本站原创本论文是一篇关于实验教学方面本科毕业生论文,关于应用型本科院校单片机实验教学设备自制相关研究生毕业论文开题报告范文。免费优秀的关于实验教学及单片机及课程设计方面论文范文资料,适合实验教学论文写作的大学硕士及本科毕业论文开题报告范文和学术职称论文参考文献下载。
摘 要 ：分析了应用型本科院校单片机实验设备的不足,提出了实验灵活、模块分明、扩展性好、维护方便的基于8051单片机实验教学平台的设计方案,详细叙述了单片机实验平台的硬件开发与实验讲义的编写.通过单片机实验平台的开发与探讨,不仅提高了教师的科研能力,也锻炼了学生的实践能力,这符合应用型本科院校的教学模式与培养要求.
关 键 词 ：单片机；实验教学；实验平台
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0192-02
实验教学是高等教育教学活动的一个重要且不可代替的环节,特别是以培养应用型技术人才为主要目标的应用型本科院校,实验教学则变得更为重要.实验教学不仅可以让学生加深对所学理论知识的掌握,同时也是提高学生实践能力及创新能力的重要途径.实验设备是实验教学的基础,也是实验室建设的主要内容,[1]因此,选择一套适合教学、合适学生使用的实验设备显得特别重要.
“单片机原理及应用”是大部分电类专业必学的课程,其理性论和实践性很强,教学中包含了大量的实验教学.要使学生真正掌握并运用知识,只有通过亲自动手实践,单片机实验设备已成为主要的实践工具.目前高校的单片机实验设备主要以箱式的成套设备为主,其存在以下问题：一是价格相对较高；二是实验电路死板,实验灵活性和可扩展性降低,开发软件单一,实验平台升级困难；三是实验平台出故障难排除,维护的难度大、周期长.[2]
针对以上问题,笔者根据多年的单片机实验教学经验,带领学生自行开发了一套适合贺州学院学生使用的基于MCS-51单片机的实验平台,通过实验平台的开发不仅使学生的动手能力得到了很大提高,也使教师的科研能力得到了锻炼,效果良好.
一、实验平台设计思想
单片机实验设备一般分为两种：一是单片机实验开发板,二是单片机实验箱.实验开发板面积较小,实验内容少,成本低且便于携带,适用于个人或资金不多的开发者使用.实验箱实验内容丰富,实验电路相对比较复杂,携带不方便,且造价比较高,适合院校实验室教学使用.为了解决贺州学院单片机实验设备少的问题,降低实验室的建设成本,开发了一套适合贺州学院单片机实验教学的单片机实验设备.在设计单片机实验箱电路时,如果把所有的电路单元都集中在一块电路板上,会造成布线混乱,分析硬件电路困难,实验箱出故障难排除,维护的难度大、周期长等问题.因此,通过对以往实验模式进行分析,把实验箱进行模块化设计,即“总线+模块”和“底板+模块”的设计.需要在某个模块做实验时使对应模块与单片机母板相连接.这种设计方法既可以解决单片机接口资源少的问题,也可以降低实验设备的故障率,同时学生还可以利用各种模块进行相关课程的课程设计,必要时还可以带出实验室使用.
模块化的设计思想对于单片机硬件设计有着很重要的作用,在较复杂的项目设计中模块化设计显得尤为重要.模块化设计不仅可以优化电路,还可以提高设计效率.因此,模块化设计思想的培养在单片机课程教学实践中应该具有十分重要的地位,本实验平台的设计也体现了模块化设计的特点.
二、实验内容的设计与安排
单片机课程涉及知识面广,实践案例丰富,结构层次也比较清晰.在确定单片机实验平台的设计方案前,应根据单片机课程的特点对实验内容进行设计和安排.根据贺州学院单片机实验教学及学生的特点,将实验教学的内容安排为基础篇、提高篇、综合篇三个部分.本实验平台也将围绕这三个部分进行设计.
1.基础篇
MCS-51单片机的基础知识主要包括CPU、存储器、RAM、输入输出、中断系统、定时计数器、串口、汇编指令系统等.对于基本篇的实验主要针对输入输出接口、中断系统、定时/计数器、串口设计了几个比较简单的基础实验,使学生们对单片机有了最基本的了解.
2.提高篇
学生通过基础知识的学习,对单片机有了一定的了解,接下来安排一些模块实验来提高学生对单片机的认识.提高篇实验主要是从应用的角度出发,选择一些典型的模块电路,具体包括：A/D、D/A转换器的使用；单片机系统扩展；液晶显示器LCD1602、LCD12864的使用；16×16点阵显示的使用；直流、步进电机的使用；I2C总线的使用；单总线的使用等.
