應(yīng)用型本科院校單片機實驗教學設(shè)備自制探討

曾繁政?李釗海

摘要：分析了應(yīng)用型本科院校單片機實驗設(shè)備的不足，提出了實驗靈活、模塊分明、擴展性好、維護方便的基于8051單片機實驗教學平臺的設(shè)計方案，詳細敘述了單片機實驗平臺的硬件開發(fā)與實驗講義的編寫。通過單片機實驗平臺的開發(fā)與探討，不僅提高了教師的科研能力，也鍛煉了學生的實踐能力，這符合應(yīng)用型本科院校的教學模式與培養(yǎng)要求。

關(guān)鍵詞：單片機；實驗教學；實驗平臺

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0192-02

實驗教學是高等教育教學活動的一個重要且不可代替的環(huán)節(jié)，特別是以培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才為主要目標的應(yīng)用型本科院校，實驗教學則變得更為重要。實驗教學不僅可以讓學生加深對所學理論知識的掌握，同時也是提高學生實踐能力及創(chuàng)新能力的重要途徑。實驗設(shè)備是實驗教學的基礎(chǔ)，也是實驗室建設(shè)的主要內(nèi)容，[1]因此，選擇一套適合教學、合適學生使用的實驗設(shè)備顯得特別重要。

“單片機原理及應(yīng)用”是大部分電類專業(yè)必學的課程，其理性論和實踐性很強，教學中包含了大量的實驗教學。要使學生真正掌握并運用知識，只有通過親自動手實踐，單片機實驗設(shè)備已成為主要的實踐工具。目前高校的單片機實驗設(shè)備主要以箱式的成套設(shè)備為主，其存在以下問題：一是價格相對較高；二是實驗電路死板，實驗靈活性和可擴展性降低，開發(fā)軟件單一，實驗平臺升級困難；三是實驗平臺出故障難排除，維護的難度大、周期長。[2]

針對以上問題，筆者根據(jù)多年的單片機實驗教學經(jīng)驗，帶領(lǐng)學生自行開發(fā)了一套適合賀州學院學生使用的基于MCS-51單片機的實驗平臺，通過實驗平臺的開發(fā)不僅使學生的動手能力得到了很大提高，也使教師的科研能力得到了鍛煉，效果良好。

一、實驗平臺設(shè)計思想

單片機實驗設(shè)備一般分為兩種：一是單片機實驗開發(fā)板，二是單片機實驗箱。實驗開發(fā)板面積較小，實驗內(nèi)容少，成本低且便于攜帶，適用于個人或資金不多的開發(fā)者使用。實驗箱實驗內(nèi)容豐富，實驗電路相對比較復(fù)雜，攜帶不方便，且造價比較高，適合院校實驗室教學使用。為了解決賀州學院單片機實驗設(shè)備少的問題，降低實驗室的建設(shè)成本，開發(fā)了一套適合賀州學院單片機實驗教學的單片機實驗設(shè)備。在設(shè)計單片機實驗箱電路時，如果把所有的電路單元都集中在一塊電路板上，會造成布線混亂，分析硬件電路困難，實驗箱出故障難排除，維護的難度大、周期長等問題。因此，通過對以往實驗?zāi)Ｊ竭M行分析，把實驗箱進行模塊化設(shè)計，即“總線+模塊”和“底板+模塊”的設(shè)計。需要在某個模塊做實驗時使對應(yīng)模塊與單片機母板相連接。這種設(shè)計方法既可以解決單片機接口資源少的問題，也可以降低實驗設(shè)備的故障率，同時學生還可以利用各種模塊進行相關(guān)課程的課程設(shè)計，必要時還可以帶出實驗室使用。

模塊化的設(shè)計思想對于單片機硬件設(shè)計有著很重要的作用，在較復(fù)雜的項目設(shè)計中模塊化設(shè)計顯得尤為重要。模塊化設(shè)計不僅可以優(yōu)化電路，還可以提高設(shè)計效率。因此，模塊化設(shè)計思想的培養(yǎng)在單片機課程教學實踐中應(yīng)該具有十分重要的地位，本實驗平臺的設(shè)計也體現(xiàn)了模塊化設(shè)計的特點。

