鄭祥明，楊夢雅

電子信息類專業(yè)實踐性強，實踐教學在人才培養(yǎng)過程中占有非常重要的地位，是培養(yǎng)高素質(zhì)應用型創(chuàng)新人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。應用型創(chuàng)新人才是時代的需要，教育部在關(guān)于做好2016屆全國普通高等學校畢業(yè)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)工作的通知中明確要求2016年起所有高校開設創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程。新的形勢使高校對創(chuàng)新人才培養(yǎng)提出了更多的思考，對學生的綜合實踐創(chuàng)新能力有了更高的要求。電子信息類專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)主要包括金工實習、電子工藝實訓、課程設計、畢業(yè)設計及各類綜合創(chuàng)新項目等。一般電子工藝實訓包含了基本元器件的檢測與選型、EDA相關(guān)軟件的學習、熱轉(zhuǎn)印法或雕刻機法制作印制電路板、焊接、電路調(diào)試和相關(guān)儀器儀表的使用等。但是傳統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)印或雕刻機的方法僅能制作工藝較低的單面印制電路板，無法滿足課程設計、畢業(yè)設計和綜合創(chuàng)新等項目中雙面印制電路板的制作需求。

單片機課程具有實踐性和應用性強的特點，系統(tǒng)的設計要兼顧單片機基礎(chǔ)知識和系統(tǒng)的拓展應用性?；?1單片機的創(chuàng)新實驗系統(tǒng)的設計宗旨是以培養(yǎng)學生單片機基礎(chǔ)知識為重點，以引導學生進行二次開發(fā)和實際應用為目標，不斷激發(fā)學生的學習積極性和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。因此，針對電子信息類專業(yè)畢業(yè)設計和綜合創(chuàng)新等項目中遇到的難題，結(jié)合單片機課程教學的特點，筆者設計了一種基于51單片機的創(chuàng)新實驗系統(tǒng)。在設計時以51單片機最小系統(tǒng)（包含51單片機、電源、晶振電路和復位電路）為基礎(chǔ)，適當擴展外圍電路，集成了包括單片機最小系統(tǒng)、下載電路、LED燈顯示、蜂鳴器、數(shù)碼管顯示、獨立按鍵、1602液晶顯示、12864液晶顯示、I/O擴展接口和DS18B20測溫電路等常用傳感器電路為一體的創(chuàng)新實驗開發(fā)系統(tǒng)[2]。

1 系統(tǒng)電路設計

本系統(tǒng)的原理圖和印制電路板（PCB）的設計選用的是Altium公司開發(fā)的一款電子設計自動化軟件Altium Designer 15.0，它集成了板級設計、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設計和單片機的設計功能。設計印制電路板的一般過程：設計需求分析、局部電路仿真、設計原理圖元件、繪制原理圖、設計元件封裝和印制電路板設計等[3-4]。本系統(tǒng)的設計流程如圖1所示。

圖1 PCB設計流程圖

（1）新建工程文件

在計算機已正確安裝Altium Designer 15.0軟件的條件下，選擇“開始”→Altium Designer，打開Altium Designer15.0主界面。

工程文件是關(guān)聯(lián)原理圖文件、PCB文件、原理圖庫和元件封裝庫的橋梁。在主菜單欄選擇File→New→Project…→PCB Project（在彈出的對話框“name”編輯菜單下可修改工程名稱為“xm”；在“Location”菜單下點擊“Browse Location...”可將工程保存在指定路徑的文件夾中），點擊“OK”即可新建一個xm.prjpcb的PCB工程文件。右擊xm.prjpcb工程，在下拉菜單中選擇Add New to Project，選擇 Schematic，PCB，Schematic Library，PCB Library可分別新建原理圖文件、PCB文件、原理圖庫和元件封裝庫。

（2）繪制原理圖元件庫

雖然Altium Designer 15已經(jīng)提供了非常豐富的元件庫，但必要時仍需動手設計原理圖元件，建立自己的元件庫。設計者在Schematic Library文件工具欄選擇“Tools”→New Component使用相關(guān)繪圖工具可繪制原理圖元件。

（3）設計元件封裝庫

設計者可以在PCB Library文件工具欄選擇“Tools”→New Blank Component根據(jù)實際元件的引腳和外觀尺寸手動放置焊盤和繪制元件邊框。設計者還可以選擇“Tools”→Component Wizard，根據(jù)PCB封裝設計向?qū)гO計元件封裝。以上兩種情況都需要注意焊盤的序號與元件引腳序號一一對應，否則后期原理圖中的元件無法準確導入到PCB文件中。

