专利名称：一种pic单片机实验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种PIC单片机开发系统设计技术，具体地说，是指一种PIC单片机实验系统。
背景技术：
PIC单片机(Peripheral Interface Controller)是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路(IC)。一种具有分散作用(多任务)功能的CPU(中央处理器)。
PIC单片机的应用和开发和传统的MCS-51系列单片机相比还处于起步阶段，PIC单片机开发实验系统功能还不够完善，特别是在PIC单片机实验的教学中，往往使学生处于更多的模仿、按部就班和验证性实验等被动型性实验的情况，往往被动实验，导致留给学生设计和创新的空间和内容比较有限。
因此，如何通过一种新型的PIC单片机实验系统来改变PIC单片机实验的教学形式，变模仿、按部就班，从验证性实验到创新自主化，也即从验证性实验内容到开发性和设计性自由组合，以提高学生实验的参与度和实验兴趣，培养学生独立设计能力和应用开发技能的提高，是本申请人致力研究的内容之一。
发明内容
本实用新型旨在提供一种可以适应从PIC单片机基本验证性实验到开发拓展性、系统性实验，为学生开发应用和创新设计提供了一个多功能的实验平台，实现在线程序设计和功能调试的PIC单片机实验系统。
本实用新型所提供的一种PIC单片机实验系统，包括PIC单片机、与所述PIC单片机相连的显示模块、键盘模块，其特征在于它还包括与所述PIC单片机相连的电动机演示模块、总线式数字温度传感器模块、串行(同步/异步)通信模块和数据存储器模块，其中电动机演示模块，其包括电动机及与之相连的驱动回路，用于实现电动机的正常运行、正反转运行和PWM调速；总线式数字温度传感器模块，其配置分辨率可编程的一线总线式数字温度传感器，用于采集环境温度，形成一具有较高精度的温度检测仪；串行通信模块，其组合有串行同步和异步通信模块，用于实现与计算机串行口的直接通信；数据存储器模块，其包括可以通过并行方式外扩展的数据存储器，用于数据的快速存取。
在上述的PIC单片机实验系统中，显示模块包括若干种分别连接在所述PIC单片机上组合形成的显示模块。
在上述的PIC单片机实验系统中，若干种组合形成的显示模块包括若干个LED发光二极管、若干位八段数码静态显示器、若干位八段数码动态显示器、LCD液晶显示屏、点阵模块。
在上述的PIC单片机实验系统中，键盘模块包括若干种分别连接在所述PIC单片机上组合形成的键盘。
在上述的PIC单片机实验系统中，组合形成的键盘包括组成矩阵式实现系统数据的输入和进行功能键定义的16键键盘功能键；可根据系统设计的需要进行临时定义为控制功能键的四键盘。
在上述的PIC单片机实验系统中，串行通信模块是通过RS-232方式实现与计算机串行口的直接通信。
由于采用了上述的技术解决方案，即在包括PIC单片机内核控制开发实验系统之上，采用面向对象式解决方案，以开放型的实验理念，一方面各类工程技术人员可以非常轻松地构成各类实际应用系统，根据自己设计的线路，采用简单的接插连接方式，能够形成独特而又个性化的设计方案，无须再进行制版加工、线路焊接和排除故障之苦；另一方面学习人员能够主动地参与整个实验过程，并把更多的时间和聪明才智，用于系统的设计和软件开发，将极大地提高工作效率。因此，本实用新型为教学提供一个可用于单片机教学实验的选择方案、实现在线程序设计和功能调试的PIC单片机实验系统。
图1是本实用新型PIC单片机实验系统的结构示意图框图；图2是本实用新型中显示模块之一，8个LED发光二极管连接线路的示意图；图3是本实用新型中显示模块之二，8位八段数码静态显示器接线方式示意图。
图4是本实用新型中显示模块之三，3位八段数码动态显示器接线方式示意图；图5是本实用新型中显示模块之四，点阵模块连接线路示意图；图6是本实用新型中键盘模块之一，矩阵组合键盘连接线路示意图；图7是本实用新型中键盘模块之二，独立式键盘连接线路示意图；图8是本实用新型中电动机演示模块连接线路示意图；图9是本实用新型中总线式数字温度传感器模块的连接线路示意图；图10是本实用新型中数据存储器模块之一，并行扩展数据存储器连接线路示意图；图11是本实用新型中数据存储器模块之二，串行扩展数据存储器连接线路示意图。
具体实施方式
