PIC單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)課程是電子專業(yè)的核心專業(yè)課。傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)：理論講解+實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)箱的硬件電路模式固定，只需要用導(dǎo)線簡(jiǎn)單連接，再將目標(biāo)程序載入單片機(jī)就可以觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人對(duì)硬件電路的操作空間十分有限，面對(duì)一堆電路，學(xué)生很難對(duì)自己所用的電路有一個(gè)非常直觀的認(rèn)識(shí)。另外實(shí)驗(yàn)箱成本高，浪費(fèi)也大，實(shí)驗(yàn)箱電路一般比較繁雜，一旦出現(xiàn)故障，很難維護(hù)，有問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)箱通常會(huì)被擱置起來(lái)等著報(bào)廢，使得資源無(wú)法充分利用。

PIC單片機(jī)

PIC單片機(jī)是Microchip公司推出的， PIC單片機(jī)系列產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于從日常家用電器到智能儀器的各個(gè)領(lǐng)域。PIC單片機(jī)在國(guó)內(nèi)發(fā)展非常迅速，而這方面的人才培養(yǎng)顯得相對(duì)滯后，學(xué)校的單片機(jī)課程和實(shí)驗(yàn)還是以51單片機(jī)為主。作為高職學(xué)生，學(xué)習(xí)PIC單片機(jī)，不但可以提高自己的動(dòng)手能力，還可以在就業(yè)方面領(lǐng)先一步。

PIC單片機(jī)的特點(diǎn)

PIC單片機(jī)最大的特點(diǎn)是從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，發(fā)展多種型號(hào)來(lái)滿足不同層次的應(yīng)用要求，其片內(nèi)功能由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，封裝形式多樣化，引腳數(shù)也各不相同，最小的單片機(jī)只有8個(gè)引腳。

PIC單片機(jī)還集成了AD轉(zhuǎn)換模塊，在設(shè)計(jì)制作時(shí)，可以大大減少外圍器件，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為便捷，可以制作出更小的產(chǎn)品。另外，PIC 8位單片機(jī)具有很高的代碼兼容性，用戶很容易將代碼轉(zhuǎn)移到其它型號(hào)的PIC 8位單片機(jī)當(dāng)中。

PIC 8位單片機(jī)具有指令少、執(zhí)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，其原因是PIC單片機(jī)采用RISC和哈佛結(jié)構(gòu)，如圖1所示，CPU在執(zhí)行一條指令的同時(shí)，能對(duì)下一條指令進(jìn)行取指操作，取指令和執(zhí)行指令在時(shí)間上是相互重疊的，從而提高了CPU執(zhí)行指令的速度和效率。

PIC單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)

相同引腳數(shù)目的PIC 8位單片機(jī)一般都有好幾個(gè)型號(hào)，它們外部引腳兼容，內(nèi)部則有所區(qū)別。這里選擇8腳、14腳、20腳、40腳的單片機(jī)，分別組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。

如圖2所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)、若干功能模塊組成單片機(jī)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。每個(gè)功能模塊都具有一定的代表性，對(duì)需要掌握的知識(shí)和技能力求循序漸進(jìn)，功能模塊之間既相互獨(dú)立，又互相銜接，功能模塊與單片機(jī)最小系統(tǒng)之間通過(guò)杜邦線互聯(lián)，各部分電路原理簡(jiǎn)單，整體結(jié)構(gòu)清晰明了，學(xué)生可以根據(jù)自己想法對(duì)功能模塊進(jìn)行靈活搭配。

圖1 哈佛結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)成

圖2 PIC單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置方框圖

圖3 印制板快速制作流程圖

例程設(shè)計(jì)

如圖2所示，通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)和若干個(gè)功能模塊組合，可以搭配成簡(jiǎn)單的電壓表、頻率計(jì)、溫度計(jì)等。以頻率計(jì)為例，顯示部分既可以選用數(shù)碼管模塊，也可以采用液晶顯示模塊。PIC單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置為學(xué)生提供相應(yīng)的演示程序，學(xué)生可以用來(lái)調(diào)試電路和參考編程。

PIC單片機(jī)實(shí)訓(xùn)裝置的應(yīng)用

熟悉電路原理圖及仿真環(huán)境

Proteus軟件建立了比較完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境，它可以仿真51、AVR、PIC、ARM等常用單片機(jī)。從原理圖繪制、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，到PCB設(shè)計(jì)。Proteus還提供虛擬儀器：示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、交直流電壓/電流表、頻率計(jì)等。

給學(xué)生下達(dá)任務(wù)時(shí)，提供單片機(jī)電路圖和Hex文件，要求學(xué)生在Protues里繪制完成單片機(jī)電路仿真圖，再將Hex文件配置到仿真環(huán)境里的單片機(jī)上進(jìn)行仿真調(diào)試。學(xué)生可以在Protues進(jìn)行電路仿真時(shí)看到模擬的實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)和過(guò)程，再配合顯示及虛擬儀器，能觀察到程序運(yùn)行的效果。學(xué)生調(diào)試通過(guò)，再進(jìn)行下一步的編程訓(xùn)練。

熟悉單片機(jī)編程及編譯環(huán)境

設(shè)置特定的驗(yàn)證結(jié)果，要求學(xué)生通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在MPLAB環(huán)境里編寫(xiě)程序并編譯出Hex文件，再將Hex文件配置到仿真環(huán)境里的單片機(jī)上進(jìn)行調(diào)試。單片機(jī)的編程語(yǔ)言使用C語(yǔ)言比較好。單片機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用中大多采用C語(yǔ)言編程，C語(yǔ)言易懂實(shí)用，比較適合高職學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。

MPLAB 是PIC單片機(jī)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是以工程為單位，即先要為源程序創(chuàng)建工程文件，再進(jìn)行配置，載入相應(yīng)的源程序文件。MPLAB自帶的MPASMWIN支持匯編程序編譯，要使用C語(yǔ)言程序編譯器，還需安裝HTTECH C。

PCB制作

對(duì)于電子專業(yè)的高職學(xué)生來(lái)講，動(dòng)手能力尤為重要。在學(xué)習(xí)當(dāng)中，他們不僅要盡快熟悉單片機(jī)的基本硬件設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單軟件編程，還需要掌握比較扎實(shí)的電路焊接基本功。學(xué)生可以把通過(guò)仿真調(diào)試的電路繪制成PCB文件，再利用清華制板套件進(jìn)行PCB制作，圖3是印制板快速制作流程圖。

單片機(jī)最小系統(tǒng)與功能模塊電路板焊接

給學(xué)生提供電路板及相關(guān)元件、電路圖、元件清單，要求學(xué)生焊接完單片機(jī)電路板后，把自己編譯的Hex文件下載到單片機(jī)實(shí)物里進(jìn)行調(diào)試，最后將實(shí)物電路的運(yùn)行結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，看看Proteus仿真和實(shí)物電路有哪些差別。

小結(jié)

將單片機(jī)的功能電路分解成一個(gè)個(gè)的任務(wù)，教師邊講邊做，學(xué)生邊做邊學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)單片機(jī)的興趣，有利于他們提高硬件設(shè)計(jì)和軟件編程方面的能力。項(xiàng)目實(shí)踐中，以問(wèn)題為導(dǎo)向，在遇到典型故障的時(shí)候，老師可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析故障現(xiàn)象，讓學(xué)生自己在實(shí)踐中體會(huì)理論知識(shí)應(yīng)用。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.003