專利名稱：一種pic單片機實驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種PIC單片機開發(fā)系統(tǒng)設計技術，具體地說，是指一種PIC單片機實驗系統(tǒng)。
背景技術：
PIC單片機(Peripheral Interface Controller)是一種用來開發(fā)的去控制外圍設備的集成電路(IC)。一種具有分散作用(多任務)功能的CPU(中央處理器)。
PIC單片機的應用和開發(fā)和傳統(tǒng)的MCS-51系列單片機相比還處于起步階段，PIC單片機開發(fā)實驗系統(tǒng)功能還不夠完善，特別是在PIC單片機實驗的教學中，往往使學生處于更多的模仿、按部就班和驗證性實驗等被動型性實驗的情況，往往被動實驗，導致留給學生設計和創(chuàng)新的空間和內(nèi)容比較有限。
因此，如何通過一種新型的PIC單片機實驗系統(tǒng)來改變PIC單片機實驗的教學形式，變模仿、按部就班，從驗證性實驗到創(chuàng)新自主化，也即從驗證性實驗內(nèi)容到開發(fā)性和設計性自由組合，以提高學生實驗的參與度和實驗興趣，培養(yǎng)學生獨立設計能力和應用開發(fā)技能的提高，是本申請人致力研究的內(nèi)容之一。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型旨在提供一種可以適應從PIC單片機基本驗證性實驗到開發(fā)拓展性、系統(tǒng)性實驗，為學生開發(fā)應用和創(chuàng)新設計提供了一個多功能的實驗平臺，實現(xiàn)在線程序設計和功能調(diào)試的PIC單片機實驗系統(tǒng)。
本實用新型所提供的一種PIC單片機實驗系統(tǒng)，包括PIC單片機、與所述PIC單片機相連的顯示模塊、鍵盤模塊，其特征在于它還包括與所述PIC單片機相連的電動機演示模塊、總線式數(shù)字溫度傳感器模塊、串行(同步/異步)通信模塊和數(shù)據(jù)存儲器模塊，其中電動機演示模塊，其包括電動機及與之相連的驅(qū)動回路，用于實現(xiàn)電動機的正常運行、正反轉運行和PWM調(diào)速；總線式數(shù)字溫度傳感器模塊，其配置分辨率可編程的一線總線式數(shù)字溫度傳感器，用于采集環(huán)境溫度，形成一具有較高精度的溫度檢測儀；串行通信模塊，其組合有串行同步和異步通信模塊，用于實現(xiàn)與計算機串行口的直接通信；數(shù)據(jù)存儲器模塊，其包括可以通過并行方式外擴展的數(shù)據(jù)存儲器，用于數(shù)據(jù)的快速存取。
在上述的PIC單片機實驗系統(tǒng)中，顯示模塊包括若干種分別連接在所述PIC單片機上組合形成的顯示模塊。
在上述的PIC單片機實驗系統(tǒng)中，若干種組合形成的顯示模塊包括若干個LED發(fā)光二極管、若干位八段數(shù)碼靜態(tài)顯示器、若干位八段數(shù)碼動態(tài)顯示器、LCD液晶顯示屏、點陣模塊。
在上述的PIC單片機實驗系統(tǒng)中，鍵盤模塊包括若干種分別連接在所述PIC單片機上組合形成的鍵盤。
在上述的PIC單片機實驗系統(tǒng)中，組合形成的鍵盤包括組成矩陣式實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入和進行功能鍵定義的16鍵鍵盤功能鍵；可根據(jù)系統(tǒng)設計的需要進行臨時定義為控制功能鍵的四鍵盤。
在上述的PIC單片機實驗系統(tǒng)中，串行通信模塊是通過RS-232方式實現(xiàn)與計算機串行口的直接通信。
由于采用了上述的技術解決方案，即在包括PIC單片機內(nèi)核控制開發(fā)實驗系統(tǒng)之上，采用面向?qū)ο笫浇鉀Q方案，以開放型的實驗理念，一方面各類工程技術人員可以非常輕松地構成各類實際應用系統(tǒng)，根據(jù)自己設計的線路，采用簡單的接插連接方式，能夠形成獨特而又個性化的設計方案，無須再進行制版加工、線路焊接和排除故障之苦；另一方面學習人員能夠主動地參與整個實驗過程，并把更多的時間和聰明才智，用于系統(tǒng)的設計和軟件開發(fā)，將極大地提高工作效率。因此，本實用新型為教學提供一個可用于單片機教學實驗的選擇方案、實現(xiàn)在線程序設計和功能調(diào)試的PIC單片機實驗系統(tǒng)。


圖1是本實用新型PIC單片機實驗系統(tǒng)的結構示意圖框圖；圖2是本實用新型中顯示模塊之一，8個LED發(fā)光二極管連接線路的示意圖；圖3是本實用新型中顯示模塊之二，8位八段數(shù)碼靜態(tài)顯示器接線方式示意圖。
