单片机实验实践教学研究

2018-04-15丽水学院吴晓飞

电子世界 2018年7期

丽水学院凌锋吴晓飞王野

1.现状与问题

《单片机原理及应用》课程在高校中是电信、自动化、光源与照明等许多专业的专业基础必修课程。通过单片机原理及应用课程的学习，使学生们掌握单片硬件设计及软件编程方法等，并具有用单片机为主要核心的电路系统初步设计能力。该课理论、实践、应用性非常强。要让学生较好学习与掌握些课程，必须进行理论加实践和应用的多方结合的改革[1][2][3]。

在很多高校单片机改革中，或用仿真实验或用发开发板，许多教学教师做出了很大努力，也有一些可以值得我们借鉴的地方，但是也还是有一些不足的地方，如纯仿真的学生，不知道发光二极管要不要加限流电阻，继电器要不要续流二极管，电机及强电控制要不要光偶隔离等等。也有的一些使用市场上的开发板，因当前市场商品化单片机实验箱有一些先天不足地方。我们总结，商品化实验箱的实验教学方式不足主要体现在以下几点[4][5][6]：

（1）目前使用的商品化单片机实验箱本身存在的弊端。商品化单片机实验箱如实验系统接线复杂、程序地址限定、体积庞大，不便携带而且价格昂贵，不利于学校大批量采购使用。而学生只能在规定的时间和地点使用。这些从根本上影响了实验教学效果。

（2）实验内容基本不变，且系统性不足。实验学时受到总学时的限制只有8个学时左右，对于要较好的单片机系统实践是远远不够的。时间少只能做验证性实验，且大多给出参考程序和实验步骤，同时，在实验里，学生被动地进行，不进行设计，缺少文献资料查阅能力，没有新器件应用的训练。这些让学生普遍感到学完课程，还是在了解阶段，真正到自己设计电路时，还是找不到感觉，主要是这样的实验没能让学生形成对单片机系统电路总体概念。

（3）时间的灵活性不够。由于实验成绩作为课程总成绩的一部分，学期结束，学生的实验也基本上要结束了，不然将会影响后续的成绩和时间安排。这造成实验时间短而任务重，很多都集中进行。另一方面，由于实验资源都在实验室，在这段时间实验室的负荷过载，实验安排前后时间紧密，前后组等待进行进有发生，所以实验效果也大打折扣。

（4）单片机核心固定。导致设计性、综合的实验项目难以开展。MCU的特点体积小，价格低廉，各厂家功能升级更新换代非常快，种类繁多，商品化实验箱核心板是固定的，很难改变，使得综合性实验根据要求选单片机得不到改变，只有更换核心板才能从项目要求的角度选单片机，这样更有利于综合性实验。有了更换核心板的好处，单片机综合实验中把单片机的应用实例引入到实践教学中的比较容易做到了。这样不仅可以让学生建立起单片机应用系统的完整概念，还可以让学生真正体会到单片机的应用价值，激发学生学习和实践的兴趣。

2.解决方法

针对目前商品化单片机实验箱所存在的弊端，本项目组成员自主研发模块化单片机便携式实验箱。可使得学生除了在课内实验外，在课外也随时可以进行实验，在实验过程中能够真正参与其中，从而提高了学生分析问题、解决问题的能力，培养了学生的创新意识和实践能力，提高了实验教学的质量。

实验箱平台设计将以完全开放思想为指导，并在设计中开放平台的理念贯穿始终，使实验箱成为通用，实用，易用的平台。项目中实验箱电路设计拟采用SMT表面贴装工艺装配，设计制作的实验箱箱体精美小巧，便于携带，无需电源，只要具备USB接口电脑就可完成实验。实验箱设计三大部分及特点：第一，设计为可更换核心板；第二，设计成可自搭建通用数模电平台结构；第三，通用单片机外设电路。由三大部分构成了本实验箱将成为便携精巧，全能易用单片机实验平台。

本项目设计的实验箱达到以下目的：(1)可以完成单片机课程要求的所有实验，并可更换单片机的型号等；(2)可以在DSP、FPGA等其他课程中推广应用；(3)可以让学生根据学习兴趣进行一些自主实验；(4)方便携带，学生可以在实验室、教室、寝室、甚至家里进行实验；(5)学生只需有一台电脑加我们的实验箱就可以随时做实验和开发。

基于此，我们主要从实验箱的设计制作和实验指导书的编写方面进行研究。

（1）实验箱的研制

实验箱的结构分为三部分：第一部分，可更换核心板；第二部分，通用单片机外设电路；第三部分，通用电路搭建单元。①可更换核心板。单片机安装在核心板上，核心板通过58针排插连接到实验箱底板，单片机引脚全开放，可通过更换小巧的核心板来支持不同核心、不同厂家的单片机，如AVR、PIC、MSP430、ARM等，也可以支持其他如DSP、FPGA等平台，做到通用、可升级并重。使实验箱具备开放型编程类实验的通用能力。②通用单片机外设电路[6]。I.显示电路，设计有LED数码管、LCD不同的显示电路，其中LCD可支持1602、12864、19264等；Ⅱ.逻辑电平指示电路，支持8路高低电平且可设置电平指示电路，用于测试逻辑电平；Ⅲ.按键输入，包含矩阵键盘和带保持按键电路，支持不同输入类型；IV.可变频率的信号发生器电路，能够设置输出从几Hz到MHz方波信号，用于实验单片机电路测试；V.多组带保护电源电路，如输出5V、3.3V、基准2.5V等，用于提供实验电路电源和ADC基准等；VI.常用总线类芯片电路如IIC的24C02、DS1302时钟电路、一线式数字温度DS18B20等；Ⅶ.其他电路部分电路包含声音、步进电机驱动、ADC输入滤波器、PWM DAC滤波电路等常用电路；Ⅷ.接口电路，如通用USB接口电路、485电路等，可用于完成联接电脑调试与多机远距离通信。③通用电路搭建单元。该单元主要由一块小型面包板构成。主要用来搭建特殊需求的实验电路，如用555定时器，用741等运放做的放大电路和有源滤波器、用LM567做的锁相环、及各种信号调理电路等，当然也可以用另一片单片机搭建双单片机实验电路，做到无限扩展电路应用。当然，做到这些重要的前提是，在本实验箱上实验是免焊接条件下完成的。

（2）实验指导书的编写

为适应教学和课外活动的需求，实验指导书主要由以下几部分构成：①实验箱的说明书。包括实验箱的组成，电路原理图，使用说明等。②基本实验部分。根据单片机课程的课程标准，结合本实验箱，编制相应实验项目的实验指导书。③扩展实验部分。根据实验箱的特点，针对实验箱中各电路模块，编制一些课外的实验项目。使学生学会使用一些课内没有要求的内容，扩展学生的知识面，提高学生的学习兴趣。④综合项目部分。提供一些综合性、设计性的课题，提出基本要求、扩展要求和技术指标，提供简单的设计思路，让学生自主开发实验。增强学生的动手和创新能力。