單片機實驗實踐教學(xué)研究

麗水學(xué)院 凌 鋒 吳曉飛 王 野

1.現(xiàn)狀與問題

《單片機原理及應(yīng)用》課程在高校中是電信、自動化、光源與照明等許多專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程。通過單片機原理及應(yīng)用課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生們掌握單片硬件設(shè)計及軟件編程方法等，并具有用單片機為主要核心的電路系統(tǒng)初步設(shè)計能力。該課理論、實踐、應(yīng)用性非常強。要讓學(xué)生較好學(xué)習(xí)與掌握些課程，必須進(jìn)行理論加實踐和應(yīng)用的多方結(jié)合的改革[1][2][3]。

在很多高校單片機改革中，或用仿真實驗或用發(fā)開發(fā)板，許多教學(xué)教師做出了很大努力，也有一些可以值得我們借鑒的地方，但是也還是有一些不足的地方，如純仿真的學(xué)生，不知道發(fā)光二極管要不要加限流電阻，繼電器要不要續(xù)流二極管，電機及強電控制要不要光偶隔離等等。也有的一些使用市場上的開發(fā)板，因當(dāng)前市場商品化單片機實驗箱有一些先天不足地方。我們總結(jié)，商品化實驗箱的實驗教學(xué)方式不足主要體現(xiàn)在以下幾點[4][5][6]：

（1）目前使用的商品化單片機實驗箱本身存在的弊端。商品化單片機實驗箱如實驗系統(tǒng)接線復(fù)雜、程序地址限定、體積龐大，不便攜帶而且價格昂貴，不利于學(xué)校大批量采購使用。而學(xué)生只能在規(guī)定的時間和地點使用。這些從根本上影響了實驗教學(xué)效果。

（2）實驗內(nèi)容基本不變，且系統(tǒng)性不足。實驗學(xué)時受到總學(xué)時的限制只有8個學(xué)時左右，對于要較好的單片機系統(tǒng)實踐是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。時間少只能做驗證性實驗，且大多給出參考程序和實驗步驟，同時，在實驗里，學(xué)生被動地進(jìn)行，不進(jìn)行設(shè)計，缺少文獻(xiàn)資料查閱能力，沒有新器件應(yīng)用的訓(xùn)練。這些讓學(xué)生普遍感到學(xué)完課程，還是在了解階段，真正到自己設(shè)計電路時，還是找不到感覺，主要是這樣的實驗沒能讓學(xué)生形成對單片機系統(tǒng)電路總體概念。

（3）時間的靈活性不夠。由于實驗成績作為課程總成績的一部分，學(xué)期結(jié)束，學(xué)生的實驗也基本上要結(jié)束了，不然將會影響后續(xù)的成績和時間安排。這造成實驗時間短而任務(wù)重，很多都集中進(jìn)行。另一方面，由于實驗資源都在實驗室，在這段時間實驗室的負(fù)荷過載，實驗安排前后時間緊密，前后組等待進(jìn)行進(jìn)有發(fā)生，所以實驗效果也大打折扣。

（4）單片機核心固定。導(dǎo)致設(shè)計性、綜合的實驗項目難以開展。MCU的特點體積小，價格低廉，各廠家功能升級更新?lián)Q代非常快，種類繁多，商品化實驗箱核心板是固定的，很難改變，使得綜合性實驗根據(jù)要求選單片機得不到改變，只有更換核心板才能從項目要求的角度選單片機，這樣更有利于綜合性實驗。有了更換核心板的好處，單片機綜合實驗中把單片機的應(yīng)用實例引入到實踐教學(xué)中的比較容易做到了。這樣不僅可以讓學(xué)生建立起單片機應(yīng)用系統(tǒng)的完整概念，還可以讓學(xué)生真正體會到單片機的應(yīng)用價值，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐的興趣。

2.解決方法

針對目前商品化單片機實驗箱所存在的弊端，本項目組成員自主研發(fā)模塊化單片機便攜式實驗箱。可使得學(xué)生除了在課內(nèi)實驗外，在課外也隨時可以進(jìn)行實驗，在實驗過程中能夠真正參與其中，從而提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力，提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量。

實驗箱平臺設(shè)計將以完全開放思想為指導(dǎo)，并在設(shè)計中開放平臺的理念貫穿始終，使實驗箱成為通用，實用，易用的平臺。項目中實驗箱電路設(shè)計擬采用SMT表面貼裝工藝裝配，設(shè)計制作的實驗箱箱體精美小巧，便于攜帶，無需電源，只要具備USB接口電腦就可完成實驗。實驗箱設(shè)計三大部分及特點：第一，設(shè)計為可更換核心板；第二，設(shè)計成可自搭建通用數(shù)模電平臺結(jié)構(gòu)；第三，通用單片機外設(shè)電路。由三大部分構(gòu)成了本實驗箱將成為便攜精巧，全能易用單片機實驗平臺。

