基于口袋实验室的单片机实践教学改革

滕召胜， 高云鹏， 唐 求， 温 和， 郭斯羽

(湖南大学 电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410082)

0 引言

“单片机”是信息类专业的主干专业基础课，是一门专业性、实践性很强的课程[1～2]。传统的单片机实验在实验室进行，以演示性、验证性实验居多[3～4]，由于这类实验缺乏系统性、启发性和设计性，导致学生对单片机的理解不够深入，实际应用能力难以提高。近年来，“口袋实验室”以其便捷、随时随地、自主实验等显著优越性，得到了迅速发展[5～7]。

在多年课堂教学与实践教学基础上，针对电气信息类专业人才培养要求，我们探索单片机实践教学改革，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作为“口袋实验室”，提出了“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”的三结合实验教学模式，把教师授课、学生学习、实验项目有机结合在一起，在实践中取得了很好的效果，提高了学生的单片机实践兴趣，培养了学生的研发意识与工程实践能力，增强了学生的创新意识。

1 “三结合”实验教学体系

在多年教学实践和实验资源基础上，我们构建的“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”结合的单片机实验教学体系，如图1所示。在实验教学体系中，①单片机传统实验室主要完成演示性、验证性等基础性实验，促进学生认识单片机、了解单片机。②单片机虚拟实验平台主要完成设计性实验和初步综合性实验项目，为学生的单片机工程应用奠定基础。③单片机口袋实验室主要完成综合性实验、工程设计创新性实验。

单片机口袋实验室解决了传统固定实验室单片机实验与教学脱节的问题，有助于解决实验内容与社会需求结合不紧密的问题，让学生实现了想做就做的愿望，有利于培养学生的专业综合知识应用能力，为后续学科竞赛、毕业设计、创新设计、科研实践打下坚实基础。

图1 单片机实验教学体系简图

2 “三结合”实验教学内容

2.1 单片机传统实验室

单片机传统实验室利用实验箱完成80C51单片机实验，实验箱采用外挂式51/96通用单片机仿真器，适应Windows XP等操作系统的调试软件。实验箱具有开放式4×6键盘实验电路、128×64组成的LCD图文实验电路、16×16点阵电路和8155、8250、8251、8253、8255、0809、0832、RS232/485等常用芯片接口电路，配备了小型直流电机、步进电机、温度压力、电子音响电路喇叭、8 MHz频率源模块、开关逻辑电平输入/输出电路，主板上还配有数控式实验演示装置。生产厂家设计、提供了各实验项目的电路接线图、C语言源程序、汇编语言源程序，学生通过解读、模仿，验证实验项目的预定功能，进行的主要是演示性、能验证性实验。图2为单片机实验箱的实物图[8]。

图2 单片机实验箱

单片机传统实验室主要完成演示性、验证性、基础性实验，实验内容包括：

(1)软件实验。主要实现：清零程序、拆字程序、拼字程序、数据区传送子程序、数据排序子程序、查找相同数据个数子程序、无符号双字节快速乘法子程序、多分支程序以及脉冲计数、电脑时钟设计等实验。

(2)硬件实验。主要实现：P1口亮灯实验、P1口转弯灯实验、P3.3口输入/P1口输出实验、工业顺序控制实验、8255 A/B/C口输出方波实验、8255 PA口控制PB口、8255控制交通灯、简单I/O扩展实验、ADC0809转换实验、DAC0832转换实验、8279键盘显示实验、I2C储存卡读写实验、继电器控制实验、步进电机控制、小直流电机调速实验、16*16 LED点阵显示实验、8250可编程异步通讯接口实验(自发自收)、8251可编程通讯接口实验(与PC机)、单片机RS-232/485串行发送实验(双机通讯)、单片机RS-232/485串行接收实验(双机通讯)、温度压力实验等。

2.2 单片机虚拟实验平台

上节所述的单片机实验箱硬件电路是固定的，实验内容难以改动，显然不能适应单片机技术的快速发展和单片机系统的多样化应用需求，也不利于培养学生的单片机工程开发能力和设计创新意识。利用单片机虚拟实验平台，可以在一定程度上弥补上述不足。