二、實驗內(nèi)容的設(shè)計與安排

單片機課程涉及知識面廣，實踐案例豐富，結(jié)構(gòu)層次也比較清晰。在確定單片機實驗平臺的設(shè)計方案前，應(yīng)根據(jù)單片機課程的特點對實驗內(nèi)容進行設(shè)計和安排。根據(jù)賀州學院單片機實驗教學及學生的特點，將實驗教學的內(nèi)容安排為基礎(chǔ)篇、提高篇、綜合篇三個部分。本實驗平臺也將圍繞這三個部分進行設(shè)計。

1.基礎(chǔ)篇

MCS-51單片機的基礎(chǔ)知識主要包括CPU、存儲器、RAM、輸入輸出、中斷系統(tǒng)、定時計數(shù)器、串口、匯編指令系統(tǒng)等。對于基本篇的實驗主要針對輸入輸出接口、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器、串口設(shè)計了幾個比較簡單的基礎(chǔ)實驗，使學生們對單片機有了最基本的了解。

2.提高篇

學生通過基礎(chǔ)知識的學習，對單片機有了一定的了解，接下來安排一些模塊實驗來提高學生對單片機的認識。提高篇實驗主要是從應(yīng)用的角度出發(fā)，選擇一些典型的模塊電路，具體包括：A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的使用；單片機系統(tǒng)擴展；液晶顯示器LCD1602、LCD12864的使用；16×16點陣顯示的使用；直流、步進電機的使用；I2C總線的使用；單總線的使用等。

3.綜合篇

為了培養(yǎng)學生的綜合應(yīng)用能力，實驗箱安排了綜合設(shè)計實驗，這些實驗都是對前面做過的部分實驗?zāi)K的綜合，如多功能萬年歷、溫度控制系統(tǒng)等。當然為了滿足學生不同實驗課題的需要，學生也可以對單片機實驗箱提供的模塊根據(jù)需要組合起來進行綜合設(shè)計，或者學生可以自行設(shè)計外設(shè)模塊再用到實驗平臺上做實驗。

三、實驗平臺設(shè)計方案

1.總體方案

采用“底板+模塊”的結(jié)構(gòu)布局，把單片機實驗所需要運行的最小系統(tǒng)和接口都設(shè)計在底板上，把單片機外設(shè)模塊都設(shè)計在小電路板上，這樣小模塊電路板可以靈活接線或者移動，還可以借出實驗室供學生進行相關(guān)課外設(shè)計。同時還可以讓同學自己設(shè)計模塊電路，接到單片機實驗箱上來擴展實驗內(nèi)容。實驗平臺硬件核心為單片機最小系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.實驗平臺的布局

“總線+模塊”的設(shè)計思想和實驗靈活性強、擴展性好的設(shè)計要求決定了本單片機實驗平臺的結(jié)構(gòu)布局為“底板+模塊”。

實驗平臺把單片機最小系統(tǒng)、下載接口、通信接口設(shè)計在底板上，一些常用的并口LED指示燈、獨立鍵盤、蜂鳴器和繼電器等比較簡單的電路也一起設(shè)計在底板上。對于通用性好、比較復(fù)雜的電路則設(shè)計為模塊，只要插在底板的接口上就可以進行相關(guān)實驗。

3.實驗平臺接口

（1）數(shù)據(jù)下載接口。單片機的數(shù)據(jù)下載方法有很多，常用的有JTAG下載線、并口下載線和USB轉(zhuǎn)ISP下載線等，根據(jù)現(xiàn)在的PC機常用接口及實驗平臺的要求，選擇USB轉(zhuǎn)ISP形式的下載接口。

（2）模塊連接接口。實驗箱的設(shè)計主要針對8051系列單片機，但由于單片機的種類很多，為了更好地兼容其他的單片機，單片機的插座采用了緊鎖器以便擴展使用。比如通過設(shè)計一塊AVR轉(zhuǎn)接板，與緊鎖器鏈接后，就可以使用實驗板上的模塊進行AVR單片機實驗。

