专利名称：单片机实验箱的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学用实验箱，尤其是一种MCS-51系列单片机实验箱，属于 教学仪器技术领域。
背景技术：
实验教学目的是培养学生实验动手能力、实验研究能力和创新能力，并对理论教 学的知识通过实验获取感性认识从而掌握该知识，因此实验教学内容包括了验证性、综合 性、设计性和创新性实验项目，目前中国学生的实验设计能力和创新能力普遍欠缺，这与实 验教学设备和教学方法有直接联系，可以通过改进实验教学设备和教学方法，逐步达到提 高学生实验设计能力和创新能力的目的。中国专利CN201134187Y公开了模块化单片机实验箱，包括安置于箱体内的主电 路板和扩展电路板，该主电路板含有通过印制板走线彼此连接的单片机控制电路、电源电 路、显示电路、键盘和外接数据接口，扩展电路含有实验电路及接口，实验电路由18B20测 温实验电路、ADC0809采样实验电路等常见的模块电路构成。该专利技术的优点是可以有 效地解决学生进行验证性的实验，同时提高了电子元件的利用率，节约成本。但由于主电路 板上的附属电路固定地占用了 MCU过多的端口资源，不利于学生进行设计性和创新性的实 验，同时没有提供独立的电子元件供学生进行电路的设计、安装、焊接和调试，学生的这种 必须的能力没有得到锻炼和培养。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有单片机实验箱不能较好地解决学生进行设计性和 创新性实验的缺点，提出一种改进型的单片机实验箱，该实验箱不仅配备基本的实验电路， 还配备实验所需的工具和电子元件，要求学生从电路设计、元件安装、程序设计、系统集成 调试等各个环节亲自动手进行实验，而且可以在任何允许的地方进行实验学习活动，增加 了学生的实验动手的机会和内容，使他们的实验研究能力、创新能力得到锻炼和提高。为了达到上述的目的，本实用新型的单片机实验箱包括电源电路板、控制电路板、 扩展电路板、常用工具和电子元件包。其中的电源电路板为一块独立的电路板，输入端连 接带中心抽头的15V交流电的三根引线，输出端有输出士 12V、+5V、+1.25V +12V可调直 流电压和地的五根输出引线；其中的控制电路板也为一块独立的电路板，其上包括与电源 电路板的接口、RS-232/TTL电平转换器电路、按键电路、数码显示器电路、蜂鸣器电路、MCU 的复位和晶振附属电路，除MCU的复位和晶振附属电路外，控制电路板上的其它电路与MCU 的并行端口之间可以通过拨码开关实现断开或连接，MCU的并行端口可完全独立扩展；电 源电路板和控制电路板采用的是印制板布线；其中的扩展电路板包括至少四个相对独立的 模块电路，用于实现可应用于现实生活中的电子产品的功能，扩展电路板拥有与电源板的 接口、与控制电路板的接口和由电子元件组成的电路，扩展板采用了万能板，需要学生手工 焊接元件和走线；其中的常用工具包括进行电路安装所需要的电烙铁、起子、松香、焊锡丝、吸锡泵等，进行电路测试所需要的万用表等；其中的元件包包括电阻、电容、二极管、三极 管、集成电路、数码显示管、LCD显示模块、一体化红外接收模块、小型直流电机、导线等用于 构建电子应用系统所必须的常用电子元件、器件。电源电路板、控制电路板和扩展电路板各设有四个定位孔，与安装在箱体底板上 的四根针状物相对应，实现相对固定，可以方便地拆卸和重新组合，各电路板上的接口和扩 展端口连接到自锁紧插座，各电路板之间的连接通过带自锁紧插座的导线连接，安装和连 接十分方便。扩展电路板是根据现实生活中的需要而设计的，可以实现某种功能的电路。 可以是由时钟集成电路DS1302、电磁继电器、电铃及附属电路组成的定时打铃实验电路； 可以是由液晶显示器IXD1602、一体化红外接收模块SM0038、红外发射管、与非门集成电路 74LS00及附属电路组成的红外解码、编码实验电路；可以是由数字温度传感器DS18B20、功 率电阻、液晶显示器LCD1602及附属电路组成的恒温控制实验电路；可以是由红外发射管、 红外接收管、电压比较器、功率三极管、小型直流电机及附属电路组成的智能小车实验电 路；还可以是学生自己设计的其它电路，学生通过自己发现问题、设计解决问题的方案、画 出电路原理图、设计控制程序、用电子元件构建实验电路并调试，从而锻炼和提高其实验设 计能力和创新能力。上述的实验电路板、工具、电子元件等安置或存放于一个实验箱内，便 于学生携带，可在实验室、宿舍、教室等场地使用，增加了学生动手动脑的时间和机会，全面 提高学生的设计能力和创新能力。
