CN204650852U - 一种模块化单片机实训仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模块化单片机实训仪，该实训仪包括母板、子板和底板；母版设置在底板的上侧；子板设置在底板上；子板与母版的总线连接；母板上设置有母板CPU、连线开关区和多个电子模块；所述连线开关区包括多个连线开关，连线开关的一端连接CPU，另一端连接子板或者电子模块；通过连线开关实现单片机间的自由转换，节约了用户投资，提高了实训仪的性价比；直接采用连线开关实现连接，不存在反复拔插带来的磨损问题，提高了实验效率，降低了维护成本。

Description

一种模块化单片机实训仪

技术领域

本实用新型涉及一种模块化单片机实训仪，属于教学仪器的技术领域。

背景技术

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O端口、中断系统和定时器/计时器等电子元件(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。如今单片机已经渗透到我们生活的各个领域，起着不可替代的作用，所以对于单片机相关知识的学习和掌握变得非常重要，而做单片机实验是单片机学习中尤为重要的一部分。

在以往的单片机实验中，用户往往在厂家提供的一整块大电路板上进行多种操作，并且很多功能模块的信号控制引脚已经在电路板上固定连接好，用户无法自己体验各个控制引脚的功能，并且无法设计自己的电路方案，仅能根据厂家固定的连接方式，锻炼一下编程能力。这种实验方式，优点是简单，但是不利于用户深入理解单片机的工作原理，也无法锻炼自己的系统设计能力。

以往的单片机实训仪可扩展性不强，能够完成的实验内容有限，一般只能满足验证性实验，无法完成创新性实验。

以往的单片机实训仪只能满足单一型号的单片机的实验，无法实现多门课的资源共享，造成一定的重复建设和资源浪费。

这些缺点的存在为单片机实训仪的设计提出了新的要求。单片机实训仪应该兼顾8位MCS-51单片机，8位新型AVR单片机，16位MSP430单片机以及32位STM32Cortex M系列单片机的实验要求，能够实现一机多用。要求单片机实训仪具有全开放式连接结构，要求采用模块化结构支持持续的功能扩充，甚至用户自己设计模块进行插接。

中国专利CN201829080U(ZL201020560376.5)公开了一种开放型独立模块式单片机教学实验箱。该实验箱采用双层设计，底层为电源底板层，上层为模块层；为开放式结构；模块层设置11个模块，分别为：主控制器模块、I/O口扩展模块、传感器模块、矩阵键盘模块、流水灯按键模块、数码管模块、电机模块、数模模数转换模块、存储器模块、继电器模块和交通灯模块，每个模块通过标准的电源接口连接在电源底板层上。该实验箱采用完全独立模块化设计，实验组织更加灵活，通用性更强；电源底板与模块双层设计，预留有标准接口，扩展性更强；但是此种实验箱需要通过插口或者连接线将模块与电源底层板上；插口连接，操作困难，连接线连接的方式连线繁杂，降低实验效率，而且，无论是哪种连接方式，反复的拔插容易损坏插口，维护成本高，实用性底。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种模块化单片机实训仪，该实训仪采用全开放式信号连接，支持多型号的单片机，并通过连线开关进行任意切换，实现了一机多用；采用模块化设计，利于用户理解各个控制引脚的功能；而且该实训仪改变了传统的插口或者连接线的连接方式，直接采用连线开关实现连接，简单明了，而且也不存在反复拔插带来的磨损问题，提高了实验效率，降低了维护成本。

本实用新型采用的技术方案是：

一种模块化单片机实训仪，包括母板、子板和底板；母版设置在底板的上侧；子板设置在底板上；子板与母版的总线连接；母板上设置有母板CPU、连线开关区和多个电子模块；所述连线开关区包括多个连线开关，所述连线开关的一端连接母板CPU，另一端连接子板或者所述电子模块。连线开关的启闭用于控制母板CPU与连接子板或者电子模块的连接，连线开关区相当于一个模块调用控制台，没有连线的复杂，操作方便高效。

