CN103093672A

CN103093672A - 便携式电子技术实验箱

Info

Publication number: CN103093672A
Application number: CN2012105897372A
Authority: CN
Inventors: 王美玲; 王新平; 许谦
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: CN103093672B

Abstract

本发明提供一种便携式电子技术实验箱，该实验箱体积小巧、升级性好、兼容性强、用途广泛，既满足了电子技术基础实验课程的需要，又可以作为学生自主创新实践的实验平台，为学生参加科技创新和电子设计竞赛提供良好的实验环境。包括一块主板、两块子板、实验箱箱体和电源模块。其中主板包括数码管、拨码开关、指示灯、逻辑笔、总开关、直流电压及短路报警、扩展接线、脉冲信号源、单脉冲、固定阻容、报警电路、A/D及D/A转换、面包板等模块。两块子板分别是单片机系统板和可编程片上系统板。单片机系统板的大小与一块面包板的大小一致，以便拆卸替换。可编程片上系统板的引入实现了在线编程，增强了实验箱的灵活性与便捷性。两块子板的引入使实验箱升级成高性能的单片机系统实验箱。

Description

便携式电子技术实验箱

技术领域

本发明涉及一种便携式电子技术实验箱，属于电子技术领域。

背景技术

随着科技的发展，电子技术在生产和研究活动中的重要作用愈发凸显。电子技术实验设备装置，即模拟电子技术、数字电子技术实验箱，是各大高校实施电子技术实践教学和学生创新的重要实验装置。目前各大高等院校广泛使用的电子技术实验箱是针对电子技术基础课程的实验内容设计而成。该类实验箱有三个显著缺陷：一是实验箱的设备功能单一，拓展、创新性能弱；二是不同厂家实验箱的电路板不能相互转换和连接，尺寸、接口、性能难以兼容；三是箱体体积太大，既不美观，也不便于移动携带。

发明内容

本发明提供一种便携式电子技术实验箱，该实验箱体积小巧便于移动和携带，功能齐全，且采用模块化设计，兼容性及扩展性好。

该电子技术实验箱包括：箱体、主板、电源模块和两块子板。所述两块子板分别为单片机系统板和可编程片上系统板。所述电源模块固定在箱体底部的内表面，其接线插头由箱体后侧的交流电源接口引出。所述主板固定在箱体内部，其四周均与箱体的内表面固接。

所述主板包括子板区、位于子板区上方的显示区，位于子板区左侧的电源区，位于子板区下方的功能模块区和位于子板区右侧的扩展接线模块。所述子板区依据具体实验需要选择放置面包板、单片机系统板或可编程片上系统板。所述显示区内包括数码管模块、逻辑电平指示模块、拨码开关和逻辑笔模块。所述电源区内包括电源总开关和直流电源及短路报警模块，其中直流电源及短路报警模块与电源模块相连。所述功能模块区内包括脉冲信号源模块、单脉冲模块、固定阻容模块、报警电路模块和A/D和D/A转换模块。所述主板上的所有模块均能独立工作。

所述数码管模块用以实现数码管显示实验。所述逻辑电平指示模块采用指示灯来表示被测信号的逻辑状态。所述逻辑笔模块采用不同颜色的指示灯来表示数字电平的高低。所述直流电源及短路报警模块将外部电源转换为满足实验箱功率要求的直流电源。并提供限流保护电路和短路报警电路。所述扩展接线模块用于提供对外的扩展接口。所述脉冲信号源模块用于提供频率可调的方波信号源。所述单脉冲模块提供单次上升沿和下降沿。所述固定阻容模块提供两个以上具有固定电阻值的电阻和固定电容值的电容。

所述单片机系统板包括供电模块A、液晶显示模块、蜂鸣器模块、JTAG接口、RS232接口A、单片机芯片、扩展I/O接口A、EEPROM模块和键盘模块。

所述可编程片上系统板包括液晶显示接口、RS232接口B、扩展I/O接口B、供电模块B、程序下载模块、可编程片上芯片、自定义模块和电容屏模块。所述自定义模块提供对外的接口。

所述箱体的尺寸为长230mm、宽230mm、高100mm。主板的尺寸为长230mm、宽230mm。子板区的尺寸为：长165mm、宽108mm。单片机系统板的尺寸为长165mm、宽54mm。可编程片上系统板的尺寸为长165mm、宽108mm。

所述单片机系统板中的单片机芯片的型号为MSP430F149芯片。

所述可编程片上系统板中的可编程片上芯片的型号为CY8C55芯片。

所述主板、单片机系统板和可编程片上系统板上都预留有接插口，通过扁平电缆能够实现单片机芯片、可编程片上芯片对主板上数码管模块、报警模块、A/D及D/A转换模块的控制。