本实用新型PIC单片机实验系统的总体思想是构建一个开发型实验环境，采用模块式框架，使学生能够主动地参与整个实验过程，包括既能这样PIC单片机初级课程的基本实验开发内容，又能实施PIC单片机高级课程的综合性的实验开发系统，为学生留有充分发挥的余地和创新的技术空间。
如图1所示，本实用新型PIC单片机实验系统包括PIC单片机7、与所述PIC单片机7相连的显示模块1、键盘模块2、电动机演示模块3、总线式数字温度传感器模块4、串行(同步/异步)通信模块5和数据存储器模块6。
本实用新型分为两个部分，即基本实验部分和拓展实验部分。
一、为了能够完成PIC单片机基本指令系统的实验，本实用新型组合有基本的显示和键盘功能模块，通过这些模块，完成基本常规的验证性实验范例。
1.显示模块实验系统组合有多种显示模块，包括8位LED发光二极管、8位数码八段显示器(静态显示)、2位数码八段显示器(动态显示)、LCD液晶显示屏(16字符)、8×8点阵等。
1)如图2所示，8位LED发光二极管通过一接线器11连接至PIC单片机(型号为PIC16F877)7，其一般可用于基本指令程序的调试或特殊功能模块调试的信息输出窗口，间接观察和评估应用程序的运行情况。本模块由8个常规的LED发光二极管组成，并将这8个LED发光二极管连接成为开放型正逻辑点亮工作方式。
8个LED发光二极管模块，在学习PIC单片机软件指令的调试和功能分析的初期具有较广泛的应用价值。可以根据教学进度，承担一些基本的实验内容，包括自动和手动计数显示、高低4位交变显示、单灯流动显示和跑马灯显示等。
2)如图3所示，8位八段数码静态显示器适用于一般的应用场合，目的是为了解放和节约单片机CPU的工作时间。有多种方法可以构成静态多位八段数码显示器，数据信息的传送可以通过SPI(串行外围接口)串行通信经过型号为74LS164的芯片移位实现数据的同步驱动。这种选择方案的优势在于数码的数字显示是静态驱动，当其数据没有发生变化时就不必进行数据信息的刷新，可以有效节约计算机的工作周期，在实时控制中有很强的优势。
3)如图4所示，3位八段数码动态显示器，数据信息通过位控制选择方式进行驱动。采用这种选择方案的优点在于数码显示的驱动元器件比较简单，但数据即使没有发生变化也必须进行数据信息的动态循环刷新。
4)LCD液晶显示器采用通用YEJHD161A系列1×16字符产品，字符点阵5×8，驱动方式1/16D，带LED背光源。
5)如图5所示，8×8的点阵模块，点阵模块的内部结构非常简单，主要采用行列平行线布局方式，在行列线交错处嵌入一个LED发光三极管。
点阵模块的驱动实际上就是一个动态字符内容显示的扫描过程，可以采用行或列进行循环扫描，字符所对应的数据编码与行、列扫描方式有关(每个字符都有8个字节的数据量)。
2.键盘模块作为人机对话的主体，键盘是一个实验系统或者应用开发系统中最为常见的部件。一般键盘均可以构成2类模式一种是矩阵组合式键盘，常用可选4×4或2×8等，投入的I/O接口线较少而可以设置较多的键盘；另一种是独立式键盘，接口线的数量与键盘数相等。
如图6所示，矩阵组合键盘是在应用系统中使用比较广泛，常用作为数字键和功能键，在具体的实验中，既可以定义为常规0～F数字键，又可以根据用户的特殊需要定义为部分数字键和部分功能键。内部连线结构和简易点阵显示模块基本类似，也是采用行列平行线布局方式，在行列线交错处嵌入一个按键，如图6所示。
独立式键盘的使用比较随意，一般作为某种信号的输入或功能的设定。本实用新型配置有4个此类的按键，各键的线路连接方式如图7所示。独立式键盘工作电平的设置是这样的按键处于正常状态下，外引出接线柱为低电平，当按下键盘后，外引出接线柱为高电平。正是通过判断接线柱的电平状态，可以很方便获得按键的工作情况。
二、为了能够完成PIC单片机功能性实验和外围扩展性实验，本实用新型根据PIC单片机的实验需求，组合有多种功能性模块，通过这些模块，能够构建和完成许多综合性、设计性和应用性的实验范例。
1.电动机演示模块电动机演示模块是一个可进行正反向运转的小型直流电动，驱动工作电压9V，直接来源于整流初级电压。这个模块主要是配合PWM调制方式，它是PIC16F877单片机内嵌的一个非常重要的CCP(捕捉、比较和脉宽调制)功能，可应用于很多控制应用领域。PWM调制就是通过调整输出脉冲信号的占空比，实现对电动机等进行速度调整和变化，一般输出脉冲信号的占空比(正脉宽)越大，电动机运转速度越快。本实用新型带有一个小电动机，通过一个继电器控制可以实现电动机的正反向运转，控制电路如图8所示。
