專利名稱：便攜式電子技術實驗箱的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種便攜式電子技術實驗箱，屬于電子技術領域。
背景技術：
隨著科技的發展，電子技術在生產和研究活動中的重要作用愈發凸顯。電子技術實驗設備裝置，即模擬電子技術、數字電子技術實驗箱，是各大高校實施電子技術實踐教學和學生創新的重要實驗裝置。目前各大高等院校廣泛使用的電子技術實驗箱是針對電子技術基礎課程的實驗內容設計而成。該類實驗箱有三個顯著缺陷:一是實驗箱的設備功能單一，拓展、創新性能弱；二是不同廠家實驗箱的電路板不能相互轉換和連接，尺寸、接口、性能難以兼容；三是箱體體積太大，既不美觀，也不便于移動攜帶。

發明內容
本發明提供一種便攜式電子技術實驗箱，該實驗箱體積小巧便于移動和攜帶，功能齊全，且采用模塊化設計，兼容性及擴展性好。該電子技術實驗箱包括:箱體、主板、電源模塊和兩塊子板。所述兩塊子板分別為單片機系統板和可編程片上系統板。所述電源模塊固定在箱體底部的內表面，其接線插頭由箱體后側的交流電源接口引出。所述主板固定在箱體內部，其四周均與箱體的內表面固接。所述主板包括子板區、位于子板區上方的顯示區，位于子板區左側的電源區，位于子板區下方的功能模塊區和位于子板區右側的擴展接線模塊。所述子板區依據具體實驗需要選擇放置面包板、單片機系統板或可編程片上系統板。所述顯示區內包括數碼管模塊、邏輯電平指示模塊、撥碼開關和邏輯筆模塊。所述電源區內包括電源總開關和直流電源及短路報警模塊，其中直流電源及短路報警模塊與電源模塊相連。所述功能模塊區內包括脈沖信號源模塊、單脈沖模塊、固定阻容模塊、報警電路模塊和A/D和D/A轉換模塊。所述主板上的所有模塊均能獨立工作。所述數碼管模塊用以實現數碼管顯示實驗。所述邏輯電平指示模塊采用指示燈來表示被測信號的邏輯狀態。所述邏輯筆模塊采用不同顏色的指示燈來表示數字電平的高低。所述直流電源及短路報警模塊將外部電源轉換為滿足實驗箱功率要求的直流電源。并提供限流保護電路和短路報警電路。所述擴展接線模塊用于提供對外的擴展接口。所述脈沖信號源模塊用于提供頻率可調的方波信號源。所述單脈沖模塊提供單次上升沿和下降沿。所述固定阻容模塊提供兩個以上具有固定電阻值的電阻和固定電容值的電容。所述單片機系統板包括供電模塊A、液晶顯示模塊、蜂鳴器模塊、JTAG接口、RS232接口 A、單片機芯片、擴展I/O接口 A、EEPROM模塊和鍵盤模塊。所述可編程片上系統板包括液晶顯示接口、RS232接口 B、擴展I/O接口 B、供電模塊B、程序下載模塊、可編程片上芯片、自定義模塊和電容屏模塊。所述自定義模塊提供對外的接口。
所述箱體的尺寸為長230_、寬230_、高100mm。主板的尺寸為長230_、寬230_。子板區的尺寸為:長165mm、寬108mm。單片機系統板的尺寸為長165mm、寬54mm。可編程片上系統板的尺寸為長165mm、寬108mm。所述單片機系統板中的單片機芯片的型號為MSP430F149芯片。所述可編程片上系統板中的可編程片上芯片的型號為CY8C55芯片。所述主板、單片機系統板和可編程片上系統板上都預留有接插口，通過扁平電纜能夠實現單片機芯片、可編程片上芯片對主板上數碼管模塊、報警模塊、A/D及D/A轉換模塊的控制。所述單片機系統板上，在固定單片機芯片區域的四周固定有排針，安裝單片機芯片時直接通過其芯片四周的排母與排針配合。所述供電模塊A和主板上均設置有USB接口，所述主板能夠通過USB連接對單片機芯片和可編程片上芯片供電。