所述单片机系统板上，在固定单片机芯片区域的四周固定有排针，安装单片机芯片时直接通过其芯片四周的排母与排针配合。

所述供电模块A和主板上均设置有USB接口，所述主板能够通过USB连接对单片机芯片和可编程片上芯片供电。

有益效果

（1）该实验箱功能齐全、扩展性及兼容性强：拥有单片机系统板和可编程片上系统板两大编程模块，同时基于可拆卸替换的模块化思想，提供用户自定义的实验区，实现单片机系统板、可编程片上系统板和面包板模块的自由更换，既满足了电子技术基础课程实验的需要，又可以作为学生自主创新实践的平台。

（2）本发明的便携式实验箱体积小巧、便于移动和携带，既可满足电子技术课程教学实践的需求，又可以帮助使用者提高创新能力，从而为使用者准备实验带来了方便。

（3）为方便该实验箱在实验室外使用，通过固定阻容模块分别提供一系列实验常用的固定电阻及固定电容，方便使用者从主板上直接获取常用阻容值，免去了额外准备电阻电容进行实验的烦恼。

（4）为提高该实验箱的可靠性，在子板的供电模块上设计有USB接口，可以采用直接与主板的USB接口连接实现对子板的供电，防止采用电源线连接时造成的电压不稳；同时在单片机系统板上安装单片机芯片时，直接通过其芯片四周的排母与子板上的排针配合，在不影响板上其他模块正常工作的情况下直接更换单片机芯片，防止单片机芯片烧坏时，对整个系统板造成影响。

附图说明

图1为实验箱箱体的结构示意图；

图2为主板的结构示意图；

图3为MSP430子板的结构示意图；

图4为PSoC5子板的结构示意图；

其中，1-箱体、2-主板、3-交流电源接口、4-电源模块、5-数码管模块、6-逻辑电平指示模块、7-拨码开关、8-逻辑笔模块、9-电源总开关、10-直流电源及短路报警模块、11-子板区、12-扩展接线模块、14-脉冲信号源模块、15-单脉冲模块、16-固定阻容模块、17-报警模块、18-A/D和D/A转换模块、19-供电模块A、20-液晶显示模块、21-蜂鸣器模块、22-JTAG接口、23-RS232接口A、24-MSP430F149芯片、25-扩展I/O接口A、26-EEPROM模块、27-键盘模块、28-液晶显示接口、29-RS232接口B、30-扩展I/O接口B、31-供电模块B、32-程序下载模块、33-CY8C55芯片、34-自定义模块、35-电容屏模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种便携式电子技术实验箱，该实验箱体积小巧便于移动和携带，功能齐全，且采用模块化设计，兼容性及扩展性好。

所述实验箱包括箱体1、电源模块4、主板2和两块子板。本实施例中的两块子板分别为MSP430子板和PSoC5子板。

其中箱体1为方形结构，如图1所示，其尺寸为长230mm、宽230mm、高100mm。主板2固定在箱体1内部，电源模块4固定在箱体1底部的内表面，电源模块4用于将市电转换成±5V、±12V直流电压，为主板2及两个子板供电。电源模块4的接线插头由箱体1后侧的交流电源接口3引出。

主板2的尺寸为长230mm、宽230mm，主板2固定在箱体1中间片上的位置，其四周均与箱体1的内表面固接。主板2包括子板区、位于子板区上方的显示区，位于子板区左侧的电源区，位于子板区下方的功能模块区和位于子板区右侧的扩展接线模块12。其中子板区的尺寸为：长165mm、宽108mm。子板区依据具体实验需要选择放置面包板、MSP430子板或PSoC5子板。显示区内包括数码管模块5、逻辑电平指示模块6、拨码开关7和逻辑笔模块8。电源区内包括总开关9和直流电源及短路报警模块10，所述直流电源及短路报警模块10与箱体1内的电源模块4相连，从而为主板2供电。功能模块区内包括脉冲信号源模块14、单脉冲模块15、固定阻容模块16、报警电路模块17和A/D和D/A转换模块18。所述主板2上的各个模块相互独立，能够独立工作。