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细说明。
图1是本实验新型的总体结构框图。图2是本实验新型的恒温控制电路原理图。图3是本实验新型的电源电路原理图。图4是本实验新型的控制电路原理图。图5是本实验新型的定时打铃电路原理图。图6是本实验新型的红外编码、解码电路原理图。图7是本实验新型的智能小车电路原理图。
具体实施方式
图1中，1.电源开关，2.三芯电源插座，3.电源电路板，4.控制电路板，5. 7.9. 10. 均为扩展电路板，6.电路板定位孔和底板针状突起，8.工具盒，11.底板，12.活页。220V 市电通过三芯电源线连接到三芯电源插座2，电源开关1控制实验箱的总电源，在箱体内安 装了 0. 5A保险管，输入220V、输出15V带中心抽头的隔离变压器，该变压器低压15V的三 个输出端连接到电源电路板3的输入端，电源电路板将低压15V交流电源整流、稳压后输出 士 12V、+5V、+1. 25V +12V可调的直流电压和公共地端，并连接到自锁紧座，以供连接到其 它电路板；控制电路板4可以安装到4. 5. 7. 9. 10的位置，根据实验需要或使用方便性来确 定，控制电路板4的电源接口通过带自锁紧座的导线连接到电源电路板3，控制电路板4上 的并行端口连接到自锁紧座，以供连接到扩展电路板；扩展电路板可以根据实验的需要同 时安装多块或一块，底板11上安装24根针状突起，与电路板上的定位孔对应，用于固定电路板；活页12将底板11与箱体固定部分连接，可以将底板11打开约45度角，底板下的空 间用于存放元件包；工具盒8用于存放电路安装所需要的电烙铁、起子、松香、焊锡丝、吸 锡泵等工具和电路测试所需要的万用表等工具。图2中，电源连接端J300连接电源板的+5V和公共地端、+5V连接VCC，VCC与公共 地之间连接电容C300、C301和电位器R300的两端，R300的中心端连接到LCD显示器D300 的对比度调整端VEE，D300的电源端VCC和VSS分别连接电源VCC和公共地端，D300的控 制端RS、R/W、E和数据端DBO DB7分别连接到控制板上UlOO并行端口的某些引脚，D300 的LED+串连电阻R302连接到电源VCC，D300的LED-连接到公共地端，大功率电阻R301连 接到电源VCC和PNP型三极管Q300的发射极，Q300的集电极接地、基极串联电阻R303后连 接控制板上UlOO并行端口的某个引脚，数字温度传感器U300的VDD连接到电源VCC、GND 连接到公共地端、DQ连接到控制板上UlOO并行端口的某个引脚，在安装时将R301与U300 靠紧安装，并用胶带缠绕，以使其充分接触。元件参数选择D300可选择LCD1602液晶显示 器；R300可选择5K精密电位器3296/502 ；R302可选择1/2W 10欧；R301可选择2 5W/10 欧；U300可选择DS18B20 ；C300可选择16V/100uF铝电解电容；C301可选择0. IuF瓷片电 容；Q300可选择8550 ；R303可选择1/4W IK ；连接到控制板UlOO并行端口的引脚可以自由 选择，只要该引脚没有被其它电路占用，体现了较大的灵活性。连接到控制板UlOO并行端 口的引脚可以自由选择，只要该引脚没有被其它电路占用。