單片機原理及應(yīng)用教學(xué)項目設(shè)計

王艷林　李東

摘要：單片機原理及應(yīng)用是測控技術(shù)與儀器等專業(yè)中很重要的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它是一門面向應(yīng)用的、具有很強的實踐性與綜合性的課程，特別適合項目驅(qū)動式的學(xué)習(xí)過程，設(shè)計了單片機原理及應(yīng)用教學(xué)實踐項目。此項目的設(shè)計既要涵蓋單片機教學(xué)的主要內(nèi)容，又要具有很好的擴展性，滿足多種測控系統(tǒng)的設(shè)計需要，還要反映測控技術(shù)與儀器專業(yè)的特點，全面培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力，提高學(xué)生的測控系統(tǒng)設(shè)計、實踐能力。

關(guān)鍵詞：單片機；教學(xué)；項目驅(qū)動

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）20-0064-02

一、引言

單片機是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上，廣泛應(yīng)用于家用電器、智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、軍工等領(lǐng)域，在社會生活中具有極其重要的作用。單片機原理及應(yīng)用是測控技術(shù)與儀器專業(yè)中一門重要的綜合性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課程，并且與多門課程深度相關(guān)，如電工基礎(chǔ)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、傳感技術(shù)、微機原理及應(yīng)用、控制工程基礎(chǔ)、測控電路設(shè)計、智能儀器設(shè)計等。同時本門課程具有極強的綜合性、實踐性的特點，對于培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰哂兄匾饔?。基于單片機教學(xué)的重要性，全國各校也一直在進行關(guān)于單片機的教學(xué)方式、方法改革，主要的改革方向均是增強單片機教學(xué)的實踐能力，在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，加強實踐教學(xué)，主要的方式包括：（1）加強實驗環(huán)節(jié)；（2）增加綜合性實驗；（3）加課程設(shè)計環(huán)節(jié)；（4）設(shè)計單獨的實踐環(huán)節(jié)。項目驅(qū)動型是近年來比較受到認可的一種教學(xué)方式。項目教學(xué)法是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生設(shè)計一個相對獨立的項目，圍繞著項目組織和開展教學(xué)，由學(xué)生提出設(shè)計目標，完成項目的調(diào)研，在教師的指導(dǎo)下，形成設(shè)計方案，完成項目的設(shè)計及調(diào)試，并完成項目報告。對于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力、信息收集能力、團隊合作及寫書面報告的能力等均有很大的幫助。項目教學(xué)法可將相關(guān)學(xué)科中的知識內(nèi)容通過單片機作為核心，轉(zhuǎn)化為若干個教學(xué)項目，使得學(xué)生在完成項目的過程中可以從知識體系的角度對本專業(yè)有深刻的認識?；跍y控技術(shù)與儀器專業(yè)的特點，項目的設(shè)計要盡可能與本專業(yè)重要的知識內(nèi)容相結(jié)合，可以綜合學(xué)生所學(xué)的電路、數(shù)字電路、模擬電路、編程語言、儀器電路、光電檢測技術(shù)、傳感器等多門基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的知識，培養(yǎng)學(xué)生進行智能化電子系統(tǒng)整體設(shè)計能力。為此，本文設(shè)計了單片機教學(xué)實踐平臺項目，盡可能適應(yīng)多種類型的傳感器，可以完成多種類型的測控系統(tǒng)，全面培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、實踐能力。

二、單片機實踐教學(xué)系統(tǒng)組成

教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計既要滿足學(xué)生學(xué)習(xí)單片機的需要，也為學(xué)生建立符合測控技術(shù)與儀器專業(yè)培養(yǎng)方向的測控系統(tǒng)提供了足夠的空間；既為學(xué)生學(xué)習(xí)本專業(yè)的相關(guān)課程提供了一個平臺，也為學(xué)有余力的學(xué)生提供了更多深入學(xué)習(xí)的條件；既保留了目前教學(xué)過程中經(jīng)典的教學(xué)內(nèi)容，也要對實際應(yīng)用領(lǐng)域中廣泛使用的新技術(shù)予以足夠的重視。系統(tǒng)主要組成如圖1所示。

