嵌入式单片机应用技术项目实训系统

技术领域

本发明涉及一种生产性实训教学实训系统，特别涉及一种嵌入式单片机应用技术项目实训系统，属于实训教学技术领域。 

背景技术

随着经济的快速发展和电子信息技术的不断进步，嵌入式单片机技术的应用越来越广泛，已渗透到社会生活方方面面。单片机嵌入到家用电器、工业控制、汽车航天设备、军事装备、智能仪器仪表等各种各类电子产品中。嵌入式单片机应用技术是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便地构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。因此急切需要培养具有设计、开发各种型号的嵌入式单片机系统能力的技能人才，以满足目前社会和企业对单片机技能人才的需求。

以往在单片机教学过程中，单片机课程一般注重指令运用教学，实验设备将各部分实验内容混合在一起，共用一个CPU单元，结构不够清晰，线路交织在一起，相互混绕给学生对嵌入式单片机原理分析、思维结构建立、实验操作带来一定困难，使学生缺少对整个单片机系统电路、软件设计、开发、调试一系列实际过程的技能训练。造成学生掌握单片机应用系统的设计、开发能力有一定的难度。

因此，有必要为嵌入式单片机应用技术课程教学提供更加实用有效的实训设备，紧密结合各种电子产品的生产实际，以满足生产性实训教学需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有设备技术中的上述缺点和不足，提供一种真实模拟单片机最小系统实际设计、开发、调试过程的嵌入式单片机项目化实训教学设备，该实训设备原理明晰、电路简洁、结构直观、功能实用。

本发明的技术方案：嵌入式单片机应用技术项目实训系统，包括一工作台，工作台上集合有计算机、稳压电源、TOP2009编程器和若干个独立存在的实训模块，每个实训模块分别具有供电电路、CPU、与CPU连接的外围功能电路。

所述CPU通过ZIF CPU插座与实训模块的主板连接。

所述实训模块包括七彩流水灯实训模块、交通灯实训模块、电子时钟实训模块、万年历实训模块、电子温度计实训模块、电子音乐实训模块、可燃气体检测报警实训模块、双机通信实训模块、抢答器实训模块、红外报警项目实训模块。

所述七彩流水灯实训模块采用CPU分别与时钟振荡电路、复位电路、八路流水灯、稳压电源电路连接；所述交通灯实训模块采用CPU分别与控制按键电路、时钟电路、复位电路、12个红绿黄灯、通行时间显示电路、稳压电源电路连接；所述电子时钟实训模块采用CPU分别与时间调整电路、振荡电路、复位电路、实时时钟、时分秒显示电路、稳压电源电路连接；所述万年历实训模块采用CPU分别与时间调整电路、振荡电路、复位电路、实时时钟、LCD年月日显示电路、稳压电源电路连接；所述电子温度计实训模块采用CPU分别与温度传感器、振荡电路、复位电路、温度显示电路、稳压电源电路连接；所述电子音乐实训模块采用CPU分别与键盘电路、振荡电路、复位电路、声音输出电路、节奏显示电路、稳压电源电路连接；所述可燃气体检测报警实训模块采用气敏传感器、振荡电路、复位电路、报警电路、稳压电源电路连接；所述双机通信实训模块采用指拨开关与CPU发送机A连接，CPU发送机A与CPU接收机B通讯连接，CPU接收机B与接收显示电路连接；所述抢答器实训模块采用CPU分别与按键电路、振荡电路、复位电路、显示电路、声音输出电路、稳压电源电路连接；所述红外报警项目实训模块采用CPU分别与红外接收电路、红外发射电路、振荡电路、复位电路、声音报警电路、稳压电源电路连接。

所述七彩流水灯实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）程序初始化，设置循环变量及循环模式，即8个流水灯从低位到高位依次点亮函数、8个流水灯从高位到低位依次点亮函数、8个流水灯从两边向中间点亮函数、8个流水灯高4位和低4位灯同位自高向低亮、8个流水灯高4位和低4位灯同位自低向高亮、、8个流水灯全亮、、8个流水灯全灭；（2）设置循环次数；（3）调用延时程序检测循环模式并设置每个灯点亮延时时间；（4）调用其中一个循环模式；（5）判断循环次数是否满意，如果满意则跳转到初始状态，如果不满意则跳转到步骤（2）设置循环次数。

