基于萬能板的單片機硬件電路開發(fā)及其中職教學(xué)應(yīng)用

楊暾

摘要：單片機技術(shù)及應(yīng)用課程在中職電子技術(shù)類專業(yè)的課程體系中有著重要的地位。在長期的職業(yè)教育課程改革實踐過程中，單片機課程的教學(xué)模式幾經(jīng)變遷，基于萬能板硬件開發(fā)與應(yīng)用的單片機教學(xué)模式日漸突顯出其全面落實單片機課程教學(xué)目標(biāo)的獨特作用，成為一個值得不斷深入探究的課程改革實踐領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：萬能板;單片機課程;硬件電路開發(fā);教學(xué)應(yīng)用

單片機技術(shù)及應(yīng)用課程是中等職業(yè)教育電子技術(shù)類專業(yè)的專業(yè)平臺課程，它前與電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能、專業(yè)通用技能實訓(xùn)等專業(yè)基礎(chǔ)課程相承接，后與專業(yè)方向課程、職業(yè)崗位技術(shù)技能相聯(lián)系，在中職電子技術(shù)類專業(yè)課程體系中起到承上啟下的連接作用。課程的專業(yè)知識與綜合技術(shù)技能水平要求較高，在專業(yè)課程體系中有著重要的地位。在長期的職業(yè)教育課程改革實踐過程中，單片機課程的教學(xué)模式幾經(jīng)變遷，基于萬能板硬件開發(fā)與應(yīng)用的單片機教學(xué)模式日漸突顯出其全面落實單片機課程綜合性教學(xué)目標(biāo)的獨特作用，成為一個值得不斷深入探究的課程改革實踐領(lǐng)域。

一、基于萬能板開發(fā)單片機實驗電路在中職單片機課程教學(xué)中的意義與價值

近年來在新的教改精神的引領(lǐng)下，中職單片機課程的教學(xué)模式改革產(chǎn)生了許多新的變化，課程教學(xué)也逐漸形成了相對穩(wěn)定的幾種不同的實施模式。早期的純匯編語言或C語言軟件編程教學(xué)現(xiàn)在已不多見，目前比較普遍的是單片機C語言軟件編程加Proteus軟件仿真。有較好硬件條件的學(xué)校會在單片機軟件編程加Proteus軟件仿真的基礎(chǔ)上進一步開展基于單片機實驗裝置（技能大賽）或單片機實驗箱的實訓(xùn)教學(xué)。這種教學(xué)模式因為將程序落實到了硬件上，因而才稱得上是真正意義的單片機技術(shù)課程。但是這只是單片機技術(shù)課程在硬件技術(shù)方面邁出的可貴的第一步，要將單片機硬件技術(shù)的教學(xué)滲透到位，最佳的硬件教學(xué)策略之一是基于萬能板開發(fā)單片機實驗電路，將單片機硬件技術(shù)的教學(xué)做細做實?；趩纹瑱C實驗裝置（技能大賽）或單片機實驗箱的實訓(xùn)教學(xué)只是在用現(xiàn)成的硬件平臺驗證軟件程序的可行性，并沒有體現(xiàn)硬件開發(fā)技術(shù)的教學(xué)要求。而基于萬能板開發(fā)單片機實驗電路，從電路的設(shè)計、制作，到檢測、調(diào)試、功能檢驗、排故，學(xué)生必須要去認真理解各個單元控制電路的結(jié)構(gòu)、原理、萬能板電路布局規(guī)劃、元器件間的相互連接關(guān)系等等。這一方面強化了學(xué)生對前期電子技術(shù)基礎(chǔ)類課程知識的強化、拓展與提高，另一方面對學(xué)生的電路組裝實踐技能也有更高的要求，使學(xué)生通過單片機硬件實驗電路的制作，電路理論知識與組裝工藝技能水平提升到一個更高的新臺階。

二、基于萬能板的單片機實驗電路開發(fā)

