單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

王艷林　李東

摘要：單片機(jī)原理及應(yīng)用是測控技術(shù)與儀器等專業(yè)中很重要的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它是一門面向應(yīng)用的、具有很強(qiáng)的實(shí)踐性與綜合性的課程，特別適合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的學(xué)習(xí)過程，設(shè)計(jì)了單片機(jī)原理及應(yīng)用教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目。此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)既要涵蓋單片機(jī)教學(xué)的主要內(nèi)容，又要具有很好的擴(kuò)展性，滿足多種測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，還要反映測控技術(shù)與儀器專業(yè)的特點(diǎn)，全面培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力，提高學(xué)生的測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；教學(xué)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）20-0064-02

一、引言

單片機(jī)是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，廣泛應(yīng)用于家用電器、智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、軍工等領(lǐng)域，在社會生活中具有極其重要的作用。單片機(jī)原理及應(yīng)用是測控技術(shù)與儀器專業(yè)中一門重要的綜合性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，并且與多門課程深度相關(guān)，如電工基礎(chǔ)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、傳感技術(shù)、微機(jī)原理及應(yīng)用、控制工程基礎(chǔ)、測控電路設(shè)計(jì)、智能儀器設(shè)計(jì)等。同時(shí)本門課程具有極強(qiáng)的綜合性、實(shí)踐性的特點(diǎn)，對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰哂兄匾饔谩；趩纹瑱C(jī)教學(xué)的重要性，全國各校也一直在進(jìn)行關(guān)于單片機(jī)的教學(xué)方式、方法改革，主要的改革方向均是增強(qiáng)單片機(jī)教學(xué)的實(shí)踐能力，在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，主要的方式包括：（1）加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；（2）增加綜合性實(shí)驗(yàn)；（3）加課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)；（4）設(shè)計(jì)單獨(dú)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)型是近年來比較受到認(rèn)可的一種教學(xué)方式。項(xiàng)目教學(xué)法是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)相對獨(dú)立的項(xiàng)目，圍繞著項(xiàng)目組織和開展教學(xué)，由學(xué)生提出設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成項(xiàng)目的調(diào)研，在教師的指導(dǎo)下，形成設(shè)計(jì)方案，完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及調(diào)試，并完成項(xiàng)目報(bào)告。對于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力、信息收集能力、團(tuán)隊(duì)合作及寫書面報(bào)告的能力等均有很大的幫助。項(xiàng)目教學(xué)法可將相關(guān)學(xué)科中的知識內(nèi)容通過單片機(jī)作為核心，轉(zhuǎn)化為若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，使得學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中可以從知識體系的角度對本專業(yè)有深刻的認(rèn)識?；跍y控技術(shù)與儀器專業(yè)的特點(diǎn)，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要盡可能與本專業(yè)重要的知識內(nèi)容相結(jié)合，可以綜合學(xué)生所學(xué)的電路、數(shù)字電路、模擬電路、編程語言、儀器電路、光電檢測技術(shù)、傳感器等多門基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的知識，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行智能化電子系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)能力。為此，本文設(shè)計(jì)了單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐平臺項(xiàng)目，盡可能適應(yīng)多種類型的傳感器，可以完成多種類型的測控系統(tǒng)，全面培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、實(shí)踐能力。

二、單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)組成

教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既要滿足學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的需要，也為學(xué)生建立符合測控技術(shù)與儀器專業(yè)培養(yǎng)方向的測控系統(tǒng)提供了足夠的空間；既為學(xué)生學(xué)習(xí)本專業(yè)的相關(guān)課程提供了一個(gè)平臺，也為學(xué)有余力的學(xué)生提供了更多深入學(xué)習(xí)的條件；既保留了目前教學(xué)過程中經(jīng)典的教學(xué)內(nèi)容，也要對實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛使用的新技術(shù)予以足夠的重視。系統(tǒng)主要組成如圖1所示。