图3中，三芯插座Jl、电源开关Si、保险管Fl与220V/15V隔离变压器Tl的初级 线圈组成220V市电回路，Tl的次级线圈的交流输出端连接到桥式整流器Dl的交流输入端， 中心抽头连接公共地线端；Dl的直流输出端V+连接到电容Cl、C3的正极端，并连接到三 端稳压集成电路U1、U2、U3的输入端，C1、C3的负极端连接公共地，U2、U3的接地端连接公 共地；Ul的可调电压端连接可调电位器Rl的中心抽头，Rl的另外两个端点连接Ul的输出 端和公共地端，Ul的输出端还连接电容C9、C5的正极端，C9、C5的负极端连接公共地端， Ul的输出端可输出+1. 25V +12V可调的直流电压，通常调整电位器Rl使之输出电压为 +3. 3V ；U2的输出端连接C10、C6的正极端，C10、C6的负极端连接公共地端，U2的输出端可 输出+5V直流电压 ’U3的输出端连接C11、C7的正极端，C11、C7的负极端连接公共地端，U3 的输出端可输出+12V直流电压；Dl的直流输出端V-连接到电容C2、C4的负极端，并连接到 三端稳压集成电路U4的输入端，C2、C4的正极端连接公共地，U4的接地端连接公共地；U4 的输出端连接C12、C8的负极端，C12、C8的正极端连接公共地端，U4的输出端可输出-12V 直流电压；电阻R2与发光二极管D2的串连电路连接到Ul的输出端和公共地之间，用于指 示输出+1. 25V +12V可调的直流电压；电阻R3与发光二极管D3的串连电路连接到U2的 输出端和公共地之间，用于指示输出+5V直流电压；电阻R4与发光二极管D4的串连电路 连接到U3的输出端和公共地之间，用于指示输出+12V直流电压；电阻R5与发光二极管D5 的串连电路连接到U4的输出端和公共地之间，用于指示输出-12V直流电压。各元件参数 可选择保险管Fl可选择额定工作电流为0. 5A的玻璃保险管，变压器Tl可选择220V/15V 输出带中心抽头、功率为5 10瓦的工频变压器，Dl可选择整流电流大于或等于1A，电压 为100V的整流桥堆或用4只1N4001搭成整流桥电路，电容Cl、C2选择470uF/25V铝电解 电容，电容C3 C8可选择0. OluF瓷片电容，电容C9 C12可选择10uF/16V的电解电容， Ul可选择LM317，U2可选择7805 (需加散热片)，U3可7812，U4可选7912，限流电阻可选择1/4瓦金属膜电阻，D2 D5可选择直径为3mm或5mm的LED发光管。图4中，单片机UlOO为MCS-51系列单片机，UlOO的并行端口 PlO P17、P20 P27、P30 P37、P40 P47分别连接自锁紧座，以供连接到扩展电路板；UlOO的晶振电路 由YlOO、ClOO和ClOl组成，YlOO的两端连接UlOO的晶振连接端XTALl和XTAL2, YlOO的 两端通过ClOO和ClOl连接公共地端；从电源板输入的+5V和公共地端连接到J107自锁紧 座，+5V连接VCC，VCC与地之间分别连接电容C104、C103、R107与DlOl组成的串联电路、 C102与R108组成的串联电路、C102的两端并联轻触开关S107，C102与R108相连接端与 UlOO的复位端RST相连接，S107、C102和R108组成了单片机UlOO的上电复位和手动复位 电路；UlOO的并行端口 P20 P27连接到8位拨码开关SlOO的8只引脚、SlOO的另外8只 引脚连接到上拉电阻R100，RlOO的公共端连接VCC ；轻触按钮SlOl S104的一端接公共 地端、另一端分别连接到RlOO与SlOO相连接的4个连接点上；4位共阴极数码显示管DlOO 的4个公共端分别连接到PNP型开关三极管QlOO Q103的发射极，QlOO Q103的基极串 联电阻RlOl R104后分别连接到RlOO与SlOO相连接的另外4个连接点，QlOO Q103的 集电极连接到公共地端，可以拨动SlOO实现UlOO的并行端口 P20 P27与按键和数码显 示电路的连接或断开；DlOO的8只字形码引脚分别连接到拨码开关S105的8只引脚，S105 的另外8只引脚分别连接到拨码开关S106的8只引脚，S106的另外8只引脚分别连接到上 拉电阻R106，R106的公共端连接VCC，U100的并行端口 POO P07分别连接到S105与S106 