其中数码管模块5用以满足数字式秒表电路设计等数码管显示实验的需要。逻辑电平指示模块6采用指示灯来表示被测信号的逻辑状态，高电平指示灯被点亮，低电平指示灯熄灭，该模块可以用在门电路的功能和特性测试、组合逻辑电路、集成触发器等基本实验中。逻辑笔模块8是采用不同颜色的指示灯来表示数字电平高低的仪器，它是数字电路测量仪器中较简便的工具，使用逻辑笔可快速测量出数字电路中有故障的芯片。本实施例中脉冲信号源模块14选用的芯片是集成NE555定时器。集成555定时器是一种将模拟和数字电路结合、多用途的单片集成电路，如在其外部配上少许阻容元件，便能构成振荡、整形及定时等多种应用电路。本实施例利用NE555构成多谐振荡器，以提供1Hz、1kHz、10kHz固定频率的方波，并加入10kΩ滑动变阻器，使方波频率在这三个值附近可以调节，即实现了可调频率的方波信号源。单脉冲模块15提供单次上升沿和下降沿。本实施例中固定阻容模块16分别提供1K、4.7K、10K、47K和100K的固定电阻值以及0.01μF、0.1μF、1μF、2.2μF和10μF的固定电容值，方便使用者从主板上直接获取常用阻容值，免去了额外准备电阻电容进行实验的烦恼。报警模块17提供了蜂鸣器报警和LED灯报警两种方式，接入高电平可以使蜂鸣器鸣叫或点亮红色的LED灯，起到报警的作用，接入低电平蜂鸣器停止鸣叫或红色LED灯熄灭，显示接入的电路正常工作，没有出现短路现象；该模块可以用于报警器电路的学习与应用。直流电源及短路报警模块10可提供的最大直流电流是+5V—5A、-5V—0.5A、+12V—1A，-12V—0.5A，满足本实验箱的功率要求，此外，在该模块里还设计了限流保护电路和短路报警电路，安全可靠，方便实用。

MSP430子板用于实现单片机小系统开发板，使用者可根据实际需要编程控制相应模块。其尺寸为长165mm、宽54mm。其结构如图3所示，包括供电模块A19、液晶显示模块20、蜂鸣器模块21、JTAG接口22、RS232接口A23、MSP430F149芯片24、扩展I/O接口A25、EEPROM模块26和键盘模块27。为提高MSP430子板的可靠性，防止MSP430F149芯片24损坏时导致整个MSP430子板失效，在MSP430子板上固定MSP430F149芯片24的区域四周固定排针，MSP430F149芯片24安装时将其芯片上的排孔与排针配合。MSP430F149芯片24烧坏时，直接更坏MSP430F149芯片24即可。

PSoC5子板为可编程片上系统板，片内内置了定时器、PWM、A/D、放大器、滤波器等可编程数字、模拟系统，可灵活配置用户所需的各种模块。其尺寸为长165mm、宽108mm。其结构如图4所示，包括液晶显示接口28、RS232接口B29、扩展I/O接口30、供电模块B31、程序下载模块32、CY8C55芯片33、自定义模块34和电容屏模块35。其中自定义模块34提供对外的接口，以提高该子板的扩展性。

所述主板2、MSP430子板和PSoC5子板上都留有接插口，通过扁平电缆的连接可实现MSP430F149芯片24、CY8C55芯片33对主板2上数码管5、报警电路17、A/D及D/A转换18的控制，灵活方便。

该实验箱能够依据主板2上子板区11内子板类型的不同进行不同的实验。

当需要进行电子技术课程要求的基础实验时，在主板2的子板区11安装两块大小相同的面包板，此时该实验箱就能够完成数字电路实验和模拟电路实验两大基础实验。

所述的数字电路实验包括：TTL集成逻辑门的逻辑功能与参数测试；CMOS集成逻辑门的逻辑功能与参数测试；集成逻辑电路的连接和驱动；组合逻辑电路的设计与测试；译码器及其应用；数据选择器及其应用；触发器及其应用；计数器及其应用；移位寄存器及其应用；使用门电路产生脉冲信号——自激多谐振荡器；单稳态触发器与施密特触发器——脉冲延时与波形整形电路；555时基电路及其应用；D/A、A/D转换器；数字式秒表电路设计—综合性实验和数字抢答器设计—综合性实验。

所述的模拟电路实验包括：晶体管共射极单管放大器；场效应管放大器；负反馈放大器；射极跟随器；差动放大器；集成运算放大器的基本应用；波形产生与变换；整流、滤波和稳压管稳压电路；集成稳压器的应用；集成功率放大电路的应用；压控函数发生器的设计——综合性实验。

当需要进行高性能实验时，依据实验需要，将子板区11的一块面包板替换为MSP430子板，或在子板区11只安装一块MSP430子板。安装MSP430子板时MSP430子板通过螺钉与主板2上的螺孔连接，从而固定在主板2上。此时便可进行以MSP430F149单片机为核心的高性能实验。在该种情况下，供电模块A19可以采用直接与主板接线或USB连接对MSP430F149芯片24供电，JTAG接口22用于程序下载，扩展I/O接口A25方便接线。使用MSP430子板时，可使用单片机编程控制蜂鸣器模块21鸣叫、EEPROM模块26存储数据、RS232接口A23测试232电平、液晶显示模块20显示指定字符、键盘模块27进行矩阵式扫描。工作在该种方式下的实验箱，主要用于开展各类单片机实验：如人机接口(液晶显示、摁下键盘对应数码管将显示数字)实验、A/D及D/A转换实验、存储器读写实验、232电平测试实验。