1.萬能板上電路設(shè)計的特點與要求

萬能板上設(shè)計與制作電路，與PCB板電路組裝有著很大的不同。PCB板電路組裝不用考慮元器件布局與連線，只要元器件插裝正確、焊接規(guī)范，電路基本就能組裝成功了。萬能板上設(shè)計與制作電路，要全面考慮元器件布局、布線路徑與工藝要求。由于元器件布局確定以后，還要把元器件之間的連接關(guān)系正確而符合工藝要求地用導(dǎo)線連接起來，所以組裝的難度比PCB板電路組裝要高不少。另外由于萬能板上布線工藝的局限性，給人的一般印象是萬能板上通常只能組裝簡單低級的電路，像能夠滿足中職單片機課程教學(xué)需要的單片機實驗電路這種比較復(fù)雜的綜合性電路，很難在一塊有限大小的萬能板上集成。

從課程實施的角度上來說，單片機實驗電路板應(yīng)該包含課程教學(xué)大綱所必須的單片機控制電路的各種典型單元電路類型。除了單片機最小系統(tǒng)電路外，按照課程內(nèi)容需要，還需包括流水燈控制電路、數(shù)碼管顯示控制電路、音頻控制電路、8*8點陣屏控制電路等。為了實現(xiàn)人機互動，需要包括獨立按鍵控制電路和4*4矩陣鍵盤控制電路。為了便于硬件電路連接關(guān)系的靈活轉(zhuǎn)換，還需在單片機最小系統(tǒng)電路和各控制單元電路中設(shè)計落實各種合理的電路接口。

2.萬能板上電路設(shè)計的創(chuàng)新性舉措

按照上述硬件電路要求，在萬能板上設(shè)計制作滿足單片機教學(xué)要求的實驗電路確實是具有挑戰(zhàn)性的，需要采取一些創(chuàng)新性的舉措才能設(shè)計制作出滿足單片機課程教學(xué)需要的復(fù)雜硬件實驗電路。在具體實踐過程中，首先初步規(guī)劃出各單元功能電路在萬能板上的方位布局，然后進行各單元功能電路的細化設(shè)計，務(wù)求元器件定位合理，電路連線關(guān)系簡約規(guī)范不沖突。在布線設(shè)計方面，需要采取雙面布線的思路，在萬能板焊接面和元件面兩面科學(xué)分配連線，有效避免布線沖突。其次，各單元功能電路科學(xué)設(shè)計連線接口，以便于通過杜邦線或?qū)Ｓ门啪€實現(xiàn)與單片機相應(yīng)接口之間的互連。另外，盡量采用集成化的元器件組件，比如P0口上拉電阻、流水燈限流電阻均采用排阻形式，四位數(shù)碼管顯示電路中采用四位集成一體化的數(shù)碼管組件等，這樣可以極大地節(jié)省相應(yīng)電路在萬能板上所占空間。

3.萬能板單片機實驗電路的開發(fā)設(shè)計

一種開發(fā)的單片機實驗板電路實物如圖所示：

主電路板上各單元功能電路包括單片機最小系統(tǒng)、流水燈控制電路、四位數(shù)碼管顯示控制電路、音頻控制電路、8*8點陣屏控制電路、獨立按鍵控制電路等。4*4矩陣鍵盤電路做成一個獨立的鍵盤工具，使用時通過排線連接到主電路板的單片機上。利用這塊萬能板單片機實驗電路，完全可以覆蓋中職單片機課程教學(xué)的基本實驗需求，實現(xiàn)流水燈編程控制、數(shù)碼管顯示編程控制、音頻輸出編程控制、8*8點陣屏程控顯示等項目實驗功能，驗證軟件程序設(shè)計中I/O口輸入輸出編程控制、數(shù)碼管顯示編程、音頻輸出編程、8*8點陣屏顯示編程、定時/計數(shù)器編程應(yīng)用、中斷系統(tǒng)編程應(yīng)用、矩陣鍵盤編程應(yīng)用等編程技術(shù)與方法的掌握效果，體現(xiàn)了良好的課程實施適應(yīng)性。