教學(xué)實(shí)踐平臺以ADUC842單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了存儲器擴(kuò)展、人機(jī)接口、模擬信號處理電路、數(shù)字量輸入輸出電路、無線通信、驅(qū)動(dòng)電路等，同時(shí)可通過串口電路連接GPS、GPRS、485等在測控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)多種類型傳感器供學(xué)生組成不同類型的測控系統(tǒng)。

三、單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.CPU電路設(shè)計(jì)。CPU選擇ADuC842作為主控CPU，ADuC842是ADI公司生產(chǎn)的具有8051內(nèi)核的模擬單片機(jī)，集成了豐富的片上資源，它具有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、62KB片內(nèi)電擦除程序存儲器、4KB片內(nèi)電擦除數(shù)據(jù)存儲器、2304B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM、8通道12位高精度ADC、2個(gè)12位DAC、12個(gè)中斷源、看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器，同時(shí)還集成了UART、I2C和SPI串行接口，既可滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，也是一種功能強(qiáng)大的可廣泛應(yīng)用的新型單片機(jī)。

2.模擬信號及數(shù)字信號輸入輸出電路設(shè)計(jì)。由于ADuC842單片機(jī)具有8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器及2路12位D/A轉(zhuǎn)換器，可以滿足大多數(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用，因此只需要利用運(yùn)放設(shè)計(jì)放大電路，用于和傳感器輸入的信號進(jìn)行匹配即可。數(shù)字量輸入輸出采用光藕TLP281-4進(jìn)行光電隔離，一方面可以起到保護(hù)作用，同時(shí)也可以匹配外接電路和各種電平，為測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更多的靈活性。

3.人機(jī)接口電路。人機(jī)接口電路采用了單片機(jī)電路最常用的鍵盤、數(shù)碼管管理器件HD7279作為核心電路，設(shè)計(jì)了3×4的小鍵盤及四位數(shù)碼管，可以滿足測控的基本需要，同時(shí)還設(shè)計(jì)了液晶接口，可設(shè)計(jì)出更豐富的界面。

4.通信電路設(shè)計(jì)。測控系統(tǒng)的通信主要分為有線和無線兩種，對于有線系統(tǒng)設(shè)計(jì)了最常用的RS232接口及廣泛應(yīng)用于測控系統(tǒng)中的RS485總線。無線通信采用了基于無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的通信接口設(shè)計(jì)，工作于433MHz頻段，具有工作頻道的設(shè)置和發(fā)送、接收、待機(jī)狀態(tài)等工作模式可短距離無線傳輸，具有抗干擾性能強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制少、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)為滿足測控系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信的需求，設(shè)計(jì)了基于GPRS通信模塊的接口。GPRS網(wǎng)不但具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通，具有廣泛應(yīng)用。

5.典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。串行總線是現(xiàn)代測控系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，為使學(xué)生學(xué)習(xí)到應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)系統(tǒng)的串行片內(nèi)互連技術(shù)，采用了三種總線設(shè)計(jì)了外圍電路，分別是：DS18B20是基本于單總線的溫度傳感器、DS1302是基于SPI總線的日歷時(shí)鐘芯片、AT24C02是基于二線串行總線的EEPROM芯片。傳感器是單片機(jī)測控系統(tǒng)中最重要的組成部分，為了與測控專業(yè)的其他課程相銜接，分別采用了多種原理設(shè)計(jì)的傳感器，如電阻型、電感型、電容型、壓電型等傳感器，特別重視光電式傳感器的應(yīng)用。

四、單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目應(yīng)用

本單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)可應(yīng)用于單片機(jī)的教學(xué)實(shí)踐中，讓學(xué)生自己組隊(duì)，根據(jù)自己的興趣，調(diào)研并確定題目，盡可能利用教學(xué)系統(tǒng)所提供的資源，形成自己的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)測控系統(tǒng)、調(diào)試電路、調(diào)試程序，完成一個(gè)可包含光、機(jī)、電的測控系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)單片機(jī)的過程中，學(xué)習(xí)測控系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)過程，對本專業(yè)有更深刻的認(rèn)識。