有益效果(I)該實驗箱功能齊全、擴展性及兼容性強:擁有單片機系統板和可編程片上系統板兩大編程模塊，同時基于可拆卸替換的模塊化思想，提供用戶自定義的實驗區，實現單片機系統板、可編程片上系統板和面包板模塊的自由更換，既滿足了電子技術基礎課程實驗的需要，又可以作為學生自主創新實踐的平臺。(2)本發明的便攜式實驗箱體積小巧、便于移動和攜帶，既可滿足電子技術課程教學實踐的需求，又可以幫助使用者提高創新能力，從而為使用者準備實驗帶來了方便。(3)為方便該實驗箱在實驗室外使用，通過固定阻容模塊分別提供一系列實驗常用的固定電阻及固定電容，方便使用者從主板上直接獲取常用阻容值，免去了額外準備電阻電容進行實驗的煩惱。(4)為提高該實驗箱的可靠性，在子板的供電模塊上設計有USB接口，可以采用直接與主板的USB接口連接實現對子板的供電，防止采用電源線連接時造成的電壓不穩；同時在單片機系統板上安裝單片機芯片時，直接通過其芯片四周的排母與子板上的排針配合，在不影響板上其他模塊正常工作的情況下直接更換單片機芯片，防止單片機芯片燒壞時，對整個系統板造成影響。


圖1為實驗箱箱體的結構示意圖；圖2為主板的結構示意圖；圖3為MSP430子板的結構示意圖；圖4為PSoC5子板的結構示意圖；其中，1-箱體、2-主板、3-交流電源接口、4-電源模塊、5-數碼管模塊、6-邏輯電平指示模塊、7-撥碼開關、8-邏輯筆模塊、9-電源總開關、10-直流電源及短路報警模塊、11-子板區、12-擴展接線模塊、14-脈沖信號源模塊、15-單脈沖模塊、16-固定阻容模塊、17-報警模塊、18-A/D和D/A轉換模塊、19-供電模塊A、20-液晶顯示模塊、21-蜂鳴器模塊、22-JTAG 接口、23-RS232 接口 A、24-MSP430F149 芯片、25-擴展 I/O 接口 A、26_EEPR0M 模塊、27-鍵盤模塊、28-液晶顯示接口、29-RS232接口 B、30_擴展I/O接口 B、31_供電模塊B、32-程序下載模塊、33-CY8C55芯片、34-自定義模塊、35-電容屏模塊。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明進行詳細描述。本實施例提供一種便攜式電子技術實驗箱，該實驗箱體積小巧便于移動和攜帶，功能齊全，且采用模塊化設計，兼容性及擴展性好。所述實驗箱包括箱體1、電源模塊4、主板2和兩塊子板。本實施例中的兩塊子板分別為MSP430子板和PSoC5子板。其中箱體I為方形結構，如圖1所示，其尺寸為長230mm、寬230mm、高100mm。主板2固定在箱體I內部，電源模塊4固定在箱體I底部的內表面，電源模塊4用于將市電轉換成±5V、土 12V直流電壓，為主板2及兩個子板供電。電源模塊4的接線插頭由箱體I后側的交流電源接口 3引出。主板2的尺寸為長230mm、寬230mm，主板2固定在箱體I中間片上的位置，其四周均與箱體I的內表面固接。主板2包括子板區、位于子板區上方的顯示區，位于子板區左側的電源區，位于子板區下方的功能模塊區和位于子板區右側的擴展接線模塊12。其中子板區的尺寸為:長165mm、寬108mm。子板區依據具體實驗需要選擇放置面包板、MSP430子板或PSoC5子板。顯示區內包括數碼管模塊5、邏輯電平指示模塊6、撥碼開關7和邏輯筆模塊8。電源區內包括總開關9和直流電源及短路報警模塊10，所述直流電源及短路報警模塊10與箱體I內的電源模塊4相連,從而為主板2供電。功能模塊區內包括脈沖信號源模塊14、單脈沖模塊15、固定阻容模塊16、報警電路模塊17和A/D和D/A轉換模塊18。