工學(xué)結(jié)合模式下的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陸中宏

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，唐山 063020）

1 高職單片機(jī)課程教學(xué)的現(xiàn)狀

根據(jù)教育部2006[16]號(hào)文件精神，高職教育應(yīng)倡導(dǎo)工學(xué)結(jié)合的教學(xué)模式，形成以就業(yè)為導(dǎo)向，以能力為本位，以應(yīng)用為目的的人才培養(yǎng)主線。

對(duì)于高職電類專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，單片機(jī)課程是一門(mén)重要的專業(yè)課，學(xué)好單片機(jī)課程可以為將來(lái)的就業(yè)奠定良好的基礎(chǔ)。但多數(shù)高職單片機(jī)課程教學(xué)存在諸多問(wèn)題，一方面學(xué)生覺(jué)得課程枯燥、難學(xué)，沒(méi)有學(xué)習(xí)興趣，另一方面學(xué)生就業(yè)后欠缺必要的操作技能以及項(xiàng)目的整合能力，很難融入到企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)之中，造成學(xué)業(yè)與就業(yè)的脫節(jié)。面對(duì)這種情況，部分高職院校為增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，購(gòu)買實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嵱?xùn)平臺(tái)，并將其應(yīng)用到時(shí)間課程教學(xué)中，這在一定程度上提高了學(xué)生的操作能力，但在教學(xué)過(guò)程中，大部分學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)都是按照指導(dǎo)書(shū)說(shuō)明，做簡(jiǎn)單的連線，然后編譯現(xiàn)成的程序，很少有學(xué)生去分析電路和理解程序，致使學(xué)生在設(shè)計(jì)電路，讀懂原理圖，理解程序流程及程序設(shè)計(jì)等方面的能力很是欠缺。

2 實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)

高職單片機(jī)課程必須推行工學(xué)結(jié)合的教學(xué)模式，教、學(xué)、做一體化進(jìn)行。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一款單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板，學(xué)生可以邊學(xué)、邊做，一邊學(xué)習(xí)理論知識(shí)，一邊進(jìn)行實(shí)際制作，解決目前單片機(jī)教學(xué)中存在的問(wèn)題。同時(shí)，學(xué)生看到自己焊接的電路能夠真正運(yùn)行，會(huì)激發(fā)他們學(xué)習(xí)理論知識(shí)的積極性，理論知識(shí)的深入理解又能促進(jìn)實(shí)踐技能的提高，這樣兩方面相互促進(jìn)，形成良性循環(huán)。

1）設(shè)計(jì)思路

為了滿足單片機(jī)日常教學(xué)的和學(xué)生課外深入學(xué)習(xí)的需要，遵循如下思路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板。

（1）實(shí)驗(yàn)板體積小，USB口供電，只配計(jì)算機(jī)就可以方便進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。

（2）實(shí)驗(yàn)板多功能、多用途、高可靠性，具有較高的性價(jià)比。

（3）有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以在實(shí)驗(yàn)板外連接電路完成其他實(shí)驗(yàn)。

（4）具有一定的趣味性與實(shí)用性，選擇常用的典型元器件。

（5）適用于在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、案例教學(xué)中應(yīng)用。

2）硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)板的硬件系統(tǒng)主要有單片機(jī)、通訊接口、人機(jī)交互設(shè)備、溫度傳感器、串行E2PROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、A/D及D/A轉(zhuǎn)換部分組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）單片機(jī)

本實(shí)驗(yàn)板選擇具有ISP功能的STC89C516RD+單片機(jī)，其指令系統(tǒng)及封裝形式與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)完全兼容，內(nèi)置8位中央處理器，片內(nèi)有64K字節(jié)FLASH程序存儲(chǔ)器和1280字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，支持可在線編程，可直接將程序通過(guò)通訊接口下載到單片機(jī)中即可運(yùn)行，觀察結(jié)果，非常方便。內(nèi)部FLASH課擦寫(xiě)100，000次以上，適合學(xué)生練習(xí)編寫(xiě)程序。

（2）通訊接口

圖1 實(shí)驗(yàn)板硬件結(jié)構(gòu)

圖2 通訊接口

通訊接口電路如圖2。單片機(jī)的在線編程和用戶程序?qū)ν馔ㄐ哦纪ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口實(shí)現(xiàn)，兩者共用單片機(jī)RXD和TXD引腳，串口電平轉(zhuǎn)換采用MAX232芯片，這樣實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電路既用來(lái)下載程序，又用來(lái)實(shí)現(xiàn)串行通信，一舉兩得。圖中的JPUSB是一個(gè)USB接口插座，用其來(lái)連接一個(gè)DB9母頭到PC機(jī)串行口輸出端下載程序和一個(gè)USB插頭到PC機(jī)的USB接口供電。因?yàn)镻C機(jī)的USB口可以提供5伏500毫安的直流電壓，剛好對(duì)整個(gè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板供電，不再需要外接電源。

