基于STC15單片機的模塊化智能小車實訓平臺開發(fā)

施蕓 楊曉艷 雷剛 彭林

（四川工程職業(yè)技術學院 四川省德陽市 618000）

單片機在工業(yè)控制、汽車電子、信息通信、家用電器等多個領域應用十分廣泛，單片機相關課程已成為很多應用型本科和高職院校電子、電氣和機電類專業(yè)的重要專業(yè)技術課程[1][2]。學生在單片機學習過程中，須通過大量實踐才能完全理解單片機的結構及工作原理，熟練掌握外圍電路設計、程序設計、調試工具使用等知識和方法，最終才能具備開發(fā)應用的基礎能力，因此一款能調動學生學習興趣，又適應當下碎片化學習方式的實驗裝置對單片機的學習非常重要[3][4]。目前，單片機實驗解決方案以實驗箱和開發(fā)板兩類為主，文獻[5]提出了一種基于“STD 總線+疊合式模塊”設計思路的單片機實驗箱，文獻[6]設計了一種適合項目教學法的多功能單片機實驗箱，文獻[7][8]從尺寸小巧，便于攜帶的角度出發(fā)，設計了以開發(fā)板為呈現(xiàn)方式的實驗平臺?？偟膩碚f，實驗箱功能較全面、集成度高、可實現(xiàn)的實驗項目較多，但價格較昂貴。開發(fā)板便于攜帶、較便宜，但實驗項目有限、被控對象簡單。

本文介紹一款以STC 增強型51 單片機IAP15W4K61S4 為核心控制器，集通用性、可拓展性、競賽性、趣味性、便攜性于一體的模塊化結構的智能小車實訓平臺。既能滿足單片機各階段的學習需求，也能滿足翻轉課堂、小組學習、項目化教學等課堂革命需要，能有效提高學生的學習效率，更好地培養(yǎng)實踐和創(chuàng)新能力。

1 實訓平臺整體規(guī)劃

實訓平臺以智能控制小車為載體，采用模塊化結構，各組成部分通過插接件連接，并采用隔離柱固定安裝，可根據(jù)需要更換或添加功能模塊。智能小車實訓平臺的實物圖如圖1 所示，各組成部分具備的功能如下：

（1）小車車架：小車采用左、右輪獨立驅動，安裝于車架四周。車架尾部安裝鋰電池，車架前后預設多個外圍擴展模塊安裝孔位，可極大滿足平臺擴展功能模塊的安裝需求。

（2）電源及電機驅動模塊：電源模塊為單片機、控制單元及電機提供能源。電機驅動控制模塊電路采用經(jīng)典的H 橋驅動電路，以實現(xiàn)小車的運動控制。

（3）I/O 擴展板：該部分除了具備聲音檢測、蜂鳴器、顯示/按鍵接口、RS232、SPI、模擬I2C、PWM 等模塊電路外，還盡可能地預留了可用的I/O 端口，以便外擴模塊使用。

（4）主控核心板：主控電路模塊采用單片機最小系統(tǒng)設計，所有端口通過插針與I/O 擴展板相連。此設計的目的是為了方便地更換不同類型和型號的單片機，以達到單一平臺完成多系統(tǒng)實驗的目的。

（5）按鍵/顯示模塊：用于實現(xiàn)人機交互功能。主要用于數(shù)碼管顯示、按鍵輸入。該模塊接口與LCD1602 液晶顯示模塊接口兼容，以便完成不同顯示模塊實驗。

圖1：智能小車實物圖

圖2：USB 接口的ISP 端口電路圖

圖3：項目任務模塊示意圖

通過模塊化結構設計，實訓平臺既滿足單片機內部結構、I/O端口、寄存器、功能模塊、指令系統(tǒng)、編程調試等基礎知識的學習和技能訓練，又可用于項目化課程設計或專周實訓，進而開展一些寓教于樂的競賽活動，將課前課中課后、理論與實踐、基礎與進階等階段很好地串聯(lián)起來，能較全面的滿足單片機相關課程的教學需求，并為后續(xù)學習32 位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)或其他控制類課程奠定堅實基礎。

2 實訓平臺硬件設計

實訓平臺包括基本功能模塊和擴展功能模塊兩大部分?；竟δ苣K由主控核心、I/O 擴展（聲音檢測、A/D 輸入、通信端口）、電源及電機驅動、人機接口等模塊構成，擴展功能模塊通過通信端口（SPI、模擬I2C、串口）及預留I/O 連接系統(tǒng)，并根據(jù)需要安裝使用。