圖4是本實用新型中顯示模塊之三，3位八段數(shù)碼動態(tài)顯示器接線方式示意圖；圖5是本實用新型中顯示模塊之四，點陣模塊連接線路示意圖；圖6是本實用新型中鍵盤模塊之一，矩陣組合鍵盤連接線路示意圖；圖7是本實用新型中鍵盤模塊之二，獨立式鍵盤連接線路示意圖；圖8是本實用新型中電動機演示模塊連接線路示意圖；圖9是本實用新型中總線式數(shù)字溫度傳感器模塊的連接線路示意圖；圖10是本實用新型中數(shù)據(jù)存儲器模塊之一，并行擴展數(shù)據(jù)存儲器連接線路示意圖；圖11是本實用新型中數(shù)據(jù)存儲器模塊之二，串行擴展數(shù)據(jù)存儲器連接線路示意圖。
具體實施方式
本實用新型PIC單片機實驗系統(tǒng)的總體思想是構建一個開發(fā)型實驗環(huán)境，采用模塊式框架，使學生能夠主動地參與整個實驗過程，包括既能這樣PIC單片機初級課程的基本實驗開發(fā)內(nèi)容，又能實施PIC單片機高級課程的綜合性的實驗開發(fā)系統(tǒng)，為學生留有充分發(fā)揮的余地和創(chuàng)新的技術空間。
如圖1所示，本實用新型PIC單片機實驗系統(tǒng)包括PIC單片機7、與所述PIC單片機7相連的顯示模塊1、鍵盤模塊2、電動機演示模塊3、總線式數(shù)字溫度傳感器模塊4、串行(同步/異步)通信模塊5和數(shù)據(jù)存儲器模塊6。
本實用新型分為兩個部分，即基本實驗部分和拓展實驗部分。
一、為了能夠完成PIC單片機基本指令系統(tǒng)的實驗，本實用新型組合有基本的顯示和鍵盤功能模塊，通過這些模塊，完成基本常規(guī)的驗證性實驗范例。
1.顯示模塊實驗系統(tǒng)組合有多種顯示模塊，包括8位LED發(fā)光二極管、8位數(shù)碼八段顯示器(靜態(tài)顯示)、2位數(shù)碼八段顯示器(動態(tài)顯示)、LCD液晶顯示屏(16字符)、8×8點陣等。
1)如圖2所示，8位LED發(fā)光二極管通過一接線器11連接至PIC單片機(型號為PIC16F877)7，其一般可用于基本指令程序的調(diào)試或特殊功能模塊調(diào)試的信息輸出窗口，間接觀察和評估應用程序的運行情況。本模塊由8個常規(guī)的LED發(fā)光二極管組成，并將這8個LED發(fā)光二極管連接成為開放型正邏輯點亮工作方式。
8個LED發(fā)光二極管模塊，在學習PIC單片機軟件指令的調(diào)試和功能分析的初期具有較廣泛的應用價值?？梢愿鶕?jù)教學進度，承擔一些基本的實驗內(nèi)容，包括自動和手動計數(shù)顯示、高低4位交變顯示、單燈流動顯示和跑馬燈顯示等。
2)如圖3所示，8位八段數(shù)碼靜態(tài)顯示器適用于一般的應用場合，目的是為了解放和節(jié)約單片機CPU的工作時間。有多種方法可以構成靜態(tài)多位八段數(shù)碼顯示器，數(shù)據(jù)信息的傳送可以通過SPI(串行外圍接口)串行通信經(jīng)過型號為74LS164的芯片移位實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步驅(qū)動。這種選擇方案的優(yōu)勢在于數(shù)碼的數(shù)字顯示是靜態(tài)驅(qū)動，當其數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變化時就不必進行數(shù)據(jù)信息的刷新，可以有效節(jié)約計算機的工作周期，在實時控制中有很強的優(yōu)勢。
3)如圖4所示，3位八段數(shù)碼動態(tài)顯示器，數(shù)據(jù)信息通過位控制選擇方式進行驅(qū)動。采用這種選擇方案的優(yōu)點在于數(shù)碼顯示的驅(qū)動元器件比較簡單，但數(shù)據(jù)即使沒有發(fā)生變化也必須進行數(shù)據(jù)信息的動態(tài)循環(huán)刷新。
4)LCD液晶顯示器采用通用YEJHD161A系列1×16字符產(chǎn)品，字符點陣5×8，驅(qū)動方式1/16D，帶LED背光源。
5)如圖5所示，8×8的點陣模塊，點陣模塊的內(nèi)部結構非常簡單，主要采用行列平行線布局方式，在行列線交錯處嵌入一個LED發(fā)光三極管。
點陣模塊的驅(qū)動實際上就是一個動態(tài)字符內(nèi)容顯示的掃描過程，可以采用行或列進行循環(huán)掃描，字符所對應的數(shù)據(jù)編碼與行、列掃描方式有關(每個字符都有8個字節(jié)的數(shù)據(jù)量)。
