基于自主學(xué)習(xí)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引 言

單片機(jī)是高等教育工科電類專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它既有自身的理論體系，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性 [1-2]。在講授該門課程時(shí)，往往采用理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，其中前者為后者提供必要的單片機(jī)理論支撐，后者通過系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證單片機(jī)理論的正確性，兩者相輔相成，使學(xué)生深刻理解單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)及熟練掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)技能。

1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開展方式及問題分析

受高校辦學(xué)理念、人才培養(yǎng)計(jì)劃與硬件設(shè)備條件等因素的影響，目前國(guó)內(nèi)高校在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方面一般采用實(shí)驗(yàn)箱 / 實(shí)驗(yàn)板、虛擬仿真或自制設(shè)備等教學(xué)方法 [3]，其中具體情況及優(yōu)缺點(diǎn)分析如下 ：

(1) 實(shí)驗(yàn)箱 /實(shí)驗(yàn)板。采用專業(yè)儀器設(shè)備公司提供的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱 / 開發(fā)板，具有軟硬件平臺(tái)穩(wěn)定、課程資料齊全、售后技術(shù)支持等優(yōu)勢(shì)，教師備課及上課較輕松，學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課時(shí)往往只需把例程調(diào)用出來運(yùn)行一遍即可，是目前單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)采用最廣泛的一種教學(xué)方式 [4]。但因其硬件資源的有限性及固定性，該教學(xué)方法更適用于單片機(jī)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性、綜合性與擴(kuò)展性不強(qiáng)。

（2）虛擬仿真。采用專業(yè)的單片機(jī)系統(tǒng)仿真軟件（如proteus）能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)及其外圍電路的共同仿真 [5]，具有成本低、易于維護(hù)、不受硬件資源限制、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限或?qū)嶒?yàn)經(jīng)費(fèi)缺乏的學(xué)校。但因仿真只是單片機(jī)系統(tǒng)理想狀態(tài)下達(dá)到的效果，而在實(shí)際應(yīng)用中單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)受到外界的各種干擾，該方法較容易導(dǎo)致學(xué)生仍停留在單片機(jī)理論層面上，動(dòng)手能力仍缺乏，往往達(dá)不到單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)預(yù)期教學(xué)效果。

(3) 自制設(shè)備。由學(xué)生把單片機(jī)和其他外圍元器件焊接在萬(wàn)能板上，學(xué)生以焊接完成的單片機(jī)電路板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 完成課程要求的系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 [6]。該方法能充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，最大化發(fā)揮學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力起積極作用。但因每個(gè)班級(jí)學(xué)生的整體水平參差不齊，往往導(dǎo)致學(xué)生所焊接的單片機(jī)電路板質(zhì)量差別較大，部分焊接技術(shù)及硬件功底差的學(xué)生，他們焊接完成的電路板往往存在較多硬件問題，有些甚至無法正常下載或正常運(yùn)行程序，這無疑直接增加任課老師的工作量， 同時(shí)也是對(duì)任課老師專業(yè)水平和動(dòng)手能力的新考驗(yàn)。

2 單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)構(gòu)建

通過以上內(nèi)容分析，發(fā)現(xiàn)目前常用單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法主要存在以下問題，進(jìn)而影響整體教學(xué)效果 ：采用平臺(tái)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)箱 / 實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生往往只是把廠家提供的實(shí)驗(yàn)程序在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上驗(yàn)證一遍即可，極大限制了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和自主學(xué)習(xí)，特別對(duì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，該方法存在的弊端更加凸顯 ；采用虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生只是實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)電路原理圖的程序仿真，而缺乏對(duì)單片機(jī)實(shí)際硬件電路的認(rèn)識(shí)與調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，不利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力 ；采用由學(xué)生焊接的自制設(shè)備進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，由于學(xué)生專業(yè)技能與動(dòng)手能力差異性較大，容易導(dǎo)致教學(xué)效果兩極分化，即好的更好，差的更差。

