单片机原理及应用教学项目设计

王艳林　李东

摘要：单片机原理及应用是测控技术与仪器等专业中很重要的一门专业技术基础课，它是一门面向应用的、具有很强的实践性与综合性的课程，特别适合项目驱动式的学习过程，设计了单片机原理及应用教学实践项目。此项目的设计既要涵盖单片机教学的主要内容，又要具有很好的扩展性，满足多种测控系统的设计需要，还要反映测控技术与仪器专业的特点，全面培养学生的专业能力，提高学生的测控系统设计、实践能力。

关键词：单片机；教学；项目驱动

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）20-0064-02

一、引言

单片机是把一个计算机系统集成到一个芯片上，广泛应用于家用电器、智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、军工等领域，在社会生活中具有极其重要的作用。单片机原理及应用是测控技术与仪器专业中一门重要的综合性很强的专业基础课程，并且与多门课程深度相关，如电工基础、电子技术基础、传感技术、微机原理及应用、控制工程基础、测控電路设计、智能仪器设计等。同时本门课程具有极强的综合性、实践性的特点，对于培养学生的实验能力具有重要作用。基于单片机教学的重要性，全国各校也一直在进行关于单片机的教学方式、方法改革，主要的改革方向均是增强单片机教学的实践能力，在课堂教学的基础上，加强实践教学，主要的方式包括：（1）加强实验环节；（2）增加综合性实验；（3）加课程设计环节；（4）设计单独的实践环节。项目驱动型是近年来比较受到认可的一种教学方式。项目教学法是在教师的指导下，学生设计一个相对独立的项目，围绕着项目组织和开展教学，由学生提出设计目标，完成项目的调研，在教师的指导下，形成设计方案，完成项目的设计及调试，并完成项目报告。对于培养学生的专业能力、信息收集能力、团队合作及写书面报告的能力等均有很大的帮助。项目教学法可将相关学科中的知识内容通过单片机作为核心，转化为若干个教学项目，使得学生在完成项目的过程中可以从知识体系的角度对本专业有深刻的认识。基于测控技术与仪器专业的特点，项目的设计要尽可能与本专业重要的知识内容相结合，可以综合学生所学的电路、数字电路、模拟电路、编程语言、仪器电路、光电检测技术、传感器等多门基础课和专业基础课的知识，培养学生进行智能化电子系统整体设计能力。为此，本文设计了单片机教学实践平台项目，尽可能适应多种类型的传感器，可以完成多种类型的测控系统，全面培养学生的设计、实践能力。

二、单片机实践教学系统组成

教学系统的设计既要满足学生学习单片机的需要，也为学生建立符合测控技术与仪器专业培养方向的测控系统提供了足够的空间；既为学生学习本专业的相关课程提供了一个平台，也为学有余力的学生提供了更多深入学习的条件；既保留了目前教学过程中经典的教学内容，也要对实际应用领域中广泛使用的新技术予以足够的重视。系统主要组成如图1所示。

教学实践平台以ADUC842单片机为核心，设计了存储器扩展、人机接口、模拟信号处理电路、数字量输入输出电路、无线通信、驱动电路等，同时可通过串口电路连接GPS、GPRS、485等在测控系统中广泛应用的技术，同时设计多种类型传感器供学生组成不同类型的测控系统。

三、单片机实践教学系统电路设计

1.CPU电路设计。CPU选择ADuC842作为主控CPU，ADuC842是ADI公司生产的具有8051内核的模拟单片机，集成了丰富的片上资源，它具有3个16位定时器/计数器、62KB片内电擦除程序存储器、4KB片内电擦除数据存储器、2304B片内数据RAM、8通道12位高精度ADC、2个12位DAC、12个中断源、看门狗定时器和电源监视器，同时还集成了UART、I2C和SPI串行接口，既可满足学生学习的需要，也是一种功能强大的可广泛应用的新型单片机。

2.模拟信号及数字信号输入输出电路设计。由于ADuC842单片机具有8通道12位A/D转换器及2路12位D/A转换器，可以满足大多数的系统应用，因此只需要利用运放设计放大电路，用于和传感器输入的信号进行匹配即可。数字量输入输出采用光藕TLP281-4进行光电隔离，一方面可以起到保护作用，同时也可以匹配外接电路和各种电平，为测控系统设计提供更多的灵活性。

3.人机接口电路。人机接口电路采用了单片机电路最常用的键盘、数码管管理器件HD7279作为核心电路，设计了3×4的小键盘及四位数码管，可以满足测控的基本需要，同时还设计了液晶接口，可设计出更丰富的界面。

4.通信电路设计。测控系统的通信主要分为有线和无线两种，对于有线系统设计了最常用的RS232接口及广泛应用于测控系统中的RS485总线。无线通信采用了基于无线数据传输模块的通信接口设计，工作于433MHz频段，具有工作频道的设置和发送、接收、待机状态等工作模式可短距离无线传输，具有抗干扰性能强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装灵活等优点，在许多领域有着广泛的应用前景。同时为满足测控系统远程通信的需求，设计了基于GPRS通信模块的接口。GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、支持TCP/IP协议，可以直接与Internet互通，具有广泛应用。

5.典型应用电路设计。串行总线是现代测控系统中应用最广泛的技术，为使学生学习到应用最广泛的单片机系统的串行片内互连技术，采用了三种总线设计了外围电路，分别是：DS18B20是基本于单总线的温度传感器、DS1302是基于SPI总线的日历时钟芯片、AT24C02是基于二线串行总线的EEPROM芯片。传感器是单片机测控系统中最重要的组成部分，为了与测控专业的其他课程相衔接，分别采用了多种原理设计的传感器，如电阻型、电感型、电容型、压电型等传感器，特别重视光电式传感器的应用。

四、单片机实践教学项目应用

本单片机实践教学系统可应用于单片机的教学实践中，让学生自己组队，根据自己的兴趣，调研并确定题目，尽可能利用教学系统所提供的资源，形成自己的设计方案，设计测控系统、调试电路、调试程序，完成一个可包含光、机、电的测控系统，在学习单片机的过程中，学习测控系统开发的整个过程，对本专业有更深刻的认识。