所述交通灯实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）程序初始化，设置口地址；（2）设置定时器；（3）设置东西红灯亮、南北绿灯亮，延时60S；（4）设置东西红灯亮，南北黄灯亮，延时5S；（5）设置东西绿灯亮、南北红灯亮，延时40S；（6）设置东西黄灯亮，南北红灯亮，延时5S。

所述电子时钟实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）端口及时钟芯片初始化，设置定时器T0；（2）扫描键盘，判断是否为1。如果为1则进行时钟调整，否则继续扫描键盘。直到为1进入时钟调整。判断是否为2，如果为2则年/时加1，如果不为2则判断是否为3，如果为3则月/分加1，如果不为3则判断是否为4，如果为4则日/秒加1，重新输入时钟芯片格式化时间，如果不为4则重新进入键盘扫描程序；（3）数码管显示当前时间，并设置年月日和时分秒定时交替显示。

所述万年历实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）LCD及时钟芯片初始化，设置定时器；（2）扫描键盘，判断是否为1。如果为1则进行时钟调整，否则继续扫描键盘。直到为1进入时钟调整。判断是否为2，如果为2则年/时加1，如果不为2则判断是否为3，如果为3则月/分加1，如果不为3则判断是否为4，如果为4则日/秒加1，重新输入时钟芯片格式化时间，如果不为4则重新进入键盘扫描程序；（3）液晶显示当前时间，第一行显示年、月、日、星期，第二行显示时、分、秒。

所述电子温度计实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）端口及温度传感器初始化；（2）判断温度传感器初始化是否成功，如果成功则读取温度传感器数据，如果不成功则返回继续初始化；（3）启动温度转换；（4）温度显示；（5）将当前显示温度与预设值进行比较，超出阈值则报警红灯亮，未超出阈值则绿灯亮。

所述电子音乐实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）系统初始化；（2）判断是否有键盘中断，如果有键盘中断则识别按键功能并读键值，如果没有中断则返回重新判断；（3）根据按键功能，装入音符计数初值到定时器/计数器T0 /T1中；（4）启动T0/T1工作，判断按键是否释放，如果释放则停止T0/T1工作，如果没有释放则返回继续判断按键是否释放。

所述可燃气体检测报警实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）系统初始化；（2）判断是否有键盘中断，如果有键盘中断则进行参数设置，如果没有键盘中断则开始检测可燃气体浓度；（3）将当前可燃气体浓度与预设值进行比较，超出阈值则声光报警，未超出阈值则绿色工作灯亮。

所述双机通信实训模块在设计软件时，甲机采用以下步骤：（1）系统初始化，设置波特率；（2）判断是否有数据，如果有数据则将要发送的数据保存，如果没有数据则返回重新判断；（3）发送呼叫信号06，等待乙机回答，判断是否是00H，如果是则开始发送字节，如果不是则返回重新判断是否是00H；（4）读取要显示的数据并发送；（5）判断字节是否发送完毕，如果未发送完毕则返回步骤（4）读取要显示的数据并发送，如果发送完毕则发送校验和，并等待乙机应答，如果传送正确则返回系统初始状态，如果传送不正确则返回步骤（3）；乙机采用以下步骤：（1）系统初始化，设置波特率；（2）接收呼叫信号，判断是否是呼叫信号06，如果不是则向甲机回送15H，如果是则向甲机回送00H；（3）接收数据并保存，判断数据是否接收完，如果未接收完则返回重新判断，如果接收完则接收累加校验和；（4）如果数据传送正确，乙机向甲机回送0FH，如果数据传送错误，乙机向甲机回送F0H。

所述抢答器实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）系统初始化设置；（2）判断是否允许抢答，如果允许则开外部中断0，如果不允许则返回重新判断。

所述红外报警项目实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）系统初始化设置；（2）延时；（3）判断红外探测器VR1是否接收到，如果VR1未接收到则报警，如果VR1接收到则继续判断VR2是否接收到，如果VR2未接收到则报警，如果VR2接收到则继续判断VR3是否接收到，如果VR3未接收到则报警，如果VR3接收到则返回到步骤（3）。