教學(xué)實踐平臺以ADUC842單片機為核心，設(shè)計了存儲器擴展、人機接口、模擬信號處理電路、數(shù)字量輸入輸出電路、無線通信、驅(qū)動電路等，同時可通過串口電路連接GPS、GPRS、485等在測控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，同時設(shè)計多種類型傳感器供學(xué)生組成不同類型的測控系統(tǒng)。

三、單片機實踐教學(xué)系統(tǒng)電路設(shè)計

1.CPU電路設(shè)計。CPU選擇ADuC842作為主控CPU，ADuC842是ADI公司生產(chǎn)的具有8051內(nèi)核的模擬單片機，集成了豐富的片上資源，它具有3個16位定時器/計數(shù)器、62KB片內(nèi)電擦除程序存儲器、4KB片內(nèi)電擦除數(shù)據(jù)存儲器、2304B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM、8通道12位高精度ADC、2個12位DAC、12個中斷源、看門狗定時器和電源監(jiān)視器，同時還集成了UART、I2C和SPI串行接口，既可滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，也是一種功能強大的可廣泛應(yīng)用的新型單片機。

2.模擬信號及數(shù)字信號輸入輸出電路設(shè)計。由于ADuC842單片機具有8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器及2路12位D/A轉(zhuǎn)換器，可以滿足大多數(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用，因此只需要利用運放設(shè)計放大電路，用于和傳感器輸入的信號進行匹配即可。數(shù)字量輸入輸出采用光藕TLP281-4進行光電隔離，一方面可以起到保護作用，同時也可以匹配外接電路和各種電平，為測控系統(tǒng)設(shè)計提供更多的靈活性。

3.人機接口電路。人機接口電路采用了單片機電路最常用的鍵盤、數(shù)碼管管理器件HD7279作為核心電路，設(shè)計了3×4的小鍵盤及四位數(shù)碼管，可以滿足測控的基本需要，同時還設(shè)計了液晶接口，可設(shè)計出更豐富的界面。

4.通信電路設(shè)計。測控系統(tǒng)的通信主要分為有線和無線兩種，對于有線系統(tǒng)設(shè)計了最常用的RS232接口及廣泛應(yīng)用于測控系統(tǒng)中的RS485總線。無線通信采用了基于無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的通信接口設(shè)計，工作于433MHz頻段，具有工作頻道的設(shè)置和發(fā)送、接收、待機狀態(tài)等工作模式可短距離無線傳輸，具有抗干擾性能強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制少、安裝靈活等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。同時為滿足測控系統(tǒng)遠程通信的需求，設(shè)計了基于GPRS通信模塊的接口。GPRS網(wǎng)不但具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通，具有廣泛應(yīng)用。

5.典型應(yīng)用電路設(shè)計。串行總線是現(xiàn)代測控系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，為使學(xué)生學(xué)習(xí)到應(yīng)用最廣泛的單片機系統(tǒng)的串行片內(nèi)互連技術(shù)，采用了三種總線設(shè)計了外圍電路，分別是：DS18B20是基本于單總線的溫度傳感器、DS1302是基于SPI總線的日歷時鐘芯片、AT24C02是基于二線串行總線的EEPROM芯片。傳感器是單片機測控系統(tǒng)中最重要的組成部分，為了與測控專業(yè)的其他課程相銜接，分別采用了多種原理設(shè)計的傳感器，如電阻型、電感型、電容型、壓電型等傳感器，特別重視光電式傳感器的應(yīng)用。

四、單片機實踐教學(xué)項目應(yīng)用

本單片機實踐教學(xué)系統(tǒng)可應(yīng)用于單片機的教學(xué)實踐中，讓學(xué)生自己組隊，根據(jù)自己的興趣，調(diào)研并確定題目，盡可能利用教學(xué)系統(tǒng)所提供的資源，形成自己的設(shè)計方案，設(shè)計測控系統(tǒng)、調(diào)試電路、調(diào)試程序，完成一個可包含光、機、電的測控系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)單片機的過程中，學(xué)習(xí)測控系統(tǒng)開發(fā)的整個過程，對本專業(yè)有更深刻的認識。