單片機口袋實驗室的開發與實踐應用

富雅瓊 吳霞 陳錫愛 鄭恩輝 王桂榮

摘 要： 針對目前單片機實踐中存在的理論與實踐銜接不連貫、技術更新滯后、實驗地點和時間受到局限等問題，開發了模塊化單片機口袋實驗室套件。設計基于標準化接口的核心、基礎及拓展實驗等多種模塊，利用可擴展的連接器構建基礎、拓展實驗項目，并針對課堂、實驗和考核環節進行了與之相適應的探索。所開發的口袋實驗室具有便攜、靈活、可拓展等特點，將其應用于單片機實驗后有效提高了實踐效果，從而為進一步參加課程設計、課外科技活動甚至參加工程項目奠定基礎。

關鍵詞： 單片機; 口袋實驗室; 基礎實驗; 拓展實驗; 課堂應用; 實踐教學

中圖分類號： TN99?34; TP368.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）12?0040?04

Abstract： In allusion to the problems such as the incoherence of theory and practice， lag of technology updating， and site and time limitations of the experiment existing in the current SCM practice， a modularized SCM pocket laboratory suite is developed. Multiple modules such as the core module， basic experiment module， and extensional experiment module based on the standard interface are designed. The basic and extensional experiment projects are constructed by using the extensible connector， and the corresponding research is conducted for the links of classroom， experiment and assessment. The developed pocket laboratory has the characteristics of portability， flexibility and extensibility， and can efficiently improve the practical effect after being applied in the SCM experiment， which lays a foundation for further participation in the course design， extracurricular technology activities， and even engineering projects.

Keywords： SCM; pocket laboratory; basic experiment; extensional experiment; classroom application; practical teaching

單片機是現代電子控制的基本技術[1]，是電氣信息類本科專業重要的專業基礎課之一[2?4]。雖然理論與實踐相結合是單片機教學的重要特征，但實際效果受到各種限制。仿真技術的應用[5?6]、項目驅動方法[7?8]以及實驗教具的創新[9?10]等手段都是改善單片機實踐效果的有效途徑。筆者結合多年單片機與課外科技活動指導經驗，設計開發了基于STC51單片機的模塊化口袋實驗室套件，并將其應用于單片機課堂、實驗及考核環節中，取得了較好的效果。

1 單片機實踐現狀分析

傳統單片機理論教學在課堂進行，講授單片機結構、指令系統、外設接口等;實驗在機房的實驗箱上完成。這種模式的問題有：

1） 理論課只講不做、實驗課只做不講，當實驗排課滯后時，理論知識學習與實踐環節銜接斷檔，而使得學生不能夠趁熱打鐵鞏固知識。

2） 傳統單片機實驗箱的優點是“大而全”，雖能開設不少數量的實驗項目，但形式固化，且5～10年才報廢更換一輪，不利于學生接觸新技術和創新實踐。

3） 利用實驗箱開展的項目受地點、時間局限，在題目設置上也較難發揮。以兩課時實驗項目為例，一般學生也只能完成單個功能或百行左右代碼的編寫調試，無暇思考程序框架設計、實時性設計等，其實踐能力的提升受到限制。

為了應對上述單片機實踐所存在的問題，本文開發了模塊化單片機口袋實驗室，并以其為基礎展開一系列探索。

2 單片機口袋實驗室設計

2.1 口袋實驗室設計指導思想

口袋實驗室開發目標：

1） 促進理論與實踐的銜接。既能用于常規實驗，也便于理論課堂中演示和互動，幫助學生更順暢地完成由理論知識向實驗操作的遷移。

2） 提高實驗項目的可拓展性。允許教師以較小成本對改進教具或增加新技術和新項目。

3） 延展實驗空間與時間。讓學生能在課堂外的時間和地點實踐，從而將實驗與課后練習相貫通，進而布置有一定復雜程度的實踐項目。

基于以上目標，口袋實驗室的結構如圖1所示。

套件包括三部分：

1） 核心模塊。包含用于連接各模塊的連接器板、單片機最小系統和仿真下載電路。

2） 基礎實驗模塊，實現外部中斷、LED、數碼管、矩陣鍵盤、A/D?D/A、UART等常規單項功能，用于課堂和基礎實驗。

3） 拓展實驗模塊。結合專業特色開發了如尋跡/避障小車、溫度變送器、TEC控制器等多個拓展功能模塊，用于開放實驗項目、課程設計、課外科技競賽培訓等。

連接器板和各模塊間采用了統一的安裝接口，使其具有高度的靈活性。不同模塊可相互替換和搭配，從而組合出更復雜的實驗項目。

2.2 核心模塊設計

所有實驗可通過在核心模塊的基礎上疊加其他模塊來構成。

基于STC51單片機的最小系統和仿真下載電路被設計在同一塊PCB板上。最小系統包括STC51單片機插槽、復位電路、晶振電路以及P0口外部上拉電路。最小系統可兼容從STC89C51到STC15F2K61S2等多個系列的STC51單片機型號。一般提供IAP15F2K60S2作為實驗用單片機，這款單片機不僅具有大容量FLASH ROM和RAM、3組16位定時器、2組UART、10位A/D、PWM等功能，還提供了IAP在線仿真調試功能。

核心模塊提供了USB仿真下載電路供電和外部供電兩種方式，可以在在線和離線兩種調試方式下使用。

STC系列單片機采用串口方式下載程序，因此設計了基于CH340芯片的板載USB轉串口下載電路。MicroUSB接口使得學生可用易獲取的手機數據線進行程序的下載或仿真。