（3）人機(jī)交互設(shè)備

人機(jī)交互電路是單片機(jī)系統(tǒng)與人交互信息的主要通道，主要包括8只發(fā)光二極管、8位共陽(yáng)極LED數(shù)碼管、32*16LED點(diǎn)陣顯示屏、8個(gè)按鍵、一個(gè)壓電蜂鳴器。8只發(fā)光二極管用于各種閃爍、流水燈或指示用途；8位數(shù)碼管可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字的顯示，采用動(dòng)態(tài)顯示方式，節(jié)省了口線；32*16LED點(diǎn)陣顯示屏可以實(shí)現(xiàn)漢字圖片的靜止、移動(dòng)顯示；8個(gè)按鍵可滿足一般應(yīng)用系統(tǒng)的需要；壓電蜂鳴器為樂(lè)曲的播放提供了支持，可以用來(lái)報(bào)警、聲音提示及音樂(lè)的播放。充分應(yīng)用人機(jī)交互設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息的顯示以及人為控制，可以有效提高項(xiàng)目的趣味性與實(shí)用性。

（4）功率驅(qū)動(dòng)

單片機(jī)本身具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，但是對(duì)于負(fù)載較大的器件，單片機(jī)無(wú)法為其提供足夠的電流，所以需要功率驅(qū)動(dòng)電路完成，單片機(jī)用來(lái)完成邏輯控制部分的工作。實(shí)驗(yàn)板選擇由4只8550三極管組成H橋電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，直接接受TTL數(shù)字輸入，輸出可驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等負(fù)載。如圖3所示。

（5）A/D及D/A轉(zhuǎn)換

在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常需要將模擬量和數(shù)字量之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)板選擇了ADC0809和DAC0832典型芯片，實(shí)現(xiàn)A/D及D/A轉(zhuǎn)換，可以完成模擬量的測(cè)量和信號(hào)的發(fā)生實(shí)驗(yàn)。。

（6）其他電路

實(shí)驗(yàn)板還擴(kuò)展了常用的存儲(chǔ)器芯片SRAM62256，還采用了1-Wire總線的數(shù)字溫度傳感器DS18B20、I2C總線的24E256數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和SPI總線的DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。

圖3 功率驅(qū)動(dòng)電路

為了提高實(shí)驗(yàn)板的可擴(kuò)展性，一方面單片機(jī)的4個(gè)并行端口分別引出插線接口，學(xué)生可以根據(jù)需要自由連接使用，方便學(xué)生進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，另一方面實(shí)驗(yàn)板還預(yù)留了液晶顯示器LCD1602的接口，插入液晶顯示器即可完成液晶顯示實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)板相關(guān)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

1）項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原則

（1）課程體現(xiàn)職業(yè)性的要求，選擇典型工作任務(wù)課題來(lái)源于企業(yè)實(shí)踐，是實(shí)際工作的實(shí)例，這種實(shí)例既要在實(shí)際工作中具有代表性的，同時(shí)又能涵蓋基本的知識(shí)點(diǎn)。將它們按教學(xué)需要進(jìn)行逐級(jí)分解，形成了一個(gè)一個(gè)的任務(wù)。

（2）項(xiàng)目體現(xiàn)實(shí)踐性的要求，學(xué)生進(jìn)行大量的實(shí)踐操作

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)板上從單片機(jī)最小系統(tǒng)開(kāi)始焊接，隨著項(xiàng)目的進(jìn)行，依次項(xiàng)目的需要，依次將需要的部件進(jìn)行焊接，項(xiàng)目的完成理、實(shí)一體，邊講邊練，在實(shí)踐中理解理論知識(shí)，通過(guò)理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐操作。

（3）項(xiàng)目體現(xiàn)開(kāi)放性的要求，可以進(jìn)一步拓展

為了滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，每個(gè)項(xiàng)目擬定完成的基本要求，同時(shí)給出拓展建議。