2.1 主控核心板

核心板采用最小系統(tǒng)設計方式，單片機的I/O 端口通過插接件與I/O 擴展板連接，以方便更換不同類型或型號的單片機。本文介紹的核心板選用宏晶科技(STC)推出的增強型51內核IAP15W4K61S4 單片機作為主控芯片。單片機片內集成4KSRAM、61KFlash 存儲空間，具備5 個定時/計數(shù)器、8 路10bit的A/D、8 路PWM、4 路獨立串口、1 路SPI 高速接口等接口資源。單片機具備7 種復位方式，高可靠復位電路和較強的抗干擾能力，除外接時鐘外，還具備高精度R/C 內部時鐘（±0.3%），可編程實現(xiàn)5-30MHz 的系統(tǒng)工作時鐘，通過1 路串口可實現(xiàn)ISP（In System Programmability，在系統(tǒng)編程）功能，能很方便地實現(xiàn)程序仿真、調試、下載等操作[9]。

2.2 I/O擴展板

實訓平臺通過I/O 擴展板進行單片機I/O 端口的功能擴展。除了用于固定功能的I/O 端口之外，還預留了多個通用I/O 端口，可根據(jù)不同需求實現(xiàn)串口、PWM 信號、A/D 輸入、中斷等功能，便于擴展模塊連接和使用。

I/O 擴展板配備USB 轉RS232 轉換電路，電路原理如圖2 所示，采用CH340 芯片與串口1（P3.0/P3.1）相連[10]，實訓平臺可直接與電腦的USB 端口連接，進行單片機程序開發(fā)。

2.3 電源及電機驅動

平臺具備鋰電池和外接穩(wěn)壓電源兩種供電方式。供電電源輸出額定電壓7.4V，直接作為電機驅動電源，然后通過穩(wěn)壓芯片LM1117-5 輸出5V 電壓，提供給I/O 擴展版及核心板使用。

智能小車選用額定電壓6V，額定轉速210r/min，減速比為1:34的小功率直流減速電機。電機自帶編碼器，分辨率為341PPR，具有較高的準確度和穩(wěn)定性。

小功率直流電機常采用PWM 脈沖控制的分離功率器件構成的H 橋或集成H 橋組件的方式進行調速控制[11]-[13]?？煞奖阃ㄟ^H 橋進行電機正反轉控制，并通過邏輯門實現(xiàn)硬件邏輯互鎖，防止H 橋臂出現(xiàn)直通短路。

2.4 人機接口

人機接口部分采用四個獨立式按鍵及四位七段LED 共陽數(shù)碼管作為顯示電路。單片機P7 端口作為共陽數(shù)碼管數(shù)據(jù)輸入端，P6端口用于共陽數(shù)碼管公共端控制和按鍵輸入檢測。

按鍵輸入檢測電路采用二極管D5～D8 實現(xiàn)“與”邏輯，然后接入P3.3 端口電路，可實現(xiàn)中斷檢測按鍵動作功能。此外，該模塊端口完全兼容LCD1602 字符型液晶顯示屏。

3 實訓平臺在教學中的應用

實訓平臺在我院主要承擔著電類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)相關課程的實踐教學、學生課外創(chuàng)新能力訓練、各類參賽訓練的任務。目前，依托平臺已開發(fā)的主要項目任務模塊，如圖3 所示。

教學過程中，學生從小車車體的組裝入手，結合主流單片機開發(fā)軟件Keil，逐步在項目式教學的引導下完成硬件和軟件的設計任務。同時，可利用仿真軟件Proteus 進行輔助虛擬仿真驗證，能有效解決實驗時間、實驗場地受限的問題。

在學生課外創(chuàng)新方面，車體模塊化的結構設計提供了靈活設計空間。其中主控板設計為最小系統(tǒng)，支持從標準51 到增強型51 單片機，再到STM32 等ARM 內核的控制器，將相關行業(yè)的新技術、新工藝的發(fā)展引入到課程教學中來，為學生的課外創(chuàng)新能力訓練和各類參賽訓練提供了良好的平臺。

4 結束語

本文所設計的模塊化智能小車實訓平臺，根據(jù)課程培養(yǎng)目標，從硬件搭建和程序設計兩方面入手，通過項目式教學，全面體現(xiàn)課程軟硬結合的特點。從而激發(fā)學生學習興趣入手，本著“以學生為本”的理念，服務于學生實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。從教學效果來，智能小車運行穩(wěn)定、可靠、易于操作、便于攜帶，極大程度上激發(fā)了學生的學習積極性和主動性，開拓了學生的視野。從教師的教學能力提高來看，課程組教師在省級和國家級教學能力大賽中均有獲獎。而學生方面，通過利用小車進行課內學習，課外拓展，賽前培訓，在所參加的全國大學生電子設計大賽中均多次取得佳績。