 位单片机在现在和未来相当长一段时间都将占有很大的市场份额，成 为单片机的主流，那么在学校单片机教学中，仍然会以8 位单片机作为经典结构 原理来介绍。单片机原理与应用作为一门实践性很强的课程，必须配备相应的 实验才能取得满意的教学效果。目前很多学校的单片机实验教学都采用专门教学 仪器公司生产的单片机实验平台。这些实验平台虽然有着非常丰富的实验项目， 但这些项目一般都相互独立的，或者说联系不紧密，没有象一个实际应用项目那 样成为一个完整的控制系统，学生学完过后只有一些片面的认识，不能形成系统 的概念，不能有效培养学生开发简单实用的单片机应用系统的能力。 另外，学校教学任务的不断调整，每一门专业课的总学时一般都只有四五十 学时。单片机教学在有限的学时内，至少要用近三十学时来讲授理论，剩下用来 实践教学的就不足二十学时。要在这二十学时内达到良好的教学效果，必须优选 实验项目，把这些实验项目模拟成为一个实际的应用系统【9 - 2 0 l 。 1 2 单片机实验平台的现状 1 2 i 单片机的发展过程、应用现状及发展趋势( 2 i 卅 单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统 2 1 绪论 两个分支。通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其 数据总线的宽度不断增加，从8 位、1 6 位迅速过渡到3 2 位、“位，并且不断提 高运算速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力，在数据处 理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用；单 片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家 用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备及通信产品中，成 为现代电子系统中最重要的智能化工具。 单片机技术的发展迅速，产品种类多。纵观整个单片机技术的发展过程，可 以分为以下三个阶段： ( 1 ) 单芯片微机形成阶段：1 9 7 6 年i n t e l 公司推出m c s 4 8 系列单片机。该 系列单片机内部集成有：8 位c p u 、i k b 程序存储器( r o m ) 、6 4 b 数据存储器 ( r a m ) 、2 7 根i o 线和1 个8 位定时计数器。此阶段的特点是：存储器容量较 小，寻址范围小，无串行接口，指令系统功能不强。 ( 2 ) 性能完善提高阶段：1 9 8 0 年i n t e l 公司推出8 0 c 5 1 系列单片机。该系列 单片机内部集成有：8 位c p u 、4 k b 程序存储器( r o m ) 、1 2 8 b 数据存储器( r a m ) 、 4 个8 位并行接口、1 个全双工串行接口和2 个1 6 位定时计数器。寻址范围为6 4 k ， 并集成有控制功能较强的布尔处理器完成位处理功能。此阶段的特点是：结构体 系完善，性能大大提高，面向控制的特点进一步突出。由于8 0 c 5 1 具有一系列其 他型号8 位单片机难以比拟的优点，成为事实上的单片机工业标准。 ( 3 ) 微控制器化阶段：1 9 8 2 年i n t e l 公司推出m c s 9 6 系列单片机。该系列 单片机内部集成有：1 6 位c p u 、8 k b 程序存储器( r o m ) 、2 5 6 b 数据存储器( r a m ) 、 5 个8 位并行接口、1 个全双工串行接口和2 个1 6 位定时计数器。寻址范围为6 4 k ， 片上还有8 路l o 位a d 转换、1 路p w m ( d a ) 输出及高速部件等。此阶段 的特点是：片内面向测控系统的外围电路增强，使单片机可以方便灵活地应用于 复杂的自动测控系统及设备。 近年来，许多半导体厂商以8 0 c 5 1 系列单片机的8 0 5 1 为内核，将许多测控系 统中的接口技术、可靠性技术及先进的存储器技术和工艺技术集成到单片机中， 生产出多种功能强大、使用灵活的新一代8 0 c 5 1 系列单片机。其近况可以归纳为 以下两个方面。 ( 1 ) 8 0 c 5 1 系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。通用微型计算机速度 的提高，主要体现在c p u 位数的提高( 至6 4 位) ，而单片机注重的是产品的可靠 性、经济性和嵌入性。