《森工裝備工控技術》課程STC系列教學開發板的實踐教學探討

王海濱，辛 穎，楊鐵濱

（東北林業大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

為深入貫徹黨的十八大、十八屆三中全會精神，根據《教育部農業部國家林業局關于推進高等農林教育綜合改革的若干意見》要求，推進高等農林教育綜合改革，經研究，教育部、農業部、國家林業局共同組織實施“卓越農林人才教育培養計劃”[1-2]。“卓越農林人才教育培養計劃”致力于改革實踐教學內容，強化實踐教學環節，提高學生綜合實踐能力，建立健全復合應用型卓越農林人才培養的質量評價體系[3-4]。

《森工裝備工控技術》課程在森林工程專業教學課程培養體系中的地位極為重要，應用性很強，能夠提高學生們的實踐動手能力[5-6]。《森工裝備工控技術》課程以單片機技術為核心，著重講解單片機技術在農林領域的應用，包括在農田監測系統、農業電氣化、農業機械、農產品加工、水利水電工程、農業環境等農業工程領域中的應用研究與開發趨勢。目前，單片機種類較多，在實際中均有應用，但在教學中主要講解51系列單片機[7]。STC單片機以其低功耗和卓越的性能在實際中廣泛應用，在編程指令和內部結構方面和51單片機沒有區別，可片上在線編程；在使用方面，其性能超過51單片機。因此，向學生講解和使用新型、性能更為優越的單片機，使學生的專業知識緊隨時代步伐十分必要的[8]。

學習《森工裝備工控技術》課程，實踐和實驗環節必不可少[9]。因此，研制相配套的教學實驗開發板相當重要，需要根據《森工裝備工控技術》課程教學大綱，基于STC系列單片機的組成和架構，研制出便攜式STC系列單片機教學實驗開發板。為提高學生的學習興趣、增強實踐動手能力，在教學中指導學生研制便攜式單片機教學開發板。首先，依據教學大綱，通過理論教學，使學生學會STC系列單片機的組成和工作原理，在指令編程和程序設計環節中講解Keil軟件的設置與使用。其次，對學生進行培訓，使學生熟練掌握電子工程師工具軟件——Protel軟件，學生通過軟件學習，掌握如何利用Protel軟件繪制元件原理圖、系統電路原理圖、元器件封裝圖、PCB布線圖以及如何利用網絡報表文件生成PCB布線圖。最后，進入實驗開發板研制開發階段，根據教學情況對學生進行分組，為學生布置任務，講解單片機教學實驗開發板的工作原理，指導學生完成對STC系列單片機教學實驗開發板的硬件電路設計和軟件編程、軟硬件聯調實驗。下面對STC系列教學實驗開發板工作原理、學生開發教學開發板的過程和學生課程實驗分別予以介紹。

1 STC系列教學開發板的工作原理

STC系列教學開發板采用普通+5V電源或5號電池供電，根據實際需要采用不同的供電方式。系統硬件電路按功能可劃分為：STC系列單片機最小應用系統電路、按鍵顯示電路、數據傳輸轉換電路和譯碼電路。各電路主要功能如下。

1.1 STC系列教學開發板核心電路

STC系列教學開發板的核心電路以STC89C51RC單片機為核心，由單片機無源晶振電路和按鍵復位電路組成，附加抗干擾濾波電容和電源插孔，為STC89C51RC單片機提供電源，保證單片機正常工作，同時提供固定頻率的時鐘脈沖，在系統程序運行出錯時，提供按鍵復位功能，保證程序的正常運行。

1.2 STC系列教學開發板按鍵顯示電路

STC系列教學開發板按鍵顯示電路主要由開關電路、按鍵電路、發光二極管電路、LED顯示電路組成，為教學裝置提供4個開關、4個按鍵、5個發光二極管和1個8段共陽極數碼管（LED）。主要與STC系列單片機的P0~P3口連接，實現鍵盤信號輸入和控制信號輸出。

1.3 STC系列教學開發板譯碼電路

STC系列教學開發板譯碼電路以74LS138芯片為核心，通過38譯碼器，實現單片機的端口擴展。通過插排連接，譯碼電路可分別與開關電路、按鍵電路、發光二極管電路、LED顯示電路組合拓展STC系列教學開發板的功能，為學生開發更多的教學實驗。

