工學結合模式下的單片機實驗板的設計與應用

陸中宏

（唐山工業職業技術學院，唐山 063020）

1 高職單片機課程教學的現狀

根據教育部2006[16]號文件精神，高職教育應倡導工學結合的教學模式，形成以就業為導向，以能力為本位，以應用為目的的人才培養主線。

對于高職電類專業學生來說，單片機課程是一門重要的專業課，學好單片機課程可以為將來的就業奠定良好的基礎。但多數高職單片機課程教學存在諸多問題，一方面學生覺得課程枯燥、難學，沒有學習興趣，另一方面學生就業后欠缺必要的操作技能以及項目的整合能力，很難融入到企業的實際生產之中，造成學業與就業的脫節。面對這種情況，部分高職院校為增強學生的學習興趣，購買實驗箱或實訓平臺，并將其應用到時間課程教學中，這在一定程度上提高了學生的操作能力，但在教學過程中，大部分學生做實驗時都是按照指導書說明，做簡單的連線，然后編譯現成的程序，很少有學生去分析電路和理解程序，致使學生在設計電路，讀懂原理圖，理解程序流程及程序設計等方面的能力很是欠缺。

2 實驗板的設計

高職單片機課程必須推行工學結合的教學模式，教、學、做一體化進行。為此我們設計了一款單片機實驗板，學生可以邊學、邊做，一邊學習理論知識，一邊進行實際制作，解決目前單片機教學中存在的問題。同時，學生看到自己焊接的電路能夠真正運行，會激發他們學習理論知識的積極性，理論知識的深入理解又能促進實踐技能的提高，這樣兩方面相互促進，形成良性循環。

1）設計思路

為了滿足單片機日常教學的和學生課外深入學習的需要，遵循如下思路設計實驗板。

（1）實驗板體積小，USB口供電，只配計算機就可以方便進行實訓。

（2）實驗板多功能、多用途、高可靠性，具有較高的性價比。

（3）有較強的擴展性，可以在實驗板外連接電路完成其他實驗。

（4）具有一定的趣味性與實用性，選擇常用的典型元器件。

（5）適用于在項目驅動、案例教學中應用。

2）硬件設計

實驗板的硬件系統主要有單片機、通訊接口、人機交互設備、溫度傳感器、串行E2PROM、實時時鐘、A/D及D/A轉換部分組成。結構如圖1所示。

（1）單片機

本實驗板選擇具有ISP功能的STC89C516RD+單片機，其指令系統及封裝形式與傳統的8051單片機完全兼容，內置8位中央處理器，片內有64K字節FLASH程序存儲器和1280字節數據存儲器，支持可在線編程，可直接將程序通過通訊接口下載到單片機中即可運行，觀察結果，非常方便。內部FLASH課擦寫100，000次以上，適合學生練習編寫程序。

（2）通訊接口

圖1 實驗板硬件結構

圖2 通訊接口

通訊接口電路如圖2。單片機的在線編程和用戶程序對外通信都通過標準串口實現，兩者共用單片機RXD和TXD引腳，串口電平轉換采用MAX232芯片，這樣實現了一個電路既用來下載程序，又用來實現串行通信，一舉兩得。圖中的JPUSB是一個USB接口插座，用其來連接一個DB9母頭到PC機串行口輸出端下載程序和一個USB插頭到PC機的USB接口供電。因為PC機的USB口可以提供5伏500毫安的直流電壓，剛好對整個單片機實驗板供電，不再需要外接電源。

（3）人機交互設備

人機交互電路是單片機系統與人交互信息的主要通道，主要包括8只發光二極管、8位共陽極LED數碼管、32*16LED點陣顯示屏、8個按鍵、一個壓電蜂鳴器。8只發光二極管用于各種閃爍、流水燈或指示用途；8位數碼管可以實現數字的顯示，采用動態顯示方式，節省了口線；32*16LED點陣顯示屏可以實現漢字圖片的靜止、移動顯示；8個按鍵可滿足一般應用系統的需要；壓電蜂鳴器為樂曲的播放提供了支持，可以用來報警、聲音提示及音樂的播放。充分應用人機交互設備，實現信息的顯示以及人為控制，可以有效提高項目的趣味性與實用性。

（4）功率驅動

單片機本身具有一定的驅動能力，但是對于負載較大的器件，單片機無法為其提供足夠的電流，所以需要功率驅動電路完成，單片機用來完成邏輯控制部分的工作。實驗板選擇由4只8550三極管組成H橋電路實現驅動，直接接受TTL數字輸入，輸出可驅動繼電器、直流電機和步進電機等負載。如圖3所示。

（5）A/D及D/A轉換

在單片機系統中經常需要將模擬量和數字量之間進行相互轉換。實驗板選擇了ADC0809和DAC0832典型芯片，實現A/D及D/A轉換，可以完成模擬量的測量和信號的發生實驗。。