当需要通过在线编程进行试验时，在主板2的子板区放置PSoC5子板。所述PSoC5子板直接通过其背面固定的五个橡皮底座放置在主板2上，橡皮底座能够增大摩擦力使该子板可以平稳放置。可编程片上系统PSoC5子板的引入可以编程完成电容屏测试实验、LED灯光照强度实验、低功耗模式计时等实验，并可以通过板上的自定义模块和扩展I/O接口自行设计控制系统，有助于提高学生的动手实践与自主创新能力。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.便携式电子技术实验箱，其特征在于，包括：箱体（1）、主板（2）、电源模块（4）和两块子板；所述两块子板分别为单片机系统板和可编程片上系统板；所述电源模块（4）固定在箱体（1）底部的内表面，其接线插头由箱体（1）后侧的交流电源接口（3）引出；所述主板（2）固定在箱体（1）内部，其四周均与箱体（1）的内表面固接；

所述主板（2）包括子板区（11）、位于子板区（11）上方的显示区，位于子板区（11）左侧的电源区，位于子板区（11）下方的功能模块区和位于子板区（11）右侧的扩展接线模块（12）；所述子板区（11）依据具体实验需要选择放置面包板、单片机系统板或可编程片上系统板；所述显示区内包括数码管模块（5）、逻辑电平指示模块（6）、拨码开关（7）和逻辑笔模块（8）；所述电源区内包括电源总开关（9）和直流电源及短路报警模块（10），其中直流电源及短路报警模块（10）与电源模块（4）相连；所述功能模块区内包括脉冲信号源模块（14）、单脉冲模块（15）、固定阻容模块（16）、报警电路模块（17）和A/D和D/A转换模块（18）；所述主板（2）上的所有模块均能独立工作；

所述数码管模块（5）用以实现数码管显示实验；所述逻辑电平指示模块（6）采用指示灯来表示被测信号的逻辑状态；所述逻辑笔模块（8）采用不同颜色的指示灯来表示数字电平的高低；所述直流电源及短路报警模块（10）将外部电源转换为满足实验箱功率要求的直流电源；并提供限流保护电路和短路报警电路；所述扩展接线模块（12）用于提供对外的扩展接口；所述脉冲信号源模块（14）用于提供频率可调的方波信号源；所述单脉冲模块（15）提供单次上升沿和下降沿；所述固定阻容模块（16）提供两个以上具有固定电阻值的电阻和固定电容值的电容；

所述单片机系统板包括供电模块A（19）、液晶显示模块（20）、蜂鸣器模块（21）、JTAG接口（22）、RS232接口A（23）、单片机芯片、扩展I/O接口A（25）、EEPROM模块（26）和键盘模块（27）；

所述可编程片上系统板包括液晶显示接口（28）、RS232接口B（29）、扩展I/O接口B（30）、供电模块B（31）、程序下载模块（32）、可编程片上芯片、自定义模块（34）和电容屏模块（35）；所述自定义模块（34）提供对外的接口。

2.如权利要求1所述的便携式电子技术实验箱，其特征在于，所述箱体（1）的尺寸为长230mm、宽230mm、高100mm；主板（2）的尺寸为长230mm、宽230mm；子板区（11）的尺寸为：长165mm、宽108mm；单片机系统板的尺寸为长165mm、宽54mm；可编程片上系统板的尺寸为长165mm、宽108mm。

3.如权利要求1或2所述的便携式电子技术实验箱，其特征在于，所述单片机系统板中的单片机芯片的型号为MSP430F149芯片。

4.如权利要求1或2所述的便携式电子技术实验箱，其特征在于，所述可编程片上系统板中的可编程片上芯片的型号为CY8C55芯片。

5.如权利要求1所述的便携式电子技术实验箱，其特征在于，所述主板（2）、单片机系统板和可编程片上系统板上预留有接插口，通过扁平电缆能够实现单片机芯片、可编程片上芯片对主板（2）上数码管模块（5）、报警模块（17）、A/D及D/A转换模块（18）的控制。

6.如权利要求1所述的便携式电子技术实验箱，其特征在于，所述单片机系统板上，在固定单片机芯片区域的四周固定有排针，安装单片机芯片时直接通过其芯片四周的排母与排针配合。

7.如权利要求1所述的便携式电子技术实验箱，其特征在于，所述供电模块A（19）、供电模块B（31）和主板（2）上均设置有USB接口，所述主板（2）能够通过USB连接对单片机芯片和可编程片上芯片供电。