2.鍵盤模塊作為人機對話的主體，鍵盤是一個實驗系統(tǒng)或者應用開發(fā)系統(tǒng)中最為常見的部件。一般鍵盤均可以構成2類模式一種是矩陣組合式鍵盤，常用可選4×4或2×8等，投入的I/O接口線較少而可以設置較多的鍵盤；另一種是獨立式鍵盤，接口線的數(shù)量與鍵盤數(shù)相等。
如圖6所示，矩陣組合鍵盤是在應用系統(tǒng)中使用比較廣泛，常用作為數(shù)字鍵和功能鍵，在具體的實驗中，既可以定義為常規(guī)0～F數(shù)字鍵，又可以根據(jù)用戶的特殊需要定義為部分數(shù)字鍵和部分功能鍵。內(nèi)部連線結構和簡易點陣顯示模塊基本類似，也是采用行列平行線布局方式，在行列線交錯處嵌入一個按鍵，如圖6所示。
獨立式鍵盤的使用比較隨意，一般作為某種信號的輸入或功能的設定。本實用新型配置有4個此類的按鍵，各鍵的線路連接方式如圖7所示。獨立式鍵盤工作電平的設置是這樣的按鍵處于正常狀態(tài)下，外引出接線柱為低電平，當按下鍵盤后，外引出接線柱為高電平。正是通過判斷接線柱的電平狀態(tài)，可以很方便獲得按鍵的工作情況。
二、為了能夠完成PIC單片機功能性實驗和外圍擴展性實驗，本實用新型根據(jù)PIC單片機的實驗需求，組合有多種功能性模塊，通過這些模塊，能夠構建和完成許多綜合性、設計性和應用性的實驗范例。
1.電動機演示模塊電動機演示模塊是一個可進行正反向運轉的小型直流電動，驅(qū)動工作電壓9V，直接來源于整流初級電壓。這個模塊主要是配合PWM調(diào)制方式，它是PIC16F877單片機內(nèi)嵌的一個非常重要的CCP(捕捉、比較和脈寬調(diào)制)功能，可應用于很多控制應用領域。PWM調(diào)制就是通過調(diào)整輸出脈沖信號的占空比，實現(xiàn)對電動機等進行速度調(diào)整和變化，一般輸出脈沖信號的占空比(正脈寬)越大，電動機運轉速度越快。本實用新型帶有一個小電動機，通過一個繼電器控制可以實現(xiàn)電動機的正反向運轉，控制電路如圖8所示。
2.總線式數(shù)字溫度傳感器模塊總線式數(shù)字溫度傳感器模塊采用美國DALLAS公司最新推出的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，將地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合為一根雙向傳輸數(shù)據(jù)的信號線，允許在這根信號線上掛接多個DS18B20芯片。這種新穎的傳感器能夠根據(jù)實際要求，通過簡單的編程方法進行初始化，能夠在一秒不到的時間內(nèi)將溫度值轉化9位至12位的數(shù)字量。DS18B20具有較為寬廣的線性溫度測量范圍-55℃～+125℃，并且在-10～+85℃范圍內(nèi)測量精度為±0.5℃，分辨率0.0625℃。另外，DS18B20具有非易失性上、下限溫度報警功能，用戶只需在初始化程序中設置高溫、低溫報警溫度掉電不丟失方式。
DS18B20采用DALLAS公司特有的一線總線通信協(xié)議(類似于I2C通信)，只用一條數(shù)據(jù)線就能夠?qū)崿F(xiàn)與CPU的通信和數(shù)據(jù)傳送。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，各自攜帶地址信息，大大減少了系統(tǒng)的電纜數(shù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。每只DS18B20都可以設置成兩種供電方式，即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式，采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導線，但完成溫度測量的時間較長；采取外部供電方式則多用一根導線，但測量速度較快。以上特點使DS18B20非常適合于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng)中。如環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。對應與傳統(tǒng)概念，這一粒三極管一樣的傳感器相當于傳統(tǒng)的溫度傳感器+數(shù)字化+CPU+總線協(xié)議及接口。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便，而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。