单片机虚拟实验平台为单片机实验室每台PC机上安装了Proteus软件仿真系统，编译调试环境选用集编辑、编译和调试于一体，支持多种汇编和C语言编程KeilC51 uVision3软件，Proteus软件支持KeilC51uVision3 联合调试[9]。学生在自主学习Proteus和KeilC51 uVision3的使用方法和二者联合调试方法后，利用Portus虚拟仿真环境，可以在计算机上自行设计原理图，编写源代码，完成程序调试，观察运行结果，完成所需实验[10]，节省开发时间和开发费用，逐渐适应工程实践。

图3为单片机虚拟实验平台原理图[11]。

单片机虚拟实验平台上可完成的实验项目较多，主要有：验证性实验(含I/O口实验、中断实验、定时器实验等)、设计性实验项目(含时钟电路及其实时显示设计、16×16点阵汉字显示设计等)、综合性实验项目(含温度控制系统设计、步进电机控制系统设计等)。

图3 单片机虚拟仿真实验平台

2.3 单片机口袋实验室

课堂听课、课后看书、演示实验、验证实验、虚拟仿真实验都不可能使学生完全学会单片机[11,12]。例如：Proteus仿真环境下的单片机，在没接晶振电路和复位电路的情况下可以运行，而实际单片机不能；再如虚拟仿真实验结果可能导致理解偏差。单片机学习过程必须强调边做边学、学做结合。但单片机实验箱、单片机虚拟实验平台都只能在指定实验室进行实验，学生必须在规定时间、地点利用指定设备完成指定的实验项目，不仅以演示性、验证性为主，学生的主动性受限，实验内容也常与教学内容脱节、滞后[12]，而且不能保证学生在有实验激情、创作灵感迸发的时候进行实验与开发。此外，实验箱体积大、携带不便、更新周期长、技术相对落后、数千元一套的成本过高，不可能实现学生人手一套。

为此，我们开发了基于ADuC848的单片机口袋实验室，既可用于前期的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，又有利于学生完成后续的单片机应用研究。

ADuC848是ADI公司的一款具有军品标准的8051兼容单片机，具有大容量64 KBFlash ROM、4 kB片上Flash、2304字节片上RAM、高性能单循环内核。它将16位多通道Σ-Δ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高近20倍，外部晶振32 kHz可倍频至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，节电模式下最大电流仅20 μA。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。

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

图4为基于ADuC848的单片机口袋实验室的实物图(外形13.8×10.2 cm)。

图4 单片口袋实验室实物

学习初期，让学生在单片机袋实验室上进行基础电路与简单程序设计，以基本输入/输出控制、按键输入、数码管显示等验证型、演示型实验为主，培养学生兴趣，也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，再增加键盘管理、显示管理内容并开展与单片机查询、中断、定时器、串口控制、时序控制等相关的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的深入，自然产生技能扩展的需求，此时通过在口袋实验室上进行的应用型、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，为后期单片机系统的科研应用打下良好基础。

单片机口袋实验室可以完成的实验项目非常丰富，既可以完成诸如I/O口控制、定时/中断、数码显示、矩阵式键盘管理、A/D与D/A转换、步进电机控制等基础实验，也能实现诸如程控多种信号发生器、多功能抢答器、计数器、简易电子琴、数字密码锁、微波炉控制器、洗衣机控制器、仿电梯控制器、仿汽车自动报站、电压监视器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，还可实现更多的测量及控制功能。

3 结语

针对电气信息类人才培养要求，我们提出了“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”的三结合实验教学模式，将传统的教师为主体的实验教学向学生为主体的实验教学转化，让学生由简及繁地开展各类实验，循序渐进地掌握单片机的应用技能，为后续工程应用打下坚实基础。以我校测控技术与仪器专业为例，学生因此提高了单片机学习兴趣，参与单片机的创新设计与学科竞赛成果丰硕，例如：单相防窃电电能表开发获评全国大学生创新性实验计划十佳案例，防作弊电子秤荣获ADI中国大学创新设计竞赛一等奖，肉类水分快速测定仪获“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖、中国大学生创业计划竞赛金奖，便携式电能质量监测仪获得“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖。这些成果反过来又大大激发了学生对单片机的学习兴趣。