多模块单片机实验系统设计
设计一种单片机实验系统，针对单片机实验系统的应用要求，采用模块化的设计方法，使得实验系统能够支持多种不同的应用，扩展方便，同时能够与多种实验系统兼容，在日常的教学实验和研发中应用广泛。

标签：单片机实验系统多模块
单片机作为一门实践性很强的专业课程，平时的实验练习不可缺少。

因此作为实验载体的实验系统非常重要。

常规的单片机实验系统，其功能比较单一，与别的实验系统之间也毫无联系，能够完成的实验都是单一的单片机实验。

当前实验室中一般都有多种实验设备，如EDA实验箱、模电实验箱、数电实验箱、信号处理实验箱等。

如何使得单片机实验系统在现有的实验条件下，能够进行更多、更复杂的实验，利用更多的实验设备，多模块实验系统为我们指出了一种设计思路。

针对实验室的条件，设计了一种模块化的单片机实验系统，可以利用现有的多种实验设备，提高单片机实验系统的灵活性和利用率。

其主要模块有电源模块、核心模块、功能模块、下载模块等，下面分别介绍。

1 电源模块
作为单片机实验系统的供电部分，电源模块非常重要，直接关系到系统的稳定，为了便于扩展，同时方便实验，电源模块采用多种方式供电。

利用跳线或者开关进行选择，其电路图如图1所示。

利用外部供电时电源通过J1输入，当电压大于5V时，一般常见的有9V和12V，需要将J2跳线拔掉；当电源为5V时，将跳线闭合，直接供电。

同时实验系统还可以通过USB直接供电，外部供电和USB供电的切换通过开关S1来实现，为了保护电脑，在USB供电中增加了保险丝。

2 CPU模块
CPU模块是单片机实验系统的中心，也即芯片所在的部分，为了能够最大限度的利用实验系统的资源，本核心模块采用锁紧卡座设计，便于芯片的安装与卸载，并且将卡座的40个引脚全部引出，便于进行二次开发。

同时设计了两种不同的复位电路，以适应普通的51单片机和A VR单片机，使得实验系统能够支持两种不同的单片机进行实验。

在设计时，主要通过一个跳线实现不同的复位电平，如图2所示。

可以通过跳帽来选择51单片机的高电平复位和A VR单片机的低电平复位，而芯片本身的引脚差异可以通过一个小转换板子来实现，主要将I/0口对应起来，一些功能引脚进行转换即可，通过这种处理方式，可以在一个实验平台上调试两种不同的单片机系统，大大提高了外设的利用率。

3 功能模块
作为单片机实验系统，主要作用就是用来进行单片机实验，因此功能模块的设计是至关重要的，本实验系统的功能模块主要由两大部分组成:第一部分由能发光，发声，能触摸的组件构成，如LED显示、LCD显示、数码管、蜂鸣器、按键等组成；第二部分由串口、测温芯片、PS2接口、步进电机、继电器、AD/DA 等扩展功能模块组成。

3.1 基本模块
LED显示由8个简单的发光二极管组成，直接由P1口进行控制，电路简单这里就不给出了。

LCD显示除了要能够显示简单的1602液晶外，还需要能够兼容128x64液晶，因此这里利用相同的数據接口，不同的插座来满足这个需要，如图3所示。

数码管采用动态扫描的方式来驱动，其中位选端利用74HC138译码器通过译码实现，段选端利用P0口连接74HC573实现。

按键模块采用键盘矩阵来实现，利用P3口来驱动。

其中P3口的低四位接矩阵的行，P3口的高四位接矩阵的列，可以实现4X4共16个按键的矩阵。

3.2 扩展模块
扩展部分的串口通信通过芯片MAX232来实现，在单片机的RXD和TXD 引脚上连接了两个发光二极管，在进行通信是可以通过观察LED的发光情况来判断通信是否进行，如图4所示。

测温功能利用芯片DS18B20来实现，此芯片连接非常简单，只需要一个引脚就可以控制，如图5所示。

步进电机和继电器的驱动需要较大的电流，直接用单片机的引脚无法驱动，这里采用ULN2003这个芯片，电路连接见图6。

需要注意的是，P0口驱动时，必须接上拉电阻，否则驱动会有问题。

AD/DA采集模块采用PCF8591来实现，PCF8591是一款单电源、低功耗8位COMS型A/D、D/A转换芯片，其正常工作电源电压范围为2.5V~6V；通过I2C总线完成数据的输入/输出；4路模拟量输入可编程为单端输入或差分输入；可配置转换通道号自动增加功能；8位逐次逼近A/D转换；带有一路模拟量输出的乘法D/A转换，限于篇幅电路图就不给出了。

4 下载调试模块
单片机实验过程中，需要不断进行程序调试和下载，为了方便实验，也为了防止下载电缆的丢失和损坏，将下载模块集成到实验系统上。

在实验时只需要一根USB连接线就可以连接到实验系统上进行供电和下载。

下载调试模块利用ATMega8芯片，模拟USB接口可以对常见的AT89S51，AT89S52，以及A VR芯片进行下载。

5 总结
本文设计的单片机实验系统，在日常的实验中，不但可以单独作为单片机实验使用，因为各个模块的独立性，还可以与别的实验系统，如PLD，模电、数电等实验系统进行综合实验，而且每个模块是可以独立分开的，便于后续的开发和修改.经实践证明，该实验系统具有较高的实用价值，在日常的教学和实验中发挥了重要作用。

参考文献：
[1]邹应全，刘建成.模块化单片机实验系统的设计与实现[J].南京信息工程大学学报：自然科学版.2010，2(2):185-189.
[2]陈鉴富.单片机实验系统的研制[J].中国现代教育装备.2008，3:90-92.
[3]李丹峰，龙迎春.单片机应用系统教学实验装置的开发[J].实验室研究与探索.2000，5：84-86.
江苏经贸职业技术学院科研基金资助项目，课题编号2010133.
董李江(1981-)，江苏经贸职业技术学院，工程技术学院，讲师，工学硕士，主要研究方向：单片机及其应用。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。