王海濱，辛 穎，楊鐵濱

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

為深入貫徹黨的十八大、十八屆三中全會精神，根據(jù)《教育部農(nóng)業(yè)部國家林業(yè)局關(guān)于推進高等農(nóng)林教育綜合改革的若干意見》要求，推進高等農(nóng)林教育綜合改革，經(jīng)研究，教育部、農(nóng)業(yè)部、國家林業(yè)局共同組織實施“卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計劃”[1-2]?！白吭睫r(nóng)林人才教育培養(yǎng)計劃”致力于改革實踐教學(xué)內(nèi)容，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生綜合實踐能力，建立健全復(fù)合應(yīng)用型卓越農(nóng)林人才培養(yǎng)的質(zhì)量評價體系[3-4]。

《森工裝備工控技術(shù)》課程在森林工程專業(yè)教學(xué)課程培養(yǎng)體系中的地位極為重要，應(yīng)用性很強，能夠提高學(xué)生們的實踐動手能力[5-6]?！渡ぱb備工控技術(shù)》課程以單片機技術(shù)為核心，著重講解單片機技術(shù)在農(nóng)林領(lǐng)域的應(yīng)用，包括在農(nóng)田監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)電氣化、農(nóng)業(yè)機械、農(nóng)產(chǎn)品加工、水利水電工程、農(nóng)業(yè)環(huán)境等農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究與開發(fā)趨勢。目前，單片機種類較多，在實際中均有應(yīng)用，但在教學(xué)中主要講解51系列單片機[7]。STC單片機以其低功耗和卓越的性能在實際中廣泛應(yīng)用，在編程指令和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面和51單片機沒有區(qū)別，可片上在線編程；在使用方面，其性能超過51單片機。因此，向?qū)W生講解和使用新型、性能更為優(yōu)越的單片機，使學(xué)生的專業(yè)知識緊隨時代步伐十分必要的[8]。

學(xué)習(xí)《森工裝備工控技術(shù)》課程，實踐和實驗環(huán)節(jié)必不可少[9]。因此，研制相配套的教學(xué)實驗開發(fā)板相當重要，需要根據(jù)《森工裝備工控技術(shù)》課程教學(xué)大綱，基于STC系列單片機的組成和架構(gòu)，研制出便攜式STC系列單片機教學(xué)實驗開發(fā)板。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強實踐動手能力，在教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生研制便攜式單片機教學(xué)開發(fā)板。首先，依據(jù)教學(xué)大綱，通過理論教學(xué)，使學(xué)生學(xué)會STC系列單片機的組成和工作原理，在指令編程和程序設(shè)計環(huán)節(jié)中講解Keil軟件的設(shè)置與使用。其次，對學(xué)生進行培訓(xùn)，使學(xué)生熟練掌握電子工程師工具軟件——Protel軟件，學(xué)生通過軟件學(xué)習(xí)，掌握如何利用Protel軟件繪制元件原理圖、系統(tǒng)電路原理圖、元器件封裝圖、PCB布線圖以及如何利用網(wǎng)絡(luò)報表文件生成PCB布線圖。最后，進入實驗開發(fā)板研制開發(fā)階段，根據(jù)教學(xué)情況對學(xué)生進行分組，為學(xué)生布置任務(wù)，講解單片機教學(xué)實驗開發(fā)板的工作原理，指導(dǎo)學(xué)生完成對STC系列單片機教學(xué)實驗開發(fā)板的硬件電路設(shè)計和軟件編程、軟硬件聯(lián)調(diào)實驗。下面對STC系列教學(xué)實驗開發(fā)板工作原理、學(xué)生開發(fā)教學(xué)開發(fā)板的過程和學(xué)生課程實驗分別予以介紹。

1 STC系列教學(xué)開發(fā)板的工作原理

STC系列教學(xué)開發(fā)板采用普通+5V電源或5號電池供電，根據(jù)實際需要采用不同的供電方式。系統(tǒng)硬件電路按功能可劃分為：STC系列單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)電路、按鍵顯示電路、數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換電路和譯碼電路。各電路主要功能如下。

1.1 STC系列教學(xué)開發(fā)板核心電路

STC系列教學(xué)開發(fā)板的核心電路以STC89C51RC單片機為核心，由單片機無源晶振電路和按鍵復(fù)位電路組成，附加抗干擾濾波電容和電源插孔，為STC89C51RC單片機提供電源，保證單片機正常工作，同時提供固定頻率的時鐘脈沖，在系統(tǒng)程序運行出錯時，提供按鍵復(fù)位功能，保證程序的正常運行。

1.2 STC系列教學(xué)開發(fā)板按鍵顯示電路

STC系列教學(xué)開發(fā)板按鍵顯示電路主要由開關(guān)電路、按鍵電路、發(fā)光二極管電路、LED顯示電路組成，為教學(xué)裝置提供4個開關(guān)、4個按鍵、5個發(fā)光二極管和1個8段共陽極數(shù)碼管（LED）。主要與STC系列單片機的P0~P3口連接，實現(xiàn)鍵盤信號輸入和控制信號輸出。

