工学结合模式下的单片机实验板的设计与应用

陆中宏

（唐山工业职业技术学院，唐山 063020）

1 高职单片机课程教学的现状

根据教育部2006[16]号文件精神，高职教育应倡导工学结合的教学模式，形成以就业为导向，以能力为本位，以应用为目的的人才培养主线。

对于高职电类专业学生来说，单片机课程是一门重要的专业课，学好单片机课程可以为将来的就业奠定良好的基础。但多数高职单片机课程教学存在诸多问题，一方面学生觉得课程枯燥、难学，没有学习兴趣，另一方面学生就业后欠缺必要的操作技能以及项目的整合能力，很难融入到企业的实际生产之中，造成学业与就业的脱节。面对这种情况，部分高职院校为增强学生的学习兴趣，购买实验箱或实训平台，并将其应用到时间课程教学中，这在一定程度上提高了学生的操作能力，但在教学过程中，大部分学生做实验时都是按照指导书说明，做简单的连线，然后编译现成的程序，很少有学生去分析电路和理解程序，致使学生在设计电路，读懂原理图，理解程序流程及程序设计等方面的能力很是欠缺。

2 实验板的设计

高职单片机课程必须推行工学结合的教学模式，教、学、做一体化进行。为此我们设计了一款单片机实验板，学生可以边学、边做，一边学习理论知识，一边进行实际制作，解决目前单片机教学中存在的问题。同时，学生看到自己焊接的电路能够真正运行，会激发他们学习理论知识的积极性，理论知识的深入理解又能促进实践技能的提高，这样两方面相互促进，形成良性循环。

1）设计思路

为了满足单片机日常教学的和学生课外深入学习的需要，遵循如下思路设计实验板。

（1）实验板体积小，USB口供电，只配计算机就可以方便进行实训。

（2）实验板多功能、多用途、高可靠性，具有较高的性价比。

（3）有较强的扩展性，可以在实验板外连接电路完成其他实验。

（4）具有一定的趣味性与实用性，选择常用的典型元器件。

（5）适用于在项目驱动、案例教学中应用。

2）硬件设计

实验板的硬件系统主要有单片机、通讯接口、人机交互设备、温度传感器、串行E2PROM、实时时钟、A/D及D/A转换部分组成。结构如图1所示。

（1）单片机

本实验板选择具有ISP功能的STC89C516RD+单片机，其指令系统及封装形式与传统的8051单片机完全兼容，内置8位中央处理器，片内有64K字节FLASH程序存储器和1280字节数据存储器，支持可在线编程，可直接将程序通过通讯接口下载到单片机中即可运行，观察结果，非常方便。内部FLASH课擦写100，000次以上，适合学生练习编写程序。

（2）通讯接口

图1 实验板硬件结构

图2 通讯接口

通讯接口电路如图2。单片机的在线编程和用户程序对外通信都通过标准串口实现，两者共用单片机RXD和TXD引脚，串口电平转换采用MAX232芯片，这样实现了一个电路既用来下载程序，又用来实现串行通信，一举两得。图中的JPUSB是一个USB接口插座，用其来连接一个DB9母头到PC机串行口输出端下载程序和一个USB插头到PC机的USB接口供电。因为PC机的USB口可以提供5伏500毫安的直流电压，刚好对整个单片机实验板供电，不再需要外接电源。

（3）人机交互设备

人机交互电路是单片机系统与人交互信息的主要通道，主要包括8只发光二极管、8位共阳极LED数码管、32*16LED点阵显示屏、8个按键、一个压电蜂鸣器。8只发光二极管用于各种闪烁、流水灯或指示用途；8位数码管可以实现数字的显示，采用动态显示方式，节省了口线；32*16LED点阵显示屏可以实现汉字图片的静止、移动显示；8个按键可满足一般应用系统的需要；压电蜂鸣器为乐曲的播放提供了支持，可以用来报警、声音提示及音乐的播放。充分应用人机交互设备，实现信息的显示以及人为控制，可以有效提高项目的趣味性与实用性。

（4）功率驱动

单片机本身具有一定的驱动能力，但是对于负载较大的器件，单片机无法为其提供足够的电流，所以需要功率驱动电路完成，单片机用来完成逻辑控制部分的工作。实验板选择由4只8550三极管组成H桥电路实现驱动，直接接受TTL数字输入，输出可驱动继电器、直流电机和步进电机等负载。如图3所示。

（5）A/D及D/A转换

在单片机系统中经常需要将模拟量和数字量之间进行相互转换。实验板选择了ADC0809和DAC0832典型芯片，实现A/D及D/A转换，可以完成模拟量的测量和信号的发生实验。。

（6）其他电路

实验板还扩展了常用的存储器芯片SRAM62256，还采用了1-Wire总线的数字温度传感器DS18B20、I2C总线的24E256数据存储器和SPI总线的DS1302实时时钟芯片。