三、萬能板單片機實驗電路在中職單片機課程教學(xué)中的應(yīng)用

1.必要的萬能板焊接技能基礎(chǔ)訓(xùn)練

要做基于萬能板的單片機實驗板開發(fā)，必須要有過硬的電路焊接組裝技能。對于沒有進行過萬能板焊接技能訓(xùn)練或者萬能板電路焊接組裝技能水平不足的學(xué)生，強烈建議要先做一些必要的萬能板焊接技能基礎(chǔ)訓(xùn)練。沒有萬能板電路焊接組裝技能基礎(chǔ)，直接在萬能板上進行單片機實驗板這樣復(fù)雜程度的電路組裝，其組裝質(zhì)量和成功率都會很低，這將嚴重影響后續(xù)的實驗運用。在基礎(chǔ)技能訓(xùn)練中，要強化質(zhì)量意識，強調(diào)工藝規(guī)范，以保證組裝出合格適用的單片機實驗板。

2.萬能板的單片機實驗電路組裝

萬能板單片機實驗電路的組裝，要先從設(shè)計裝配圖、識讀萬能板裝配圖開始，以保證元器件的正確定位插裝。元器件插裝前要先使用萬用表進行質(zhì)量檢驗，防止將有質(zhì)量問題的元器件直接安裝到萬能板上，人為提高電路故障率和檢修難度。要重視焊接質(zhì)量與連線工藝的規(guī)范性，電路的組裝按照項目學(xué)習(xí)順序以單元電路的形式依序組裝。每一個單元電路組裝完成，都要進行必要的質(zhì)量檢驗與功能檢驗，以確保電路能夠正常工作，運行軟件程序中預(yù)設(shè)的功能。

3.單片機軟硬件結(jié)合項目化系列性任務(wù)驅(qū)動綜合實訓(xùn)

基于萬能板的單片機實驗板為單片機課程教學(xué)提供了靈活多樣的硬件設(shè)計實驗平臺，實驗板上設(shè)計的各種接口使得電路連接關(guān)系可以隨心所欲進行變化。既可以先做好硬件連接，然后編程時軟件與硬件連接關(guān)系相適應(yīng)，也可以先編寫程序，然后根據(jù)軟件的程序設(shè)計再做相對應(yīng)的硬件連接。這種資源條件下的單片機課程教學(xué)，最適合項目教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式。教學(xué)項目可以設(shè)計為基礎(chǔ)項目項目一了解單片機，和序列項目項目二單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計與制作、項目三流水燈控制技術(shù)、項目四LED數(shù)碼顯示技術(shù)、項目五單片機音頻控制技術(shù)、項目六LED點陣屏顯示技術(shù)等若干個項目。每個項目再細分為一系列的學(xué)習(xí)任務(wù)，先設(shè)計與制作項目單元硬件電路，再分任務(wù)軟件編程在硬件電路上運行程序。在任務(wù)中有針對性地設(shè)計課程相關(guān)的單片機知識學(xué)習(xí)運用、硬件電路知識與組裝技能訓(xùn)練、編程語言知識學(xué)習(xí)運用與各種任務(wù)相關(guān)編程方法技能訓(xùn)練等，充分做到理實一體，學(xué)做合一，合作探究，全面促進學(xué)生的單片機技術(shù)技能發(fā)展。

