基于STC15F2K60S2单片机模块化教学载体设计

作者/赵兴宇，武汉城市职业学院

基于STC15F2K60S2单片机模块化教学载体设计

作者/赵兴宇，武汉城市职业学院

在目前单片机课程实践教学中，大多数院校使用的教学载体主要集中在实验台、实验箱和实验板三种。三者各有优点，但都有一个共性问题就是将各部分功能模块都集中在一起，集成化程度高，不利于学生系统学习单片机知识。本文介绍以STC15F2K60S2单片机为核心的模块教学载体设计，将高集成度的教学载体按照功能分解成一个个独立模块，然后通过接口又可以将这些独立的模块组成一个大的单片机系统，从而彻底解决实践教学过程中高集成度的教学载体存在的弊端，使学生能更加全面、系统的学习单片机知识。

教学载体；模块化；核心

1.设计目标与要求

根据目前单片机实验平台以及单片机课程教学实际情况，结合企业针对电子产品设计岗位所对应的典型工作任务—“单片机应用软、硬件设计”所需的知识、能力及素质，以应用性和适用性为出发点，设计一套适合高职电子信息工程技术、应用电子技术、电气自动化技术等专业的单片机模块化教学载体，以解决在单片机教学中存在问题。

本套模块化教学载体主要的设计指标如下：

（1）控制核心：采用STC公司STC15系列单片机。

（2）模块包括：单片机最小系统模块、I/O控制模块、键盘模块、显示模块、数据采集模块、点阵模块、电机驱动模块、蜂鸣器及继电器模块。

（3）包含程序下载电路，无需使用下载器下载程序。

（4）电源：采用电脑USB直接供电，实现一条USB线完成供电及程序下载。

2.模块化教学载体总体结构

根据所包含的模块，系统总体的结构如图1所示。整套模块化教学载体以STC15系列单片机为核心组成单片机最小系统模块，外围可以控制I/O控制模块、键盘模块、显示模块、数据采集模块、点阵模块、电机驱动模块、蜂鸣器及继电器模块，整套教学载体由8个模块组成。

图1 系统总体结构

3.主要芯片选择及各模块硬件电路组成

■3.1 微处理器选型

微处理器选择STC15F2K60S2单片机，STC15F2K60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，比传统8051速度快8-12倍[1]。STC15F2K60S2单片机具有60K的Flash程序存储器、2K的SRAM，具有两组高速异步串行口、3路CCP/PWM/PCA、8路高速10位A/D转换器还有1组高速同步串行通信端口SPI。

■3.2 单片机最小系统模块

单片机最小系统主要完成程序下载、向各模块供电及控制各模块工作的作用，是控制核心。为了使用方便，系统中电源直接采用计算机USB口直接供电。下载电路采用PL-2303SA、SOP8封装的USB转串口芯片，由于STC15F2K60S2系列单片机内部集成高可靠复位和高精度时钟，因此可以省掉传统51单片机构成的单片机最小系统电路中的复位电路和时钟电路，使电路结构更加简洁。但为了提高抗干扰能力，在芯片VCC和GND之间需加上去耦电容。将单片机全部I/O引脚扩展引出，方便与各模块直接连接，完成相应的控制。

■3.3 I/O口控制模块

I/O控制模块由16个LED构成，主要完成I/O口输出的控制。电路采用两种方式驱动LED，在共阴电路中，由于直接使用I/O口是无法使LED点亮的，因此在共阴电路中加入74HC573驱动芯片。

■3.4 显示模块

显示模块由四位一体数码管、1602液晶接口、12864液晶接口组成，主要完成相应的显示功能，数码管连接使用单排圆孔IC座，使数码管更换更加方便，数码管驱动采用74HC573芯片，1602和12864液晶接口使用2.54mm间距排母，方便插拔。

■3.5 键盘模块

键盘模块由4×4矩阵键盘和4个独立按键组成，主要作为I/O口的输入设备，可以配合其它模块完成相应的功能。键盘模块的按键采用四角轻触开关，为使用方便选用12mm×12mm×6mm轻触开关，本模块可与I/O口控制模块以及显示模块配合使用。

■3.6 数据采集模块

数据采集模块包括自带10位A/D采集和16位A/D芯片两个部分。由于STC15F2K60S2系列单片机内部集成了8路10位高速A/D转换器，因此在外部无需更高精度的A/D采集时，可以直接使用内部A/D。除自带A/D外，还包含了一个16位A/D转换芯片ADS115，用做高精度数据采集。

■3.7 点阵模块

点阵模块由四个8×8点阵构成16×16点阵，可以显示图形和汉字。行和列扫描使用74HC595芯片进行驱动，可完成图形和汉字显示的相关实验。

■3.8 机驱动模块

电机驱动模块包括步进电机驱动电路和直流电机驱动电路。步进电机驱动电路使用ULN2003芯片，直流电机驱动则使用L298N芯片进行驱动，可以完成电机控制相关实验。

■3.9 蜂鸣器及继电器模块

蜂鸣器和继电器作为单片机常用的报警单元和控制大电流器件被广泛使用。蜂鸣器和继电器控制分别采用三极管驱动方式和ULN2003芯片驱动方式，电路结构简单实用、控制简单。

4.系统的基本功能及工作原理

本套模块化教学载体以“核心+模块”形式开展教学，“核心”指的是单片机最小系统模块，任何实验都需要此模块，强化学生对单片机控制核心的概念，“模块”则指的是除了单片机最小系统模块外其它七个模块。这样的组合形式下，教师可以根据不同的专业对单片机教学的要求的不同，选择不同的模块开展教学，并且独立的模块在电路结构上简单，讲解更具有针对性，可以让学生更好的学习单片机知识，除了“核心+模块”的形式外，还可以根据系统复杂程度使用“核心+模块1+模块2”的形式，如“单片机最小系统+键盘模块+显示模块”就可以完成一个较复杂的简易计算器的功能。因此在基础教学时，可以选择“核心+模块”的形式开展教学，更有利于理解和掌握，而进行综合训练时，可以选择多个模块间的组合来进行开展教学，让复杂的单片机系统通过“搭积木”的方式得以实现，使学生从“核心—模块—系统”由简单到复杂、由易到难，系统的学习单片机知识。

此外本系统中的单片机最小系统模块提供了丰富的接口电路，使用者可以进行更多的扩展性实验，在技能大赛中也可以直接拿来使用。本系统可以完成LED循环类实验、显示类实验、键盘类实验、数据采集类实验、定时器/中断类实验、电机驱动类实验、串口通信实验等七大类实验，每大类试验中又可以进行若干个小实验，可满足绝大部分专业对单片机课程的要求。

5.结语

模块化教学载体从根本上解决了单片机课程以往高集成度实验设备在教学过程中存在的弊端，模块教学载体将复杂的单片机系统以一个个独立模块的形式呈现给学生，电路结构简单，给交“教”和“学”都带来了新的形式，使学生可以从易到难、从简单到复杂的系统性的学习单片机知识。

* [1]宏晶科技公司.STC15系列单片机器件手册念[P]. 2015.

* [2]肖辽亮,张文初,熊异,等.基于工作过程的高职应用电子技术专业人才培养方案与核心课程标准[M].北京:高等教育出版社,2008.

* [3]丁向荣.《增强型8051单片机原理与系统开发（C51版）》[M].北京:清华大学出版社,2013

2015年武汉市教育局教学研究课题“高职电子类专业单片机课程模块化教学载体的开发”，课题编号：2015134