2.总线式数字温度传感器模块总线式数字温度传感器模块采用美国DALLAS公司最新推出的DS18B20数字式温度传感器，将地址线、数据线和控制线合为一根双向传输数据的信号线，允许在这根信号线上挂接多个DS18B20芯片。这种新颖的传感器能够根据实际要求，通过简单的编程方法进行初始化，能够在一秒不到的时间内将温度值转化9位至12位的数字量。DS18B20具有较为宽广的线性温度测量范围-55℃～+125℃，并且在-10～+85℃范围内测量精度为±0.5℃，分辨率0.0625℃。另外，DS18B20具有非易失性上、下限温度报警功能，用户只需在初始化程序中设置高温、低温报警温度掉电不丢失方式。
DS18B20采用DALLAS公司特有的一线总线通信协议(类似于I2C通信)，只用一条数据线就能够实现与CPU的通信和数据传送。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，各自携带地址信息，大大减少了系统的电缆数，提高了系统的稳定性和抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。每只DS18B20都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式，采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长；采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。以上特点使DS18B20非常适合于远距离多点温度检测系统中。如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。对应与传统概念，这一粒三极管一样的传感器相当于传统的温度传感器+数字化+CPU+总线协议及接口。与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且新一代产品更便宜，体积更小。
DS18B20有两种供电方式寄生电源模式和外部电源模式。外部电源模式下的应用，硬件电路如图9所示。
3.数据存储器模块本实用新型扩展有2类64KB数据存储器，一种是采用并行方式存取数据的数据存储器HM628128，另一种是采用串行方式存取数据的数据存储器24LS515。这2种数据传送方式正好是系统内部2类数据总线方式信息传送的主要手段。
1)并行方式外扩存储器对外界并行方式一次同步8位存取数据是快速数据处理的关键，但当处理数据访问的单元超过一定的范围后，所需提供的地址总线数量就比较多，如64K数据存储器HM628128地址总线可达17根。如何提供这17根地址线呢？一般可采用I/O直接驱动方式、地址锁存的方式或SPI通信方式。I/O直接驱动最为简单快速，将单片机的17根接口线直接与HM628128地址总线相连，但在一般的单片机系统中是很难提供这么多的I/O线；第2种方案需要地址锁存和控制切换，对硬件的要求较高并将需要用到10根以上I/O线，这在某些条件下有一定的困难；SPI通信方式相对比较简单，一般只需要一根时钟线SCL和一根数据线SDA就可进行传送，但生存地址线会产生一定的时间延迟，对于常规的应用场合不会有什么问题，但在个别应用系统如语音识别处理中就显得慢了些。YB03-1实验系统就是运用SPI通信方式，通过3块74LS164组成的移位电路构成所需的17根地址线，如图10所示。
2)串行方式外扩存储器串行方式扩展存储器是采用一种基于I2C通信方式进行数据传送的器件，线路连接相对于并行方式要简单得多，特别方便于同类器件的连接或扩展。根据I2C通信协议，采用三位器件识别A2、A1和A0，可以轻松在I2C总线上挂接(扩展)8个同类器件。不论是单元地址还是数据均通过I2C单线SDA串行传送，数据传递的工作效率相对要弱一些，所以I2C总线通信有时又被称为“一线式”数据通信。YB03-1实验系统带有一个基于I2C总线通信的外扩存储器24LC515，除固定引脚外，只需外接2条引线SCL和SDA，如图11所示。
4.串行(同步/异步)通信模块系统内部组合有串行(同步/异步)通信模块，即通过RS-232方式实现与计算机串行口的直接通信。
具有以上附加的功能模块后，使得PIC单片机实验系统的内容更加丰富，结合PIC内部的功能模块，还可以借助于本实验系统实现很多其他功能。如外部中断、定时/计数器、实时时钟RTC以及同步串行通信(SPI、I2C)、输入信号捕捉/输出信号比较/脉宽调制PWM功能的实现、A/D模数转换和和并机通信等方面。
