单片机口袋实验室在实践教学中的应用

滕召胜， 唐 求， 温 和， 欧阳博， 黎福海

(湖南大学 电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410082)

实验室建设与管理

单片机口袋实验室在实践教学中的应用

滕召胜， 唐 求， 温 和， 欧阳博， 黎福海

(湖南大学 电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410082)

提出了基于单片机口袋实验室的全程学习与应用模式，开发了一款以ADuC848为核心的功能强、成本低、体积小的单片机最小系统，学生利用单片机口袋实验室可以随时、随地实训，还能应用于大学生创新性实验计划、学科竞赛的培训与毕业设计等，提高了学生的实践兴趣、科研意识和工程实践能力。

口袋实验室； 单片机； 实践教育； 创新训练

单片机是测控技术与仪器等信息类专业的主干专业基础课，是信息类专业大学生创新训练、学科竞赛、毕业设计和实际科研需要用到的重要专业基本知识。传统的单片机实验以演示性、验证性实验居多[1]，实训缺乏一定的系统性，学生对单片机的理解不够深入，后续应用还得结合设计需要再学一次单片机，教学效果有待提高。在多年教学与实训基础上，针对卓越工程师培养计划要求，探索了基于单片机口袋实验室的实验教学改革，提出了基于单片机口袋实验室的全程学习与应用模式：选定一款目前流行的高性能51系列单片机ADuC848[2-3]，设计了最小系统电路板，学生人手一块电路板、一套元器件。在讲解电路原理与装配调试工艺后，由学生焊接、装配、调试，形成基于ADuC848的单片机最小系统。在后续教学进程中，边教、边学、边做，把教师授课、学生学习、实验任务有机结合起来，后续的创新训练、学科竞赛、实际项目研究继续使用“口袋实验室”。这一方式促进了学生的实践兴趣，培养了学生的动手能力与研发意识，对提高学生工程实践能力起到了良好的推动作用。

1 传统单片机实验的局限性

传统单片机实验在实验室进行，学生需在规定时间、地点利用指定的单片机实验箱完成指定的实验项目，以演示性、验证性为主，学生的主动性受到一定的限制，实验内容时常与教学内容脱节，实验教学滞后于课堂教学[4]，很难保证学生在有实验激情、创作灵感的时候进行实验与探索。此外，单片机实验箱体积大、携带不便、更新周期长、成本高，不可能人手一套装备。

2012年，美国德州仪器公司(TI)提出了“口袋实验室”理念[5]。所谓口袋实验室，是指不受时间、空间限制的，并且实验功能丰富的小型开发板，方便学生学习和二次开发[6]。近年，口袋实验室越来越得到广泛应用[7-8]。

单片机口袋实验室，即一块单片机最小系统开发板和必要的附件，可随身携带，学生随时有想法可及时做实验。

2 单片机口袋实验室设计

2.1 单片机选型

51单片机性能卓越、价格低廉、资料丰富、入门容易，一直是单片机入门学习的经典芯片[9]。但目前教材介绍的8051芯片，从性能、功能、货源等方面都已经失去实际应用的优越性。ADuC848是ADI公司推出的一款具有军品标准的8051兼容单片机，大容量64 KB Flash ROM、4 KB片上Flash、2304字节片上RAM、高性能单循环内核，16位多通道-型ADC和Flash微控制器完全集成在一个芯片上，运行速度比标准的8051快近20倍，外部晶振32 kHz、可倍频达到12.58 MHz，ISP在线高速下载编程，具有24个I/O口、11个中断源(2个优先级)、双数据指针、内部节电模式、12位D/A转换器以及UART、SPI和I2C串行通信模式、看门狗定时器WDT和电源监视器PSW等。52引脚的ADuC848的MQFP封装仅14×14 mm，工作温度可达125 ℃，正常工作最大电流4.8 mA。ADuC848可用一个RS-232串口完成程序调试、下载和烧录，方便开放与在线升级。

基于ADuC848的单片机口袋实验室平台，集成了多个基础硬件资源模块，既可用于51单片机的教学实验，完成功能与综合性较强的单片机课程设计，又有利于大学生的后续单片机学习与应用研究。

2.2 单片机口袋实验室的构成

图1为基于ADuC848的单片机口袋实验室的系统电路图与实物图(外形13.8×10.2 cm)。系统具有单片机P0、P2、P3口引出接口、图形点阵LCD12864接口和LCD1602接口、两路16位ADC输入(可作差分输入)、12位DAC输出、无源蜂鸣器、PWM模块输出、8位数码管、SPI接口、RS-232串口、步进电机(5V/70Ω/6线4相)接口、8路LED、复位按键和下载按键、I2C总线上接EEPROM AT24C08和RTC DS1307、I2C接口、PS/2接口、红外接收头、功能选择和配置插针、4×4矩阵式键盘(或4个独立按键)、直流电源输入、红外输入接口、USB电源输入接口等。