（6）其他電路

實驗板還擴展了常用的存儲器芯片SRAM62256，還采用了1-Wire總線的數字溫度傳感器DS18B20、I2C總線的24E256數據存儲器和SPI總線的DS1302實時時鐘芯片。

圖3 功率驅動電路

為了提高實驗板的可擴展性，一方面單片機的4個并行端口分別引出插線接口，學生可以根據需要自由連接使用，方便學生進行綜合設計，另一方面實驗板還預留了液晶顯示器LCD1602的接口，插入液晶顯示器即可完成液晶顯示實驗。

3 實驗板相關項目的設計

1）項目的設計原則

（1）課程體現職業性的要求，選擇典型工作任務課題來源于企業實踐，是實際工作的實例，這種實例既要在實際工作中具有代表性的，同時又能涵蓋基本的知識點。將它們按教學需要進行逐級分解，形成了一個一個的任務。

（2）項目體現實踐性的要求，學生進行大量的實踐操作

學生在實驗板上從單片機最小系統開始焊接，隨著項目的進行，依次項目的需要，依次將需要的部件進行焊接，項目的完成理、實一體，邊講邊練，在實踐中理解理論知識，通過理論知識指導實踐操作。

（3）項目體現開放性的要求，可以進一步拓展

為了滿足不同層次學生的學習需要，每個項目擬定完成的基本要求，同時給出拓展建議。

2）項目列表

項目名稱 項目描述 任務 拓展建議一、單片機最小系統1. LED流水燈控制應用8個LED模擬彩燈，控制彩燈任意花樣點亮二、單片機控制發光二極管的點亮三、單片機控制發光二極管的閃爍四、設計制作并調試LED流水燈流水燈燈的數量和花樣2.定時器控制設計制作并調試定時器，具有基本的定時、調整和時間顯示等功能二、單片機對按鍵的識別三、設定定時器定時時間四、設計制作并調試定時器一、單片機控制數碼管顯示 設計制作并調試數字時鐘，要求可調等一、8×8點陣顯示器顯示字符3.點陣顯示控制二、擴展并行I/O口的點陣顯示器三、串口輸出的點陣屏顯示控制四、模擬串行口五、點陣顯示內容的更新六、顯示數據的片外存儲4.水位水溫控制采用不同的控制方式分別實現點陣顯示點陣顯示方式、內容的多樣化應用液晶顯示，選用傳感器實現水位水溫的控制二、溫度控制器三、水溫控制器一、水位控制 選擇不同的轉換器件應用C51對單片機控制，實現交通燈的控制一、發光二極管的閃爍控制5.交通燈控制二、8個發光二極管的循環點亮三、數碼管動態顯示四、交通燈控制提高交通燈的復雜程度

4 實驗板的應用

1)采用工學交替的教學模式

單片機課程不能僅僅依靠實驗板完成整個教學過程，要根據企業需要，結合課程教學內容適時安排學生到企業學習。這樣學生能夠通過實驗板對單片機的課程內容進行較為深入、詳盡、系統的學習，再通過企業實踐，深入理解課程內容，知道企業標準，體驗企業環境，了解企業文化。學生有了一定的基礎，再到企業實踐，能夠有目的、有想法、有興趣。

2)采用靈活多樣的教學方法

教學方法以項目教學法為主，同時應根據不同的教學內容，不同的教學環節采用適當的靈活多樣的教學方法，如案例教學法、四階段教學法、團隊協作教學方法、設置故障教學法等。在課程開始學生還沒有本課程的知識基礎和技能基礎，不具備自己設計制作的能力，教學過程中可以采用案例分析法；對于實踐操作的教學，如電路板的焊接、編程器的使用以及程序的在線下載等，采用四階段教學法；對于一些較難理解的抽象的難點知識，可以采用預先設置故障的方法，引導學生接受、理解。

3)滲透人文素質的培養教育

通過對項目的反復調試，使學生在經受失敗和挫折之后，獲得成功的快樂，從而培養學生健全的心理素質和頑強的毅力。在完成項目過程中，適當增加創新設計內容，鼓勵學生把所學過的基本理論、

技能知識應用到項目中來，課程進行過程中，將創新成果展示，激發學生的創新熱情。每個項目都要通過團隊合作完成，使學生自己通過親身經歷去認識在合作過程中的得與失，調整付出與所得之間的關系，經過訓練使學生在今后的工作中能更好的處理與他人合作的關系。

5 結束語

學生在實驗板上完成元件的焊接，應用電腦進行程序的設計，再將程序直接下載到單片機中，最后在實驗板上進行項目的調試，最終完成項目的設計、制作和調試。教學過程中真正實現了教、學、做一體化，工學結合。完成項目過程中，提高了學生知識、技能、職業素養的水平，為進一步實現學業與就業的無縫對接的高職教育目標奠定了基礎。

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