综上所述，本实用新型主要具有以下特点1.各功能性模块均处于独立准备工作状态，将有关的控制线和数据线连接到专用接线端柱。学生可以根据教学的进程和实验要求，通过专用连接线，将模块有序地连接起来，便可以对一个模块或部分环境进行软件调试和功能实验。体现出很大的灵活性和实用性，极大地提高学生参与实验的主观能动性。
2.本实验系统的推出，彻底改变以往PIC单片机实验的教学形式，变一味模仿、按部就班，从验证性实验到创新自主化，也就是从验证性实验内容到开发性和设计性自由组合，极大地提高学生实验的参与度和实验兴趣，对于培养学生独立设计能力和应用开发技能的提高都有很大的促进作用。同时，学生通过实验，可以比较深刻理解实验系统的构造和各模块的工作方式。
3.实验系统的多功能组合，即为学生进行PIC单片机实验开发提供了一个实用环境，同时也为PIC单片机的工程技术人员进行产品设计提供一个试验和开发的平台。通过本实验系统，很容易构成形式多样的应用开发系统，具有很强的移植功能。
4.本实验系统强调自主意识，彻底改变以往PIC单片机被动实验的局面，学生的软件设计不再是跟着既定的硬件走，而是留给学生统一思考的余地，两者形成有机的结合。没有统一的模式，走软件和硬件协调开发的设计思路，给学生留出更多自由发挥的空间。
虽然本实用新型已参照当前的具体实例进行了描述，但是本技术领域的普通技术人员应该认识到，以上的实例仅是用来说明本实用新型，在没有脱离本实用新型精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改。因此，只要在本实用新型的实质精神范围内对上述实例的变化，变型都将落在本实用新型的权利要求书的范围内。
权利要求1.一种PIC单片机实验系统，包括PIC单片机、与所述PIC单片机相连的显示模块、键盘模块，其特征在于它还包括与所述PIC单片机相连的电动机演示模块、总线式数字温度传感器模块、串行(同步/异步)通信模块和数据存储器模块，其中电动机演示模块，其包括电动机及与之相连的驱动回路，用于实现电动机的正常运行、正反转运行和PWM调速；总线式数字温度传感器模块，其配置分辨率可编程的一线总线式数字温度传感器，用于采集环境温度，形成一具有较高精度的温度检测仪；串行通信模块，其组合有串行同步和异步通信模块，用于实现与计算机串行口的直接通信；数据存储器模块，其包括可以通过并行方式外扩展的数据存储器，用于数据的快速存取。
2.根据权利要求1所述的PIC单片机实验系统，其特征在于所述的显示模块包括若干种分别连接在所述PIC单片机上组合形成的显示模块。
3.根据权利要求2所述的PIC单片机实验系统，其特征在于所述若干种组合形成的显示模块包括若干个LED发光二极管、若干位八段数码静态显示器、若干位八段数码动态显示器、LCD液晶显示屏、点阵模块。
4.根据权利要求1所述的PIC单片机实验系统，其特征在于所述的键盘模块包括若干种分别连接在所述PIC单片机上组合形成的键盘。
5.根据权利要求4所述的PIC单片机实验系统，其特征在于所述的组合形成的键盘包括组成矩阵式实现系统数据的输入和进行功能键定义的16键键盘功能键；可根据系统设计的需要进行临时定义为控制功能键的四键盘。
6.根据权利要求1所述的PIC单片机实验系统，其特征在于所述的串行通信模块是通过RS-232方式实现与计算机串行口的直接通信。
专利摘要一种PIC单片机实验系统，包括PIC单片机、与所述PIC单片机相连的显示模块、键盘模块、电动机演示模块、总线式数字温度传感器模块、串行(同步/异步)通信模块和数据存储器模块。本实用新型在包括PIC单片机内核控制开发实验系统之上，采用面向对象式解决方案，以开放型的实验理念，一方面各类工程技术人员可以非常轻松地构成各类实际应用系统，根据自己设计的线路，采用简单的接插连接方式，能够形成独特而又个性化的设计方案；另一方面学习人员能够主动地参与整个实验过程，并把更多的时间和聪明才智用于系统的设计和软件开发，极大地提高了工作效率。因此，本实用新型为教学提供一个可用于单片机教学实验的选择方案、实现在线程序设计和功能调试的PIC单片机实验系统。
文档编号G09B25/00GK2901480SQ20062004184
公开日2007年5月16日 申请日期2006年5月17日 优先权日2006年5月17日
发明者李荣正, 杜威, 秦侃 申请人:上海工程技术大学