麗水學(xué)院 凌 鋒 吳曉飛 王 野

1.現(xiàn)狀與問題

《單片機(jī)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(jī)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(jì)及軟件編程方法等，并具有用單片機(jī)為主要核心的電路系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)能力。該課理論、實(shí)踐、應(yīng)用性非常強(qiáng)。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(shí)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(jī)改革中，或用仿真實(shí)驗(yàn)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(jī)及強(qiáng)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(jī)實(shí)驗(yàn)箱有一些先天不足地方。我們總結(jié)，商品化實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不足主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[4][5][6]：

（1）目前使用的商品化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱本身存在的弊端。商品化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱如實(shí)驗(yàn)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(jià)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(shí)間和地點(diǎn)使用。這些從根本上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本不變，且系統(tǒng)性不足。實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)受到總學(xué)時(shí)的限制只有8個(gè)學(xué)時(shí)左右，對于要較好的單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)踐是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。時(shí)間少只能做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，且大多給出參考程序和實(shí)驗(yàn)步驟，同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)里，學(xué)生被動地進(jìn)行，不進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)電路時(shí)，還是找不到感覺，主要是這樣的實(shí)驗(yàn)沒能讓學(xué)生形成對單片機(jī)系統(tǒng)電路總體概念。

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

（4）單片機(jī)核心固定。導(dǎo)致設(shè)計(jì)性、綜合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難以開展。MCU的特點(diǎn)體積小，價(jià)格低廉，各廠家功能升級更新?lián)Q代非?？欤N類繁多，商品化實(shí)驗(yàn)箱核心板是固定的，很難改變，使得綜合性實(shí)驗(yàn)根據(jù)要求選單片機(jī)得不到改變，只有更換核心板才能從項(xiàng)目要求的角度選單片機(jī)，這樣更有利于綜合性實(shí)驗(yàn)。有了更換核心板的好處，單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)中把單片機(jī)的應(yīng)用實(shí)例引入到實(shí)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(jī)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(jī)的應(yīng)用價(jià)值，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的興趣。

2.解決方法

針對目前商品化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱所存在的弊端，本項(xiàng)目組成員自主研發(fā)模塊化單片機(jī)便攜式實(shí)驗(yàn)箱。可使得學(xué)生除了在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)外，在課外也隨時(shí)可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)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(shí)踐能力，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)箱平臺設(shè)計(jì)將以完全開放思想為指導(dǎo)，并在設(shè)計(jì)中開放平臺的理念貫穿始終，使實(shí)驗(yàn)箱成為通用，實(shí)用，易用的平臺。項(xiàng)目中實(shí)驗(yàn)箱電路設(shè)計(jì)擬采用SMT表面貼裝工藝裝配，設(shè)計(jì)制作的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)三大部分及特點(diǎn)：第一，設(shè)計(jì)為可更換核心板；第二，設(shè)計(jì)成可自搭建通用數(shù)模電平臺結(jié)構(gòu)；第三，通用單片機(jī)外設(shè)電路。由三大部分構(gòu)成了本實(shí)驗(yàn)箱將成為便攜精巧，全能易用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)箱達(dá)到以下目的：(1)可以完成單片機(jī)課程要求的所有實(shí)驗(yàn)，并可更換單片機(jī)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(shí)驗(yàn)；(4)方便攜帶，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室、教室、寢室、甚至家里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；(5)學(xué)生只需有一臺電腦加我們的實(shí)驗(yàn)箱就可以隨時(shí)做實(shí)驗(yàn)和開發(fā)。

基于此，我們主要從實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)制作和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的編寫方面進(jìn)行研究。

（1）實(shí)驗(yàn)箱的研制

實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)安裝在核心板上，核心板通過58針排插連接到實(shí)驗(yàn)箱底板，單片機(jī)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(jī)，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(shí)驗(yàn)箱具備開放型編程類實(shí)驗(yàn)的通用能力。②通用單片機(jī)外設(shè)電路[6]。I.顯示電路，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)單片機(jī)電路測試；V.多組帶保護(hù)電源電路，如輸出5V、3.3V、基準(zhǔn)2.5V等，用于提供實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)電路，如用555定時(shí)器，用741等運(yùn)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(jī)搭建雙單片機(jī)實(shí)驗(yàn)電路，做到無限擴(kuò)展電路應(yīng)用。當(dāng)然，做到這些重要的前提是，在本實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)驗(yàn)是免焊接條件下完成的。

（2）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的編寫

為適應(yīng)教學(xué)和課外活動的需求，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書主要由以下幾部分構(gòu)成：①實(shí)驗(yàn)箱的說明書。包括實(shí)驗(yàn)箱的組成，電路原理圖，使用說明等。②基本實(shí)驗(yàn)部分。根據(jù)單片機(jī)課程的課程標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)箱，編制相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。③擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)部分。根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱的特點(diǎn)，針對實(shí)驗(yàn)箱中各電路模塊，編制一些課外的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。使學(xué)生學(xué)會使用一些課內(nèi)沒有要求的內(nèi)容，擴(kuò)展學(xué)生的知識面，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。④綜合項(xiàng)目部分。提供一些綜合性、設(shè)計(jì)性的課題，提出基本要求、擴(kuò)展要求和技術(shù)指標(biāo)，提供簡單的設(shè)計(jì)思路，讓學(xué)生自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)。增強(qiáng)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(jī)教學(xué)進(jìn)行了改革。通過3輪教學(xué)實(shí)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(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方法。

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

[2]周向紅,李建軍．單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的探討與研究[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(7)∶120-122．

[3]賈玉瑛,陳波．單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索[J]．實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2008(6)∶26-28．

[4]周小波．單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺改進(jìn)研究[J]．阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(3)∶87-89．

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

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