基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置設(shè)計(jì)

王建強(qiáng)

(榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引言

國家“新工科”“智能制造2025”等重大戰(zhàn)略規(guī)劃背景下，要求高等學(xué)校培養(yǎng)出更多的適應(yīng)新形勢的工科人才。為了響應(yīng)國家戰(zhàn)略需求，支撐以新產(chǎn)業(yè)為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近年來各高校紛紛實(shí)行擴(kuò)招政策，學(xué)生人數(shù)的迅速增加，給各高校的教學(xué)帶來了更大的壓力，特別是工科相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，面臨著師資短缺、管理手段落后、實(shí)驗(yàn)資源缺乏等一系列的問題[1]。作為服務(wù)電子信息產(chǎn)業(yè)的高校電子信息類相關(guān)工科專業(yè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)人才培養(yǎng)過程中的地位尤為重要，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”作為電子科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等電子信息類相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不能適應(yīng)新形式下的人才培養(yǎng)需求。

目前，盡管各高校采取了一系列的教學(xué)改革手段，如線上線下混合式教學(xué)[2]、引進(jìn)新的教學(xué)理念[3]、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)[4]、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)[5]等，取得了一定的成果，但在實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)控，尤其在實(shí)驗(yàn)成績考核環(huán)節(jié)仍采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行，無法解決效率低下，教師工作繁瑣等問題。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展為解決該問題提供了新的思路，本文引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，來加強(qiáng)對學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)控，減輕實(shí)驗(yàn)成績評定環(huán)節(jié)的工作量，提高教學(xué)效果。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

為實(shí)現(xiàn)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的遠(yuǎn)程管理監(jiān)控，以簡化實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核環(huán)節(jié)的工作量，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的記錄及數(shù)據(jù)上傳，在傳統(tǒng)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集上傳模塊，并把采集的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)上報(bào)至云端，具體來說分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)兩個(gè)過程。

首先，數(shù)據(jù)采集主要是通過采集單片機(jī)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程相關(guān)寄存器的狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)的主要功能分兩類：外部控制和外部數(shù)據(jù)的感知。其工作過程均是通過由CPU來對相關(guān)寄存器的操作來實(shí)現(xiàn)的，因此可以通過在特定時(shí)間來監(jiān)控單片機(jī)的相關(guān)寄存器來達(dá)到記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)程序運(yùn)行狀態(tài)的目的，從而記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)。而51單片機(jī)特殊功能寄存器數(shù)量較少也保證了該設(shè)計(jì)思路的可行性，以STC89C52單片機(jī)為例，其寄存器組主要包括I/O口鎖存器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器和各種控制寄存器等，共有23個(gè)，都以特殊功能寄存器的形式出現(xiàn)[6]。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，往往僅使用到了其中的部分寄存器，如要實(shí)現(xiàn)控制8位七段數(shù)碼管的顯示實(shí)驗(yàn)，CPU可通過控制P1口的8位寄存器來確定顯示內(nèi)容，通過控制P2口的8位寄存器中的8位中的某一位來決定由哪一位數(shù)碼管顯示，可通過控制定時(shí)器、中斷控制寄存器等來實(shí)現(xiàn)具體的顯示方式。這樣一來，對于該實(shí)驗(yàn)，只需要在特定時(shí)間掃描上述寄存器的狀態(tài)變化，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)的采集。

其次，數(shù)據(jù)的上傳。由51單片機(jī)通過串口將采集到的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺(tái)通信模塊，云平臺(tái)通信模塊將該數(shù)據(jù)通過相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議上傳至云端。

1.2 總體組成

整個(gè)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊、云平臺(tái)模塊和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用監(jiān)控模塊4個(gè)模塊組成。首先，由51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)寄存器運(yùn)行狀態(tài)的采集，并通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)上傳模塊；接下來數(shù)據(jù)上傳模塊通過TCP透傳的方式將數(shù)據(jù)上傳至云端；教師可以在監(jiān)控端查看云端數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及成績的評定等工作。系統(tǒng)整體組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)開發(fā)板硬件電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)開發(fā)板主要由STC89C52最小系統(tǒng)、Led控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K、按鍵模塊、數(shù)碼管顯示模塊等組成，具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)開發(fā)板硬件電路

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊由ESP8266來實(shí)現(xiàn)，通過串口與實(shí)驗(yàn)開發(fā)板連接，通過TCP透傳與云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向通信，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)

3 測試及結(jié)果

3.1 測試環(huán)境的搭建

基于上述設(shè)計(jì)，搭建了測試環(huán)境，對學(xué)生“數(shù)碼管靜態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)”中用到的寄存器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的采集上傳。該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)對8位7段共陽極數(shù)碼的控制，讓8位共陽極數(shù)碼管同時(shí)循環(huán)顯示0到7八個(gè)字符，時(shí)間間隔為1 s，理論分析各寄存器的狀態(tài)隨時(shí)間的變化如表1所示。

表1 數(shù)碼管靜態(tài)顯示寄存器狀態(tài)理論數(shù)據(jù)

首先，云平臺(tái)的搭建。包括按照Onenet官方流程在Onenet云平臺(tái)申請賬號、建立基于TCP透傳協(xié)議的產(chǎn)品、新建設(shè)備、Lua腳本設(shè)計(jì)上傳、數(shù)據(jù)流的設(shè)置等步驟；接著設(shè)置ESP8266與云平臺(tái)進(jìn)行連接，以便上傳數(shù)據(jù)。由C51單片機(jī)通過AT指令對ESP8266進(jìn)行初始化，使其處于TCP透傳模式下，并連接地址為183.230.40.40的云平臺(tái)遠(yuǎn)程主機(jī)，端口號使用1811，發(fā)送登錄指令*357000#51IOT#51IotTest*，登錄后就可以把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)并保存至數(shù)據(jù)庫；最后，數(shù)據(jù)導(dǎo)出并驗(yàn)證。通過云平臺(tái)數(shù)據(jù)流界面查看上傳的數(shù)據(jù)并與理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。

3.2 測試過程及結(jié)果

連接好硬件電路，P2口8位分別接8位共陽極數(shù)碼管的控制端，P1口的8位作為8位共陽極數(shù)碼管顯示內(nèi)容控制輸入端，ESP8266模塊通過串口與單片機(jī)開發(fā)板連接；接著將編寫好的串口數(shù)據(jù)發(fā)送程序與實(shí)驗(yàn)程序一起燒寫到STC89C52開發(fā)板中，最后上電，在實(shí)驗(yàn)板觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在云平臺(tái)上查看寄存器隨時(shí)間變化狀態(tài)。51單片機(jī)設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

程序運(yùn)行后，可以看到開發(fā)板上的8位7段數(shù)碼管以1 s的時(shí)間間隔循環(huán)顯示字符0-7；云平臺(tái)數(shù)據(jù)流查看界面P1、P2數(shù)據(jù)流截圖如圖5所示。

圖5 云平臺(tái)導(dǎo)出數(shù)據(jù)圖

可以看到，在云平臺(tái)上，每隔1 s收到一次P1口及P2口的狀態(tài)數(shù)據(jù)，將該十進(jìn)制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后，正好與表1的數(shù)據(jù)項(xiàng)吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

4 總結(jié)

本文應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將“單片機(jī)原理及應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)過程中單片機(jī)相關(guān)寄存器的狀態(tài)傳送到了云平臺(tái)上。基于這些數(shù)據(jù)，教師可以遠(yuǎn)程對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行掌握，簡化了實(shí)驗(yàn)的考核過程，一定程度上降低了教師的工作量。