所述主板2上的各個模塊相互獨立，能夠獨立工作。其中數碼管模塊5用以滿足數字式秒表電路設計等數碼管顯示實驗的需要。邏輯電平指示模塊6采用指示燈來表示被測信號的邏輯狀態，高電平指示燈被點亮，低電平指示燈熄滅，該模塊可以用在門電路的功能和特性測試、組合邏輯電路、集成觸發器等基本實驗中。邏輯筆模塊8是采用不同顏色的指示燈來表示數字電平高低的儀器，它是數字電路測量儀器中較簡便的工具，使用邏輯筆可快速測量出數字電路中有故障的芯片。本實施例中脈沖信號源模塊14選用的芯片是集成NE555定時器。集成555定時器是一種將模擬和數字電路結合、多用途的單片集成電路，如在其外部配上少許阻容元件，便能構成振蕩、整形及定時等多種應用電路。本實施例利用NE555構成多諧振蕩器，以提供IHzUkHzUOkHz固定頻率的方波，并加入IOkQ滑動變阻器，使方波頻率在這三個值附近可以調節，即實現了可調頻率的方波信號源。單脈沖模塊15提供單次上升沿和下降沿。本實施例中固定阻容模塊16分別提供1Κ、4.7Κ、10Κ、47Κ和100Κ的固定電阻值以及0.01 μ F、0.1 μ F、I μ F、
2.2 μ F和10 μ F的固定電容值，方便使用者從主板上直接獲取常用阻容值，免去了額外準備電阻電容進行實驗的煩惱。報警模塊17提供了蜂鳴器報警和LED燈報警兩種方式，接入高電平可以使蜂鳴器鳴叫或點亮紅色的LED燈，起到報警的作用，接入低電平蜂鳴器停止鳴叫或紅色LED燈熄滅，顯示接入的電路正常工作，沒有出現短路現象；該模塊可以用于報警器電路的學習與應用。直流電源及短路報警模塊10可提供的最大直流電流是+5V—5A.-5V—0.5A、+12V — 1Α，-12V — 0.5A，滿足本實驗箱的功率要求，此外，在該模塊里還設計了限流保護電路和短路報警電路，安全可靠，方便實用。
MSP430子板用于實現單片機小系統開發板，使用者可根據實際需要編程控制相應模塊。其尺寸為長165mm、寬54_。其結構如圖3所示，包括供電模塊A19、液晶顯示模塊20、蜂鳴器模塊 21、JTAG 接口 22、RS232 接口 A23、MSP430F149 芯片 24、擴展 I/O 接口 A25、EEPROM模塊26和鍵盤模塊27。為提高MSP430子板的可靠性，防止MSP430F149芯片24損壞時導致整個MSP430子板失效，在MSP430子板上固定MSP430F149芯片24的區域四周固定排針，MSP430F149芯片24安裝時將其芯片上的排孔與排針配合。MSP430F149芯片24燒壞時，直接更壞MSP430F149芯片24即可。PSoC5子板為可編程片上系統板，片內內置了定時器、PWM、A/D、放大器、濾波器等可編程數字、模擬系統，可靈活配置用戶所需的各種模塊。其尺寸為長165_、寬108_。其結構如圖4所示，包括液晶顯示接口 28、RS232接口 B29、擴展I/O接口 30、供電模塊B31、程序下載模塊32、CY8C55芯片33、自定義模塊34和電容屏模塊35。其中自定義模塊34提供對外的接口，以提高該子板的擴展性。所述主板2、MSP430子板和PSoC5子板上都留有接插口，通過扁平電纜的連接可實現MSP430F149芯片24、CY8C55芯片33對主板2上數碼管5、報警電路17、A/D及D/A轉換18的控制，靈活方便。該實驗箱能夠依據主板2上子板區11內子板類型的不同進行不同的實驗。當需要進行電子技術課程要求的基礎實驗時，在主板2的子板區11安裝兩塊大小相同的面包板，此時該實驗箱就能夠完成數字電路實驗和模擬電路實驗兩大基礎實驗。