根据本实用新型优选的，所述母板CPU包括2个双排32pin排母；所述电子模块包括电源电路、键盘、显示电路、开关量产生、开关量指示、继电器输出电路、电机驱动电路、蜂鸣器电路、RS232串口通信电路、交通信号灯指示电路、霍尔元件传感器电路、LS138一码电路、音频功放电路和五向开关指示电路；所述音频功放电路连接有扬声器。

根据本实用新型进一步优选的，所述电机驱动电路包括直流电机和步进电机；电机驱动电路驱动的最大电流是2A；所述直流电机包括霍尔传感器和驱动电路；所述步进电机包括设置有相位指示灯的驱动电路；所述显示电路包括LCD与16××16点阵接口电路；所述LCD包括1602、12864及2.8吋TFT彩色LCD；所述继电器输出电路采用TLP281光耦隔离；所述键盘包含一个4××4矩阵式键盘和3个独立式键盘，4××4矩阵式键盘通过7279芯片或者8255IO接口控制；所述电源电路包括12V、±5V及3.3V电源，电源电路的功率大于35W。霍尔传感器及其驱动电路用于直流电机的转速检测；直流电机驱动电路具有电机转向及PWM转速调节能力；继电器输出电路采用TLP281光耦隔离可以消去继电器线圈对输入级的影响干扰。用户可以通过8位DIP开关自由选择4×4矩阵式键盘的管理芯片；3个独立式键盘通过二极管构成逻辑与电路，从而实现共用一个中断接口。

根据本实用新型优选的，所述子板包括PIO子板、CPU子板、AD/DA子板、实时时钟RTC子板、I2C子板,存储器Memory子板、传感器Sensors子板、通信Communication子板、信号发生器子板、MP3子板、语音录放子板、无线通信Wireless子板、3G通信子板、USB接口子板、以太网Ethernet子板、DDS子板、IC卡及射频卡读写子板。子板的设计能够提供充足的功能模块供用户实验和设计。满足了学生除了实验课以外的电子设计用途。

根据本实用新型进一步优选的，所述AD/DA子板包括+5V转-5V电源电路、0-5V模拟信号提供电路、ADC0809模数转换电路、DAC0832数模转换电路；所述ADC0809模数转换电路为8位逐次逼近型AD转换器；所述DAC0832数模转换电路为建立时间为1us的CMOS工艺、8位并行、电流型中速DA转换芯片；所述PIO子板包括SN74LS164/SN74LS165AD串并转换模块、SN74LS373DW锁存扩展并行输入输出模块、8255A可编程扩展并行输入输出模块；所述实时时钟RTC子板采用DS12887时钟芯片，内部晶振和外部锂电池集成于DS12887时钟芯片内部；所述I2C子板包括TLC549CD串行ADC模块、TLC5615串行DA模块、DS12887串行时钟模块和PCF8574串口转并口模块；所述传感器Sensors子板包括红外对管收发电路模块、18B20测温模块、DHT11测温湿度电路以及传感器扩展区；所述通信Communication子板包括485通信和CAN总线通信；所述无线通信Wireless子板为一个无线通信连接板；所述3G通信子板插接有华为3G模块MG323；所述以太网Ethernet子板设置有以太网管理芯片W5100。所述ADC0809模数转换电路可以分时采集8路模拟信号，转换时间为100us左右。DS12887芯片具有微功耗，外围电路简单，精度高，工作稳定可靠特点，可广泛应用各种需要较高精度的实时时钟场合中。传感器扩展区用于扩展超声波测距、雷达测距、红外热释电等电路；所述无线通信连接板便于连接PT2272无线通信模块和24L01无线通信模块。所述以太网管理芯片W5100使以太网Ethernet子板具有完整的TCP/IP硬件协议栈功能。

