基于万能板的单片机硬件电路开发及其中职教学应用

杨暾

摘要：单片机技术及应用课程在中职电子技术类专业的课程体系中有着重要的地位。在长期的职业教育课程改革实践过程中，单片机课程的教学模式几经变迁，基于万能板硬件开发与应用的单片机教学模式日渐突显出其全面落实单片机课程教学目标的独特作用，成为一个值得不断深入探究的课程改革实践领域。

关键词：万能板;单片机课程;硬件电路开发;教学应用

单片机技术及应用课程是中等职业教育电子技术类专业的专业平台课程，它前与电子技术基础与技能、专业通用技能实训等专业基础课程相承接，后与专业方向课程、职业岗位技术技能相联系，在中职电子技术类专业课程体系中起到承上启下的连接作用。课程的专业知识与综合技术技能水平要求较高，在专业课程体系中有着重要的地位。在长期的职业教育课程改革实践过程中，单片机课程的教学模式几经变迁，基于万能板硬件开发与应用的单片机教学模式日渐突显出其全面落实单片机课程综合性教学目标的独特作用，成为一个值得不断深入探究的课程改革实践领域。

一、基于万能板开发单片机实验电路在中职单片机课程教学中的意义与价值

近年来在新的教改精神的引领下，中职单片机课程的教学模式改革产生了许多新的变化，课程教学也逐渐形成了相对稳定的几种不同的实施模式。早期的纯汇编语言或C语言软件编程教学现在已不多见，目前比较普遍的是单片机C语言软件编程加Proteus软件仿真。有较好硬件条件的学校会在单片机软件编程加Proteus软件仿真的基础上进一步开展基于单片机实验装置（技能大赛）或单片机实验箱的实训教学。这种教学模式因为将程序落实到了硬件上，因而才称得上是真正意义的单片机技术课程。但是这只是单片机技术课程在硬件技术方面迈出的可贵的第一步，要将单片机硬件技术的教学渗透到位，最佳的硬件教学策略之一是基于万能板开发单片机实验电路，将单片机硬件技术的教学做细做实。基于单片机实验装置（技能大赛）或单片机实验箱的实训教学只是在用现成的硬件平台验证软件程序的可行性，并没有体现硬件开发技术的教学要求。而基于万能板开发单片机实验电路，从电路的设计、制作，到检测、调试、功能检验、排故，学生必须要去认真理解各个单元控制电路的结构、原理、万能板电路布局规划、元器件间的相互连接关系等等。这一方面强化了学生对前期电子技术基础类课程知识的强化、拓展与提高，另一方面对学生的电路组装实践技能也有更高的要求，使学生通过单片机硬件实验电路的制作，电路理论知识与组装工艺技能水平提升到一个更高的新台阶。

二、基于万能板的单片机实验电路开发

1.万能板上电路设计的特点与要求

万能板上设计与制作电路，与PCB板电路组装有着很大的不同。PCB板电路组装不用考虑元器件布局与连线，只要元器件插装正确、焊接规范，电路基本就能组装成功了。万能板上设计与制作电路，要全面考虑元器件布局、布线路径与工艺要求。由于元器件布局确定以后，还要把元器件之间的连接关系正确而符合工艺要求地用导线连接起来，所以组装的难度比PCB板电路组装要高不少。另外由于万能板上布线工艺的局限性，给人的一般印象是万能板上通常只能组装简单低级的电路，像能够满足中职单片机课程教学需要的单片机实验电路这种比较复杂的综合性电路，很难在一块有限大小的万能板上集成。

从课程实施的角度上来说，单片机实验电路板应该包含课程教学大纲所必须的单片机控制电路的各种典型单元电路类型。除了单片机最小系统电路外，按照课程内容需要，还需包括流水灯控制电路、数码管显示控制电路、音频控制电路、8*8点阵屏控制电路等。为了实现人机互动，需要包括独立按键控制电路和4*4矩阵键盘控制电路。为了便于硬件电路连接关系的灵活转换，还需在单片机最小系统电路和各控制单元电路中设计落实各种合理的电路接口。