相连接的8只引脚，可以通过拨动S105和S106实现UlOO的并行端口 POO P07与上拉电 阻、DlOO字形码引脚的连接与断开关系；RS232-TTL电平转换集成电路U101、电容C105 C108、DB9连接器J105、三芯插座J106组成了二组串行通信与电平轮换电路，UlOl的4只 TTL电平信号引脚分别连接到拨码开关S108中的4只引脚，S108相对应的另外4只引脚分 别连接到Ul的P30、P31、P12、P13 ；蜂鸣器U102的一端连接VCC，另一端连接PNP型三极管 Q104的发射极，Q104的集电极接公共地、基极串联电阻R105连接到S108的第5只引脚， S108的对应的引脚连接到UlOO的P46引脚，拨动S108可实现电平转换电路、蜂鸣器电路 与UlOO的连接或断开关系。元件参数的选择U100可选择型号为STC12C5A60S2(44只引 脚)，RlOO 选择 56K*8，R106 选择 470*8，RlOl R105 选择 1/4W IK, R107 选择 1/4W 560 欧，R108 选择 1/4W 8. 2Κ ；C100、ClOl 选择 27pF, C102 选择 16V/10uF 铝电解电容，C103 选 择16V/100uF铝电解电容，C104选择0. IuF瓷片电容，C105 C108选择16V/luF铝电解电 容；QlOO Q103 选择 SA1015，Q104 可选择 8550 ；DlOl 选择 3mm LED 发光管；S100、S105、 S106选择8位拨码开关，S108选择5位拨码开关，SlOl S104、S107选择轻触开关；UlOO 可选择STC12C5A60S2，U101可选择MAX232CPE，U102可选择工作电压为6V的通电能自发声 的HXD蜂鸣器；晶振YlOO可选择11. 0592MHz的无源晶振。图5中，数字时钟集成电路U401的电源引脚VCC2连接到从电源板送来的电源 VCC(+5V)，U401的备用电源引脚VCCl连接到3. 6V锂电池BT400的正极，BT400的负极接 公共地端，VCC通过电阻R403和整流管D401组成的串联电路连接到BT400的正极，U401 的晶振引脚Xl和X2连接到32. 768KHz的晶振Y400, U401的接地引脚GND连接到公共地 端，U401的复位引脚RST、数据引脚I/O、串行时钟引脚SCLK连接到自锁紧座，并连接到控 制板的并行端口 ；电源VCC与公共地之间连接电容C401和C402 ；插座J400、U400和电磁继 电器K400的常开触点构成的了打铃的市电回路；K400的一只线圈引脚连接到VCC、另一只连接到NPN型三极管Q400的集电极，K400的两只线圈引脚并联阻尼二极管D400，Q400的 发射极接公共地端、基极连接PNP型三极管Q401的集电极，Q401的发射极串联电阻R401 后连接到VCC，Q401的基极串联电阻R402后连接到控制板上UlOO的某个并行端口的一 只引脚。元件参数选择U400可选择工作电压为220V的交流电铃；K400选择PA1A-5V或 DSP1A-5V等工作电压为5V直流，额定负载5A 250VAC，触点常开型电磁继电器；Q400、Q401 可选择8050 ；D400、D401可选择1N4001 ；R401 R403可选择1/4W金属膜电阻分别为2K、 300欧和IK ；C401可选择16V/100uF铝电解电容；C402可选择0. IuF的瓷片电容；Y400可 选择32. 768KHz的无源晶振；U401可选择DS1302 ；BT400可选择3. 6V锂电池。连接到控制 板UlOO并行端口的引脚可以自由选择，只要该引脚没有被其它电路占用。