根据本实用新型进一步优选的，所述信号发生器子板包括方波、三角波、正弦波信号发生电路、脉冲、锯齿波发生电路；所述方波、三角波、正弦波信号由ICL8038为核心芯片产生，经比较器，放大器形成；所述脉冲、锯齿波信号是555定时器产生经比较、放大得到，信号发生器产生的信号频率最大值是20～20kHz；所述DDS子板设置有可编程正弦波、方波信号生成芯片AD9850；DDS子板生成信号的频率的最大值是20MHz；所述语音录放Recorder子板设置有ISD1760语音录放芯片、外部音频输入输出和板上麦克风；所述MP3子板设置有VS1003MP3解码芯片、板上MIC、耳机和喇叭输出、SD卡插槽，所述SD卡插槽最大支持2G SD卡；所述USB子板包括USB Host与USB Device扩展子板，所述USB Device扩展子板上设置有CH375芯片；所述IC及射频卡读写电路子板，包括IC卡读写插座及控制接口电路、ISO14443射频卡接口电路；所述ISO14443射频卡接口电路由Philips公司RC500芯片实现。所述脉冲、锯齿波信号是555定时器产生经比较放大得到，波形幅度和零点位置可调。

根据本实用新型进一步优选的，所述CPU子板是MCS-51单片机最小系统板、ATmega16单片机最小系统板、ATmega128单片机最小系统板、STM32单片机最小系统板；所述母板CPU设置有子板插座，CPU子板通过子板插座连接在母板CPU上。

根据本实用新型进一步优选的，MCS-51单片机最小系统板上设置有看门狗复位、晶振、下载接口、总线接口、电路；所述ATmega16单片机最小系统板，板上具有晶振、手动及上电复位、下载线、总线接口、电路；所述ATmega128单片机最小系统板，板上具有晶振、手动及上电复位、下载线、JTAG、总线接口、电路；所述STM32单片机最小系统板，板上具有晶振、手动及上电复位、下载线、JTAG、232接口、以太网通信、USB Host及USB Device电路。一套实训仪，支持多款单片机，满足了不同的单片机用户的不同需求，通过连线开关实现单片机间的自由转换，节约了用户投资，提高了实训仪的性价比；32pin排母用来接插所述子板当中的CPU子板。实现了做哪个实验插接哪个子板，方便灵活，节约母板尺寸大小。

根据本实用新型优选的，所述底板上设有与子板相应的泡沫凹槽，所述底板嵌入设置在所述泡沫凹槽内。此处设计的优点在于，既可以合理利用箱体内空间，使箱体变得更加小巧，便于携带，并且泡沫材质的凹槽也可以起到抗摔的作用。

根据本实用新型优选的，所述母板通过合页连接在底板上，母板上设有把手。母板上设有把手可以实现母板自由掀动，母板之下是底板，方便对子板的维护和更换。

本实用新型的优势在于：

1、本实用新型所述模块化新型单片机实训仪实现了一套实训仪，支持多款单片机，满足了不同的单片机用户的不同需求，通过连线开关实现单片机间的自由转换，节约了用户投资，提高了实训仪的性价比；

2、本实用新型所述模块化新型单片机实训仪改变了传统的插口或者连接线的连接方式，直接采用连线开关实现连接，简单明了，而且也不存在反复拔插带来的磨损问题，提高了实验效率，降低了维护成本。

附图说明

图1为本实用新型所述母版的结构示意图；

图2本实用新型所述底板的结构示意图；

图3为本实用新型所述模块化新型单片机实训仪的结构示意图；

其中，1、电源电路；2、键盘；3、开关量产生；4、母板CPU；5、开关量指示；6、连线开关区；7、继电器输出电路；8、电机驱动电路；9、电源模块；10、显示电路；11、蜂鸣器电路；12、PIO子板；13、AD/DA子板；14、实时时钟RTC子板；15、I2C子板；16、存储器Memory子板；17、传感器Sensors子板；18、通信Communication子板；19、信号发生器子板；20、泡沫凹槽；21、合页；22、把手。