所述的數字電路實驗包括:TTL集成邏輯門的邏輯功能與參數測試；CM0S集成邏輯門的邏輯功能與參數測試；集成邏輯電路的連接和驅動；組合邏輯電路的設計與測試；譯碼器及其應用；數據選擇器及其應用；觸發器及其應用；計數器及其應用；移位寄存器及其應用；使用門電路產生脈沖信號——自激多諧振蕩器；單穩態觸發器與施密特觸發器——脈沖延時與波形整形電路；555時基電路及其應用；D/A、A/D轉換器；數字式秒表電路設計一綜合性實驗和數字搶答器設計一綜合性實驗。所述的模擬電路實驗包括:晶體管共射極單管放大器；場效應管放大器；負反饋放大器；射極跟隨器；差動放大器；集成運算放大器的基本應用；波形產生與變換；整流、濾波和穩壓管穩壓電路；集成穩壓器的應用；集成功率放大電路的應用；壓控函數發生器的設計——綜合性實驗。當需要進行高性能實驗時，依據實驗需要，將子板區11的一塊面包板替換為MSP430子板，或在子板區11只安裝一塊MSP430子板。安裝MSP430子板時MSP430子板通過螺釘與主板2上的螺孔連接，從而固定在主板2上。此時便可進行以MSP430F149單片機為核心的高性能實驗。在該種情況下，供電模塊A19可以采用直接與主板接線或USB連接對MSP430F149芯片24供電，JTAG接口 22用于程序下載，擴展I/O接口 A25方便接線。使用MSP430子板時，可使用單片機編程控制蜂鳴器模塊21鳴叫、EEPROM模塊26存儲數據、RS232接口 A23測試232電平、液晶顯示模塊20顯示指定字符、鍵盤模塊27進行矩陣式掃描。工作在該種方式下的實驗箱，主要用于開展各類單片機實驗:如人機接口(液晶顯示、摁下鍵盤對應數碼管將顯示數字)實驗、A/D及D/A轉換實驗、存儲器讀寫實驗、232電平測試實驗。當需要通過在線編程進行試驗時，在主板2的子板區放置PSoC5子板。所述PSoC5子板直接通過其背面固定的五個橡皮底座放置在主板2上，橡皮底座能夠增大摩擦力使該子板可以平穩放置。可編程片上系統PSoC5子板的引入可以編程完成電容屏測試實驗、LED燈光照強度實驗、低功耗模式計時等實驗，并可以通過板上的自定義模塊和擴展I/O接口自行設計控制系統，有助于提高學生的動手實踐與自主創新能力。綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.攜式電子技術實驗箱，其特征在于，包括:箱體(I)、主板(2)、電源模塊(4)和兩塊子板；所述兩塊子板分別為單片機系統板和可編程片上系統板；所述電源模塊(4)固定在箱體(I)底部的內表面，其接線插頭由箱體(I)后側的交流電源接口(3)引出；所述主板(2)固定在箱體(I)內部，其四周均與箱體(I)的內表面固接； 所述主板(2)包括子板區(11)、位于子板區(11)上方的顯示區，位于子板區(11)左側的電源區，位于子板區(11)下方的功能模塊區和位于子板區(11)右側的擴展接線模塊(12);所述子板區(11)依據具體實驗需要選擇放置面包板、單片機系統板或可編程片上系統板；所述顯示區內包括數碼管模塊(5)、邏輯電平指示模塊(6)、撥碼開關(7)和邏輯筆模塊(8);所述電源區內包括電源總開關(9)和直流電源及短路報警模塊(10)，其中直流電源及短路報警模塊(10)與電源模塊(4)相連；所述功能模塊區內包括脈沖信號源模塊(14)、單脈沖模塊(15 )、固定阻容模塊(16 )、報警電路模塊(17 )和A/D和D/A轉換模塊(18 );所述主板(2)上的所有模塊均能獨立工作； 