3.综合篇
为了培养学生的综合应用能力,实验箱安排了综合设计实验,这些实验都是对前面做过的部分实验模块的综合,如多功能万年历、温度控制系统等.当然为了满足学生不同实验课题的需要,学生也可以对单片机实验箱提供的模块根据需要组合起来进行综合设计,或者学生可以自行设计外设模块再用到实验平台上做实验.
三、实验平台设计方案
1.总体方案
采用“底板+模块”的结构布局,把单片机实验所需要运行的最小系统和接口都设计在底板上,把单片机外设模块都设计在小电路板上,这样小模块电路板可以灵活接线或者移动,还可以借出实验室供学生进行相关课外设计.同时还可以让同学自己设计模块电路,接到单片机实验箱上来扩展实验内容.实验平台硬件核心为单片机最小系统,其总体结构如图1所示.
2.实验平台的布局
“总线+模块”的设计思想和实验灵活性强、扩展性好的设计要求决定了本单片机实验平台的结构布局为“底板+模块”.
实验平台把单片机最小系统、下载接口、通信接口设计在底板上,一些常用的并口LED指示灯、独立键盘、蜂鸣器和继电器等比较简单的电路也一起设计在底板上.对于通用性好、比较复杂的电路则设计为模块,只要插在底板的接口上就可以进行相关实验.
3.实验平台接口
（1）数据下载接口.单片机的数据下载方法有很多,常用的有JTAG下载线、并口下载线和USB转ISP下载线等,根据现在的PC机常用接口及实验平台的要求,选择USB转ISP形式的下载接口. （2）模块连接接口.实验箱的设计主要针对8051系列单片机,但由于单片机的种类很多,为了更好地兼容其他的单片机,单片机的插座采用了紧锁器以便扩展使用.比如通过设计一块R转接板,与紧锁器链接后,就可以使用实验板上的模块进行R单片机实验.
为了增强实验的灵活性,实验模块设计成可插拔式,同时为了减少实验的接线,在底板的模块接口附近安排了两排并行排针,一排接单片机I/O接口,另一排接模块的接口,做实验时接上默认的跳线即可.当然为了使实验更灵活、方便也可以不采用默认的连接方法而通过连接单片机的其他I/O口进行实验.
4.开发软件和工具选择
（1）开发软件.单片机常用的编程语言有汇编语言和C语言.为了兼顾学生不同的喜好和学习需要,选择两种语言开发平台.汇编语言的开发环境选择伟福,C语言的开发环境选择Keil uVision3.为了让学生更好地理解单片机的硬件知识和单片机指令系统,基础篇实验使用汇编语言进行教学,开发环境使用伟福.为了降低开发难度并让学生更好地理解软件的模块化编程思想,提高篇和综合篇的实验使用C语言进行教学,开发环境使用Keil uVision3.由于下载工具选用USB转ISP下载线,所以下载工具的软件选择R_fighter.
（2）辅助工具.LCD12864显示模块的实验和点阵显示模块的实验中要用到字模生成工具,选择字模提取软件V2.2.在进行单片机与PC及通讯时要用到串口调试工具,选择了串口调试助手V2.1.在实验过程中先利用软件仿真,再在系统调试,因此选择Proteus仿真软件.
5.实验讲义编排
一套好的实验开发平台,一册与之相配套的实验讲义非常重要.学生可以通过实验讲义有针对性的提前预习,实验时可以把大部分时间用于实验操作上,较好地提高了实验课的效率.因此,本实验平台也编写了配套的实验讲义,讲义的基本结构编排如下：一是实验要求――使学生了解自己的实验任务；二是实验目的――使学生明确进行该实验的目的；三是实验电路及连线――让学生学习该实验的设计原理及硬件知识；四是实验程序设计框图――辅助学生进行该实验的程序设计,并学习编程方法；五是实验说明――辅助学生进行实验操作、学习该实验的设计方法等关键问题做说明.
四、实验平台开发模式
实验平台开发项目组成员由负责单片机理论与实验教学的教师和有一定开发经验的学生组成.教师承担项目负责人的角色,负责实验平台的总体设计,合理安排工作进度.两个团队负责项目的具体实施：一个团队负责硬件开发,另一个团队负责对平台的各个模块的综合测试与实验讲义的编写.项目组成员从自己实验教学与学习过程中的切身体验出发,分析同类实验设备的优缺点,根据教学实践的具体需求对方案进行论证并具体实施.通过该项目的开发,不仅提高了教师的科研能力,也锻炼了学生的动手、实践能力,符合应用型本科院校的教学模式与要求.
五、结语
通过教学实践发现,与购买的实验教学平台对比,自行开发的实验平台由学生使用、学生维护,这既可以提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,又可以满足单片机实验教学、单片机课程设计和大学生课外创新活动的需要,同时又节省了学校的实验室建设与维护经费,在教学中取得了良好的效果.