為了充分發(fā)揮學(xué)生主觀學(xué)習(xí)能動(dòng)性，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手與創(chuàng)新創(chuàng)造能力，本文充分借鑒目前常用單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，擬在自制設(shè)備實(shí)踐教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，引入自主學(xué)習(xí)理念 [7]，通過對(duì)現(xiàn)有單片機(jī)自主設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，搭建單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，以降低學(xué)生制作單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的難度。學(xué)生在該平臺(tái)上能根據(jù)個(gè)人興趣和能力，自主設(shè)計(jì)和開展常規(guī)性及創(chuàng)新性單片機(jī)實(shí)驗(yàn) [8]，既保證了單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的先進(jìn)性與創(chuàng)造性，又使大部分學(xué)生能夠順利完成學(xué)習(xí)任務(wù)，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)由單片機(jī)核心模塊及若干個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊組成 [9-11]，如圖 1 所示。

圖 1 自主學(xué)習(xí)平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)核心模塊 ：主要包括 AVRAtmega48型號(hào)單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、下載電路等，從單片機(jī)兩側(cè)分別引出 2 排擴(kuò)展接口，用于課內(nèi)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)連接其他功能模塊或課外創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)連接擴(kuò)展模塊。

供電模塊 ：主要包括 DC 接口、自鎖開關(guān)、穩(wěn)壓芯片與濾波電路及必要的擴(kuò)展接口，為整個(gè)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)提供工作電源，同時(shí)也為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)外擴(kuò)模塊提供電源。

鍵盤輸入模塊 ：包括獨(dú)立鍵盤與矩陣鍵盤 2 種鍵盤模式，獨(dú)立鍵盤包括相互獨(dú)立的 8個(gè)按鍵，矩陣鍵盤包括 4行 ×4 列共 16 個(gè)按鍵，分別引出鍵盤的行、列線，用于與單片機(jī)相連，學(xué)生在開展自主實(shí)驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)自身情況選擇其中一種鍵盤輸入方式開展實(shí)驗(yàn)。

LED 顯示模塊 ：主要包括 8 個(gè) LED 及必要外圍電路， 將 8 位 LED 輸入端統(tǒng)一引出來，用于與單片機(jī)相連，能完成單片機(jī)基本 I/O、流水燈、外部中斷、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

數(shù)碼管顯示模塊 ：主要包括共陰或共陽(yáng)的 4 位數(shù)碼管模塊及必要外圍電路，將數(shù)碼管的 4 位位選引腳及 8 位段選引腳分別引出來，用于與單片機(jī)相連，能完成數(shù)碼管顯示、數(shù)字鐘、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

LCD 顯示模塊 ：主要包括 LCD1602 字符型液晶顯示屏及必要外圍電路，能同時(shí)顯示 16 列 2 行共 32 個(gè)字符，將LCD1602 的 16 個(gè)引腳引出來，用于與單片機(jī)相連，能完成字母、數(shù)字、符號(hào)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的顯示。

串行通信模塊 ：主要包括串行通信芯片 MAX232 及必要外圍電路，用于單片機(jī) 5 V TTL 電平到 12 V 電平的轉(zhuǎn)換， 將 MAX232 的 RX（接收端 ）、TX（發(fā)送端）與 GND用9 針串口器件引出，并與電腦串口相連，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電腦的上下位機(jī)通信。

音頻輸出模塊 ：主要包括有源蜂鳴器、三極管放大器及必要外圍電路，將蜂鳴器正極引出來，用于與單片機(jī)相連， 單片機(jī)通過置位高電平實(shí)現(xiàn)音頻輸出。

A/D 采樣模塊 ：主要包括可調(diào)電位器及必要外圍電路， 將電位器的滑動(dòng)端引出來，用于與單片機(jī)的 A/D 引腳相連， 能完成 A/D 采集實(shí)驗(yàn)，如與 LED、數(shù)碼管或 LCD 等模塊結(jié)合使用，還能輸出 A/D 采集結(jié)果。

溫度采集模塊 ：主要包括數(shù)字溫度傳感器 DS12B20 和模擬溫度傳感器 LM35D 及必要的外圍電路 [12]，將溫度傳感器輸出引腳分別引出來，用于與單片機(jī)相連，能實(shí)現(xiàn) 2 種不同溫度傳感量的數(shù)據(jù)采集與分析處理，如與數(shù)碼管或 LCD 等模塊結(jié)合使用，還能輸出溫度值。

該單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)由 PCB 基板及焊接在板上的元器件組成。平臺(tái)的 PCB 由筆者設(shè)計(jì)與繪制，再交付專業(yè) PCB 生產(chǎn)廠家加工完成。PCB 設(shè)計(jì)圖如圖 2 所示。參加單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，根據(jù)任課老師的要求及自身學(xué)習(xí)進(jìn)度，循序漸進(jìn)， 焊接所需模塊，同時(shí)完成模塊間的連線，然后在搭建完成的平臺(tái)上開展單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖 2 自主學(xué)習(xí)平臺(tái) PCB 設(shè)計(jì)圖