2.万能板上电路设计的创新性举措

按照上述硬件电路要求，在万能板上设计制作满足单片机教学要求的实验电路确实是具有挑战性的，需要采取一些创新性的举措才能设计制作出满足单片机课程教学需要的复杂硬件实验电路。在具体实践过程中，首先初步规划出各单元功能电路在万能板上的方位布局，然后进行各单元功能电路的细化设计，务求元器件定位合理，电路连线关系简约规范不冲突。在布线设计方面，需要采取双面布线的思路，在万能板焊接面和元件面两面科学分配连线，有效避免布线冲突。其次，各单元功能电路科学设计连线接口，以便于通过杜邦线或专用排线实现与单片机相应接口之间的互连。另外，尽量采用集成化的元器件组件，比如P0口上拉电阻、流水灯限流电阻均采用排阻形式，四位数码管显示电路中采用四位集成一体化的数码管组件等，这样可以极大地节省相应电路在万能板上所占空间。

3.万能板单片机实验电路的开发设计

一种开发的单片机实验板电路实物如图所示：

主电路板上各单元功能电路包括单片机最小系统、流水灯控制电路、四位数码管显示控制电路、音頻控制电路、8*8点阵屏控制电路、独立按键控制电路等。4*4矩阵键盘电路做成一个独立的键盘工具，使用时通过排线连接到主电路板的单片机上。利用这块万能板单片机实验电路，完全可以覆盖中职单片机课程教学的基本实验需求，实现流水灯编程控制、数码管显示编程控制、音频输出编程控制、8*8点阵屏程控显示等项目实验功能，验证软件程序设计中I/O口输入输出编程控制、数码管显示编程、音频输出编程、8*8点阵屏显示编程、定时/计数器编程应用、中断系统编程应用、矩阵键盘编程应用等编程技术与方法的掌握效果，体现了良好的课程实施适应性。

三、万能板单片机实验电路在中职单片机课程教学中的应用

1.必要的万能板焊接技能基础训练

要做基于万能板的单片机实验板开发，必须要有过硬的电路焊接组装技能。对于没有进行过万能板焊接技能训练或者万能板电路焊接组装技能水平不足的学生，强烈建议要先做一些必要的万能板焊接技能基础训练。没有万能板电路焊接组装技能基础，直接在万能板上进行单片机实验板这样复杂程度的电路组装，其组装质量和成功率都会很低，这将严重影响后续的实验运用。在基础技能训练中，要强化质量意识，强调工艺规范，以保证组装出合格适用的单片机实验板。

2.万能板的单片机实验电路组装

万能板单片机实验电路的组装，要先从设计装配图、识读万能板装配图开始，以保证元器件的正确定位插装。元器件插装前要先使用万用表进行质量检验，防止将有质量问题的元器件直接安装到万能板上，人为提高电路故障率和检修难度。要重视焊接质量与连线工艺的规范性，电路的组装按照项目学习顺序以单元电路的形式依序组装。每一个单元电路组装完成，都要进行必要的质量检验与功能检验，以确保电路能够正常工作，运行软件程序中预设的功能。

3.单片机软硬件结合项目化系列性任务驱动综合实训

基于万能板的单片机实验板为单片机课程教学提供了灵活多样的硬件设计实验平台，实验板上设计的各种接口使得电路连接关系可以随心所欲进行变化。既可以先做好硬件连接，然后编程时软件与硬件连接关系相适应，也可以先编写程序，然后根据软件的程序设计再做相对应的硬件连接。这种资源条件下的单片机课程教学，最适合项目教学、任务驱动的教学模式。教学项目可以设计为基础项目项目一了解单片机，和序列项目项目二单片机最小系统电路设计与制作、项目三流水灯控制技术、项目四LED数码显示技术、项目五单片机音频控制技术、项目六LED点阵屏显示技术等若干个项目。每个项目再细分为一系列的学习任务，先设计与制作项目单元硬件电路，再分任务软件编程在硬件电路上运行程序。在任务中有针对性地设计课程相关的单片机知识学习运用、硬件电路知识与组装技能训练、编程语言知识学习运用与各种任务相关编程方法技能训练等，充分做到理实一体，学做合一，合作探究，全面促进学生的单片机技术技能发展。