所以，单片机c p u 位数的提高需求并不十分迫切。多年应 用实践证明，8 0 c 5 1 的系统结构合理，技术成熟。因此，许多单片机芯片生产厂商 倾力于提高8 0 c 5 1 单片机产品的综合功能，从而形成了8 0 c 5 1 的主流产品地位。 3 重庆大学高校教师硕士学位论文 近年来推出的与8 0 c 5 1 兼容的主要产品有： 夺a t m e l 公司融入f l a s h 存储器技术推出的a t 8 9 系列单片机； 夺p h i l i p s 公司推出的8 0 c 5 1 、8 0 c 5 5 2 系列高性能单片机； 夺华邦公司推出的w 7 8 c 5 1 、w 7 7 c 5 1 系列高速低价单片机； 夺a d i 公司推出的a d r t c s x 系列高精度a d 转换单片机； l g 公司推出的g m s 9 0 9 7 系列低压高速单片机； 夺m a x i m 公司推出的d s 8 9 c 4 2 0 高速( 5 0 m i p s ) 单片机； 夺c y g n a l 公司推出的c 8 0 5 1 f 系列高速s o c 单片机等。 ( 2 ) 在8 0 c 5 1 及其兼容产品流行的同时，非8 0 c 5 t 结构单片机产品不断推出， 给用户提供了更为广泛的选择空间。影响比较大的有： 夺i n t e l 公司推出的m c s - - 9 6 系列1 6 位单片机； m i c r o e h i p 公司推出的p i c 系列r i c s 结构单片机； 夺t i 公司推出的m s p 4 3 0 f 系列1 6 位低电压、低功耗单片机； a t m e l 公司推出的a v r 系列i u s c 结构单片机等。 其中a t m e l 公司的a t 8 9 系列单片机由于将f l a s h 技术、看门狗定时器 ( w d t ) 技术、在系统编程( i s p ) 技术及s p i 串行接口技术等有效结合，加上成 功的市场推广，成为目前及将来较长时间单片机的主流芯片。 结合当今通用电子技术和单片机技术的发展方向，单片机有以下几个方面的 趋势： ( 1 ) 8 位单片机仍然是主流机型 由于8 0 c 5 1 单片机具有许多优点，如性能价格比高：世界许多知名厂商加盟， 不断改进完善其功能，并可选择各种功能的兼容芯片；开发装置多；技术人员熟 悉：芯片功能够用等。在未来较长时间内，8 位单片机仍然是主流机型。 ( 2 ) 全盘h c m o s 化趋势 c m o s 工艺很早就己出现，虽具有十分优异的性能，但由于运行速度较慢， 长期被冷落。h c m o s 工艺出现后，h c m o s 器件得到了飞速发展。非h c m o s 单 片机已逐渐淘汰，如今不但单片机，而且与之配套的外围器件都已普遍h c m o s 化。单片机全盘h c m o s 化的显著优点是本质低功耗和低功耗管理技术的飞速发 展。 ( 3 ) 0 t pr o m 伊l a s hr o m 成为r o m 供应主流状态 早期单片机r o m 的供应状态主要是m a s k e dr o m ，e p r o m 和r o m l e s s 三 种形式，m a s k e dr o m 投资大，无法改写：e p r o m 成本高，使用不方便：r o m l e s s 电路结构复杂：三种形式已基本趋于淘汰。目前应用最广泛的是o t pr o m ( o n e t i m ep r o g r a m m a b l er o m ) 和f l a s hr o m 。o t pr o m 可由用户编程，绝大多数单 4 1 绪论 片机可提供o t pr o m ，其价格已逐渐逼近m a s k e dr o m 。f l a s hr o m 则由于可多 次编程改写，在系统开发阶段使用十分方便，且价格低廉，在中小批量应用系统 中广泛使用。目前f l a s hr o m 可靠性尚不及o t pr o m ，但随着f l a s hr o m 技术 的改进，可靠性不断提高，应用前景十分看好。 ( 4 ) 推行串行扩展总线 通用型单片机应用系统大多要扩展一些外围器件。早期的单片机大多采用并 行扩展，f l a s hr o m 和o t pr o m 应用技术的成熟，使得扩展r o m 已无必要。许 多具有并行总线的单片机推出了删去并行总线的非总线型单片机。