四、萬能板單片機實驗電路的教學(xué)應(yīng)用效果

1.單片機課程軟硬件結(jié)合綜合性體現(xiàn)充分

經(jīng)過多輪的基于萬能板硬件電路開發(fā)與運用模式的單片機技術(shù)課程教學(xué)實踐，并且在實踐當(dāng)中不斷調(diào)整、完善與提高，這種教學(xué)模式的優(yōu)越性不斷得到體現(xiàn)。這種教學(xué)模式克服了單片機課程長期以來在硬件設(shè)計開發(fā)教學(xué)方面的不足，使學(xué)生既學(xué)到了各種編程方法，又掌握了基本的硬件結(jié)構(gòu)知識、設(shè)計制作方法和硬件電路組裝技術(shù)技能，全面培養(yǎng)了學(xué)生單片機課程軟硬件技術(shù)的綜合開發(fā)素養(yǎng)。另外，這種硬件電路開發(fā)的學(xué)習(xí)活動過程，還強化與拓展了學(xué)生在前期專業(yè)課程中學(xué)習(xí)的相關(guān)電路結(jié)構(gòu)原理與電子電路裝配工藝技能，從專業(yè)課程體系的角度，加深與強化了專業(yè)課程之間的聯(lián)系，提高了電子技術(shù)的專業(yè)教學(xué)效益，升華了專業(yè)教育的綜合培養(yǎng)成效。在課程實施方面，運用項目教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，理實一體，學(xué)做合一，也一改傳統(tǒng)的單片機課程教師講授程序或?qū)W生機房敲程序的沉悶教學(xué)模式，很好地發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，調(diào)動了學(xué)生的主體能動性，充分提高了單片機課程的課堂教學(xué)效益。

2.部分學(xué)生電路組裝存在困難，可以通過分組合作學(xué)習(xí)的方式互補

基于萬能板的單片機硬件電路開發(fā)，無論從電路復(fù)雜性還是從組裝工藝技能的要求方面來說，對于中職學(xué)生都是一種不小的挑戰(zhàn)。不排除少數(shù)學(xué)生存在電路組裝困難，難以制作出合格電路的情況。對于這種情況，因為單片機課程中包括多個項目及相應(yīng)的項目單元電路，因此各項目電路的制作可以分別處理，一個項目的電路做壞了不成功，下一個項目的電路可以努力爭取做好。鼓勵學(xué)生不因局部電路制作上的挫折放棄整個電路的開發(fā)。當(dāng)然，對于基礎(chǔ)性的單片機最小系統(tǒng)電路，寧可放慢一點教學(xué)進度，也要盡可能多地引領(lǐng)學(xué)生做精做好，這是整個硬件開發(fā)板的基礎(chǔ)與核心，最小系統(tǒng)不成功，所有的項目程序都無法實驗運行。做壞了的學(xué)生，可以另發(fā)一套電路器材重新做起，盡可能保證所有的學(xué)生單片機電路板上的最小系統(tǒng)電路部分制作成功。對于實在不能成功完成電路制作的少數(shù)學(xué)生，也可以在編程實驗環(huán)節(jié)，采用分組合作的學(xué)習(xí)方式，在需要硬件電路運行程序時，共用小組成員中其他同學(xué)做成功的硬件電路運行自己編寫的程序，實現(xiàn)單片機項目任務(wù)的全過程開發(fā)實踐。

3.課時的保障，建議周課時6課時（一學(xué)期）以上，或周課時4課時（兩學(xué)期）

基于萬能板的單片機課程教學(xué)模式，因為比傳統(tǒng)的單片機課程多了硬件電路設(shè)計制作的教學(xué)內(nèi)容，因而需要更多的課時保障教學(xué)任務(wù)的順利完成。單片機課程的周課時，在只安排一個學(xué)期教學(xué)時間的情況下，每周課時建議不少于6課時，最好能安排到8課時。在安排一學(xué)年兩個學(xué)期的教學(xué)時間的情況下，每周可以安排4課時。課時有保障，教學(xué)目標(biāo)才能夠充分達成。

基于萬能板的單片機課程硬件開發(fā)教學(xué)模式，雖然從實踐效果上來看有著積極的教學(xué)效益，但是也對教師和學(xué)生提出了不小的挑戰(zhàn)。設(shè)計與制作基于萬能板的單片機硬件電路不僅對學(xué)生的專業(yè)技能提出了較高的要求，也對教師的專業(yè)技術(shù)素養(yǎng)提出了考驗！單片機課程的教師，要努力做到理論與實踐并重，軟件與硬件兼修，這樣才能駕馭好基于萬能板的單片機課程硬件開發(fā)教學(xué)模式，推動單片機課程教學(xué)改革實踐不斷走向深入。