所述數碼管模塊(5)用以實現數碼管顯示實驗；所述邏輯電平指示模塊(6)采用指示燈來表示被測信號的邏輯狀態；所述邏輯筆模塊(8)采用不同顏色的指示燈來表示數字電平的高低；所述直流電源及短路報警模塊(10)將外部電源轉換為滿足實驗箱功率要求的直流電源；并提供限流保護電路和短路報警電路；所述擴展接線模塊(12)用于提供對外的擴展接口 ；所述脈沖信號源模塊(14)用于提供頻率可調的方波信號源；所述單脈沖模塊(15)提供單次上升沿和下降沿；所述固定阻容模塊(16)提供兩個以上具有固定電阻值的電阻和固定電容值的電容； 所述單片機系統板包括供電模塊A( 19)、液晶顯示模塊(20)、蜂鳴器模塊(21)、JTAG接口(22)、RS232接口 A (23)、單片機芯片、擴展I/O接口 A (25)、EEPROM模塊(26)和鍵盤模塊(27)； 所述可編程片上系統板包 括液晶顯示接口(28)、RS232接口 B (29)、擴展I/O接口 B(30)、供電模塊B (31)、程序下載模塊(32)、可編程片上芯片、自定義模塊(34)和電容屏模塊(35 );所述自定義模塊(34 )提供對外的接口。
2.按權利要求1所述的便攜式電子技術實驗箱，其特征在于，所述箱體(I)的尺寸為長230mm、寬230mm、高IOOmm ;主板(2)的尺寸為長230mm、寬230mm ;子板區(11)的尺寸為:長165mm、寬108mm ;單片機系統板的尺寸為長165mm、寬54mm ;可編程片上系統板的尺寸為長165mm、寬 108mm。
3.按權利要求1或2所述的便攜式電子技術實驗箱，其特征在于，所述單片機系統板中的單片機芯片的型號為MSP430F149芯片。
4.按權利要求1或2所述的便攜式電子技術實驗箱，其特征在于，所述可編程片上系統板中的可編程片上芯片的型號為CY8C55芯片。
5.按權利要求1所述的便攜式電子技術實驗箱，其特征在于，所述主板(2)、單片機系統板和可編程片上系統板上預留有接插口，通過扁平電纜能夠實現單片機芯片、可編程片上芯片對主板(2)上數碼管模塊(5)、報警模塊(17)、A/D及D/A轉換模塊(18)的控制。
6.按權利要求1所述的便攜式電子技術實驗箱，其特征在于，所述單片機系統板上，在固定單片機芯片區域的四周固定有排針，安裝單片機芯片時直接通過其芯片四周的排母與排針配合。
7.按權利要求1所述的便攜式電子技術實驗箱，其特征在于，所述供電模塊A(19)、供電模塊B (31)和主板(2)上均設置有USB接口，所述主板(2)能夠通過USB連接對單片機芯片和可編程片上芯 片供電。
全文摘要
本發明提供一種便攜式電子技術實驗箱，該實驗箱體積小巧、升級性好、兼容性強、用途廣泛，既滿足了電子技術基礎實驗課程的需要，又可以作為學生自主創新實踐的實驗平臺，為學生參加科技創新和電子設計競賽提供良好的實驗環境。包括一塊主板、兩塊子板、實驗箱箱體和電源模塊。其中主板包括數碼管、撥碼開關、指示燈、邏輯筆、總開關、直流電壓及短路報警、擴展接線、脈沖信號源、單脈沖、固定阻容、報警電路、A/D及D/A轉換、面包板等模塊。兩塊子板分別是單片機系統板和可編程片上系統板。單片機系統板的大小與一塊面包板的大小一致，以便拆卸替換。可編程片上系統板的引入實現了在線編程，增強了實驗箱的靈活性與便捷性。兩塊子板的引入使實驗箱升級成高性能的單片機系統實驗箱。
文檔編號G09B23/18GK103093672SQ20121058973
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者王美玲, 王新平, 許謙 申請人:北京理工大學