具体实施方式：

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1-3所示。

一种模块化单片机实训仪，包括母板、子板和底板；母版设置在底板的上侧；子板设置在底板上；子板与母版的总线连接；母板上设置有母板CPU4、连线开关区6和多个电子模块；所述连线开关区6包括多个连线开关，连线开关的一端连接CPU，另一端连接子板或者电子模块。连线开关的启闭控制CPU与连接子板或者电子模块的连接，连线开关区6相当于一个模块调用控制台，没有连线的复杂，操作方便高效。

根据本实用新型优选的，所述母板CPU4包括2个双排32pin排母；所述电子模块包括电源电路9、键盘、显示电路10、开关量产生、开关量指示、继电器输出电路7、电机驱动电路8、蜂鸣器电路11、RS232串口通信电路、交通信号灯指示电路、霍尔元件传感器电路、LS138一码电路、音频功放电路和五向开关指示电路；所述音频功放电路连接有8欧2W的扬声器，所述子板包括小型扬声器。

所述电机驱动电路包括直流电机和步进电机；电机驱动电路驱动的最大电流是2A；所述直流电机包括霍尔传感器和驱动电路；步进电机包括设置有相位指示灯的驱动电路；所述显示电路包括LCD与16×16点阵接口电路；所述LCD包括1602、12864及2.8吋TFT彩色LCD；所述继电器输出电路采用TLP281光耦隔离；所述键盘包含一个4×4矩阵式键盘和3个独立式键盘，4×4矩阵式键盘通过7279芯片或者8255IO接口管理；所述电源电路包括12V、±5V及3.3V电源，电源电路的功率大于35W，所述电源电路具有过流保护与自恢复功能。霍尔传感器及其驱动电路用于直流电机的转速检测；直流电机驱动电路具有电机转向及PWM转速调节能力；继电器输出电路采用TLP281光耦隔离可以消去继电器线圈对输入级的影响干扰。用户可以通过8位DIP开关自由选择4×4矩阵式键盘的管理芯片；3个独立式键盘通过二极管构成逻辑与电路，从而实现共用一个中断接口。

所述子板包括PIO子板12、AD/DA子板13、CPU子板、实时时钟RTC子板14、I2C子板15,存储器Memory子板16、传感器Sensors子板17、通信Communication子板、信号发生器子板19、MP3子板、语音录放子板、无线通信Wireless子板、3G通信子板、USB接口子板、以太网Ethernet子板、DDS子板、IC卡及射频卡读写子板。子板的设计能够提供充足的功能模块供用户实验和设计。满足了学生除了实验课以外的电子设计用途。

所述AD/DA子板13包括+5V转-5V电源电路、0-5V模拟信号提供电路、ADC0809模数转换电路、DAC0832数模转换电路；所述ADC0809模数转换电路为8位逐次逼近型AD转换器；所述DAC0832数模转换电路为建立时间为1us的CMOS工艺、8位并行、电流型中速DA转换芯片；所述PIO子板12包括SN74LS164/SN74LS165AD串并转换模块、SN74LS373DW锁存扩展并行输入输出模块、8255A可编程扩展并行输入输出模块；所述实时时钟RTC子板14采用DS12887时钟芯片，内部晶振和外部锂电池集成于DS12887时钟芯片内部；所述I2C子板15包括TLC549CD串行ADC模块、TLC5615串行DA模块、DS12887串行时钟模块和PCF8574串口转并口模块；所述传感器Sensors子板17包括红外对管收发电路模块、18B20测温模块、DHT11测温湿度电路以及传感器扩展区；所述通信Communication子板18包括485通信和CAN总线通信；所述无线通信Wireless子板为一个无线通信连接板；所述3G通信子板插接有华为3G模块MG323；所述以太网Ethernet子板设置有以太网管理芯片W5100。所述ADC0809模数转换电路可以分时采集8路模拟信号，转换时间为100us左右。DS12887芯片具有微功耗，外围电路简单，精度高，工作稳定可靠特点，可广泛应用各种需要较高精度的实时时钟场合中。传感器扩展区用于扩展超声波测距、雷达测距、红外热释电等电路；所述无线通信连接板便于连接PT2272无线通信模块和24L01无线通信模块。所述以太网管理芯片W5100使以太网Ethernet子板具有完整的TCP/IP硬件协议栈功能。