嵌入式单片机应用技术项目实训系统的使用方法，包括以下步骤：

（1）根据所作项目选择相应的实训模块；

（2）根据各项目硬件结构，确认采用的所有部件，所有部件包括CPU的型号及其外围部件；

（3）使用连接导线将CPU及其外围部件连接起来，连接时导线一端插入CPU相应输出端口，导线另一端插入相应部件端口，并检查确认电路准确无误；

（4）根据项目的要求和已经设计好的硬件电路，在计算机上编写程序，编译调试后存盘；

（5）将CPU插入编程器上CPU插座，将编制好的程序烧录到CPU中；

（6）最后将烧录好的CPU芯片装入实训模块的ZIF CPU插座上锁好，上电运行。 

本发明的有益效果：本系统由若干个实训模块组成，各实训模块都是一个完全独立的系统，自成一体，这样不仅减少了各部件的相互混绕，使各部件连接、信息传递清晰，而且整个电路简洁，易于分析和理解。

由于各实训模块均由CPU、输入输出等部件构成，因此每一个实训模块都能实现相应的项目功能，并且可以开发出相应的电子产品，各项目来自工程案例，具有典型明确的实用功能。

本系统以项目为导向，从实现项目功能分析出发贴近实际开发过程，通过各项目中的功能方案论证、硬件设计、软件编写及调试的单片机系统开发过程训练，使学生完整掌握单片机开发技能。

本系统采用片内flash RoM，减少外存储器扩展电路，提高编程调试的灵活性。

本发明首创项目化单体式单片机实训设备系统，项目典型实用，电路优化，降低了嵌入式单片机应用技术课程讲授和学习的难度，为产品开发式实训创造了条件，开辟了提高学生技能训练的新途径。

附图说明

图1是本发明的主体结构示意图。

图2为本发明模块盒结构示意图一。

图3为本发明模块盒结构示意图二。

图4为本发明七彩流水灯模块原理框图。

图5为本发明七彩流水灯模块程序流程图。

图6为本发明交通灯模块原理框图。

图7为本发明交通灯模块程序流程图。

图8为本发明电子时钟实训模块原理框图。

图9为本发明电子时钟实训模块程序流程图。

图10为本发明万年历实训模块原理框图。

图11为本发明万年历实训模块程序流程图。

图12为本发明电子温度计实训模块原理框图。

图13为本发明电子温度计实训模块程序流程图。

图14为本发明电子音乐实训模块原理框图。

图15为本发明电子音乐实训模块程序流程图。

图16为本发明可燃气体检测报警实训模块原理框图。

图17为本发明可燃气体检测报警实训模块程序流程图。

图18为本发明双机通信实训模块原理框图。

图19为本发明双机通信实训模块程序流程图。

图20为本发明抢答器实训模块原理框图。

图21为本发明抢答器实训模块程序流程图。

图22为本发明红外报警项目实训模块原理框图。

图23为本发明红外报警项目实训模块程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，嵌入式单片机应用技术项目实训系统，包括一工作台，工作台上集合有计算机、稳压电源、TOP2009编程器和若干个独立存在的实训模块，每个实训模块分别具有供电电路、CPU、与CPU连接的外围功能电路。所述CPU通过ZIF CPU插座与实训模块的主板连接。

所述实训模块包括七彩流水灯实训模块、交通灯实训模块、电子时钟实训模块、万年历实训模块、电子温度计实训模块、电子音乐实训模块、可燃气体检测报警实训模块、双机通信实训模块、抢答器实训模块、红外报警项目实训模块。

如图4所示，所述七彩流水灯实训模块采用CPU分别与时钟振荡电路、复位电路、八路流水灯、稳压电源电路连接。

如图5所示，所述七彩流水灯实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）程序初始化，设置循环变量及循环模式，即8个流水灯从低位到高位依次点亮函数、8个流水灯从高位到低位依次点亮函数、8个流水灯从两边向中间点亮函数、8个流水灯高4位和低4位灯同位自高向低亮、8个流水灯高4位和低4位灯同位自低向高亮、、8个流水灯全亮、、8个流水灯全灭；（2）设置循环次数；（3）调用延时程序检测循环模式并设置每个灯点亮延时时间；（4）调用其中一个循环模式；（5）判断循环次数是否满意，如果满意则跳转到初始状态，如果不满意则跳转到步骤（2）设置循环次数。