DS18B20有兩種供電方式寄生電源模式和外部電源模式。外部電源模式下的應用，硬件電路如圖9所示。
3.數(shù)據(jù)存儲器模塊本實用新型擴展有2類64KB數(shù)據(jù)存儲器，一種是采用并行方式存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲器HM628128，另一種是采用串行方式存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲器24LS515。這2種數(shù)據(jù)傳送方式正好是系統(tǒng)內(nèi)部2類數(shù)據(jù)總線方式信息傳送的主要手段。
1)并行方式外擴存儲器對外界并行方式一次同步8位存取數(shù)據(jù)是快速數(shù)據(jù)處理的關鍵，但當處理數(shù)據(jù)訪問的單元超過一定的范圍后，所需提供的地址總線數(shù)量就比較多，如64K數(shù)據(jù)存儲器HM628128地址總線可達17根。如何提供這17根地址線呢？一般可采用I/O直接驅(qū)動方式、地址鎖存的方式或SPI通信方式。I/O直接驅(qū)動最為簡單快速，將單片機的17根接口線直接與HM628128地址總線相連，但在一般的單片機系統(tǒng)中是很難提供這么多的I/O線；第2種方案需要地址鎖存和控制切換，對硬件的要求較高并將需要用到10根以上I/O線，這在某些條件下有一定的困難；SPI通信方式相對比較簡單，一般只需要一根時鐘線SCL和一根數(shù)據(jù)線SDA就可進行傳送，但生存地址線會產(chǎn)生一定的時間延遲，對于常規(guī)的應用場合不會有什么問題，但在個別應用系統(tǒng)如語音識別處理中就顯得慢了些。YB03-1實驗系統(tǒng)就是運用SPI通信方式，通過3塊74LS164組成的移位電路構成所需的17根地址線，如圖10所示。
2)串行方式外擴存儲器串行方式擴展存儲器是采用一種基于I2C通信方式進行數(shù)據(jù)傳送的器件，線路連接相對于并行方式要簡單得多，特別方便于同類器件的連接或擴展。根據(jù)I2C通信協(xié)議，采用三位器件識別A2、A1和A0，可以輕松在I2C總線上掛接(擴展)8個同類器件。不論是單元地址還是數(shù)據(jù)均通過I2C單線SDA串行傳送，數(shù)據(jù)傳遞的工作效率相對要弱一些，所以I2C總線通信有時又被稱為“一線式”數(shù)據(jù)通信。YB03-1實驗系統(tǒng)帶有一個基于I2C總線通信的外擴存儲器24LC515，除固定引腳外，只需外接2條引線SCL和SDA，如圖11所示。
4.串行(同步/異步)通信模塊系統(tǒng)內(nèi)部組合有串行(同步/異步)通信模塊，即通過RS-232方式實現(xiàn)與計算機串行口的直接通信。
具有以上附加的功能模塊后，使得PIC單片機實驗系統(tǒng)的內(nèi)容更加豐富，結合PIC內(nèi)部的功能模塊，還可以借助于本實驗系統(tǒng)實現(xiàn)很多其他功能。如外部中斷、定時/計數(shù)器、實時時鐘RTC以及同步串行通信(SPI、I2C)、輸入信號捕捉/輸出信號比較/脈寬調(diào)制PWM功能的實現(xiàn)、A/D模數(shù)轉換和和并機通信等方面。
綜上所述，本實用新型主要具有以下特點1.各功能性模塊均處于獨立準備工作狀態(tài)，將有關的控制線和數(shù)據(jù)線連接到專用接線端柱。學生可以根據(jù)教學的進程和實驗要求，通過專用連接線，將模塊有序地連接起來，便可以對一個模塊或部分環(huán)境進行軟件調(diào)試和功能實驗。體現(xiàn)出很大的靈活性和實用性，極大地提高學生參與實驗的主觀能動性。
2.本實驗系統(tǒng)的推出，徹底改變以往PIC單片機實驗的教學形式，變一味模仿、按部就班，從驗證性實驗到創(chuàng)新自主化，也就是從驗證性實驗內(nèi)容到開發(fā)性和設計性自由組合，極大地提高學生實驗的參與度和實驗興趣，對于培養(yǎng)學生獨立設計能力和應用開發(fā)技能的提高都有很大的促進作用。同時，學生通過實驗，可以比較深刻理解實驗系統(tǒng)的構造和各模塊的工作方式。