所述信号发生器子板19包括方波、三角波、正弦波信号发生电路、脉冲、锯齿波发生电路；所述方波、三角波、正弦波信号由ICL8038为核心芯片产生，经比较器，放大器形成；所述脉冲、锯齿波信号是555定时器产生经比较、放大得到，信号发生器产生的信号频率最大值是20～20kHz；所述DDS子板设置有可编程正弦波、方波信号生成芯片AD9850；DDS子板生成信号的频率的最大值是20MHz；所述语音录放Recorder子板设置有ISD1760语音录放芯片、外部音频输入输出和板上麦克风；所述MP3子板设置有VS1003MP3解码芯片、板上MIC、耳机和喇叭输出、SD卡插槽，所述SD卡插槽最大支持2G SD卡；所述USB子板包括USBHost与USB Device扩展子板，所述USB Device扩展子板上设置有CH375芯片；所述IC及射频卡读写电路子板，包括IC卡读写插座及控制接口电路、ISO14443射频卡接口电路；所述ISO14443射频卡接口电路由Philips公司RC500芯片实现。所述脉冲、锯齿波信号是555定时器产生经比较放大得到，波形幅度和零点位置可调。

所述CPU子板是MCS-51单片机最小系统板、ATmega16单片机最小系统板、ATmega128单片机最小系统板、STM32单片机最小系统板；所述母板CPU设置有子板插座，CPU子板通过子板插座连接在母板CPU上。

实施例2、

一种如实施例1所述的模块化单片机实训仪，其区别在于：MCS-51单片机最小系统板上设置有看门狗复位、晶振、下载接口、总线接口、电路；所述ATmega16单片机最小系统板，板上具有晶振、手动及上电复位、下载线、总线接口、电路；所述ATmega128单片机最小系统板，板上具有晶振、手动及上电复位、下载线、JTAG、总线接口、电路；所述STM32单片机最小系统板，板上具有晶振、手动及上电复位、下载线、JTAG、232接口、以太网通信、USB Host及USB Device电路。一套实训仪，支持多款单片机，满足了不同的单片机用户的不同需求，通过连线开关实现单片机间的自由转换，节约了用户投资，提高了实训仪的性价比；32pin排母用来接插所述子板当中的CPU子板。实现了做哪个实验插接哪个子板，方便灵活，节约母板尺寸大小。

实施例3、

一种如实施例1所述的模块化单片机实训仪，其区别在于：所述底板上设有与子板相应的泡沫凹槽20，所述底板嵌入设置在所述泡沫凹槽20内。此处设计的优点在于，既可以合理利用箱体内空间，使箱体变得更加小巧，便于携带，并且泡沫材质的凹槽也可以起到抗摔的作用。

实施例4、

一种如实施例1所述的模块化单片机实训仪，其区别在于：所述母板通过合页21连接在底板上，母板上设有把手22。母板上设有把手22可以实现母板自由掀动，母板之下是底板，方便对子板的维护和更换。

Claims (10)

1.一种模块化单片机实训仪，其特征在于，包括母板、子板和底板；母版设置在底板的上侧；子板设置在底板上；子板与母版的总线连接；母板上设置有母板CPU、连线开关区和多个电子模块；所述连线开关区包括多个连线开关，所述连线开关的一端连接母板CPU，另一端连接子板或者所述电子模块。

2.如权利要求1所述的模块化单片机实训仪，其特征在于：所述母板CPU包括2个双排32pin排母；所述电子模块包括电源电路、键盘、显示电路、开关量产生、开关量指示、继电器输出电路、电机驱动电路、蜂鸣器电路、RS232串口通信电路、交通信号灯指示电路、霍尔元件传感器电路、LS138一码电路、音频功放电路和五向开关指示电路；所述音频功放电路连接有扬声器。

