基于IAP技术的个人单片机实验平台的设计

0 引言
单片机课程是电子信息类专业的一门重要课程，它具有实践性强，对专业基础知识的综合运用能力要求高的特点。

由于这些特点，使得实验教学对于学好单片机课程至关重要，文献[1-4]的作者在开发基于个人使用的单片机实验平台上做了许多研究工作。

近年来因为硬件成本的大幅下降，使得对于每个有志于学好单片机的同学来说，拥有一块属于自己的单片机实验板并不是一件难事。

基于此，根据单片机课程的教学需要，设计了一款紧贴教学内容需求的单片机实验板。

1 设计思想
本实验板也以51单片机为控制核心，在设计时充分考虑课程教学的需要，同时又考虑学完本门课程后的使用需求，从以下几个方面来规划实验板的功能和设计。

（1）尽量在不需要对实验板电路作连接修改的情况下完成所有单片机的基础教学实验，减少因为电路板连接设置错误而带来的问题。

（2）必须具备硬件仿真调试功能。

单片机的硬件仿真功能对学习单片机非常重要，配合Keil软件提供的各种调试工具，可以让学生观察到每一行代码执行后的结果[5-6]。

（3）扩展性强。

要求单片机的所有端口引脚都能够单独引出。

（4）成本低廉，使每个学生都可以负担得起。

2 硬件电路设计
传统51单片机并不具备IAP(In Application Progr amming)功能，内在资源也非常有限，限制了它的应用范围；STC公司出品的IAP15W4K58S4拥有4KB（包含256B的基本RAM）的数据存储器，58KB的程序存储器，内建了10位分辨率的A/D转换模块，还包含了SPI接口、PWM输出等，最多支持4个串口，支持1T指令，最重要的是支持在线仿真功能，可以实现单片机硬件仿真，它与传统51单片机相比无论是功能还是性能都强不少。

本实验板选择DIP40封装的IAP15W4K58S4(以下简称IAP15W)单片机作为目标单片机，
the circuits in board. Meanwhile, it is very easy to connect the peripheral circuit because all port pins of microcontroller were led out. This paper introduces the design of the main unit circuit and the experimental items that can be carried out on the board. The experiment board has been used by students of biomedical engineering major in our university for many years, and has achieved good teaching effect in improving students’ programming ability.
Keywords:IAP; MCU simulation; experiment teaching platform
图1 系统框图
图3 热复位电路
是来自USB 供电或者外接电源，正常工作时的集电极输出为整个实验板供电；当需要热复位时，S19，Q4的基极和发射极短路，Q4截止，然后松开S19后，Q4饱和导通，恢复供电，完成一次热复电路
单片机采用锁紧座安装，一旦出现器件损坏有利于更换。

P3和P4为双排插针，用短路帽短接；按键S20~S23与LED 指示灯D12~D15并联，这样的设计节省了I/O 端口引脚；考虑到SPI 口连接的器件工作电压一般为3.3V，所以在单片机引脚上串联了限流电阻[8]，MCU 电路如图4所示。

图4 MCU 电路
2.3 矩阵键盘电路
采用4*4矩阵键盘结构，占用P0端口，RRP1为外接上拉电阻。

P0的工作模式设置为准双向口模式，P0.0~P0.3为列线，P0.4~P0.7为行线，D18~D19为端口保护二极管，这样可以避免当两个按键同时按下时出现I/O 端口损坏的情况[8]，
矩阵键盘电路如图5所示。

图5 矩阵键盘电路
2.4 动态数码管显示电路
数码管采用四联装动态显示共阴极数码管，采用两片组位数字；为了节省端口引脚，采用两片74HC595完成单片机到数码管的串-并输出转换，其中U3示位码，U6输出显示段码。

根据试验，限流电阻取390即可获得足够的发光亮度，数码管显示电路如图6所示。

图6 数码管显示电路
2.5 串口通信电路
单片机处于仿真状态或者下载状态时，需要占用串口P3.0和P3.1引脚，所以工作在仿真状态时这两个引脚不能作为其它用途;如果实验时要用到串口，可以使用串口（连接引脚是P1.0和P1.1）。

CH340G 完成USB 口和串口之间的信号转换。

MAX232完成两路TTL 电平和RS-232电平之间的转换，串口通信电路如图7所示。

图7 串口通信电路
表1 基础实验项目
序号实验项目
难度
1I/O 输入输出实验，包括LED 指示灯实验和单独按键实验易2外部中断实验易3定时/计数器实验易4串口通信实验较易5A/D 转换实验较易6PWM 输出实验较易7矩阵键盘实验较难8动态数码管显示实验
较难
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有指纹按下，系统调用指纹开门子程序，判断指纹权限，如果符合权限，则打开门，否则不开门。

开门时蜂鸣器发出提示，并且在三秒钟后自动关闭门锁。

当检测到射频识别卡，则调用相应的射频卡开门子程序，判断权限来决定门锁的开关。

[4]唐旭,陈蓓.浅谈物联网在智能家居中的应用趋势[J].电
脑知识与技术, 2019, 15(31) : 239-240.
[5]刘柄均.基于物联网的门禁系统研究[D].天津大学,
2017.
3 实验项目
实验项目分为基础实验和扩展实验，基础实验一般是针对单片机内某一个功能模块的使用，表1列出了可以进行的基础实验项目及其难易度评定。

扩展实验需要用到单片机内部两个或者两个以上的功能模块，难度较基础实验高，扩展实验项目如表2所示。

表2 扩展实验项目
序号实验项目难度1A/D转换和串口发送实验难
2基于时钟芯片PCF8563的数码管(或LCD)显示的数字
时钟实验
难
3基于定时器的数码管(或LCD)显示的数字时钟实验难4基于nRF24L01的无线传输实验难5基于DS18B20传感器的测温实验难6数字电压表实验难
4 结语
本实验板从2016年投入使用，迄今为止已经完成我校四届生物医学工程专业学生的单片机实验教学，取得了良好的教学效果。

参考文献
[1]董介春,于瑞涛,卫成兵.口袋实验室建设与实验教学改
革[J].电气电子教学学报, 2017, 39(3) : 133－135.
[2]腾召胜,高云鹏,唐求等.基于口袋实验室的单片机实践
教学改革[J].电气电子教学学报, 2018, 40(4) : 117-
120.
[3]石飞,陈娟,王建英等.口袋式单片机实验系统研制与应
用[J].实验技术与管理, 2019, 36(4) : 92-95.
[4]刘克江.基于个人实验板的单片机教学改革探究[J].教育
现代化, 2018, 31 : 75-78.
[5]徐玮巍,张强,高颂等.基于IAP在线仿真技术的多功能
单片机实验板[J].南京师范大学学报(工程技术版), 2018, 18(2) : 43-49.
[6]叶成彬,郭志雄,孔令鹏.基于 IAP15W 系列单片机的教
学实验平台设计[J].电子设计工程, 25(3) : 162-166.
[7]丁向荣,姚永平,单片机原理与接口技术[M].北京:电子
工业出版社, 2018, P27.
[8]潘永雄.新编单片机原理与应用[M].西安：西安电子科
技大学出版社, 2011, P277.
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