白求恩醫(yī)務(wù)士官學(xué)校 王建華 馮 帆 韓紅亮 張海龍 王 璟

一、引言

近年來，隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)在微機(jī)控制領(lǐng)域占據(jù)著重要地位，由于其具有體積小、可靠性好、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在智能儀表、工業(yè)測控、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備、日常生活及家用電器等方面都得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]，為此，社會(huì)對(duì)掌握單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用型人才的需求也越來越大。目前，《單片機(jī)原理及應(yīng)用》已成為大多高校電類專業(yè)學(xué)員必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。由于單片機(jī)是一項(xiàng)應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)，所以與之相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不可獲缺。在目前的單片機(jī)教學(xué)中，各高校大多以51系列為主，采用“理論教學(xué)＋驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)模式，學(xué)員將編制好的程序代碼下載至單片機(jī)無需硬件操作即可看到實(shí)驗(yàn)效果，從而完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)器材生產(chǎn)廠家開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配套設(shè)備多，零部件之間相互依賴程度大，集成度高，不利于學(xué)員對(duì)單片機(jī)內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)和原理的理解認(rèn)識(shí)，在很大程度上制約了學(xué)員實(shí)踐技能的提高，不能滿足應(yīng)用性人才培養(yǎng)的需要。因此，針對(duì)當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，根據(jù)專業(yè)學(xué)員培養(yǎng)的需要，自主研發(fā)適合學(xué)員的單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)從實(shí)際工程開發(fā)的角度出發(fā)，采用模塊式結(jié)構(gòu)對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)員動(dòng)手能力，以培養(yǎng)學(xué)員應(yīng)用和開發(fā)單片機(jī)的實(shí)際技能。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K與知識(shí)結(jié)構(gòu)

二、實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)思想

為改變傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的不足，根據(jù)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的客觀需要，開發(fā)單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)箱，基于以下4個(gè)基本要求：

1.要滿足課程標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的要求，所開設(shè)實(shí)驗(yàn)涵蓋專業(yè)學(xué)員所學(xué)單片機(jī)的所有知識(shí)點(diǎn)，貼近本校醫(yī)療器械修理專業(yè)學(xué)員的實(shí)際應(yīng)用；

2.具有開放型結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性好，以培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新和自主學(xué)習(xí)能力；

3.實(shí)驗(yàn)箱體積小，方便攜帶，USB下載，不受場地限制，隨時(shí)可開展實(shí)驗(yàn)；

4.性能可靠，可重復(fù)多次使用。

三、實(shí)驗(yàn)箱總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)以學(xué)員能夠完成從硬件到軟件再到實(shí)驗(yàn)效果的立體學(xué)習(xí)方式為最終出發(fā)點(diǎn)，采用模塊式的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)本校醫(yī)療器械修理專業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)箱共包括12個(gè)模塊，底層為電源母版，為各模塊供電。為切實(shí)提高學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力和滿足實(shí)驗(yàn)箱的可重復(fù)利用的要求，各功能模塊通過銅柱與母板進(jìn)行可拆卸式的連接，模塊與單片機(jī)處理器之間及模塊與模塊之間采用杜邦線和排線連接，從而方便組成各實(shí)驗(yàn)的硬件電路。各模塊之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，每個(gè)模塊可以完成1到3個(gè)實(shí)驗(yàn)不等，綜合不同的模塊又可以組成綜合實(shí)驗(yàn)，在使學(xué)員自主地選擇不同模塊的同時(shí)，可以利用不同模塊搭建不同的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效知識(shí)的進(jìn)一步拓展，提升學(xué)員自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐技能。

實(shí)驗(yàn)箱的12個(gè)模塊分別為單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、8位邏輯電平顯示模塊、查詢式鍵盤模塊、數(shù)碼管顯示模塊、電子琴模擬模塊、SRAM和EEPROM模塊、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)發(fā)聲模塊、繼電器控制模塊、溫度傳感器模塊、矩陣鍵盤模塊、時(shí)鐘模塊和串口通信模塊。每個(gè)模塊均承載著不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，而所有的實(shí)驗(yàn)任務(wù)涵蓋了本專業(yè)學(xué)員課程標(biāo)準(zhǔn)的所有知識(shí)點(diǎn)，共同構(gòu)建了單片機(jī)從硬件到軟件的完整知識(shí)體系。實(shí)驗(yàn)箱共開設(shè)實(shí)驗(yàn)17個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)K與知識(shí)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本綜合實(shí)驗(yàn)箱，除完成上述基本實(shí)驗(yàn)外，還可以根據(jù)學(xué)員的學(xué)習(xí)情況和專業(yè)背景，將不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行組合，形成新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如，利用數(shù)碼管顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)發(fā)聲模塊和單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，可以完成病房呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；利用溫度傳感器模塊、數(shù)碼管顯示模塊，可以完成病房溫度檢測的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過這些有著很強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用背景的小項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)自主學(xué)習(xí)的積極性，從實(shí)際出發(fā)鍛煉學(xué)員工程開發(fā)的能力，營造鼓勵(lì)獨(dú)立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的良好學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從單純的單片機(jī)知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的有效轉(zhuǎn)換和順利過度。

四、實(shí)驗(yàn)箱的特點(diǎn)

1.實(shí)驗(yàn)開放性。實(shí)驗(yàn)?zāi)K間獨(dú)立開放，通過外接線實(shí)現(xiàn)各模塊與單片機(jī)之間的連接，使學(xué)員對(duì)單片機(jī)功能有更為全面的了解和認(rèn)識(shí)，便于實(shí)際學(xué)習(xí)和掌握。

2.實(shí)驗(yàn)拓展性。本實(shí)驗(yàn)箱根據(jù)醫(yī)療器械修理專業(yè)學(xué)員的特點(diǎn)，以醫(yī)院實(shí)際應(yīng)用為設(shè)計(jì)背景，除完成17個(gè)基本實(shí)驗(yàn)外，還可對(duì)模塊進(jìn)行組合，構(gòu)成小型綜合性貼近醫(yī)院實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，以在很大程度上促進(jìn)學(xué)員達(dá)到學(xué)以致用的目的。

3.便攜性。該實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)小巧，方便攜帶，USB程序下載，不受場地限制，如與筆記本配合可隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)。

五、結(jié)束語

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，根據(jù)專業(yè)學(xué)員的學(xué)習(xí)規(guī)律和知識(shí)結(jié)構(gòu)，為學(xué)員量身定做實(shí)驗(yàn)箱開展教學(xué)活動(dòng)，采用模塊式的設(shè)計(jì)方法，為學(xué)員提供了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，便于學(xué)員方便、深入地掌握單片機(jī)技術(shù)，在很大程度上提高學(xué)習(xí)的動(dòng)手能力、參與熱情和創(chuàng)新意識(shí)，確保了教學(xué)計(jì)劃的順利完成，為單片機(jī)的課程建設(shè)提供了重要保證，同時(shí)為其它實(shí)驗(yàn)類課程提供了很好的借鑒作用。

[1]張智宏,翟曉東.單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)箱的研制[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2011(25):12-13.

[2]朱向慶,胡均萬,陳宏華,等.多功能單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(4):41-44.

[3]曹靜,江世明.模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].邵陽學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,8(3):23-25.