七彩流水灯实训模块在工作时，由软件控制8只七彩发光二极管轮流闪烁，从第一个开始，每次点亮一只发光管，并延时一段时间，依次循环不止，模拟流水灯过程。共设计8个七彩发光二极管从低位到高位亮、从高位到低位亮、两边向中间亮、高4位和低4位同位自高向低亮、高4位和低4位同位自低向高亮、全亮、全灭等多种模式点亮8个七彩发光二极管。

如图6所示，所述交通灯实训模块采用CPU分别与控制按键电路、时钟电路、复位电路、12个红绿黄灯、通行时间显示电路、稳压电源电路连接。

如图7所示，所述交通灯实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）程序初始化，设置口地址；（2）设置定时器；（3）设置东西红灯亮、南北绿灯亮，延时60S；（4）设置东西红灯亮，南北黄灯亮，延时5S；（5）设置东西绿灯亮、南北红灯亮，延时40S；（6）设置东西黄灯亮，南北红灯亮，延时5S。

交通灯实训模块在工作时，控制东、西、南、北两个方向交通，用红、绿、黄三种颜色12个发光二极管实现。用4个2位LED数码管分别显示东、西、南、北方向通行时间LED数码管减1计数显示。可控交通显示，用按键控制让急救车、消防车优先通行，即按下相应键后，东、西、南、北方向均为红灯，让急救车或消防车通行，实现控制功能。

如图8所示，所述电子时钟实训模块采用CPU分别与时间调整电路、振荡电路、复位电路、实时时钟、时分秒显示电路、稳压电源电路连接。

如图9所示，所述电子时钟实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）端口及时钟芯片初始化，设置定时器T0；（2）扫描键盘，判断是否为1，如果为1则进行时钟调整，否则继续扫描键盘。直到为1进入时钟调整。判断是否为2，如果为2则年/时加1，如果不为2则判断是否为3，如果为3则月/分加1，如果不为3则判断是否为4，如果为4则日/秒加1，重新输入时钟芯片格式化时间，如果不为4则重新进入键盘扫描程序；（3）数码管显示当前时间，并设置年月日和时分秒定时交替显示。

如图10所示，所述万年历实训模块采用CPU分别与时间调整电路、振荡电路、复位电路、实时时钟、LCD年月日显示电路、稳压电源电路连接。

如图11所示，所述万年历实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）LCD及时钟芯片初始化，设置定时器；（2）扫描键盘，判断是否为1，如果为1则进行时钟调整，否则继续扫描键盘，直到为1进入时钟调整，判断是否为2，如果为2则年/时加1，如果不为2则判断是否为3，如果为3则月/分加1，如果不为3则判断是否为4，如果为4则日/秒加1，重新输入时钟芯片格式化时间，如果不为4则重新进入键盘扫描程序；（3）液晶显示当前时间，第一行显示年、月、日、星期，第二行显示时、分、秒。

如图12所示，所述电子温度计实训模块采用CPU分别与温度传感器、振荡电路、复位电路、温度显示电路、稳压电源电路连接。

如图13所示，所述电子温度计实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）端口及温度传感器初始化；（2）判断温度传感器初始化是否成功，如果成功则读取温度传感器数据，如果不成功则返回继续初始化；（3）启动温度转换；（4）温度显示；（5）将当前显示温度与预设值进行比较，超出阈值则报警红灯亮，未超出阈值则绿灯亮。

如图14所示，所述电子音乐实训模块采用CPU分别与键盘电路、振荡电路、复位电路、声音输出电路、节奏显示电路、稳压电源电路连接。

如图15所示，所述电子音乐实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）系统初始化；（2）判断是否有键盘中断，如果有键盘中断则识别按键功能并读键值，如果没有中断则返回重新判断；（3）根据按键功能，装入音符计数初值到定时器/计数器T0/T1中；（4）启动T0/T1工作，判断按键是否释放，如果释放则停止T0/T1工作，如果没有释放则返回继续判断按键是否释放。

