應用型本科院校單片機實驗教學設備自制探討

曾繁政?李釗海

摘要：分析了應用型本科院校單片機實驗設備的不足，提出了實驗靈活、模塊分明、擴展性好、維護方便的基于8051單片機實驗教學平臺的設計方案，詳細敘述了單片機實驗平臺的硬件開發與實驗講義的編寫。通過單片機實驗平臺的開發與探討，不僅提高了教師的科研能力，也鍛煉了學生的實踐能力，這符合應用型本科院校的教學模式與培養要求。

關鍵詞：單片機；實驗教學；實驗平臺

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0192-02

實驗教學是高等教育教學活動的一個重要且不可代替的環節，特別是以培養應用型技術人才為主要目標的應用型本科院校，實驗教學則變得更為重要。實驗教學不僅可以讓學生加深對所學理論知識的掌握，同時也是提高學生實踐能力及創新能力的重要途徑。實驗設備是實驗教學的基礎，也是實驗室建設的主要內容，[1]因此，選擇一套適合教學、合適學生使用的實驗設備顯得特別重要。

“單片機原理及應用”是大部分電類專業必學的課程，其理性論和實踐性很強，教學中包含了大量的實驗教學。要使學生真正掌握并運用知識，只有通過親自動手實踐，單片機實驗設備已成為主要的實踐工具。目前高校的單片機實驗設備主要以箱式的成套設備為主，其存在以下問題：一是價格相對較高；二是實驗電路死板，實驗靈活性和可擴展性降低，開發軟件單一，實驗平臺升級困難；三是實驗平臺出故障難排除，維護的難度大、周期長。[2]

針對以上問題，筆者根據多年的單片機實驗教學經驗，帶領學生自行開發了一套適合賀州學院學生使用的基于MCS-51單片機的實驗平臺，通過實驗平臺的開發不僅使學生的動手能力得到了很大提高，也使教師的科研能力得到了鍛煉，效果良好。

一、實驗平臺設計思想

單片機實驗設備一般分為兩種：一是單片機實驗開發板，二是單片機實驗箱。實驗開發板面積較小，實驗內容少，成本低且便于攜帶，適用于個人或資金不多的開發者使用。實驗箱實驗內容豐富，實驗電路相對比較復雜，攜帶不方便，且造價比較高，適合院校實驗室教學使用。為了解決賀州學院單片機實驗設備少的問題，降低實驗室的建設成本，開發了一套適合賀州學院單片機實驗教學的單片機實驗設備。在設計單片機實驗箱電路時，如果把所有的電路單元都集中在一塊電路板上，會造成布線混亂，分析硬件電路困難，實驗箱出故障難排除，維護的難度大、周期長等問題。因此，通過對以往實驗模式進行分析，把實驗箱進行模塊化設計，即“總線+模塊”和“底板+模塊”的設計。需要在某個模塊做實驗時使對應模塊與單片機母板相連接。這種設計方法既可以解決單片機接口資源少的問題，也可以降低實驗設備的故障率，同時學生還可以利用各種模塊進行相關課程的課程設計，必要時還可以帶出實驗室使用。

模塊化的設計思想對于單片機硬件設計有著很重要的作用，在較復雜的項目設計中模塊化設計顯得尤為重要。模塊化設計不僅可以優化電路，還可以提高設計效率。因此，模塊化設計思想的培養在單片機課程教學實踐中應該具有十分重要的地位，本實驗平臺的設計也體現了模塊化設計的特點。

二、實驗內容的設計與安排

單片機課程涉及知識面廣，實踐案例豐富，結構層次也比較清晰。在確定單片機實驗平臺的設計方案前，應根據單片機課程的特點對實驗內容進行設計和安排。根據賀州學院單片機實驗教學及學生的特點，將實驗教學的內容安排為基礎篇、提高篇、綜合篇三個部分。本實驗平臺也將圍繞這三個部分進行設計。

1.基礎篇

MCS-51單片機的基礎知識主要包括CPU、存儲器、RAM、輸入輸出、中斷系統、定時計數器、串口、匯編指令系統等。對于基本篇的實驗主要針對輸入輸出接口、中斷系統、定時/計數器、串口設計了幾個比較簡單的基礎實驗，使學生們對單片機有了最基本的了解。

2.提高篇

學生通過基礎知識的學習，對單片機有了一定的了解，接下來安排一些模塊實驗來提高學生對單片機的認識。提高篇實驗主要是從應用的角度出發，選擇一些典型的模塊電路，具體包括：A/D、D/A轉換器的使用；單片機系統擴展；液晶顯示器LCD1602、LCD12864的使用；16×16點陣顯示的使用；直流、步進電機的使用；I2C總線的使用；單總線的使用等。

3.綜合篇

為了培養學生的綜合應用能力，實驗箱安排了綜合設計實驗，這些實驗都是對前面做過的部分實驗模塊的綜合，如多功能萬年歷、溫度控制系統等。當然為了滿足學生不同實驗課題的需要，學生也可以對單片機實驗箱提供的模塊根據需要組合起來進行綜合設計，或者學生可以自行設計外設模塊再用到實驗平臺上做實驗。