采用串行接口 虽较并行接口数据传输速度要慢，但随着单片机主振频率的提高，加之一般单片 机应用系统面对对象的有限速度要求，以及串行扩展器件的发展，串行扩展减少 引脚数量、简化系统结构等优点，使得u a r t 、s p i 、i 2 c 、m i e r o w i r e 、1 - w i r e 、2 - w i r e 、 3 w i r e 等串行扩展成为单片机扩展的主流。 ( 5 ) l u s c 体系结构大发展 早期的单片机大多是c i s c 结构体系，指令复杂，指令代码、周期数不统一， 指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。例如8 0 c 5 1 系列单 片机，f o s e = 1 2 m i - i z 时，单周期指令速度为1 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o np e rs e c o n d ) 。 如果采用r i s c 体系结构，指令精简后绝大部分成为单周期指令，而且通过增加中 r o m 的宽度，实现一个地址单元存放一条指令，很容易实行并行流水线操作，结 果是大大提高了指令运行的速度，同样在1 2 m h z 时钟下，单周期指令运行速度可 达1 2 m i p s 。若在相同指令运行速度下，可大大降低时钟频率，从而有利于获得良 好的电磁兼容效果。 ( 6 ) 实现全面低功耗管理 采用c m o si 艺后，单片机具有极佳的本质低功耗和低功耗管理功能，它包 括： 传统的c m o s 单片机低功耗运行方式：休闲方式( i d l e ) 和掉电方式( p o w e r d o w n ) ； 双时钟技术。配置高速( 主时钟) 和低速( 子时钟) 两种时钟系统，在不 需要高速运行时，转入子时钟状态，以降低功耗。或只设一个时钟，通过高速时 钟下分频或低速时钟下倍频技术，控制总线速度，降低功耗。 低电压节能技术。早期的单片机供电电压大多是3 - v ，低电压供电电压 的单片机电源下限已达l 2 v ，最低已有0 8 v 单片机问世。 外围电路的电源管理。对集成在片内的外围电路实行供电管理，外围电路 不运行时关闭电源。 ( 7 ) 根据不同需求发展个性化单片机 重庆大学高校教师硕士学位论文 不同的单片机应用系统对单片机的功能资源有不同的要求，为追求高性价比， 各生产厂商推出了各种个性化的单片机，它包括： r o m 、r a m 大容量化。一般单片机片内r o m 为1 4 k b ，r a m 为6 4 - - 1 2 8 b ， 在需要复杂控制的场合，存储器容量不够，需要扩展。为适应这种领域的要求， 有的单片机以使片内r o m 、r a m 大容量化，目前r o m 最多为6 4 k b ，r a m 最 多为4 k b 。 小容量低价化。与上述r o m 、r a m 大容量化相反，为适应某些家电产品 的要求，小容量低价化的单片机也是发展方向之一。 外围电路内装化。为适应不同需求和真正实行单片化，随着集成技术的发 展，将众多外围器件集成在片内，如a d 、d a 、1 2 c 、p w m ( 脉宽调制) 、h i s h s o ( 高速输入输出) 、w d t 和显示驱动等。 ( 8 ) 大力发展专用型单片机 专用型单片机是专门针对某一类产品系统要求而设计的。使用专用型单片机 可以最大限度的简化系统结构，提高资源利用效率，大批量使用时有可观的经济 效益和可靠性效益。目前市场上智能化电子产品几乎都是专用型单片机。 ( 9 ) 在单片机中嵌入驻机软件 目前单片机只提供了程序空间，没有任何驻机软件。随着片内r o m 空间的扩 大，会有许多空余空间，可以嵌入一些工具软件，大大提高产品的开发效率，提 高单片机的性能。如： 实时操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，在r t o s 支持下， 可实现按任务分配的规范化应用程序设计。 平台软件。可将通用子程序及函数库嵌入，以供应用程序调用。 虚拟外设软件包。用于构成软件模拟外围电路的软件包，可用来设定虚拟 外围的功能电路。 其它用于系统诊断、管理的软件等。 ( 1 0 ) 启动和发展a s m i c 技术 a s m i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cm i c r o c o n t r o l l e ri n t e r g r a t e dc u r c u i t ) 是以单片机为 核心的专用功能集成电路，专用单片机的发展为启动和大力发展a s m i c 技术奠定 了基础，由于基于单片机的系统集成，专用功能集成电路有更好的柔性特性，是 单片机应用系统实现系统集成的重要途径。 