3 單片機(jī)自主學(xué)習(xí)開展與效果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)以單片機(jī)模塊為核心，配以常用接口模塊及擴(kuò)展模塊，參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生按照層次化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容教學(xué)方法開展單片機(jī)自主學(xué)習(xí)任務(wù)。

（1）搭建單片機(jī)核心系統(tǒng)，并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。單片機(jī)核心系統(tǒng)主要包括單片機(jī)核心模塊、供電模塊、鍵盤輸入模塊、LED 與數(shù)碼管顯示模塊、A/D 采樣模塊等，可完成單片機(jī)內(nèi)部操作、I/O 輸入輸出、流水燈、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器、外部中斷、鍵盤顯示、A/D 采樣、自收發(fā)串行通信等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。

首先，把單片機(jī)核心系統(tǒng)包括的所有元器件，按照自上到下， 先低后高的原則焊接在 PCB 基板上 ；其次，根據(jù)電路實(shí)現(xiàn)原理，將相關(guān)元器件的引腳用杜邦線連接起來，并進(jìn)行電氣連接正確性檢查 ；最后，編寫相關(guān)功能程序，編譯、下載程序到單片機(jī)后，觀察程序運(yùn)行現(xiàn)象，并記錄、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求修改程序代碼，以實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)效果。

（2）循序漸進(jìn)逐步完成平臺(tái)搭建，開展課內(nèi)拓展性實(shí)驗(yàn)。在單片機(jī)核心系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)進(jìn)度及效果， 以功能模塊為單位，循序漸進(jìn)，逐步把蜂鳴器、串行通信、LCD 顯示、溫度控制等模塊搭建完成，并在已有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展課內(nèi)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，能分別完成單片機(jī)聲頻輸出與控制、上下位機(jī)串行通信、液晶顯示控制、溫度采集與控制等擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（3）學(xué)有余力，開展課外創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。部分基礎(chǔ)扎實(shí)與動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，在完成課內(nèi)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，還可以通過單片機(jī)核心模塊外擴(kuò)部分常用模塊，如溫濕度傳感器、紅外熱釋傳感器、超聲波傳感器、藍(lán)牙、WiFi、GPS定位、ZigBee或 GPRS無線通信等模塊，完成相應(yīng)傳感器的采集傳輸與分析處理，真正做到因材施教，極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)踐教學(xué)的積極性，為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造性人才創(chuàng)造條件。

3.2 實(shí)驗(yàn)效果

單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)實(shí)物如圖 3 所示。

圖 3 自主學(xué)習(xí)平臺(tái)實(shí)物

筆者將該平臺(tái)及方法應(yīng)用在本校電氣專業(yè)的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中，2016—2018 年期間，約 540 位學(xué)生使用該單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證性、綜合性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。每位學(xué)生能根據(jù)自身能力與知識(shí)構(gòu)造，自主搭建及完成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目， 學(xué)有余力的少數(shù)同學(xué)除了完成任課老師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)外， 還能在該平臺(tái)上開展系列拓展性實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新創(chuàng)造性項(xiàng)目。該

單片機(jī)能很好地滿足不同層次學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)需求，達(dá)到了預(yù)期教學(xué)效果。

學(xué)生應(yīng)用本文單片機(jī)平臺(tái)開展自主學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)積極性與動(dòng)手能力明顯提高，2018 年間，學(xué)生課后申請(qǐng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開放人數(shù)比往年增加了約 600 人次 ；學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目及課外科技競(jìng)賽（如挑戰(zhàn)杯、電子設(shè)計(jì)大賽等）的人數(shù)比往年增加了約 20% ；此外，學(xué)生畢業(yè)后從事單片機(jī)開發(fā)工作的比例比往年上升了約 15%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中引入自主學(xué)習(xí)，采用層次化內(nèi)容教學(xué)方法，由學(xué)生獨(dú)立地對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析、探索、實(shí)踐、質(zhì)疑和創(chuàng)造等方法來實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)，不僅實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，滿足了不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求， 真正做到因材施教，還使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，顯著提高了學(xué)生整體的動(dòng)手能力及單片機(jī)整體實(shí)踐教學(xué)效果。