3.實驗系統(tǒng)的多功能組合，即為學生進行PIC單片機實驗開發(fā)提供了一個實用環(huán)境，同時也為PIC單片機的工程技術人員進行產(chǎn)品設計提供一個試驗和開發(fā)的平臺。通過本實驗系統(tǒng)，很容易構成形式多樣的應用開發(fā)系統(tǒng)，具有很強的移植功能。
4.本實驗系統(tǒng)強調(diào)自主意識，徹底改變以往PIC單片機被動實驗的局面，學生的軟件設計不再是跟著既定的硬件走，而是留給學生統(tǒng)一思考的余地，兩者形成有機的結合。沒有統(tǒng)一的模式，走軟件和硬件協(xié)調(diào)開發(fā)的設計思路，給學生留出更多自由發(fā)揮的空間。
雖然本實用新型已參照當前的具體實例進行了描述，但是本技術領域的普通技術人員應該認識到，以上的實例僅是用來說明本實用新型，在沒有脫離本實用新型精神的情況下還可作出各種等效的變化和修改。因此，只要在本實用新型的實質(zhì)精神范圍內(nèi)對上述實例的變化，變型都將落在本實用新型的權利要求書的范圍內(nèi)。
權利要求1.一種PIC單片機實驗系統(tǒng)，包括PIC單片機、與所述PIC單片機相連的顯示模塊、鍵盤模塊，其特征在于它還包括與所述PIC單片機相連的電動機演示模塊、總線式數(shù)字溫度傳感器模塊、串行(同步/異步)通信模塊和數(shù)據(jù)存儲器模塊，其中電動機演示模塊，其包括電動機及與之相連的驅(qū)動回路，用于實現(xiàn)電動機的正常運行、正反轉運行和PWM調(diào)速；總線式數(shù)字溫度傳感器模塊，其配置分辨率可編程的一線總線式數(shù)字溫度傳感器，用于采集環(huán)境溫度，形成一具有較高精度的溫度檢測儀；串行通信模塊，其組合有串行同步和異步通信模塊，用于實現(xiàn)與計算機串行口的直接通信；數(shù)據(jù)存儲器模塊，其包括可以通過并行方式外擴展的數(shù)據(jù)存儲器，用于數(shù)據(jù)的快速存取。
2.根據(jù)權利要求1所述的PIC單片機實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的顯示模塊包括若干種分別連接在所述PIC單片機上組合形成的顯示模塊。
3.根據(jù)權利要求2所述的PIC單片機實驗系統(tǒng)，其特征在于所述若干種組合形成的顯示模塊包括若干個LED發(fā)光二極管、若干位八段數(shù)碼靜態(tài)顯示器、若干位八段數(shù)碼動態(tài)顯示器、LCD液晶顯示屏、點陣模塊。
4.根據(jù)權利要求1所述的PIC單片機實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的鍵盤模塊包括若干種分別連接在所述PIC單片機上組合形成的鍵盤。
5.根據(jù)權利要求4所述的PIC單片機實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的組合形成的鍵盤包括組成矩陣式實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入和進行功能鍵定義的16鍵鍵盤功能鍵；可根據(jù)系統(tǒng)設計的需要進行臨時定義為控制功能鍵的四鍵盤。
6.根據(jù)權利要求1所述的PIC單片機實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的串行通信模塊是通過RS-232方式實現(xiàn)與計算機串行口的直接通信。
專利摘要一種PIC單片機實驗系統(tǒng)，包括PIC單片機、與所述PIC單片機相連的顯示模塊、鍵盤模塊、電動機演示模塊、總線式數(shù)字溫度傳感器模塊、串行(同步/異步)通信模塊和數(shù)據(jù)存儲器模塊。本實用新型在包括PIC單片機內(nèi)核控制開發(fā)實驗系統(tǒng)之上，采用面向?qū)ο笫浇鉀Q方案，以開放型的實驗理念，一方面各類工程技術人員可以非常輕松地構成各類實際應用系統(tǒng)，根據(jù)自己設計的線路，采用簡單的接插連接方式，能夠形成獨特而又個性化的設計方案；另一方面學習人員能夠主動地參與整個實驗過程，并把更多的時間和聰明才智用于系統(tǒng)的設計和軟件開發(fā)，極大地提高了工作效率。因此，本實用新型為教學提供一個可用于單片機教學實驗的選擇方案、實現(xiàn)在線程序設計和功能調(diào)試的PIC單片機實驗系統(tǒng)。
文檔編號G09B25/00GK2901480SQ20062004184
公開日2007年5月16日 申請日期2006年5月17日 優(yōu)先權日2006年5月17日
發(fā)明者李榮正, 杜威, 秦侃 申請人:上海工程技術大學