模塊式單片機綜合實驗箱的設計

白求恩醫務士官學校 王建華 馮 帆 韓紅亮 張海龍 王 璟

一、引言

近年來，隨著單片機技術的不斷發展，單片機在微機控制領域占據著重要地位，由于其具有體積小、可靠性好、易擴展、控制功能強、使用方便等優點，在智能儀表、工業測控、計算機網絡與通信設備、日常生活及家用電器等方面都得到了廣泛的應用[1-3]，為此，社會對掌握單片機技術的應用型人才的需求也越來越大。目前，《單片機原理及應用》已成為大多高校電類專業學員必修的專業基礎課程之一。由于單片機是一項應用性很強的技術，所以與之相對應的實驗內容不可獲缺。在目前的單片機教學中，各高校大多以51系列為主，采用“理論教學＋驗證性實驗”的教學模式，學員將編制好的程序代碼下載至單片機無需硬件操作即可看到實驗效果，從而完成驗證性實驗。一些教學實驗器材生產廠家開發的實驗系統結構復雜，配套設備多，零部件之間相互依賴程度大，集成度高，不利于學員對單片機內部控制結構和原理的理解認識，在很大程度上制約了學員實踐技能的提高，不能滿足應用性人才培養的需要。因此，針對當前單片機實驗教學存在的不足，根據專業學員培養的需要，自主研發適合學員的單片機綜合實驗箱，該實驗箱的設計從實際工程開發的角度出發，采用模塊式結構對單片機實驗箱進行了優化設計，增強學員動手能力，以培養學員應用和開發單片機的實際技能。

圖1 實驗模塊與知識結構

二、實驗箱設計思想

為改變傳統單片機實驗箱的不足，根據教學和實驗的客觀需要，開發單片機綜合實驗箱，基于以下4個基本要求：

1.要滿足課程標準中有關單片機實驗的要求，所開設實驗涵蓋專業學員所學單片機的所有知識點，貼近本校醫療器械修理專業學員的實際應用；

2.具有開放型結構，擴展性好，以培養學員的創新和自主學習能力；

3.實驗箱體積小，方便攜帶，USB下載，不受場地限制，隨時可開展實驗；

4.性能可靠，可重復多次使用。

三、實驗箱總體結構設計

實驗箱的設計以學員能夠完成從硬件到軟件再到實驗效果的立體學習方式為最終出發點，采用模塊式的設計理念，根據本校醫療器械修理專業的特點，對實驗箱進行總體結構優化設計。

實驗箱共包括12個模塊，底層為電源母版，為各模塊供電。為切實提高學員的實際動手能力和滿足實驗箱的可重復利用的要求，各功能模塊通過銅柱與母板進行可拆卸式的連接，模塊與單片機處理器之間及模塊與模塊之間采用杜邦線和排線連接，從而方便組成各實驗的硬件電路。各模塊之間既相互獨立又相互聯系，每個模塊可以完成1到3個實驗不等，綜合不同的模塊又可以組成綜合實驗，在使學員自主地選擇不同模塊的同時，可以利用不同模塊搭建不同的實驗，進而實現有效知識的進一步拓展，提升學員自主學習能力和實踐技能。

實驗箱的12個模塊分別為單片機最小系統模塊、8位邏輯電平顯示模塊、查詢式鍵盤模塊、數碼管顯示模塊、電子琴模擬模塊、SRAM和EEPROM模塊、蜂鳴器驅動發聲模塊、繼電器控制模塊、溫度傳感器模塊、矩陣鍵盤模塊、時鐘模塊和串口通信模塊。每個模塊均承載著不同的實驗任務，而所有的實驗任務涵蓋了本專業學員課程標準的所有知識點，共同構建了單片機從硬件到軟件的完整知識體系。實驗箱共開設實驗17個基本實驗，實驗模塊與知識結構圖如圖1所示。

本綜合實驗箱，除完成上述基本實驗外，還可以根據學員的學習情況和專業背景，將不同的實驗模塊進行組合，形成新的實驗項目。例如，利用數碼管顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、蜂鳴器驅動發聲模塊和單片機最小系統模塊，可以完成病房呼叫系統的設計；利用溫度傳感器模塊、數碼管顯示模塊，可以完成病房溫度檢測的實驗設計。通過這些有著很強實際應用背景的小項目，激發學員的學習興趣，調動自主學習的積極性，從實際出發鍛煉學員工程開發的能力，營造鼓勵獨立思考、自由探索、勇于創新的良好學習環境，實現從單純的單片機知識到實際應用的有效轉換和順利過度。

四、實驗箱的特點

1.實驗開放性。實驗模塊間獨立開放，通過外接線實現各模塊與單片機之間的連接，使學員對單片機功能有更為全面的了解和認識，便于實際學習和掌握。

2.實驗拓展性。本實驗箱根據醫療器械修理專業學員的特點，以醫院實際應用為設計背景，除完成17個基本實驗外，還可對模塊進行組合，構成小型綜合性貼近醫院實際應用的實驗，以在很大程度上促進學員達到學以致用的目的。

3.便攜性。該實驗箱設計小巧，方便攜帶，USB程序下載，不受場地限制，如與筆記本配合可隨時隨地開展實驗。

五、結束語

《單片機原理及應用》是一門實踐性很強的課程，根據專業學員的學習規律和知識結構，為學員量身定做實驗箱開展教學活動，采用模塊式的設計方法，為學員提供了良好的實驗環境，便于學員方便、深入地掌握單片機技術，在很大程度上提高學習的動手能力、參與熱情和創新意識，確保了教學計劃的順利完成，為單片機的課程建設提供了重要保證，同時為其它實驗類課程提供了很好的借鑒作用。

[1]張智宏,翟曉東.單片機綜合實驗箱的研制[J].中國現代教育裝備,2011(25):12-13.

[2]朱向慶,胡均萬,陳宏華,等.多功能單片機實驗系統的研制[J].實驗室研究與探索,2012,31(4):41-44.

[3]曹靜,江世明.模塊化單片機實驗平臺的設計[J].邵陽學院學報(自然科學版),2011,8(3):23-25.