图6中，电源连接端J200连接电源板的+5V和公共地端、+5V连接VCC，VCC与公共 地之间连接电容C200、C201和电位器R200的两端，R200的中心端连接到LCD显示器D200 的对比度调整端VEE，D200的电源端VCC和VSS分别连接电源VCC和公共地端，D200的控 制端RS、R/W、E和数据端DBO DB7分别连接到控制板上UlOO并行端口的某些引脚，D200 的LED+串连电阻R201连接到电源VCC，D200的LED-连接到公共地端，电阻R201与二极 管D201的串联电路连接到VCC与PNP型三极管Q200的发射极，Q200的集电极接公共地 端、基极串联电阻R203连接到四单元二输入与非门集成电路U201的C单元的输出端，U201 的C单元的输入端连接到控制板上UlOO并行端口的某两个引脚，一体化红外解码集成电路 U200的电源和地引脚分别接VCC和公共地端、解码信号输出引脚连接U201的A单元的两 个输入端，U201的A单元的输出端连接U201的B单元的两个输入端，U201的B单元的输出 端连接控制板上UlOO并行端口的某个引脚。元件参数选择D200可选择IXD1602液晶显 示器；R200可选择5K精密电位器3296/502 ；R201可选择1/2W 10欧；R202可选择1/2W/33 欧；U200可选择SM0038 ；C200可选择16V/220uF铝电解电容；C201可选择0. IuF瓷片电容； Q200可选择8550 ；R203可选择1/4W IK ；U201可选择74LS00。连接到控制板UlOO并行端 口的引脚可以自由选择，只要该引脚没有被其它电路占用。图7中，电源板上的+5V连接到本扩展板的VCC，给电机供电的+12V或+7. 2V连 接到VDD，公共地端与电源板的地端相连接，VCC与公共地之间连接了电容C401、C403, VDD 与公共地之间连接了电容C400、C402，在VCC与公共地之间连接电阻R400 R411与分别红 外发光管D400 D411两两串联的电路共12路，其中9路用于寻迹、另外2路用于前后防 撞、最后一路用于测速的红外照明，红外接收管D412 D423的阳极接公共地端、阴极分别 连接到上拉电阻R415和R416的12只引脚，R415、R416的公共端连接到电源VCC, D412 D423的阴极还通过排插座分别连接到四单元二输入电压比较器U400 U402的同相输入 端，U400 U402的12路反相输入端中的9路用于寻迹的连接到电位器R412的中心抽头、 另外2路用于前后防撞的连接R414的中心抽头、最后一路用于测速的连接到R413的中心 抽头，R 412 R414的两端分别连接VCC和公共地端，U400 U402的12路输出端连接到 控制板上UlOO的并行端口的某12只引脚；NPN型三极管Q404的发射极连接公共地端、基 极串联电阻R417连接到控制板上UlOO的并行端口的某只引脚、集电极串连电阻R421连接 到VDD，Q404的集电极还连接到NPN型三极管Q400和PNP型三极管Q408的基极，Q400的 集电极连接VDD、发射极连接Q408的发射极，Q408的集电极连接公共地端，Q400的集电极 和发射极之间并联二极管D424，Q408的集电极和发射极之间并联二极管D428 ；NPN型三极管Q405的发射极连接公共地端、基极串联电阻R418连接到控制板上UlOO的并行端口的某 只引脚、集电极串连电阻R422连接到VDD，Q405的集电极还连接到NPN型三极管Q401和 PNP型三极管Q409的基极，Q401的集电极连接VDD、发射极连接Q409的发射极，Q409的集 电极连接公共地端，Q401的集电极和发射极之间并联二极管D425，Q409的集电极和发射极 之间并联二极管D429 ；直流电机MG400的两端分别连接到Q400和Q401的发射极；NPN型 三极管Q406的发射极连接公共地端、基极串联电阻R419连接到控制板上UlOO的并行端口 的某只引脚、集电极串连电阻R423连接到VDD，Q406的集电极还连接到NPN型三极管Q402 和PNP型三极管Q410的基极，Q402的集电极连接VDD、发射极连接Q410的发射极，Q410的 集电极连接公共地端，Q402的集电极和发射极之间并联二极管D426，Q410的集电极和发射 极之间并联二极管D430 ；NPN型三极管Q407的发射极连接公共地端、基极串联电阻R420连 接到控制板上UlOO的并行端口的某只引脚、集电极串连电阻R424连接到VDD，Q407的集电 极还连接到NPN型三极管Q403和PNP型三极管Q411的基极，Q403的集电极连接VDD、发射 极连接Q411的发射极，Q411的集电极连接公共地端，Q403的集电极和发射极之间并联二极 管D427，Q411的集电极和发射极之间并联二极管D431 ；直流电机MG401的两端分别连接到 Q402和Q403的发射极。