1.4 STC系列教學開發板數據傳輸轉換電路

STC系列教學開發板數據傳輸轉換電路主要由RS232數據傳輸電路和串并數據轉換電路組成。設置STC系列單片機串口工作在方式 0，通過串口數據轉換電路更換74LS164芯片或74LS165芯片可實現串→并數據輸出功能或并→串數據輸入功能；設置單片機串口工作在方式1~3，通過串口數據傳輸電路可實現單片機數據傳輸、多機通訊功能。此外，為避免傳輸信號大幅度衰減，增強系統信號傳輸的強度，實用MAX232作為串口數據傳輸電路的信號轉換芯片，完成TTL與EIA雙向電平轉換。

2 STC系列教學開發板的研制

STC系列教學開發板的研制研制過程如下：首先，介紹STC系列單片機教學實驗開發板的工作原理，指導學生完成教學開發板電路原理圖的設計，依據所設計的電路原理圖選擇電路元器件，利用Protel軟件繪制教學實驗開發板各元器件原理圖和封裝圖的繪制并導入到元件庫和封裝庫中，通過元件庫完成教學實驗開發板電路原理圖的繪制，由電路原理圖生成網絡報表，根據網絡報表生成PCB布線圖文件，向學生講解PCB布線規則，由學生手工布線完成PCB布線圖的繪制，檢查無誤后將PCB布線圖送到工廠加工得到印刷電路板（如圖1所示）。

圖1 學生研制的印刷電路板

其次，把印刷電路板及相關的電子元器件分發給各組，引導同學根據電路原理圖和PCB布線圖在印刷電路板上焊接電子元器件，完成實驗開發板硬件電路的開發和研制。由于在焊接過程中可能出現漏焊、虛焊、錯焊等問題，需要對實驗開發板硬件電路進行調試，在調試的過程中根據電路板的工作原理，利用STC系列單片機編程指令開發實驗開發板調試程序，通過程序的運行分析實驗開發板硬件電路的故障，找出故障原因并進行排除，圖2所示為學生焊接調試完成后的實驗開發板。

圖2 學生開發的單片機系統電路板

通過STC系列教學開發板研制，學生能夠熟練地對Protel軟件進行操作，將自己設計的電路原理圖繪制成PCB布線圖，在電路板調試的過程中積累的豐富的實踐經驗，很好地完成了教學任務。

3 STC系列教學開發板實驗

在STC系列教學開發板研制完成后，授課教師根據教學內容和教學需要，設置了表1（P176）所示的《森工裝備工控技術》課程實驗。根據表中的實驗項目對各組學生進行任務分配，引導學生分析實驗項目，繪制各實驗項目程序框圖，依據程序框圖編制實驗程序，生成*.C文件，利用Keil軟件對實驗程序（*.C文件）進行調試并進行軟件模擬仿真，仿真無誤，對程序進行編譯，生成*.HEX文件，利用PC機里的PC-ISP軟件將程序（*.HEX文件）從上位機下載到下位機——實驗開發板上 STC系列單片機的 ROM內。開啟電源，運行所編譯的程序，進行軟硬件聯調，調試不成功則分析原因，修改程序，重新編譯并下載運行，直至調試成功為止。

表1 單片機課程實驗項目

通過實驗項目演練，學生們不僅掌握了利用Keil軟件對單片機進行編程和模擬仿真，而且通過學習和交流，對編程中出現的問題能夠很好地解決，掌握單片機開發流程和軟硬件聯調技巧，積累了豐富的實踐經驗，很好地完成了課堂教學任務，實現預期教學目標。

4 結語

通過STC系列教學實驗開發板的研制和森工裝備工控技術課程實驗，反映出森工裝備工控技術課程教學實驗的真實性，學生們在STC系列教學實驗開發板研制開發過程中遇到了很多實際問題，通過自己的獨立思考，在解決問題的過程中學到課本上學不到的知識，積累了實踐經驗。STC系列教學開發板實驗提高了學生的實踐動手能力，使得森工裝備工控技術課程的理論在實踐中得以融會貫通，促進學生對理論知識的理解和吸收，取得了良好的教學效果，為學生在今后的學習和工作奠定了良好的基礎。