1 2 2 国内单片机实验平台的现状及发展趋势 1 4 - 1 7 】 单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，在工业控制、智能仪器仪表、 机电一体化产品、家用电器和分布系统的前端模块等领域获得了极为广泛的应用。 通过应用单片机的下述五大基本技术实现对围设备( 器件) 的模拟量、开关量的 6 l 绪论 采集，按事先编制的程序进行处理，最终通过接口技术实现对外围设备( 器件) 的控制，使其按预期的目的运行： 夺并行或串行的输入输出功能： 数模转换功能； 模数转换功能； 夺键盘及显示功能： 开关量的输入输出功能。 目前，国内单片机教学实验平台种类繁多，总体上分为两类： ( 1 ) 综合型单片机实验平台，典型特征是把全部实验项目集中在一块实验电 路板上。这种单片机综合实验平台的优点是学生进行实验时连接线较少，在时间 上可快速进入实验状态，减少因学生接错连接线和连接线接触不良的情况；缺点 是实验项目基本固定，不易扩展，实验的灵活性较差。如浙江省澉浦恒坚电器设 备厂出品的h j p c - a 型单片机综合实验箱；湖北省单片机实验室开发的腿一 m c s - 5 1 b 型综合单片机实验平台：江苏省启东计算机总厂开发的d i c e - 5 9 8 k 超强 型三合一单片机微机开发实验平台；北京金一倍科技发展有限公司开发的 d p 5 1 p r o 单片机综合仿真实验平台等。 ( 2 ) 模块化单片机实验平台，典型特征是采用积木式结构，由一块主板连接 一块或多块实验板组成。主板是在单片机基本系统的基础上扩展多样化的接口和 总线，具有驱动多个外围接口芯片的能力，提供单片机的基本功能实验。一块实 验板对应1 , - - 3 个扩展实验项目，实验板与主板之间用电缆连接，可以互相通信。 如清华大学科教仪器厂生产的t m d - 1 型模块化单片机实验平台。这种模块化单片 机实验平台的优点有：一是主板可单独或与一块及以上实验板相连，电路简单， 元器件少，容易消化理解，降低了初学的难度；二是实验项目灵活，根据学生专 业和程度可方便地扩展实验，可较好地用在学生的课程实验、毕业设计和电子设 计竞赛等各个不同的实验与实践阶段。缺点是连接电缆经常拔插，易出现接触不 良和连接错误及连接电缆花费时间较多的情况。 专门教学仪器公司生产的单片机实验平台一般存在如下的问题： 功能全面，系统复杂的单片机实验平台对作为学生的初学者来说并不适宜。 虽然有着非常丰富的实验项目，但这些项目一般都是相互独立的，或者说联系不 紧密，没有象一个实际应用项目那样成为一个完整的控制系统，学生学完过后只 有一些片面的认识，不能形成系统的概念，不能有效培养学生开发简单实用的单 片机应用系统的能力。 市场化的单片机实验平台为了最大限度的降低生产成本，往往采用廉价但 相对落后的器件和工艺，不符合电子技术的发展方向，导致学生在学习过程当中 7 重庆丈学高校教师硕士学位论文 不能了解到先进的技术和工艺。如大量使用c t 7 4 l s 系列和4 0 0 0 系列器件，很少 用更加先进的c t 7 4 h c 系列器件；普遍采用像8 2 7 9 、8 2 5 5 等落后甚至淘汰的元件， 很少采用先进的h d 7 2 7 9 a 等元件；大量使用直插式元件，较少采用贴片元件和工 艺。 普遍没有考虑系统在干扰情况下的稳定性。如所有单片机实验平台都有电 机或继电器驱动实验，但几乎所有的单片机实验平台都没有采用光电耦合技术来 隔离电机或继电器对系统的干扰，更没有采取电源隔离技术。 值得一提的是，重庆大学电气工程学院陈曾汉老师针对工业p c 及测控系统进 行了深入的研究，研制了工业p c 实验平台并出版了工业p c 及测控系统教材。 该书以建立系统概念为主题，从具体应用这一角度切入主题，围绕一个小型电站 测控系统这一主线，用风趣的、引人入胜的语言深入浅出的介绍了工业p c 的基本 概念，多种接口板卡的基本结构、工作原理、使用方法及c 语言编程：介绍多任 务实时系统中硬件的设计原则以及如何构成多任务系统。对在工业p c 及测控领域 一无所知的学生来说，学习工业p c 及测控技术是比较困难的。但陈老师研制的工 业p c 实验平台和工业p c 及测控系统教材投入教学实践后，学生普遍反映好 懂易学，取得了成功。 