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摘要：针对传统单片机实验箱存在的问题，设计开发了具有自动转接连线功能的程控单片机实验系统。本系统由实验电路、控制电路、线路转接电路三大部分组成。实验电路针对用户练习而用，可根据要求，更改或扩展功能单元；控制电路以STC89C52单片机作为主控芯片，由若干独立按键实现功能单元的选择；线路转接电路是由多片CD4052组成的阵列，根据所按下的按键，STC89C52主控芯片给CD4052阵列中的各芯片发出不同的控制信号，使各CD4052连接通道发生改变，从而实现了线路转换的功能，进而使实验电路呈现所选择的功能。该系统可靠性强，具有良好的可扩展性，适合于实验实训教学及应用开发等多种场合。
关键词：单片机；实验系统；控制；电路
本文引用格式：丁雷.程控单片机实验系统的设计与研究[J].教育现代化,2019,6(33):126-129,146.
The Design and research of the Programmable Experiment System
DING Lei
(Binzhou University,College of Aeronautical Engineering,Shandong Binzhou)
Abstract:The design of the programmable MCU experiment system,which has the function of auto-connecting circuit,is to deal with the problems caused by traditional MCU experiment boxes.The system consists of experiment circuit,control units and transformation units.An experiment circuit is used for practice.It is easy to change or extend function units depending on users’requirement.Control units,which use STC89C52 as their core,contain several independent keys.The selected key leads to the final function.Transformation units are composed of a group of CD4052.According to the selected key,control units regulate transformation units to connect circuits automatically,and then the system shows the selected function.The system is high-reliable and extendible.So it can be applied to experiment teaching and technology development.
Key words:MCU;Experiment system;Control;Circuit
一 引言
单片机是单片机微型计算机系统的简称，其本质是在一块芯片上集成了一套微型计算机系统，将其“嵌入”到传统产品中，可以大大提升产品的性能[1]。单片机是计算机技术的一个重要的分支[2]，为了使学生能够掌握相关的技术，全国绝大部分工科院校均有开设“单片机原理与应用”专业必修课[3]。本门课程的前导课程为电路、模拟电子技术、数字电子技术、PROTEL、微机原理与接口技术等[4]。讲述的内容均是51单片机[5]，主要是因为51单片机简单易学，早期我国引入单片机以Intel的MCS-51系列为主[6]。
二 单片机实验存在的问题
传统的单片机教学模式是理论教学和实验教学相结合[7]。实验教学是工科院校人才培养必不可少的一个环节，不仅有助于理论知识的理解和应用，更是在培养学生实践能力和创新能力等方面发挥着巨大的作用[8]。单片机实验的开设主要有两种形式，一是用仿真的形式开展，二是依托于实验箱完成。
利用Protues等仿真软件开展单片机实验成本较低，因为没有额外的硬件电路，都是由仿真软件直接模拟。对于指示灯、数码管、液晶屏等可以有效的实现仿真效果，但是对于复杂的外围电路模块（如无线传输、倾角传感器等）仿真便难以实现。
单片机实验箱主要用于单片机学习、实验或开发，因此单片机是整个系统的核心[9]。实验箱都是具有丰富的外围电路，学生在做实验时，根据实验内容的要求，选择需要的外围电路模块，用导线完成硬件电路连接，编写程序验证实验效果。硬件电路连线时必须非常仔细，否则会出现两种可能的问题：一是非电源类连线错误时，系统实现不了功能，但判断是否是程序原因所致就比较困难；二是电源类连线错误的话，很可能导致芯片或者模块烧坏。
针对以上单片机实验开展时所存在的问题，设计开发了本实验系统。本系统能有效的自动完成线路转接，使用户专注于程序的设计。
三 实验系统的设计
（一）系统总体设计