為了增強實驗的靈活性，實驗?zāi)K設(shè)計成可插拔式，同時為了減少實驗的接線，在底板的模塊接口附近安排了兩排并行排針，一排接單片機I/O接口，另一排接模塊的接口，做實驗時接上默認的跳線即可。當然為了使實驗更靈活、方便也可以不采用默認的連接方法而通過連接單片機的其他I/O口進行實驗。

4.開發(fā)軟件和工具選擇

（1）開發(fā)軟件。單片機常用的編程語言有匯編語言和C語言。為了兼顧學生不同的喜好和學習需要，選擇兩種語言開發(fā)平臺。匯編語言的開發(fā)環(huán)境選擇偉福，C語言的開發(fā)環(huán)境選擇Keil uVision3。為了讓學生更好地理解單片機的硬件知識和單片機指令系統(tǒng)，基礎(chǔ)篇實驗使用匯編語言進行教學，開發(fā)環(huán)境使用偉福。為了降低開發(fā)難度并讓學生更好地理解軟件的模塊化編程思想，提高篇和綜合篇的實驗使用C語言進行教學，開發(fā)環(huán)境使用Keil uVision3。由于下載工具選用USB轉(zhuǎn)ISP下載線，所以下載工具的軟件選擇AVR_fighter。

（2）輔助工具。LCD12864顯示模塊的實驗和點陣顯示模塊的實驗中要用到字模生成工具，選擇字模提取軟件V2.2。在進行單片機與PC及通訊時要用到串口調(diào)試工具，選擇了串口調(diào)試助手V2.1。在實驗過程中先利用軟件仿真，再在系統(tǒng)調(diào)試，因此選擇Proteus仿真軟件。

5.實驗講義編排

一套好的實驗開發(fā)平臺，一冊與之相配套的實驗講義非常重要。學生可以通過實驗講義有針對性的提前預(yù)習，實驗時可以把大部分時間用于實驗操作上，較好地提高了實驗課的效率。因此，本實驗平臺也編寫了配套的實驗講義，講義的基本結(jié)構(gòu)編排如下：一是實驗要求——使學生了解自己的實驗任務(wù)；二是實驗?zāi)康摹箤W生明確進行該實驗的目的；三是實驗電路及連線——讓學生學習該實驗的設(shè)計原理及硬件知識；四是實驗程序設(shè)計框圖——輔助學生進行該實驗的程序設(shè)計，并學習編程方法；五是實驗說明——輔助學生進行實驗操作、學習該實驗的設(shè)計方法等關(guān)鍵問題做說明。

四、實驗平臺開發(fā)模式

實驗平臺開發(fā)項目組成員由負責單片機理論與實驗教學的教師和有一定開發(fā)經(jīng)驗的學生組成。教師承擔項目負責人的角色，負責實驗平臺的總體設(shè)計，合理安排工作進度。兩個團隊負責項目的具體實施：一個團隊負責硬件開發(fā)，另一個團隊負責對平臺的各個模塊的綜合測試與實驗講義的編寫。項目組成員從自己實驗教學與學習過程中的切身體驗出發(fā)，分析同類實驗設(shè)備的優(yōu)缺點，根據(jù)教學實踐的具體需求對方案進行論證并具體實施。通過該項目的開發(fā)，不僅提高了教師的科研能力，也鍛煉了學生的動手、實踐能力，符合應(yīng)用型本科院校的教學模式與要求。

五、結(jié)語

通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，與購買的實驗教學平臺對比，自行開發(fā)的實驗平臺由學生使用、學生維護，這既可以提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，又可以滿足單片機實驗教學、單片機課程設(shè)計和大學生課外創(chuàng)新活動的需要，同時又節(jié)省了學校的實驗室建設(shè)與維護經(jīng)費，在教學中取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]宋蘊璞，周文泳，徐鳴謙，等.高校單片機教學實驗設(shè)備與方式探討[J].實驗室研究與探索，2009，28（11）：6-9.

[2]惠煌，賴曉晨，遲宗正，等.高校單片機教學實驗設(shè)備自制模式探索[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（5）：229-232.

[3]倪志蓮.單片機課程的實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，

2006，25（7）：843-844.

[4]張智宏，翟曉東.單片機綜合實驗箱的研制[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011，（13）：12-13.

（責任編輯：孫晴）