1 在单片机课程设计中引入EDA软件的必要性
随着现代电子技术的高速发展, 单片机在工业控制和消费类电子产品中得到了广泛的应用。作为一门以应用为主的课程, 在单片机课程的教学过程中既需要在有限的课堂时间内向学生传授一定的理论知识, 又需要在实践教学环节中给学生充分发挥动手能力的实践空间。特别是在课程设计过程中, 由于设计周期短 (一般两周时间) 且学生缺乏实际设计经验, 以往的方法就是老师给出电路原理图, 然后学生在试验箱或面包板上“按图索骥”, 最后看到实验现象就算成功了。这样做往往很多学生对实验原理都似懂非懂, 更谈不上自己设计或创新, 实际教学效果并不理想。究其原因主要是学生在设计过程中手工绘制电路图的效率较低, 而且当面包板上插满导线后排查错误或修改电路参数将非常麻烦, 极大的打击了学生的创作积极性, 所以实际效果并不是太好。然而引入EDA软件之后, 通过计算机强大的辅助设计能力, 可以大大提高电路设计的效率和准确性, 学生可以随时根据需要调整和修改所设计电路的各项参数, 极大的增强了学生的学习兴趣和创作热情, 从而提高实践教学环节的教学效果。
2 课程设计实例——4位数显仪表
为了详细说明Protel软件在单片机课程设计中的应用, 本文以4位数显仪表作为一个具体实例, 详细说明单片机电路的设计方法和设计流程。本实例来源于实际工程项目, 在引入到课程设计后做了适当的简化, 但要求学生独立完成大部分的设计工作, 每个学生设计的电路形式、参数可以有所差异, 关键是要掌握单片机电路的设计思想和设计方法。具体设计流程分为功能模块划分、电路原理图设计、PCB板图设计、电路制板、电路板焊接调试等步骤。教学目标是通过此课程设计让学生初步掌握单片机电路的设计思想和一般方法, 并作为日后设计实用电路的参考。
2.1 功能模块划分
4位数显仪表的主要功能是将传感器采集的模拟信号, 通过调理放大后送到AD转换器进行AD转换;单片机将AD转换的结果进行运算和处理, 驱动4位数码管显示采集的数据, 并具备超限声光报警 (驱动蜂鸣器和继电器) 及与PC机通信 (RS232) 的功能。为了实现上述功能, 现将4位数显仪表划分为信号调理模块、AD转换模块、单片机主控模块、显示驱动模块、通信模块、电源模块共6个功能模块, 系统结构框图如图1所示。在实际课程设计过程中, 可根据学生的具体情况, 要求其选做其中的部分模块, 或采用小组多人分工合作的形式。教学方法上需注意要求学生一定要采用分块设计及分块调试的方法, 先局部后整体;而不能将整个系统完全搭建好了以后再开始调试, 否则一旦出现错误时, 排查起来将比较困难 (图1) 。
2.2 功能模块设计
(1) 信号调理模块及AD转换模块。
信号调理模块采用2片OP07将传感器输入的模拟信号进行调理和放大, 然后送到AD转换模块进行AD转换, AD转换器采用24位AD转换器CS5550将模拟信号转换为数字信号后送到单片机进行运算和处理。
(2) 单片机主控模块。
主控模块采用STC11F16XE增强型5 1作为系统的控制核心, 其引脚和功能与传统51单片机兼容, 但指令执行速度最高可达传统51的12倍, 另外还增加了一些其它功能。ST C11F16XE的最小系统原理图与传统51类似, 绝大部分单片机教材上都有详细介绍, 可让学生查阅后自行绘制。
(3) 显示驱动模块。
显示驱动模块采用CH452和ULN2803共同驱动4位共阳8段数码管, 电路原理图如图3所示, 采用CH452是因为占用的单片机口线较少, 驱动方法也比较简单。学生在设计过程中也可以采用74HC595或IO口加三极管的方式进行驱动, 这里需要提醒学生注意驱动芯片能承受的总驱动电流的大小, 以免烧坏芯片。
(4) 通信模块。
通信模块采用MAX232芯片实现与PC机的通信。在课程设计过程中, 对应的上位机通信软件由教师提供给学生, 用于检测通信模块是否正常工作。这个模块的设计可以加深学生对RS232通信原理的理解, 并且掌握最基本的通信握手协议格式。
2.3 P C B板图设计及电路板制做
以往的单片机课程设计中, 当电路原理图绘制完成后, 学生就用面包板或万用板及导线制做电路板, 制做效率较低, 而且出现错误时查找起来非常麻烦。在引入了Protel软件以后, 就可以将电路原理图中的元件导入PCB板图并进行绘制, 然后通过热转印法和PCB雕刻机等加工方法制做电路板。这样制做出来的电路板比较精致, 制做效率也较高, 由于没有了额外穿插的导线, 在查找错误和修改电路参数时也比较方便。
2.4 电路板的焊接及调试
在教师的指导下, 学生逐步完成电路板的焊接和调试。在这个过程中, 注意对学生实际动手能力的训练, 从元器件的选取、判断好坏、按电路功能分块焊接和调试, 直至最后实现电子拔河装置的总体功能。
3 结语
在单片机课程设计的实践教学环节中, 通过引EDA软件进行辅助设计, 不仅能极大提高设计效率和成功率, 还能激发学生的学习兴趣和创新能力, 教学效果得到了明显提高。并且这些设计思想、设计流程和设计方法可以应用于日后工作中的实用电路设计中, 有很强的实际应用价值。
摘要：介绍了EDA软件Protel DXP的特点及其在单片机课程设计中的应用。通过一个具体实例——4位数显仪表, 详细说明了利用EDA软件进行电路设计的设计方法和设计流程, 并给出了各功能模块的电路原理图和PCB板图, 其设计思想也可应用于实用电路设计中。实际教学效果表明, Protel软件在单片机课程设计中有具有使用方便、设计效率高和易于修改电路参数等优点, 有助于调动学生的学习积极性, 并能提高单片机课程实践教学环节的教学效果。
关键词：EDA,Protel DXP,单片机,课程设计
参考文献
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