利用该口袋实验室系统，可以完成I/O口控制、定时器与中断、数码显示、矩阵键盘管理、A/D转换、D/A转换、步进电机控制等基础实验，和程控多波形信号发生器、多功能计数器、抢答器、数字密码锁、简易电子琴、微波炉控制、洗衣机控制、仿电梯控制、仿汽车自动报站、电压监视等大量系统设计实验。以口袋实验室为核心，配合一定的外部电路及程序，可实现更多的测量、控制功能。

图1 单片口袋实验室电路设计图与实物

3 单片机口袋实验室实训体系

3.1 单片机实验教学体系

Proteus仿真环境的单片机在没有晶振、复位电路情况下可以运行，而实际单片机就不能，仅凭仿真实验认识会产生理解偏差[10]，因此单片机实训环节非常重要。单片机课程学习过程必须强调边做边学、学做结合[11]。

根据多年教学实践和实验资源，构建了图2所示的“单片机传统实验室+单片机虚拟实验平台+单片机口袋实验室”的单片机实验教学体系。

图2 单片机实验教学体系简图

3.2 单片机口袋实验室实训内容

在学习了单片机系统的基础知识、焊接与调试工艺后，发放ADuC848单片机系统套件，学生人手一套，由学生焊接、装配。

学习初期，进行基础电路与简单程序设计，实训内容以基本输入/输出控制、按键输入、数码显示实验等验证型、演示型实验为主，培养学生兴趣，有利于促进学生掌握单片机最小系统及软件译码、硬件显示等基本概念，理解I/O口。具有一定基础后，增加键盘管理、显示管理与单片机查询、中断、定时器、串口控制、时序控制等相关，且有一定技巧性的设计型实验，学会交互电路的程序设计方法。随着学生对单片机学习、实训的深入，自然产生技能扩展的需求，此时通过应用型、设计型实验，进一步掌握硬件资源扩充、接口芯片运用、定时器/计数器工作方式扩展、A/D转换与D/A转换应用、输入/输出模块使用等技能，为单片机系统的科研应用打下良好基础。单片机实训的关键内容包括：

(1) 单片机的I/O口控制。利用按钮输入，通过发光二极管的显示判断I/O口的输出电平，由此理解数字电路的逻辑功能。

(2) 定时器使用。通过定时器实现时序控制，例如通过按指令，按键短时按一次显示器显示的时间增加一个步进量，长时间按下按键则时间量连续增加，实现不同的时间控制。

(3) 中断响应。中断功能学习的难点在于把握什么情况下允许中断(开中断)，什么情况下不允许中断(屏蔽中断)、设置哪些寄存器才能使哪种中断起作用、中断开始时该执行怎样的程序、中断完成后该执行怎样的程序。学会了中断，才能编制复杂结构程序，赋予程序执行1项任务、监视另一些任务，一旦监视的事件发生，可通过中断请求、响应使单片机转向处理监视的事件。

(4) USB接口与TCP/IP接口通信。利用USB接口、TCP/IP接口，不仅可以实现单片机系统与其他智能系统的信息交互，还可以获得大量的有用资源，提高单片机的学习效率和应用效率。

(5) RS-232通信。USART是单片机的重要接口，通过该接口，利用MAX3232进行电平转换，可以使单片机与PC机连接，实现信息交换。

(6) A/D转换。A/D转换是单片机应用的关键技术环节，这一环节有助于学生区分模拟信号、离散信号、数字信号、模拟地、数字地、基准电压、采样速率、采样时间、转换速率、量化误差等概念。

(7) PCI总线与I2C总线。总线是实现芯片连接、外部设备连接的通道，对于单片机的功能扩展非常重要。

(8) 在掌握了比较、捕捉、PWM等功能的设计应用后，实现单片机丰富的测量、控制功能。

(9) 将演示性、验证性实验向综合性、设计型、研究型实验转化，将传统的教师是实验教学主体向学生是实验主体转化，鼓励学生利用单片机口袋实验室由简及繁地开展自主创意设计，循序渐进地掌握单片机的应用技能。