2）項(xiàng)目列表

項(xiàng)目名稱 項(xiàng)目描述 任務(wù) 拓展建議一、單片機(jī)最小系統(tǒng)1. LED流水燈控制應(yīng)用8個(gè)LED模擬彩燈，控制彩燈任意花樣點(diǎn)亮二、單片機(jī)控制發(fā)光二極管的點(diǎn)亮三、單片機(jī)控制發(fā)光二極管的閃爍四、設(shè)計(jì)制作并調(diào)試LED流水燈流水燈燈的數(shù)量和花樣2.定時(shí)器控制設(shè)計(jì)制作并調(diào)試定時(shí)器，具有基本的定時(shí)、調(diào)整和時(shí)間顯示等功能二、單片機(jī)對(duì)按鍵的識(shí)別三、設(shè)定定時(shí)器定時(shí)時(shí)間四、設(shè)計(jì)制作并調(diào)試定時(shí)器一、單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示 設(shè)計(jì)制作并調(diào)試數(shù)字時(shí)鐘，要求可調(diào)等一、8×8點(diǎn)陣顯示器顯示字符3.點(diǎn)陣顯示控制二、擴(kuò)展并行I/O口的點(diǎn)陣顯示器三、串口輸出的點(diǎn)陣屏顯示控制四、模擬串行口五、點(diǎn)陣顯示內(nèi)容的更新六、顯示數(shù)據(jù)的片外存儲(chǔ)4.水位水溫控制采用不同的控制方式分別實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣顯示點(diǎn)陣顯示方式、內(nèi)容的多樣化應(yīng)用液晶顯示，選用傳感器實(shí)現(xiàn)水位水溫的控制二、溫度控制器三、水溫控制器一、水位控制 選擇不同的轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用C51對(duì)單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)交通燈的控制一、發(fā)光二極管的閃爍控制5.交通燈控制二、8個(gè)發(fā)光二極管的循環(huán)點(diǎn)亮三、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示四、交通燈控制提高交通燈的復(fù)雜程度

4 實(shí)驗(yàn)板的應(yīng)用

1)采用工學(xué)交替的教學(xué)模式

單片機(jī)課程不能僅僅依靠實(shí)驗(yàn)板完成整個(gè)教學(xué)過(guò)程，要根據(jù)企業(yè)需要，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容適時(shí)安排學(xué)生到企業(yè)學(xué)習(xí)。這樣學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)板對(duì)單片機(jī)的課程內(nèi)容進(jìn)行較為深入、詳盡、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，再通過(guò)企業(yè)實(shí)踐，深入理解課程內(nèi)容，知道企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，體驗(yàn)企業(yè)環(huán)境，了解企業(yè)文化。學(xué)生有了一定的基礎(chǔ)，再到企業(yè)實(shí)踐，能夠有目的、有想法、有興趣。

2)采用靈活多樣的教學(xué)方法

教學(xué)方法以項(xiàng)目教學(xué)法為主，同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，不同的教學(xué)環(huán)節(jié)采用適當(dāng)?shù)撵`活多樣的教學(xué)方法，如案例教學(xué)法、四階段教學(xué)法、團(tuán)隊(duì)協(xié)作教學(xué)方法、設(shè)置故障教學(xué)法等。在課程開(kāi)始學(xué)生還沒(méi)有本課程的知識(shí)基礎(chǔ)和技能基礎(chǔ)，不具備自己設(shè)計(jì)制作的能力，教學(xué)過(guò)程中可以采用案例分析法；對(duì)于實(shí)踐操作的教學(xué)，如電路板的焊接、編程器的使用以及程序的在線下載等，采用四階段教學(xué)法；對(duì)于一些較難理解的抽象的難點(diǎn)知識(shí)，可以采用預(yù)先設(shè)置故障的方法，引導(dǎo)學(xué)生接受、理解。

3)滲透人文素質(zhì)的培養(yǎng)教育

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的反復(fù)調(diào)試，使學(xué)生在經(jīng)受失敗和挫折之后，獲得成功的快樂(lè)，從而培養(yǎng)學(xué)生健全的心理素質(zhì)和頑強(qiáng)的毅力。在完成項(xiàng)目過(guò)程中，適當(dāng)增加創(chuàng)新設(shè)計(jì)內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生把所學(xué)過(guò)的基本理論、

技能知識(shí)應(yīng)用到項(xiàng)目中來(lái)，課程進(jìn)行過(guò)程中，將創(chuàng)新成果展示，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情。每個(gè)項(xiàng)目都要通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作完成，使學(xué)生自己通過(guò)親身經(jīng)歷去認(rèn)識(shí)在合作過(guò)程中的得與失，調(diào)整付出與所得之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練使學(xué)生在今后的工作中能更好的處理與他人合作的關(guān)系。

5 結(jié)束語(yǔ)

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)板上完成元件的焊接，應(yīng)用電腦進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，再將程序直接下載到單片機(jī)中，最后在實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行項(xiàng)目的調(diào)試，最終完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試。教學(xué)過(guò)程中真正實(shí)現(xiàn)了教、學(xué)、做一體化，工學(xué)結(jié)合。完成項(xiàng)目過(guò)程中，提高了學(xué)生知識(shí)、技能、職業(yè)素養(yǎng)的水平，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)學(xué)業(yè)與就業(yè)的無(wú)縫對(duì)接的高職教育目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

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