3.如权利要求2所述的模块化单片机实训仪，其特征在于：所述电机驱动电路包括直流电机和步进电机；电机驱动电路驱动的最大电流是2A；所述直流电机包括霍尔传感器和驱动电路；步进电机包括设置有相位指示灯的驱动电路；所述显示电路包括LCD与16×16点阵接口电路；所述LCD包括1602、12864及2.8吋TFT彩色LCD；所述继电器输出电路采用TLP281光耦隔离；所述键盘包含一个4×4矩阵式键盘和3个独立式键盘；所述电源电路包括12V、±5V及3.3V电源，电源电路的功率大于35W。

4.如权利要求1所述的模块化单片机实训仪，其特征在于：所述子板包括PIO子板、CPU子板、AD/DA子板、实时时钟RTC子板、I2C子板,存储器Memory子板、传感器Sensors子板、通信Communication子板、信号发生器子板、MP3子板、语音录放子板、无线通信Wireless子板、3G通信子板、USB接口子板、以太网Ethernet子板、DDS子板、IC卡及射频卡读写子板。

5.如权利要求4所述的模块化单片机实训仪，其特征在于：所述AD/DA子板包括+5V转-5V电源电路、0-5V模拟信号提供电路、ADC0809模数转换电路、DAC0832数模转换电路；所述ADC0809模数转换电路为8位逐次逼近型AD转换器；所述PIO子板包括SN74LS164/SN74LS165AD串并转换模块、SN74LS373DW锁存扩展并行输入输出模块、8255A可编程扩展并行输入输出模块；所述实时时钟RTC子板采用DS12887时钟芯片，内部晶振和外部锂电池集成于DS12887时钟芯片内部；所述I2C子板包括TLC549CD串行ADC模块、TLC5615串行DA模块、DS12887串行时钟模块和PCF8574串口转并口模块；所述传感器Sensors子板包括红外对管收发电路模块、18B20测温模块、DHT11测温湿度电路以及传感器扩展区；所述通信Communication子板包括485通信和CAN总线通信；所述无线通信Wireless子板为一个无线通信连接板；所述3G通信子板插接有华为3G模块MG323；所述以太网Ethernet子板设置有以太网管理芯片W5100。

6.如权利要求4所述的模块化单片机实训仪，其特征在于：所述信号发生器子板包括方波、三角波、正弦波信号发生电路、脉冲、锯齿波发生电路；所述DDS子板设置有可编程正弦波、方波信号生成芯片AD9850；所述语音录放Recorder子板设置有ISD1760语音录放芯片、外部音频输入输出和板上麦克风；所述MP3子板设置有VS1003MP3解码芯片、板上MIC、耳机和喇叭输出、SD卡插槽，所述SD卡插槽最大支持2G SD卡；所述USB子板包括USB Host与USB Device扩展子板，所述USB Device扩展子板上设置有CH375芯片；所述IC及射频卡读写电路子板，包括IC卡读写插座及控制接口电路、ISO14443射频卡接口电路。

7.如权利要求4所述的模块化单片机实训仪，其特征在于：所述CPU子板是MCS-51单片机最小系统板、ATmega16单片机最小系统板、ATmega128单片机最小系统板、STM32单片机最小系统板；所述母板CPU设置有子板插座，CPU子板通过子板插座连接在母板CPU上。

8.如权利要求7所述的模块化单片机实训仪，其特征在于：MCS-51单片机最小系统板上设置有看门狗复位、晶振、下载接口、总线接口、电路；所述ATmega16单片机最小系统板，板上具有晶振、手动及上电复位、下载线、总线接口、电路；所述ATmega128单片机最小系统板，板上具有晶振、手动及上电复位、下载线、JTAG、总线接口；所述STM32单片机最小系统板，板上具有晶振、手动及上电复位、下载线、JTAG、232接口、以太网通信、USB Host及USB Device。

9.如权利要求1所述的模块化单片机实训仪，其特征在于：所述底板上设有与子板相应的泡沫凹槽，所述底板嵌入设置在所述泡沫凹槽内。

10.如权利要求1所述的模块化单片机实训仪，其特征在于：所述母板通过合页连接在底板上，母板上设有把手。