1 3 研究目的及内容 本文研究的目的就是针对市场化的单片机实验平台和学校教学的实际情况， 紧密结合家用空调器控制系统来展开，注重实用性，以应用为出发点，开发一套 在实验的方便性、经济性和实验内容等方面适合电子技术、机电一体化、电气工 程等专业学生进行单片机课程实践教学需要的单片机实验平台。在该实验平台上 围绕家用空调器“简单实用测控系统”为主线的各个基本项目的实践教学，激发 学生对单片机学习和应用的兴趣，让学生掌握单片机的原理和用途，熟悉开发单 片机应用系统的流程和方法，初步具有开发简单的单片机应用系统软硬件的能力， 达到开设单片机课程的教学目的。 本论文的研究内容有： ( 1 ) 调查学生学习单片机原理与应用课程理论教学和实践教学的情况， 研究单片机原理与应用课程的教学( 特别是实践教学) 规律。调查研究现有 的单片机实验平台的特点，分析其成功和不足的地方。 ( 2 ) 总体技术方案设计 总体技术方案的设计在整个设计过程中占有重要地位，一个方案好坏往往决 定了整个项目的成功与否。首先，对单片机原理与应用课程的教学和实验平 台所需要的功能进行研究，提出以家用空调器控制系统为核心的单片机实验平台 8 i 绪论 模型。然后，对市场上现有的单片机实验平台的优缺点进行比较分析，对模型进 行完善。最后，确定总体技术方案，对于系统所需要的一些主要芯片、仿真方式、 编程方式、系统扩展方式等进行了选择。 ( 3 ) 单片机实验平台硬件设计 根据总体技术方案，着重进行包括单片机通用实验模块电路、温度检测与信 号调理电路、h d 7 2 7 9 a 键盘输入和l e d 数码管显示电路、r s 2 3 2 串行通信与i s p 共用接口电路、步进电机驱动电路、直流电机测控电路、光电耦合及继电器驱动 电路等方面的设计、制作与调试。 电路设计中尽量兼顾系统的先进性、经济性和实验的方便性、安全性。通过布 置去耦电容、适当的方式布置数字地和模拟地等措施解决电磁兼容和系统稳定性 的问题。 ( 4 ) 实验项目开发及软件设计 单片机实践教学必须在硬件和软件有效结合的方式下进行，实验项目设置和 程序流程的恰当与否，决定了单片机实践教学能否取得良好的教学效果。本文在 研究单片机教学和硬件调试成功的基础上，针对单片机实践教学中各个层次的要 求，设计了定时器实验、i o 输入输出实验、h d 7 2 7 9 a 键盘输入和l e d 数码管显 示实验、步进电机和直流电机测控实验、a d 转换实验、d a 转换实验和综合实 验( 家用空调控制系统实验) 等项目的实验方式、程序流程图和范例程序，让学 生在实验时输入范例程序运行来理解程序中各指令的作用；结合电路结构和参数， 修改范例程序参数或结构来理解电路原理和掌握程序指令作用和程序的结构；根 据电路原理，重新编制程序完成实验项目所规定的实验任务，达到学会独立编程 的目的；通过家用空调控制系统实验，让学生全面掌握硬件和软件这一有机的整 体，形成单片机应用“系统”的概念，培养开发单片机应用系统的能力 9 2 单片机实验平台的总体设计 2 单片机实验平台的总体设计 在单片机应用系统的设计中，软件、硬件和抗干扰设计是紧密相关、不可分 离的。有时，硬件的任务可由软件来完成；相反，软件的任务有时也可以由硬件 完成。对于软、硬件的交叉部分，则应根据具体情况，选取最佳设计方案，达到 最佳性能价格比。由此，单片机应用系统开发课题确定以后，首先应进行总体设 计，然后再逐步深入进行具体硬、软件设计。 在本章中，主要对本论文的实验体系结构、总体设计思想、实验平台的结构模 型和总体技术解决方案进行了阐述。 2 1 实验体系结构 单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微型计算 机相比，它自身没有开发功能，必须借助开发机( 另一特殊的计算机系统) 来完 成如下任务： ( 1 ) 将汇编语言或c 5 1 等编程语言编写的程序编译成单片机能直接识别和处 理的机器码。 ( 2 ) 帮助排除应用系统的硬件故障和软件错误。 ( 3 ) 将调试完成的程序固化到单片机内部或外部程序存储器中。 本论文的实验体系结构是指在单片机实验中，所采用的开发机的形式和实验平 台与开发机的关系。本论文的实验体系有两种结构： ( 1 ) 如图2 1 所示，用仿真器代替目标单片机进行各种实验，实验时用仿真 器的r s 2 3 2 电缆连接到p c ，仿真头插到实验板的m c u 插座。在p c 机上利用与 仿真器相配的仿真软件进行编辑、汇编和仿真调试。这种方式需要专门的仿真器， 支持与仿真器相配的所有8