在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中引入EDA軟件的必要性

1 在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中引入EDA軟件的必要性

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，單片機(jī)在工業(yè)控制和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一門(mén)以應(yīng)用為主的課程，在單片機(jī)課程的教學(xué)過(guò)程中既需要在有限的課堂時(shí)間內(nèi)向?qū)W生傳授一定的理論知識(shí)，又需要在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中給學(xué)生充分發(fā)揮動(dòng)手能力的實(shí)踐空間。特別是在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)周期短（一般兩周時(shí)間）且學(xué)生缺乏實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以往的方法就是老師給出電路原理圖，然后學(xué)生在試驗(yàn)箱或面包板上“按圖索驥”，最后看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就算成功了。這樣做往往很多學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理都似懂非懂，更談不上自己設(shè)計(jì)或創(chuàng)新，實(shí)際教學(xué)效果并不理想。究其原因主要是學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中手工繪制電路圖的效率較低，而且當(dāng)面包板上插滿導(dǎo)線后排查錯(cuò)誤或修改電路參數(shù)將非常麻煩，極大的打擊了學(xué)生的創(chuàng)作積極性，所以實(shí)際效果并不是太好。然而引入EDA軟件之后，通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的輔助設(shè)計(jì)能力，可以大大提高電路設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，學(xué)生可以隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整和修改所設(shè)計(jì)電路的各項(xiàng)參數(shù)，極大的增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)作熱情，從而提高實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果。

2 課程設(shè)計(jì)實(shí)例——4位數(shù)顯儀表

為了詳細(xì)說(shuō)明Protel軟件在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，本文以4位數(shù)顯儀表作為一個(gè)具體實(shí)例，詳細(xì)說(shuō)明單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程。本實(shí)例來(lái)源于實(shí)際工程項(xiàng)目，在引入到課程設(shè)計(jì)后做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，但要求學(xué)生獨(dú)立完成大部分的設(shè)計(jì)工作，每個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)的電路形式、參數(shù)可以有所差異，關(guān)鍵是要掌握單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。具體設(shè)計(jì)流程分為功能模塊劃分、電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB板圖設(shè)計(jì)、電路制板、電路板焊接調(diào)試等步驟。教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)此課程設(shè)計(jì)讓學(xué)生初步掌握單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)思想和一般方法，并作為日后設(shè)計(jì)實(shí)用電路的參考。

2.1 功能模塊劃介

4位數(shù)顯儀表的主要功能是將傳感器采集的模擬信號(hào)，通過(guò)調(diào)理放大后送到AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；單片機(jī)將AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和處理，驅(qū)動(dòng)4位數(shù)碼管顯示采集的數(shù)據(jù)，并具備超限聲光報(bào)警（驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和繼電器）及與PC機(jī)通信（RS232）的功能。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，現(xiàn)將4位數(shù)顯儀表劃分為信號(hào)調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)主控模塊、顯示驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、電源模塊共6個(gè)功能模塊。在實(shí)際課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)學(xué)生的具體情況，要求其選做其中的部分模塊，或采用小組多人分工合作的形式。教學(xué)方法上需注意要求學(xué)生一定要采用分塊設(shè)計(jì)及分塊調(diào)試的方法，先局部后整體，而不能將整個(gè)系統(tǒng)完全搭建好了以后再開(kāi)始調(diào)試，否則一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，排查起來(lái)將比較困難。

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

（1）信號(hào)調(diào)理模塊及AD轉(zhuǎn)換模塊。

信號(hào)調(diào)理模塊采用2片OP07將傳感器輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和放大，然后送到AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換器采用24位AD轉(zhuǎn)換器CS5550將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送到單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理。

（2）單片機(jī)主控模塊。

主控模塊采用STC11F16XE增強(qiáng)型51作為系統(tǒng)的控制核心，其引腳和功能與傳統(tǒng)51單片機(jī)兼容，但指令執(zhí)行速度最高可達(dá)傳統(tǒng)51的12倍，另外還增加了一些其它功能。STC11F16XE的最小系統(tǒng)原理圖與傳統(tǒng)51類(lèi)似，絕大部分單片機(jī)教材上都有詳細(xì)介紹，可讓學(xué)生查閱后自行繪制。

（3）顯示驅(qū)動(dòng)模塊。

顯示驅(qū)動(dòng)模塊采用CH452和ULN2803共同驅(qū)動(dòng)4位共陽(yáng)8段數(shù)碼管，采用CH452是因?yàn)檎加玫膯纹瑱C(jī)口線較少，驅(qū)動(dòng)方法也比較簡(jiǎn)單。學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中也可以采用74HC595或IO口加三極管的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這里需要提醒學(xué)生注意驅(qū)動(dòng)芯片能承受的總驅(qū)動(dòng)電流的大小，以免燒壞芯片。

（4）通信模塊。

通信模塊采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的上位機(jī)通信軟件由教師提供給學(xué)生，用于檢測(cè)通信模塊是否正常工作。這個(gè)模塊的設(shè)計(jì)可以加深學(xué)生對(duì)RS232通信原理的理解，并且掌握最基本的通信握手協(xié)議格式。

2.3 PCB板圖設(shè)計(jì)及電路板制做

以往的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中，當(dāng)電路原理圖繪制完成后，學(xué)生就用面包板或萬(wàn)用板及導(dǎo)線制做電路板，制做效率較低，而且出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)查找起來(lái)非常麻煩。在引入了Protel軟件以后，就可以將電路原理圖中的元件導(dǎo)入PCB板圖并進(jìn)行繪制，然后通過(guò)熱轉(zhuǎn)印法和PCB雕刻機(jī)等加工方法制做電路板。這樣制做出來(lái)的電路板比較精致，制做效率也較高，由于沒(méi)有了額外穿插的導(dǎo)線，在查找錯(cuò)誤和修改電路參數(shù)時(shí)也比較方便。

2.4 電路板的焊接及調(diào)試

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生逐步完成電路板的焊接和調(diào)試。在這個(gè)過(guò)程中，注意對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練，從元器件的選取、判斷好壞、按電路功能分塊焊接和調(diào)試，直至最后實(shí)現(xiàn)電子拔河裝置的總體功能。

3 結(jié)語(yǔ)

在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過(guò)引EDA軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，不僅能極大提高設(shè)計(jì)效率和成功率，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，教學(xué)效果得到了明顯提高。并且這些設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用于日后工作中的實(shí)用電路設(shè)計(jì)中，有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
? ? ? ?責(zé)任編輯：tzh