（4）繪制原理圖

原理圖文件提供了元器件的電氣連接關(guān)系。設計者根據(jù)系統(tǒng)需要依次選擇Place→Part...,從原理圖庫文件中選擇合適的元件放置在原理圖文件中并標明各元件的信息（也可以統(tǒng)一添加注釋，Tool→Annotate→Accept changes create），調(diào)整元件的位置然后按電路功能連接導線使之成為具有特定功能的系統(tǒng)。在Altium Designer 15.0中除了通過在元件引腳之間直接連接導線，還可以使用網(wǎng)絡標號表示電氣連接，使用網(wǎng)絡標號可以使原理圖更加簡潔和模塊化。

（5）PCB文件導入

一般設計者應在開始設計PCB板前確定板子的形狀和尺寸。在xm.PcbDoc文件界面，點擊主 菜 單“Design”→ImportChangesFrom PCB_Project.prjpcb，然后在彈出的Engineering Change Order對話框中先后點擊Validate Changes和Execute Changes，將原理圖中的各個元件的封裝及連接導線導入到PCB文件中，如果此過程有相關(guān)報錯，則根據(jù)錯誤來源到原理圖中修正再重新導入。或在xm.SchDoc原理圖文件界面選擇Design→Update PCB Document xm.PcbDoc把元件封裝和電路連接關(guān)系直接導入PCB文件中。

（6）PCB板設計

PCB板的設計優(yōu)劣直接反映到產(chǎn)品上，設計過程要兼顧產(chǎn)品的美觀、可操作性、系統(tǒng)的設計指標和PCB板制作工藝等要求。由此設置系統(tǒng)的設計規(guī)則，包括線寬、布線轉(zhuǎn)角、安全間距、短路規(guī)則等。

以本系統(tǒng)為例，首先確定系統(tǒng)核心器件51單片機放在PCB板的中心位置，然后調(diào)整晶振、起振電容、復位電路、擴展排針、USB接口（考慮實際連接，一般放置在PCB板的邊緣）、液晶接口插座（考慮實際接插情況，調(diào)整放置方向）、數(shù)碼管（考慮方向問題，便于觀察實驗現(xiàn)象）、獨立按鍵等。在滿足美觀和電路性能指標的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化布局并使元件均勻整齊地分布在整個PCB板區(qū)域。在基本確定PCB布局之后即可布線，在Altium Design 15.0軟件中有自動布線、手動布線和先自動布線再手動調(diào)整等3種方式。在設計模擬電路或高速電路板時采用自動布線時可能會導致電路性能問題，因此筆者在教學和設計電路時均采用手動布線方式。最后是添加安裝孔、添加淚滴（增加焊盤、過孔的機械強度）、敷銅[2]，如圖2所示（為保證圖示效果，本圖未敷銅）。

圖2 系統(tǒng)PCB板頂層圖

2 系統(tǒng)印制電路板的制作

印制電路板是連接各電路元件的物理基礎(chǔ)，因其具有高可靠性、一致性、機械強度高、體積小、重量輕和便于標準化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點被廣泛地應用在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中。隨著印制電路板制作工藝技術(shù)的提升，目前可以標準化生產(chǎn)的有單面板、雙面板、多層板甚至具有撓性的軟性印制電路板。傳統(tǒng)實驗室制板是采用熱轉(zhuǎn)印法或雕刻機法，熟練掌握操作技巧的同學可以快速制作出一塊單面印制電路板，但是其工藝較低，產(chǎn)品穩(wěn)定性不高，很難制作優(yōu)質(zhì)的雙面印制電路板，給后期焊接和調(diào)試電路帶來很大困難，而且不能批量生產(chǎn)，效率較低。隨著以工程應用為導向的人才培養(yǎng)模式的提出，許多高校在校企合作平臺或引入小工業(yè)制板生產(chǎn)線的方式參與實習實踐。實踐證明，小工業(yè)制板生產(chǎn)線具有高效、高質(zhì)量和批量制作單面或雙面印制電路板等優(yōu)點。按制板順序可以將小工業(yè)制雙面板按以下步驟進行，即分板、打孔、拋光、孔金屬化、制作底片、刮感光油墨、曝光、顯影、鍍鉛錫、脫膜、堿性腐蝕、褪鉛錫、絲印阻焊油墨、加焊盤底片曝光、絲印字符油墨等15道工序。