如图1所示，本实验系统由顶层电路和底层电路两部分组成。顶层电路是面向于用户的实验电路单元，比传统的实验箱电路模块更具有代表性。该部分电路由顶层单片机和各功能单元组成。在线路完成自动连接的前提下，用户只需要编写顶层单片机的程序，便可对各功能单元进行控制。底层电路是用来控制实现系统完成自动连接功能的单元。它由底层控制单片机、线路转接阵列和功能选择按键组成。当功能选择键被按下时，底层单片机会控制线路转接阵列自动完成线路的转换。
（二）底层控制电路设计
图2是底层控制电路的原理图，底层单片机采用的型号是STC89C52，通过对按键输入状态的检测，来实现对线路改变和选中单元显示的控制。如图2所示，底层单片机的P2.0—P2.5引脚分别与6个独立按键Ka—Kf相连，用于选择顶层的功能单元。P0口以及P1口的P1.0—P1.5与线路连接单元相接，根据所按下的功能选择键，自动完成顶层功能单元的线路改接。P1.6、P1.7、P2.6与P3口共同连接了一块1602液晶显示屏，用于向用户显示选中的功能单元。
（三）顶层功能电路设计
顶层单片机是面向用户使用的（如简单易学的51系列单片机），为了便于说明，功能单元设置了6个具有代表性的模块，包括交通灯、电子琴、秒表、智能风扇、流水灯和仓库智能管理系统，在应用时可以根据需要对功能单元继续扩展。
（四）线路转接阵列电路设计
图3所示为线路连接转接阵列的原理图，该部分电路是由多片CD4052组成。它们是系统能够实现线路更改的关键。
1.模拟开关CD4052介绍
CD4052是双四选一模拟开关，每组四选一模拟开关分别有2个二进制控制输入[10]。这两个二进制控制输入信号可选通4对输入通道中的一对通道（X、Y通道分别有四个通道），可连接输入X和Y至输出X_I/O和Y_I/O端[11]。当INH输入端为“1”时，所有通道截止，当INH输入端为“0”时，二位二进制输入信号能选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出[12]。CD4052的真值表如表1所示。
2.线路转换阵列工作过程分析
以CD4052_1—CD4052_4为例分析系统的工作过程。交通灯功能单元中设置了4个二位共阳极数码管，此部分的段信号用a1—dp1表示；电子琴和秒表两个功能单元中均设置了1个四位共阳极数码管，所以两者共用1个四位共阳极数码管，段信号用a2—dp2表示；智能风扇和仓库智能管理系统功能单元都需要用到液晶显示模块，所以设计时让它俩共用同一块1602液晶屏，数据端口用D0—D7表示；
由表2可看出，顶层单片机并行接口P0的8个引脚每个引脚都有四条通路可选择，所以四条通路与CD4052的输出端Xi、Yi相连，CD4052的输出端X和Y连接到顶层单片机的P0引脚上，实现通道选择的数字控制输入端A和B连接到底层单片机的P1.1和P1.0上，如表3所示（其中P0.0_T的T代表顶层单片机，P1.1_B的B代表底层单片机）。当按键Kc被按下时，需要选中的功能单元应该是秒表，底层单片机的P1.1和P1.0会分别输出0和1，即CD4052_1—CD4052_4四片芯片的所有X端与X1通道相连，Y端与Y1通道相连，同时P0.0输出低电平，使四片CD4052处于工作状态，从而控制着顶层单片机的P0口与四位共阳极数码管的段信号a2—dp2连到一起。
当按键Kc按下时，底层单片机通过P1.2—P1.5引脚控制顶层单片机P1口和P2口的通道选通，原理与P0口的控制相同，由此便完成了秒表功能单元的线路连接。按下其他按键会使线路切换成为其他的功能单元，所以用户只需要按下相应的按键，便可以使线路自动的完成连接。
四 实验效果及分析
系统功能实现的核心是CD4052阵列，以CD4052_1为例进行说明。这片CD4052的四路X通道分别连接的交通灯功能单元数码管的段信号b1、秒表功能单元数码管的段信号b2、智能风扇功能单元中液晶显示数据位D1、流水灯功能单元的发光二极管led2；四路Y通道则分别与数码管的段信号a1、秒表功能单元数码管的段信号a2、液晶显示数据位D0、发光二极管led1相连。该CD4052的通道控制效果图如图4所示，其中a图是通道选择信号为01时的波形图，此时选中的是第二路通道（X通道连接数码管段信号b2，Y通道连接数码管段信号a2）；b图是通道选择信号为10时的波形图，此时选中的是第三路通道（X通道连接液晶显示数据位D1，Y通道连接液晶显示数据位D0）。
虽然CD4052各路通道之间会存在串扰问题，但是由于通道间的衰减为40db，所以从图4可以看出，当单通道导通时，其他通道的串扰信号非常微弱，是无法驱动自身通道的电路的，即没有形成回路。由于本系统中不涉及到复杂的高频信号，所以CD4052带来的串扰可以忽略不计。
五结束语
在底层单片机和芯片组CD4052的共同协调作用下，本实验系统可以自动的完成顶层硬件线路的转接，能保证硬件电路的准确性，排除功能实现时硬件方面的问题，将注意力集中在程序的设计与开发上。此外，多路模拟开关CD4052实现的线路连接是双向的，对输入通路和输出通路均适用，所以在该实验系统上只需要挂接相应的功能电路，就可以轻松的实现系统功能的扩展。
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