电子音乐实训模块在工作时，按相应键则播放相应歌曲音乐。发光二极管节奏显示。音乐演奏，扩展一个4×4键盘并分别定义为不同音符，当按下某个键时发出相应音符，实现演奏功能。

如图16所示，所述可燃气体检测报警实训模块采用气敏传感器、振荡电路、复位电路、报警电路、稳压电源电路连接。

如图17所示，所述可燃气体检测报警实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）系统初始化；（2）判断是否有键盘中断，如果有键盘中断则进行参数设置，如果没有键盘中断则开始检测可燃气体浓度；（3）将当前可燃气体浓度与预设值进行比较，超出阈值则声光报警，未超出阈值则绿色工作灯亮。

如图18所示，所述双机通信实训模块采用指拨开关与CPU发送机A连接，CPU发送机A与CPU接收机B通讯连接，CPU接收机B与接收显示电路连接。

如图19所示，所述双机通信实训模块在设计软件时，甲机采用以下步骤：（1）系统初始化，设置波特率；（2）判断是否有数据，如果有数据则将要发送的数据保存，如果没有数据则返回重新判断；（3）发送呼叫信号06，等待乙机回答，判断是否是00H，如果是则开始发送字节，如果不是则返回重新判断是否是00H；（4）读取要显示的数据并发送；（5）判断字节是否发送完毕，如果未发送完毕则返回步骤（4）读取要显示的数据并发送，如果发送完毕则发送校验和，并等待乙机应答，如果传送正确则返回系统初始状态，如果传送不正确则返回步骤（3）；乙机采用以下步骤：（1）系统初始化，设置波特率；（2）接收呼叫信号，判断是否是呼叫信号06，如果不是则向甲机回送15H，如果是则向甲机回送00H；（3）接收数据并保存，判断数据是否接收完，如果未接收完则返回重新判断，如果接收完则接收累加校验和；（4）如果数据传送正确，乙机向甲机回送0FH，如果数据传送错误，乙机向甲机回送F0H。

双机通信实训模块在工作时，将单片机A作为发送方并设置8位指拨开关。单片机B为接受方，并连接8个发光二极管，编程实现，当单片机A按下一个按键，单片机B中对应二极管发光。

如图20所示，所述抢答器实训模块采用CPU分别与按键电路、振荡电路、复位电路、显示电路、声音输出电路、稳压电源电路连接。

如图21所示，所述抢答器实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）系统初始化设置；（2）判断是否允许抢答，如果允许则开外部中断0，如果不允许则返回重新判断。

如图22所示，所述红外报警项目实训模块采用CPU分别与红外接收电路、红外发射电路、振荡电路、复位电路、声音报警电路、稳压电源电路连接。

如图23所示，所述红外报警项目实训模块在设计软件时采用以下步骤：（1）系统初始化设置；（2）延时；（3）判断红外探测器VR1是否接收到，如果VR1未接收到则报警，如果VR1接收到则继续判断VR2是否接收到，如果VR2未接收到则报警，如果VR2接收到则继续判断VR3是否接收到，如果VR3未接收到则报警，如果VR3接收到则返回到步骤（3）。

本系统提供供电电源模块（与其他项目模块组合使用）或者使用稳压电源（放在实验台面上），将电源12V，正极、地通过连接线接到实训模块相应电源上，经稳压电路输出+5V电压。

本发明各个实训模块独立、自成一体，使用时根据所作项目选择相应实训模块。

嵌入式单片机应用技术项目实训系统的使用方法，包括以下步骤：

（1）根据所作项目选择相应的实训模块；

（2）根据各项目硬件结构，确认采用的所有部件，所有部件包括CPU的型号及其外围部件；

（3）使用连接导线将CPU及其外围部件连接起来，连接时导线一端插入CPU相应输出端口，导线另一端插入相应部件端口，并检查确认电路准确无误；

（4）根据项目的要求和已经设计好的硬件电路，在计算机上编写程序，编译调试后存盘；

（5）将CPU插入编程器上CPU插座，将编制好的程序烧录到CPU中；

（6）最后将烧录好的CPU芯片装入实训模块的ZIF CPU插座上锁好，上电运行。