2.1 熱轉(zhuǎn)印法制作印制電路板

熱轉(zhuǎn)印法制作印制電路板易于操作，理論上可以做出10 mil的線寬，但是腐蝕過程中極易斷線，所以設計PCB板時，線寬應適當設置大一些，具體操作步驟如下。

（1）把Altium Designer 15.0軟件繪制好的印制電路板圖按1：1的比例打印到熱轉(zhuǎn)印紙上。

（2）用分板機把覆銅板按PCB尺寸大小裁開，把覆銅板表面拋光處理，并將熱轉(zhuǎn)印紙用膠帶緊密固定在覆銅板上。

（3）用熱轉(zhuǎn)印機將熱轉(zhuǎn)印紙上的電路圖轉(zhuǎn)印到覆銅板上，自然冷卻后揭去熱轉(zhuǎn)印紙。

（4）把熱轉(zhuǎn)印完成的銅板放入三氯化鐵溶液中均勻腐蝕。此過程時間把握要準，否則容易把導線腐蝕斷路或腐蝕不完全。

（5）清洗，打孔，檢測電路板是否有短路、斷路等不良情況。

2.2 雕刻機法制作印制電路板

雕刻機制作印制電路板法是采用物理的方法把覆銅板上多余的銅層雕刻掉，僅保留焊盤和導線部分，為節(jié)約雕刻時間一般將布線層鋪銅。具體雕刻過程如下。

（1）打開雕刻軟件，添加Gerber加工文件（由EDA制圖軟件導出）。

（2）在操作向?qū)е性O置鉆頭加工直徑以及頂層、底層雕刻刀的大小和深度、速度等參數(shù)。

（3）確保覆銅板與雕刻平面粘貼平整，反復試雕，調(diào)整主軸高度直到四邊雕刻深度恰到好處（刀尖雕刻深度以剛剛將銅箔割除為宜）后開始雕刻。

（4）鉆孔、割邊。

2.3 小工業(yè)法制作印制電路板

分板：用分板機將覆銅板按PCB板尺寸分割，或者不分板直接在整塊覆銅板上同時做多個電路板，最后再分板。

打孔：將覆銅板平整地固定在鉆孔平臺上，然后設置工作原點坐標，按1：1的比例把PCB板的所有接插件的孔徑和過孔全部用高精度雕刻機打孔，對于孔徑較大的應設置為挖孔，注意挖孔增量不宜太大，否則鉆頭容易折斷。

拋光：打開刷板機電源，利用刷板機的毛刷和水把覆銅板上的氧化物或者污漬刷洗干凈。

孔金屬化包括整孔、黒孔、微蝕和孔化。整孔，把已打孔的銅板放進整孔液整孔約3 min；黒孔，將黒孔液均勻地附在每個孔內(nèi)壁但又不能堵住孔；微蝕，使用稀硫酸和過硫酸銨混合溶液把銅板表面的黒孔液洗掉；孔化，把銅板掛在孔化箱中（內(nèi)置硫酸銅溶液），打開電源，加正、反電流約30 min。

制作底片：需在暗室中進行，使用高精度激光光繪機將PCB文件的頂層、底層等有需要的層全部“打印”到底片上，然后把底片放到顯影液中浸泡3 min，再放到定影液中浸泡60 s，取出底片用清水沖洗干凈即可。

刮感光油墨：取適量感光油墨與酒精攪拌均勻，通過絲印機的絲網(wǎng)把攪拌好的感光油墨用刮刀均勻刮在銅板上，然后放在烘干機里，溫度約為80℃，時間約為10 min。

曝光：將制作好的頂層底片和底層底片分別準確地固定在電路板的頂層和底層，放在曝光機中間分別真空曝光45 s。

顯影：將曝光后的電路板放在顯影機中用30℃左右的碳酸鈉水溶液顯影30 s，如果顯影效果不佳，可適當延長顯影時間。

鍍鉛錫：將顯影后的電路板掛在鍍鉛錫機內(nèi)的鉛錫液中，設置電流參數(shù)，水平擺動約40 min。

脫膜：把鍍鉛錫的電路板放在脫膜機中用氫氧化鈉水溶液脫膜，約120 s。

堿性腐蝕：把脫膜后的電路板放在蝕刻機內(nèi)用氨水和硫酸銅的銅銨溶液把不需要的銅腐蝕掉，約120 s。

褪鉛錫：用刷板機把線路上的鉛錫去掉。

絲印阻焊油墨：取適量感光硬化劑和液態(tài)感光阻焊油墨，比例約為1：3，再添加酒精稀釋攪勻，通過絲印機的絲網(wǎng)把攪拌好的阻焊油墨用刮刀均勻刮在銅板上。然后放在烘干機烘干，溫度約為80℃，時間約為35 min。