元件参数选择电阻可选择1/4W金属膜电阻；红外发光管可选择 直径为3mm或5mm管，红外发接收管可选择直径为3mm或5mm管，与发射管直径对应；电压 比较器可选择LM324 ；电位器可选择3296/103精密电位器；阻尼二极管可选择1N4001 ；驱 动桥电路(Q400 Q403、Q408 Q411)根据电机的功率可选择8050/8550对管或TIP147/ TIP142对管，Q404 Q407可选择9013 ；直流电机MG400、MG401可根据VDD的电压选择相 应的型号。连接到控制板UlOO并行端口的引脚可以自由选择，只要该引脚没有被其它电路 占用。 本实用新型还可以包括学生根据日常生活或工业生产等领域的需要设计的其它 实验电路。
权利要求1.单片机实验箱包括电源电路板、控制电路板和扩展电路板，其特征在于还包括常 用工具和电子元件包；所述的电源电路板为一块独立的电路板，输入带中心抽头的15V交 流电压，输出士 12V、+5V、+1. 25V +12V可调直流电压；所述的控制电路板为一块独立的 电路板，包括与电源电路板的接口、RS-232/TTL电平转换器电路、按键电路、数码显示器电 路、蜂鸣器电路、MCU的复位和晶振附属电路，除MCU的复位和晶振附属电路外，控制电路板 上的其它电路与MCU的并行端口之间可以通过拨码开关实现断开或连接，MCU的并行端口 可以完全独立扩展；所述的扩展电路板包括与电源板的接口、与控制电路板的接口和由电 子元件组成的电路所述的常用工具是万用表、电烙铁、起子、松香、焊锡丝、吸锡泵；所述 的电子元件包是电阻、电容、二极管、三极管、集成电路、数码显示管、IXD显示模块、一体化 红外接收模块、小型直流电机、导线。
2.根据权利要求1所述的单片机实验箱，其特征在于，所述的电源电路板、控制电路板 和扩展电路板各设有四个定位孔，底板上有二十四个针状突起，各电路板之间通过带自锁 紧座的导线连接。
3.根据权利要求1所述的单片机实验箱，其特征在于，所述的扩展板上电子元件组成 的电路可以是由时钟集成电路DS1302、电磁继电器、电铃及附属电路组成的定时打铃实验 电路。
4.根据权利要求1所述的单片机实验箱，其特征在于，所述的扩展板上电子元件组成 的电路可以是由液晶显示器IXD1602、一体化红外接收模块SM0038、红外发射管、与非门集 成电路74LS00及附属电路组成的红外解码、编码实验电路。
5.根据权利要求1所述的单片机实验箱，其特征在于，所述的扩展板上电子元件组成 的电路可以是由数字温度传感器DS18B20、功率电阻、液晶显示器IXD1602及附属电路组成 的恒温控制实验电路。
6.根据权利要求1所述的单片机实验箱，其特征在于，所述的扩展板上电子元件组成 的电路可以是由红外发射管、红外接收管、电压比较器、功率三极管、直流电机及附属电路 组成的智能小车实验电路。
专利摘要本实用新型涉及一种单片机实验箱，属于教学仪器技术领域。该实验箱包括安置在箱体内的电路板、常用工具、电子元件包和万能板。所述的电路板包括提供±12V、+5V、+1.25V～+12V可调的输出电压的电源板，带有MCU、按键、七段数码显示管、RS-232/TTL平转换器及蜂鸣器的控制板和扩展板。电源板、控制板与扩展板之间通过带自锁紧连接头的导线连接，该MCU的并行端口可以通过拨码开关与控制板上的其它电路分离，从而并行端口可完全扩展连接到扩展板，适合于学生进行创新型的设计实验。
文档编号G09B23/18GK201886676SQ20102059988
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者曾庆立, 陈善荣 申请人:吉首大学