單片機微實驗與微開發平臺設計

趙東升 劉鵬程 林盛 張倩 曲延華

摘 要：文中首次提出微實驗和微開發的概念，并設計了一款能夠便于掌握單片機原理及其應用的微實驗與微開發平臺。平臺以單片機為核心，擴展出各種傳感器、輸出單元和執行單元。在該平臺中，所有單元均集成在一塊PCB上，方便實用、成本低廉。學生能夠基于該平臺完成多種微實驗和微開發任務，從而對單片機系統有更為清晰的認識。

關鍵詞：單片機;微實驗;微開發;STM32F407

中圖分類號：TP39;TN911.23文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-0-02

0 引 言

近年來，國內一部分本科院校正處于向應用技術型大學轉型的進程中[1-2]。應用型大學的首要職能是服務社會，為社會培養品格良好、理論功底扎實、具有較強應用實踐能力的應用型人才[3-4]。因此，相關高校及教師也應積極改變教學思路，變革實驗教學平臺。

單片機的應用非常廣泛，許多理工科專業都設置了專門課程。單片機課程教學的特點是實踐性比較強[5]。而傳統的單片機實驗平臺往往側重單片機本身的功能特性，忽略了實際應用。在實際教學中，很多學生學會了使用單片機，卻開發不出實用的系統[6]。

本文首次提出微實驗和微開發的概念，以加速學生工程應用能力的培養。同時在此概念的基礎上，設計了一款便于學生掌握單片機原理及其應用的單片機微實驗與微開發平臺。

1 微實驗與微開發的概念

所謂微開發，就是針對特定專業或課程，將具有代表性的技術進行一定程度的簡化，并集成到一個小型平臺上，使學生通過該平臺即可對相應專業或課程建立較為系統的認識，同時又能學習使用相關技術進行較小規模的應用開發。在這種小型平臺下進行的特定技術實驗稱為微實驗，能夠進行微實驗與微開發的小型平臺簡稱為雙微平臺。

微實驗與微開發的概念兼顧了基礎學習和高端開發兩個方面。剛剛接觸相關課程的學生可在雙微平臺上進行微實驗，從而快速入門;已經具備一定基礎的學生則可進行微開發，實現系統級的高端設計。經過這兩個層面的訓練，學生可見微知著，在一個簡化后的小型平臺上體會到生產或生活中的真實場景。

2 單片機雙微平臺

單片機的應用已滲透到生產或生活的較多領域，相關專業對單片機的教學也非常重視。因此，本文基于微實驗與微開發的概念，針對單片機課程的實踐教學，設計了單片機雙微平臺。

2.1 系統設計

在實際生產或生活中，只用單片機尚無法實現一個實用的產品，必須包括其他功能單元，如傳感器單元、輸出單元或執行單元等。因此，為了使單片機雙微平臺更加貼近實際應用，各種常見的電子電路單元被集成到平臺上，并且在所有單元都實現其功能的前提下做了簡化。這些功能單元包括溫度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、顯示器、語音電路、電源、電機及其驅動器、繼電器和無線通信等。單片機雙微平臺示意圖如圖1所示。

2.2 硬件組成

本文平臺以當下主流的高性能單片機STM32F407為核心[7];溫度傳感器采用DS18B20;光照強度傳感器采用BH1750;避障傳感器采用紅外對管;語音電路采用集成MP3音頻編解碼技術的YX5200-24SS;電機采用25GA370直流減速電機，可在較小的功耗下實現大扭矩，且驅動電路簡單，僅用SOP8封裝的L9110S即可;繼電器采用松樂SRD-03VDC-SL-C，3 V電壓即可驅動線圈;無線通信采用nRF24L01模塊，單片機無需運行復雜的通信協議。單片機雙微平臺硬件系統框圖如圖2所示。

此外，平臺利用2個直流電機和1個萬向輪將PCB支撐起來，形成一個可移動的小車，平臺的實際尺寸為：長19.5 cm，寬22.0 cm，高6.5 cm，效果圖如圖3所示。各個傳感器也與PCB有機結合，6組紅外避障傳感器分布于PCB前后左右四個方向，4個光照傳感器和3個溫度傳感器分布式放置，形成傳感器陣列。平臺可采用單節動力鋰電池供電，配有Boost型升壓電源，用于驅動電機。平臺的各個功能單元有機結合，形成一套能夠滿足系統級開發的功能單元組合。

3 結 語

本文提出了微實驗與微開發的概念，并設計了一款針對單片機原理及其應用課程的雙微平臺。在該平臺下，可進行多種微實驗與微開發，使學生逐步建立單片機實際應用的系統級認識。平臺設計巧妙，方便實用，實驗室建設成本低，有助于高校培養具有工程應用能力的應用技術型人才。

參 考 文 獻

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[3]高海濤，何恩節.應用型本科嵌入式系統教學方法探索與實踐[J].價值工程，2016，35（11）：252-254.

[4]肖輝輝.新建地方應用型本科院校實驗室建設研究[J].實驗科學與技術，2013，11（3）：156-160.

[5]李翠翠.單片機自主學習實驗平臺的設計及其在創新實踐中的應用[J].教育教學論壇，2016（46）：279-280.

[6]周喜，李杰. Proteus在單片機教學改革中的應用[J].物聯網技術，2016，6（6）：107-108.

[7]陶杰，王欣.基于STM32F407和OV7670的低端視頻監控系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2014，14（3）：60-63.

[8]王闖. Proteus仿真在物聯網專業硬件課程中的應用[J].物聯網技術，2014，4（10）：80-82.