連接器是如圖2b）所示的184 mm×130 mm大小的PCB板，與一般32開本圖書尺寸相同，便于攜帶。連接器板上設置了四組完全相同且相連的插槽，可在任意插槽上安裝實驗模塊。

連接器板上四組插槽可以滿足絕大部分實驗的需求。為了進一步提高可擴展性，在連接器板兩側設計了基于9001?18481COOA板對板接插口，以滿足級聯擴展的需要。

2.3 基礎實驗模塊設計

基礎實驗模塊用于輔助課堂教學和常規實驗。共設計了五個模塊以滿足常見需求，其功能和對應的實驗項目見表1。

2.4 拓展實驗模塊設計

拓展實驗模塊用于開放實驗項目、課程設計、課外科技競賽培訓等。已開發的包括尋跡/避障小車、超級電容充放電器、熱電偶變送器、TEC溫度控制、直流電機控制等多個拓展實驗模塊。如圖3所示。

拓展實驗模塊分兩類：一類是完全兼容連接器板的模塊，如熱電偶變送模塊，將其安裝到連接器板上，配合最小系統和LCD模塊等即可開展實驗; 另一類需要更多外部器件配合，如尋跡/避障小車是按照連接器板的標準設計了小車形狀的連接器底板，以及符合安裝標準的電機驅動和路徑檢測模塊，將拓展模塊和最小系統板安裝在小車上即可進行實驗。

由于有統一接口標準，教師設計新實驗項目時不需要重新開發全部電路，只需要按照接口標準開發新增功能模塊，再利用連接器板和原有的模塊即組合成新的實驗。

3 基于口袋實驗室的環節設計

3.1 口袋實驗室在課堂中的應用

口袋實驗室套件的核心和基礎實驗模塊會按照1∶1的比例在學期初發放給學生。課堂中，允許2～3名同學為一組攜帶一臺筆記本電腦，并提前向學生發放當堂例程代碼。課堂講解例程后，學生可將例程編譯、下載至單片機中。通過當堂觀察例程的效果，學生有更明顯的參與感。

口袋實驗室還用于課堂互動。以定時/計數器為例：講解寄存器和工作模式之后，課堂上給出定時器實現LED閃爍的例程。經分析后先讓學生下載程序、觀察現象。然后提出要求，將閃爍頻率增至原來的兩倍。這個題目只需將例程代碼中定時器初值部分進行兩行修改。但是通過互動，學生能夠當堂鞏固知識點，并得到及時反饋。這類環節設置也使得課堂氣氛更為活躍。

3.2 口袋實驗室在實驗環節中的應用

只要在自己的電腦中安裝Keil等軟件，再配備一根手機數據線，學生即可進行單片機程序的設計與調試。在普通機房、多媒體教室甚至學生寢室都可以進行實驗。

由于口袋實驗板允許實驗在實驗課堂外完成，因此在題目的設計上就突破單個功能驗證的限制。隨著課程推進，通過疊加功能的方式能讓學生逐步接觸到復雜程序的設計。

例如針對外部中斷、定時計數器、數碼管顯示這三項實驗內容，如圖4所示，每個實驗在保留前面實驗功能的基礎上再加入新的實驗要點，最終做成一個秒表。將前幾個元素簡單疊加并不能夠得到最終結果，只有采用時間片輪詢等合理框架對數碼管動態刷新、計時數值刷新和按鍵檢測等任務進行協調，才能夠完成實驗。

通過對實驗所涉及知識點的合理安排，使學生循序漸進地理解單片機開發更多的工程問題與解決方法，最終完成從簡單程序到復雜工程設計的理念蛻變。

由于部分實驗項目是學生課后完成，減弱了教師對實驗過程的把控。為了減少抄襲現象，需要對實驗代碼進行重復率檢查。Dick Grune發布的SIM等免費軟件可以作為代碼檢測的工具。

3.3 口袋實驗室在考核環節中的應用

口袋實驗室的低成本還解決了學生數和教具數配比不足的問題，這就允許以更靈活多樣的形式開展實踐能力考核。筆者自2013年起使用口袋實驗室，逐步探索出口袋實驗室與開放實驗室相結合的考核方式。

通過對口袋實驗室所具備的基礎功能和拓展功能進行組合，設計出一套用于實驗考核的題庫。在學期后期，每周固定時間開放實驗室，學生通過網上系統預約考試。考核評分依據包括：功能的實現程度、程序設計思路、代碼規范性等。近兩年還放寬了學生預約考核的次數限制，即學生對前期考核結果不滿意時，經過加強復習后再次預約考試，從而提高了學生自主參與實踐的積極性。

4 評估與討論

筆者于2016—2017學年度對其中一個自然班進行了問卷調查，針對口袋實驗室在實踐教學中的效果，學生匿名評價的統計如圖5所示。

由此可見口袋實驗室獲得學生的認可并取得了積極效果。近年來，本專業在學生課外科技活動上也取得了較大進展，在智能車競賽、機器人競賽等活動中獲得國家、省級獎項多項，從另一個側面反映了單片機實踐的成效。

5 結 語

本文開發的單片機口袋實驗室套件經過多年的持續改進及應用探索，在課堂、實驗和考核等環節中都有效地支持了單片機工程開發能力培養的目標，為學生今后進一步參加課程設計、課外科技活動甚至參加工程項目奠定了基礎。

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