四、万能板单片机实验电路的教学应用效果

1.单片机课程软硬件结合综合性体现充分

经过多轮的基于万能板硬件电路开发与运用模式的单片机技术课程教学实践，并且在实践当中不断调整、完善与提高，这种教学模式的优越性不断得到体现。这种教学模式克服了单片机课程长期以来在硬件设计开发教学方面的不足，使学生既学到了各种编程方法，又掌握了基本的硬件结构知识、设计制作方法和硬件电路组装技术技能，全面培养了学生单片机课程软硬件技术的综合开发素养。另外，这种硬件电路开发的学习活动过程，还强化与拓展了学生在前期专业课程中学习的相关电路结构原理与电子电路装配工艺技能，从专业课程体系的角度，加深与强化了专业课程之间的联系，提高了电子技术的专业教学效益，升华了专业教育的综合培养成效。在课程实施方面，运用项目教学、任务驱动的教学方法，理实一体，学做合一，也一改传统的单片机课程教师讲授程序或学生机房敲程序的沉闷教学模式，很好地发挥了教师的主导作用，调动了学生的主体能动性，充分提高了单片机课程的课堂教学效益。

2.部分学生电路组装存在困难，可以通过分组合作学习的方式互补

基于万能板的单片机硬件电路开发，无论从电路复杂性还是从组装工艺技能的要求方面来说，对于中职学生都是一种不小的挑战。不排除少数学生存在电路组装困难，难以制作出合格电路的情况。对于这种情况，因为单片机课程中包括多个项目及相应的项目单元电路，因此各项目电路的制作可以分别处理，一个项目的电路做坏了不成功，下一个项目的电路可以努力争取做好。鼓励学生不因局部电路制作上的挫折放弃整个电路的开发。当然，对于基础性的单片机最小系统电路，宁可放慢一点教学进度，也要尽可能多地引领学生做精做好，这是整个硬件开发板的基础与核心，最小系统不成功，所有的项目程序都无法实验运行。做坏了的学生，可以另发一套电路器材重新做起，尽可能保证所有的学生单片机电路板上的最小系统电路部分制作成功。对于实在不能成功完成电路制作的少数学生，也可以在编程实验环节，采用分组合作的学习方式，在需要硬件电路运行程序时，共用小组成员中其他同学做成功的硬件电路运行自己编写的程序，实现单片机项目任务的全过程开发实践。

3.课时的保障，建议周课时6课时（一学期）以上，或周课时4课时（两学期）

基于万能板的单片机课程教学模式，因为比传统的单片机课程多了硬件电路设计制作的教学内容，因而需要更多的课时保障教学任务的顺利完成。单片机课程的周课时，在只安排一个学期教学时间的情况下，每周课时建议不少于6课时，最好能安排到8课时。在安排一学年两个学期的教学时间的情况下，每周可以安排4课时。课时有保障，教学目标才能够充分达成。

基于万能板的单片机课程硬件开发教学模式，虽然从实践效果上来看有着积极的教学效益，但是也对教师和学生提出了不小的挑战。设计与制作基于万能板的单片机硬件电路不仅对学生的专业技能提出了较高的要求，也对教师的专业技术素养提出了考验！单片机课程的教师，要努力做到理论与实践并重，软件与硬件兼修，这样才能驾驭好基于万能板的单片机课程硬件开发教学模式，推动单片机課程教学改革实践不断走向深入。