图3 功率驱动电路

为了提高实验板的可扩展性，一方面单片机的4个并行端口分别引出插线接口，学生可以根据需要自由连接使用，方便学生进行综合设计，另一方面实验板还预留了液晶显示器LCD1602的接口，插入液晶显示器即可完成液晶显示实验。

3 实验板相关项目的设计

1）项目的设计原则

（1）课程体现职业性的要求，选择典型工作任务课题来源于企业实践，是实际工作的实例，这种实例既要在实际工作中具有代表性的，同时又能涵盖基本的知识点。将它们按教学需要进行逐级分解，形成了一个一个的任务。

（2）项目体现实践性的要求，学生进行大量的实践操作

学生在实验板上从单片机最小系统开始焊接，随着项目的进行，依次项目的需要，依次将需要的部件进行焊接，项目的完成理、实一体，边讲边练，在实践中理解理论知识，通过理论知识指导实践操作。

（3）项目体现开放性的要求，可以进一步拓展

为了满足不同层次学生的学习需要，每个项目拟定完成的基本要求，同时给出拓展建议。

2）项目列表

项目名称 项目描述 任务 拓展建议一、单片机最小系统1. LED流水灯控制应用8个LED模拟彩灯，控制彩灯任意花样点亮二、单片机控制发光二极管的点亮三、单片机控制发光二极管的闪烁四、设计制作并调试LED流水灯流水灯灯的数量和花样2.定时器控制设计制作并调试定时器，具有基本的定时、调整和时间显示等功能二、单片机对按键的识别三、设定定时器定时时间四、设计制作并调试定时器一、单片机控制数码管显示 设计制作并调试数字时钟，要求可调等一、8×8点阵显示器显示字符3.点阵显示控制二、扩展并行I/O口的点阵显示器三、串口输出的点阵屏显示控制四、模拟串行口五、点阵显示内容的更新六、显示数据的片外存储4.水位水温控制采用不同的控制方式分别实现点阵显示点阵显示方式、内容的多样化应用液晶显示，选用传感器实现水位水温的控制二、温度控制器三、水温控制器一、水位控制 选择不同的转换器件应用C51对单片机控制，实现交通灯的控制一、发光二极管的闪烁控制5.交通灯控制二、8个发光二极管的循环点亮三、数码管动态显示四、交通灯控制提高交通灯的复杂程度

4 实验板的应用

1)采用工学交替的教学模式

单片机课程不能仅仅依靠实验板完成整个教学过程，要根据企业需要，结合课程教学内容适时安排学生到企业学习。这样学生能够通过实验板对单片机的课程内容进行较为深入、详尽、系统的学习，再通过企业实践，深入理解课程内容，知道企业标准，体验企业环境，了解企业文化。学生有了一定的基础，再到企业实践，能够有目的、有想法、有兴趣。

2)采用灵活多样的教学方法

教学方法以项目教学法为主，同时应根据不同的教学内容，不同的教学环节采用适当的灵活多样的教学方法，如案例教学法、四阶段教学法、团队协作教学方法、设置故障教学法等。在课程开始学生还没有本课程的知识基础和技能基础，不具备自己设计制作的能力，教学过程中可以采用案例分析法；对于实践操作的教学，如电路板的焊接、编程器的使用以及程序的在线下载等，采用四阶段教学法；对于一些较难理解的抽象的难点知识，可以采用预先设置故障的方法，引导学生接受、理解。

3)渗透人文素质的培养教育

通过对项目的反复调试，使学生在经受失败和挫折之后，获得成功的快乐，从而培养学生健全的心理素质和顽强的毅力。在完成项目过程中，适当增加创新设计内容，鼓励学生把所学过的基本理论、

技能知识应用到项目中来，课程进行过程中，将创新成果展示，激发学生的创新热情。每个项目都要通过团队合作完成，使学生自己通过亲身经历去认识在合作过程中的得与失，调整付出与所得之间的关系，经过训练使学生在今后的工作中能更好的处理与他人合作的关系。

5 结束语

学生在实验板上完成元件的焊接，应用电脑进行程序的设计，再将程序直接下载到单片机中，最后在实验板上进行项目的调试，最终完成项目的设计、制作和调试。教学过程中真正实现了教、学、做一体化，工学结合。完成项目过程中，提高了学生知识、技能、职业素养的水平，为进一步实现学业与就业的无缝对接的高职教育目标奠定了基础。

[1] 陆中宏, 高松. 单片机应用技术[M].机械工业出版社. 2010.

[2] 甘辉. 对单片机教学改革的几点建议[J]. 科技信息. 2008(24): 22.

[3] 姜大源. 当代德国职业教育主流教学思想研究[M]. 清华大学出版社. 2007.

[4] 赵志群. 职业教育与培训学习新概念[M]. 北京: 科学出版社, 2003(31): 144-215.

[5] 蒋庆斌, 徐国庆. 基于工作任务的职业教育项目课程研究[J]. 职业技术教育(教科版), 2005.

[6] 万志平, 柳斌. 一种单片机实践教学实验板开发[J]. 自动化技术与应用. 2009(7): 94.