單片機(jī)微實(shí)驗(yàn)與微開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

引 言

近年來，國內(nèi)一部分本科院校正處于向應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中 [1-2]。應(yīng)用型大學(xué)的首要職能是服務(wù)社會(huì)，為社會(huì)培養(yǎng)品格良好、理論功底扎實(shí)、具有較強(qiáng)應(yīng)用實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才 [3-4]。因此，相關(guān)高校及教師也應(yīng)積極改變教學(xué)思路，變革實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，許多理工科專業(yè)都設(shè)置了專門課程。單片機(jī)課程教學(xué)的特點(diǎn)是實(shí)踐性比較強(qiáng) [5]。而傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)往往側(cè)重單片機(jī)本身的功能特性，忽略了實(shí)際應(yīng)用。在實(shí)際教學(xué)中，很多學(xué)生學(xué)會(huì)了使用單片機(jī)，卻開發(fā)不出實(shí)用的系統(tǒng) [6]。

本文首次提出微實(shí)驗(yàn)和微開發(fā)的概念，以加速學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。同時(shí)在此概念的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款便于學(xué)生掌握單片機(jī)原理及其應(yīng)用的單片機(jī)微實(shí)驗(yàn)與微開發(fā)平臺(tái)。

1 微實(shí)驗(yàn)與微開發(fā)的概念

所謂微開發(fā)，就是針對(duì)特定專業(yè)或課程，將具有代表性的技術(shù)進(jìn)行一定程度的簡化，并集成到一個(gè)小型平臺(tái)上，使學(xué)生通過該平臺(tái)即可對(duì)相應(yīng)專業(yè)或課程建立較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)又能學(xué)習(xí)使用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行較小規(guī)模的應(yīng)用開發(fā)。在這種小型平臺(tái)下進(jìn)行的特定技術(shù)實(shí)驗(yàn)稱為微實(shí)驗(yàn)，能夠進(jìn)行微實(shí)驗(yàn)與微開發(fā)的小型平臺(tái)簡稱為雙微平臺(tái)。

微實(shí)驗(yàn)與微開發(fā)的概念兼顧了基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和高端開發(fā)兩個(gè)方面。剛剛接觸相關(guān)課程的學(xué)生可在雙微平臺(tái)上進(jìn)行微實(shí)驗(yàn)，從而快速入門 ；已經(jīng)具備一定基礎(chǔ)的學(xué)生則可進(jìn)行微開發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的高端設(shè)計(jì)。經(jīng)過這兩個(gè)層面的訓(xùn)練，學(xué)生可見微知著，在一個(gè)簡化后的小型平臺(tái)上體會(huì)到生產(chǎn)或生活中的真實(shí)場景。

2 單片機(jī)雙微平臺(tái)

單片機(jī)的應(yīng)用已滲透到生產(chǎn)或生活的較多領(lǐng)域，相關(guān)專業(yè)對(duì)單片機(jī)的教學(xué)也非常重視。因此，本文基于微實(shí)驗(yàn)與微開發(fā)的概念，針對(duì)單片機(jī)課程的實(shí)踐教學(xué)，設(shè)計(jì)了單片機(jī)雙微平臺(tái)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)或生活中，只用單片機(jī)尚無法實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)用的產(chǎn)品，必須包括其他功能單元，如傳感器單元、輸出單元或執(zhí)行單元等。因此，為了使單片機(jī)雙微平臺(tái)更加貼近實(shí)際應(yīng)用，各種常見的電子電路單元被集成到平臺(tái)上，并且在所有單元都實(shí)現(xiàn)其功能的前提下做了簡化。這些功能單元包括溫度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、顯示器、語音電路、電源、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、繼電器和無線通信等。單片機(jī)雙微平臺(tái)示意圖如圖 1 所示。

2.2 硬件組成

本文平臺(tái)以當(dāng)下主流的高性能單片機(jī) STM32F407 為核心 [7]；溫度傳感器采用 DS18B20 ；光照強(qiáng)度傳感器采用BH1750；避障傳感器采用紅外對(duì)管 ；語音電路采用集成MP3 音頻編解碼技術(shù)的 YX5200-24SS；電機(jī)采用 25GA370 直流減速電機(jī)，可在較小的功耗下實(shí)現(xiàn)大扭矩，且驅(qū)動(dòng)電路簡單，僅用 SOP8 封裝的 L9110S 即可 ；繼電器采用松樂SRD-03VDC-SL-C，3V電壓即可驅(qū)動(dòng)線圈 ；無線通信采用nRF24L01模塊，單片機(jī)無需運(yùn)行復(fù)雜的通信協(xié)議。單片機(jī)雙微平臺(tái)硬件系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。

                                                                                                                                                                       圖 2 單片機(jī)雙微平臺(tái)硬件系統(tǒng)框圖

此外，平臺(tái)利用 2個(gè)直流電機(jī)和 1個(gè)萬向輪將 PCB支撐起來，形成一個(gè)可移動(dòng)的小車，平臺(tái)的實(shí)際尺寸為 ：長19.5cm，寬 22.0cm，高 6.5cm，效果圖如圖 3所示。各個(gè)傳感器也與 PCB有機(jī)結(jié)合，6組紅外避障傳感器分布于 PCB 前后左右四個(gè)方向，4 個(gè)光照傳感器和 3個(gè)溫度傳感器分布式放置，形成傳感器陣列。平臺(tái)可采用單節(jié)動(dòng)力鋰電池供電， 配有 Boost型升壓電源，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。平臺(tái)的各個(gè)功能單元有機(jī)結(jié)合，形成一套能夠滿足系統(tǒng)級(jí)開發(fā)的功能單元組合。

3 結(jié) 語

本文提出了微實(shí)驗(yàn)與微開發(fā)的概念，并設(shè)計(jì)了一款針對(duì)單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程的雙微平臺(tái)。在該平臺(tái)下，可進(jìn)行多種微實(shí)驗(yàn)與微開發(fā)，使學(xué)生逐步建立單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)認(rèn)識(shí)。平臺(tái)設(shè)計(jì)巧妙，方便實(shí)用，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本低， 有助于高校培養(yǎng)具有工程應(yīng)用能力的應(yīng)用技術(shù)型人才。