3.3 单片机口袋实验室的课外应用

为提高创新性实训效果，充分利用单片机口袋实验室资源，采取了下列措施：

(1) 鼓励学生用单片机口袋实验室结合专业特点解决身边问题、提高学习兴趣。例如设计智能电压监视仪，测量、显示电压当前值，用键盘设定电压上、下限给定值和当前时间、统计时段，分析、显示统计时段内的最高电压、最低电压、电压合格率、超上限率、超下限率，电压超限蜂鸣器报警等。

(2) 组织对单片机兴趣浓厚、学得较扎实的学生申报大学生创新性实验计划(SIT)，形成兴趣项目组。兴趣项目组通过1年的SIT实践，单片机应用技能、专业综合知识、协调能力、文献材料组织能力、创新意识都有了显著提高，进一步完成创新性成果研究，参加学科竞赛。基于单片机口袋实验室，兴趣项目组的学生取得了系列创新成果：单相防窃电电能表获评全国大学生创新性实验计划十佳案例，防作弊电子秤获ADI中国大学创新设计竞赛一等奖，便携式电能质量监测仪获“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖。

4 结语

单片机口袋实验室有助于解决创新能力培养的问题：

(1) 能够实现课堂学习与实训同步，将理论学习与实训有机结合、快速结合，实现课程学习与应用能力同步增长。

(2) 单片机口袋实验室功能丰富，有助于学生通过课程设计、创新性实验计划、学科竞赛、毕业设计等单片机系统设计与开发的综合过程，联系生活与生产实际需求选题、研究，切实提高单片机开发应用能力。

(3) 实现想做就做。大学生正处于创新意识最强的关键成才时期，有了单片机口袋实验室，凡是跟单片机应用相关的奇思妙想，随时可进行实验，不受场地、时间、人员的限制。

(4) 有利于培养学生的专业综合知识应用能力。单片机课程实训涉及模电、数电、传感器、数字信号处理等多方面知识，通过口袋实验室，可将课程实训与课外实践紧密结合，实现单片机应用与相关知识的有机融合。

(5) 单片机口袋实验室采用了较多的新器件、新电路，有利于为后续学科竞赛、毕业设计、创新设计、科研实践服务。

References)

[1] 李刚，林凌，何峰，等. ADuC845单片机原理、开发方法及应用实例[M]. 北京：电子工业出版社，2006.

[2] 贾玉瑛，陈波.单片机实验教学改革与探索[J].实验室科学，2008，11(6):32-34.

[3] 林春景，袁俐萍. 基于ADUC848的压差法气体透过率测试仪研制[J]. 现代电子技术，2015(11)：133-135.

[4] 王朋.“单片机原理”实验教学体系建设[J]. 电气电子教学学报，2010,32(5):107-108.

[5] 刘艳,秦昌明. “口袋”实验室在物联网工程实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2015,32(8)：212-215.

[6] 王国霞. 实践教学中应用口袋教学的研究与实践[J]. 高等理科教育，2016(6)：121-125,115.

[7] 侯长波，王晓迪，胡乃志，等. 全开放口袋实验室共享平台建设与实践[J]. 实验室研究与探索, 2016, 35(12)：277-280.

[8] 梁龙. 依托项目驱动“口袋”也是实验室[J]. 中国纺织, 2014(6):94-95.

[9] 庄琳. 单片机实验实训图解教程[M]. 北京：化学工业出版社，2014.

[10] 范海绍，李芳园. 零起点学Proteus单片机仿真技术[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

[11] 罗学恒. 单片机实践与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

Application of SCM pocket laboratory in practical teaching

Teng Zhaosheng， Tang Qiu， Wen He， Ouyang Bo， Li Fuhai

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The whole course learning and application mode based on the SCM pocket laboratory is put forward, and the SCM minimum system with ADuC848 as its core which has the strong function, low cost and small size is developed. Students can use the SCM pocket laboratory anytime and anywhere for practical training. The SCM pocket laboratory can also be applied to the innovative experimental plan for university students, the training of discipline competition, the graduation design, etc., improving the students’ practical interest, research awareness and engineering practical ability.

pocket laboratory; SCM; practical education; innovative training

G642.0

A

1002-4956(2017)10-0223-03

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.055

2017-04-28

教育部首批卓越工程师计划项目(教高[2011]1号)；全国专业改革综合试点项目(教高司函[2011]226号)；湖南省普通高校实践教学建设项目(湘教通[2012]434号)；湖南省普通高等学校教学改革研究项目(湘教通[2013]223号)

滕召胜(1963—)，男，湖南麻阳,博士，教授，博士生导师，研究方向为智能仪器、智能信息处理.

E-mail：tengzs@126.com