本項目設(shè)計的實驗箱達(dá)到以下目的：(1)可以完成單片機課程要求的所有實驗，并可更換單片機的型號等；(2)可以在DSP、FPGA等其他課程中推廣應(yīng)用；(3)可以讓學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)興趣進(jìn)行一些自主實驗；(4)方便攜帶，學(xué)生可以在實驗室、教室、寢室、甚至家里進(jìn)行實驗；(5)學(xué)生只需有一臺電腦加我們的實驗箱就可以隨時做實驗和開發(fā)。

基于此，我們主要從實驗箱的設(shè)計制作和實驗指導(dǎo)書的編寫方面進(jìn)行研究。

（1）實驗箱的研制

實驗箱的結(jié)構(gòu)分為三部分：第一部分，可更換核心板；第二部分，通用單片機外設(shè)電路；第三部分，通用電路搭建單元。①可更換核心板。單片機安裝在核心板上，核心板通過58針排插連接到實驗箱底板，單片機引腳全開放，可通過更換小巧的核心板來支持不同核心、不同廠家的單片機，如AVR、PIC、MSP430、ARM等，也可以支持其他如DSP、FPGA等平臺，做到通用、可升級并重。使實驗箱具備開放型編程類實驗的通用能力。②通用單片機外設(shè)電路[6]。I.顯示電路，設(shè)計有LED數(shù)碼管、LCD不同的顯示電路，其中LCD可支持1602、12864、19264等；Ⅱ.邏輯電平指示電路，支持8路高低電平且可設(shè)置電平指示電路，用于測試邏輯電平；Ⅲ.按鍵輸入，包含矩陣鍵盤和帶保持按鍵電路，支持不同輸入類型；IV.可變頻率的信號發(fā)生器電路，能夠設(shè)置輸出從幾Hz到MHz方波信號，用于實驗單片機電路測試；V.多組帶保護電源電路，如輸出5V、3.3V、基準(zhǔn)2.5V等，用于提供實驗電路電源和ADC基準(zhǔn)等；VI.常用總線類芯片電路如IIC的24C02、DS1302時鐘電路、一線式數(shù)字溫度DS18B20等；Ⅶ.其他電路部分電路包含聲音、步進(jìn)電機驅(qū)動、ADC輸入濾波器、PWM DAC濾波電路等常用電路；Ⅷ.接口電路，如通用USB接口電路、485電路等，可用于完成聯(lián)接電腦調(diào)試與多機遠(yuǎn)距離通信。③通用電路搭建單元。該單元主要由一塊小型面包板構(gòu)成。主要用來搭建特殊需求的實驗電路，如用555定時器，用741等運放做的放大電路和有源濾波器、用LM567做的鎖相環(huán)、及各種信號調(diào)理電路等，當(dāng)然也可以用另一片單片機搭建雙單片機實驗電路，做到無限擴展電路應(yīng)用。當(dāng)然，做到這些重要的前提是，在本實驗箱上實驗是免焊接條件下完成的。

（2）實驗指導(dǎo)書的編寫

為適應(yīng)教學(xué)和課外活動的需求，實驗指導(dǎo)書主要由以下幾部分構(gòu)成：①實驗箱的說明書。包括實驗箱的組成，電路原理圖，使用說明等。②基本實驗部分。根據(jù)單片機課程的課程標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本實驗箱，編制相應(yīng)實驗項目的實驗指導(dǎo)書。③擴展實驗部分。根據(jù)實驗箱的特點，針對實驗箱中各電路模塊，編制一些課外的實驗項目。使學(xué)生學(xué)會使用一些課內(nèi)沒有要求的內(nèi)容，擴展學(xué)生的知識面，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。④綜合項目部分。提供一些綜合性、設(shè)計性的課題，提出基本要求、擴展要求和技術(shù)指標(biāo)，提供簡單的設(shè)計思路，讓學(xué)生自主開發(fā)實驗。增強學(xué)生的動手和創(chuàng)新能力。

3.結(jié)論

通過以上的方法，在我們的學(xué)校單片機教學(xué)進(jìn)行了改革。通過3輪教學(xué)實踐，老師和學(xué)生反應(yīng)良好，學(xué)生學(xué)科競賽和畢設(shè)成績顯著提高。達(dá)到了我們設(shè)想的要求。當(dāng)然我們也進(jìn)一部想通過學(xué)生的問卷調(diào)查等收集學(xué)生想法和反饋，來改進(jìn)我們教學(xué)工具及實驗實踐教學(xué)方法。

[1]馬金祥,何一鳴．單片機課程實踐能力培養(yǎng)方法的探討[J]．常州工學(xué)院學(xué)報,2007,20(3)∶87-90．

[2]周向紅,李建軍．單片機實踐教學(xué)的探討與研究[J]．實驗技術(shù)與管理,2007,24(7)∶120-122．

[3]賈玉瑛,陳波．單片機實驗教學(xué)改革與探索[J]．實驗室科學(xué),2008(6)∶26-28．

[4]周小波．單片機實驗教學(xué)平臺改進(jìn)研究[J]．阜陽師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(3)∶87-89．

[5]王洪亮,智立甫．單片機課程實驗教學(xué)改革初探[J]．石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006,18(6)∶72-73．

[6]丁保華,張有忠．單片機原理及接口技術(shù)實驗教程[M]．徐州∶中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007．