三、實驗平臺設計方案

1.總體方案

采用“底板+模塊”的結構布局，把單片機實驗所需要運行的最小系統和接口都設計在底板上，把單片機外設模塊都設計在小電路板上，這樣小模塊電路板可以靈活接線或者移動，還可以借出實驗室供學生進行相關課外設計。同時還可以讓同學自己設計模塊電路，接到單片機實驗箱上來擴展實驗內容。實驗平臺硬件核心為單片機最小系統，其總體結構如圖1所示。

2.實驗平臺的布局

“總線+模塊”的設計思想和實驗靈活性強、擴展性好的設計要求決定了本單片機實驗平臺的結構布局為“底板+模塊”。

實驗平臺把單片機最小系統、下載接口、通信接口設計在底板上，一些常用的并口LED指示燈、獨立鍵盤、蜂鳴器和繼電器等比較簡單的電路也一起設計在底板上。對于通用性好、比較復雜的電路則設計為模塊，只要插在底板的接口上就可以進行相關實驗。

3.實驗平臺接口

（1）數據下載接口。單片機的數據下載方法有很多，常用的有JTAG下載線、并口下載線和USB轉ISP下載線等，根據現在的PC機常用接口及實驗平臺的要求，選擇USB轉ISP形式的下載接口。

（2）模塊連接接口。實驗箱的設計主要針對8051系列單片機，但由于單片機的種類很多，為了更好地兼容其他的單片機，單片機的插座采用了緊鎖器以便擴展使用。比如通過設計一塊AVR轉接板，與緊鎖器鏈接后，就可以使用實驗板上的模塊進行AVR單片機實驗。

為了增強實驗的靈活性，實驗模塊設計成可插拔式，同時為了減少實驗的接線，在底板的模塊接口附近安排了兩排并行排針，一排接單片機I/O接口，另一排接模塊的接口，做實驗時接上默認的跳線即可。當然為了使實驗更靈活、方便也可以不采用默認的連接方法而通過連接單片機的其他I/O口進行實驗。

4.開發軟件和工具選擇

（1）開發軟件。單片機常用的編程語言有匯編語言和C語言。為了兼顧學生不同的喜好和學習需要，選擇兩種語言開發平臺。匯編語言的開發環境選擇偉福，C語言的開發環境選擇Keil uVision3。為了讓學生更好地理解單片機的硬件知識和單片機指令系統，基礎篇實驗使用匯編語言進行教學，開發環境使用偉福。為了降低開發難度并讓學生更好地理解軟件的模塊化編程思想，提高篇和綜合篇的實驗使用C語言進行教學，開發環境使用Keil uVision3。由于下載工具選用USB轉ISP下載線，所以下載工具的軟件選擇AVR_fighter。

（2）輔助工具。LCD12864顯示模塊的實驗和點陣顯示模塊的實驗中要用到字模生成工具，選擇字模提取軟件V2.2。在進行單片機與PC及通訊時要用到串口調試工具，選擇了串口調試助手V2.1。在實驗過程中先利用軟件仿真，再在系統調試，因此選擇Proteus仿真軟件。

5.實驗講義編排

一套好的實驗開發平臺，一冊與之相配套的實驗講義非常重要。學生可以通過實驗講義有針對性的提前預習，實驗時可以把大部分時間用于實驗操作上，較好地提高了實驗課的效率。因此，本實驗平臺也編寫了配套的實驗講義，講義的基本結構編排如下：一是實驗要求——使學生了解自己的實驗任務；二是實驗目的——使學生明確進行該實驗的目的；三是實驗電路及連線——讓學生學習該實驗的設計原理及硬件知識；四是實驗程序設計框圖——輔助學生進行該實驗的程序設計，并學習編程方法；五是實驗說明——輔助學生進行實驗操作、學習該實驗的設計方法等關鍵問題做說明。

四、實驗平臺開發模式

實驗平臺開發項目組成員由負責單片機理論與實驗教學的教師和有一定開發經驗的學生組成。教師承擔項目負責人的角色，負責實驗平臺的總體設計，合理安排工作進度。兩個團隊負責項目的具體實施：一個團隊負責硬件開發，另一個團隊負責對平臺的各個模塊的綜合測試與實驗講義的編寫。項目組成員從自己實驗教學與學習過程中的切身體驗出發，分析同類實驗設備的優缺點，根據教學實踐的具體需求對方案進行論證并具體實施。通過該項目的開發，不僅提高了教師的科研能力，也鍛煉了學生的動手、實踐能力，符合應用型本科院校的教學模式與要求。

五、結語

通過教學實踐發現，與購買的實驗教學平臺對比，自行開發的實驗平臺由學生使用、學生維護，這既可以提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，又可以滿足單片機實驗教學、單片機課程設計和大學生課外創新活動的需要，同時又節省了學校的實驗室建設與維護經費，在教學中取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]宋蘊璞，周文泳，徐鳴謙，等.高校單片機教學實驗設備與方式探討[J].實驗室研究與探索，2009，28（11）：6-9.

[2]惠煌，賴曉晨，遲宗正，等.高校單片機教學實驗設備自制模式探索[J].實驗技術與管理，2012，29（5）：229-232.

[3]倪志蓮.單片機課程的實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，

2006，25（7）：843-844.

[4]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，（13）：12-13.

（責任編輯：孫晴）