加焊盤底片曝光：把焊盤底片對齊固定在電路板上，真空曝光45 s，再顯影。

絲印字符油墨：將攪拌均勻的感光油墨刮在絲網(wǎng)上，烘干后把絲印底片放在絲網(wǎng)下同時曝光45 s，再在絲印機上刮白色的字符油墨。

3 焊接及焊接工藝

本系統(tǒng)焊接方式以SMT（Surface Mount Technology）表面貼裝和THT（Through Hole Technology）通孔插裝混合裝配。焊接量較少的情況下可以在教師的指導下采用手工焊接方式，一方面可以進行焊接技能訓練，另一方面也節(jié)約了機器的運行成本；當焊接量較大時，可以使用標準化生產(chǎn)線先進行SMT貼裝（依次是刷焊錫膏、全自動貼片機貼片和回流焊），再進行THT生產(chǎn)線插件焊接（依次是插件、波峰焊）。全自動SMT貼裝生產(chǎn)線和THT生產(chǎn)線技術(shù)極大地提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量等，系統(tǒng)焊接實物如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)實物圖

4 實驗系統(tǒng)的實際應用

該系統(tǒng)可以完成板載資源的所有實驗項目，更重要的是該實驗系統(tǒng)體積?。ㄩL9.0 cm，寬3.3 cm，高1.5 cm），重量輕，功能齊全，方便攜帶，易于拓展。教師在單片機教學過程中可根據(jù)課程內(nèi)容布置適合學生的實驗任務，通過恰當?shù)幕A(chǔ)實驗項目引導學生通過簡單的C語言程序設計把51單片機的I/O端口控制、按鍵檢測、中斷及內(nèi)部定時計數(shù)器等抽象的理論知識直觀地展現(xiàn)出來。筆者在實施過程中設計的部分基礎(chǔ)實驗項目如表1所示[5]，學生可以在教室、宿舍、自修室等場地自主搭建“實驗室”完成基礎(chǔ)實驗項目，及時通過實驗結(jié)果現(xiàn)象解答抽象的理論知識，不僅實現(xiàn)了學做統(tǒng)一，也激發(fā)了學生的學習興趣。

表1 基礎(chǔ)實驗項目

隨著電子技術(shù)，傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，各類智能電子產(chǎn)品正在不斷改善人們的生活。如何引導學生應用單片機知識開發(fā)小型電子系統(tǒng)解決實際生活中遇到的問題，不僅是課程教學的目標之一，也是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。筆者以自己設計研發(fā)的創(chuàng)新實驗系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)配備了DS18B20數(shù)字溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、直流電機、步進電機、NRF24L01無線通信模塊和小車底座等，并設計了相應的綜合創(chuàng)新實驗項目如表2所示[6]，在課程實施過程中可根據(jù)學生的實際情況做適當調(diào)整。

表2 綜合創(chuàng)新實驗項目

此類綜合創(chuàng)新實驗項目極大地拓展了學生的學習空間，理論應用于實踐，培養(yǎng)學生獨立思考問題和解決問題的能力，在潛移默化中提升學生綜合創(chuàng)新能力的同時也為學科競賽培養(yǎng)了人才。

總之，本實驗系統(tǒng)有助于電子信息類專業(yè)的實踐教學的開展，為本專業(yè)更好地開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下了基礎(chǔ)，強化了學生實踐能力的培養(yǎng)，實現(xiàn)了“教學做”一體化，有效提升了單片機課程的教學效果。

參考文獻：

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[2]石建國，何惠龍，劉根據(jù)，等.多控制器結(jié)構(gòu)單片機實驗系統(tǒng)研制與應用[J].實驗技術(shù)與管理，2016（33）2：57-60.

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[4]陳學平.Altium Designer 13電路設計、制板與仿真從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2014：10-23.

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