1.3 STC系列教學(xué)開發(fā)板譯碼電路

STC系列教學(xué)開發(fā)板譯碼電路以74LS138芯片為核心，通過38譯碼器，實現(xiàn)單片機的端口擴展。通過插排連接，譯碼電路可分別與開關(guān)電路、按鍵電路、發(fā)光二極管電路、LED顯示電路組合拓展STC系列教學(xué)開發(fā)板的功能，為學(xué)生開發(fā)更多的教學(xué)實驗。

1.4 STC系列教學(xué)開發(fā)板數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換電路

STC系列教學(xué)開發(fā)板數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換電路主要由RS232數(shù)據(jù)傳輸電路和串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路組成。設(shè)置STC系列單片機串口工作在方式 0，通過串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路更換74LS164芯片或74LS165芯片可實現(xiàn)串→并數(shù)據(jù)輸出功能或并→串數(shù)據(jù)輸入功能；設(shè)置單片機串口工作在方式1~3，通過串口數(shù)據(jù)傳輸電路可實現(xiàn)單片機數(shù)據(jù)傳輸、多機通訊功能。此外，為避免傳輸信號大幅度衰減，增強系統(tǒng)信號傳輸?shù)膹姸?，實用MAX232作為串口數(shù)據(jù)傳輸電路的信號轉(zhuǎn)換芯片，完成TTL與EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。

2 STC系列教學(xué)開發(fā)板的研制

STC系列教學(xué)開發(fā)板的研制研制過程如下：首先，介紹STC系列單片機教學(xué)實驗開發(fā)板的工作原理，指導(dǎo)學(xué)生完成教學(xué)開發(fā)板電路原理圖的設(shè)計，依據(jù)所設(shè)計的電路原理圖選擇電路元器件，利用Protel軟件繪制教學(xué)實驗開發(fā)板各元器件原理圖和封裝圖的繪制并導(dǎo)入到元件庫和封裝庫中，通過元件庫完成教學(xué)實驗開發(fā)板電路原理圖的繪制，由電路原理圖生成網(wǎng)絡(luò)報表，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)報表生成PCB布線圖文件，向?qū)W生講解PCB布線規(guī)則，由學(xué)生手工布線完成PCB布線圖的繪制，檢查無誤后將PCB布線圖送到工廠加工得到印刷電路板（如圖1所示）。

圖1 學(xué)生研制的印刷電路板

其次，把印刷電路板及相關(guān)的電子元器件分發(fā)給各組，引導(dǎo)同學(xué)根據(jù)電路原理圖和PCB布線圖在印刷電路板上焊接電子元器件，完成實驗開發(fā)板硬件電路的開發(fā)和研制。由于在焊接過程中可能出現(xiàn)漏焊、虛焊、錯焊等問題，需要對實驗開發(fā)板硬件電路進行調(diào)試，在調(diào)試的過程中根據(jù)電路板的工作原理，利用STC系列單片機編程指令開發(fā)實驗開發(fā)板調(diào)試程序，通過程序的運行分析實驗開發(fā)板硬件電路的故障，找出故障原因并進行排除，圖2所示為學(xué)生焊接調(diào)試完成后的實驗開發(fā)板。

圖2 學(xué)生開發(fā)的單片機系統(tǒng)電路板

通過STC系列教學(xué)開發(fā)板研制，學(xué)生能夠熟練地對Protel軟件進行操作，將自己設(shè)計的電路原理圖繪制成PCB布線圖，在電路板調(diào)試的過程中積累的豐富的實踐經(jīng)驗，很好地完成了教學(xué)任務(wù)。

3 STC系列教學(xué)開發(fā)板實驗

在STC系列教學(xué)開發(fā)板研制完成后，授課教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)需要，設(shè)置了表1（P176）所示的《森工裝備工控技術(shù)》課程實驗。根據(jù)表中的實驗項目對各組學(xué)生進行任務(wù)分配，引導(dǎo)學(xué)生分析實驗項目，繪制各實驗項目程序框圖，依據(jù)程序框圖編制實驗程序，生成*.C文件，利用Keil軟件對實驗程序（*.C文件）進行調(diào)試并進行軟件模擬仿真，仿真無誤，對程序進行編譯，生成*.HEX文件，利用PC機里的PC-ISP軟件將程序（*.HEX文件）從上位機下載到下位機——實驗開發(fā)板上 STC系列單片機的 ROM內(nèi)。開啟電源，運行所編譯的程序，進行軟硬件聯(lián)調(diào)，調(diào)試不成功則分析原因，修改程序，重新編譯并下載運行，直至調(diào)試成功為止。

表1 單片機課程實驗項目

通過實驗項目演練，學(xué)生們不僅掌握了利用Keil軟件對單片機進行編程和模擬仿真，而且通過學(xué)習(xí)和交流，對編程中出現(xiàn)的問題能夠很好地解決，掌握單片機開發(fā)流程和軟硬件聯(lián)調(diào)技巧，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，很好地完成了課堂教學(xué)任務(wù)，實現(xiàn)預(yù)期教學(xué)目標。

4 結(jié)語

通過STC系列教學(xué)實驗開發(fā)板的研制和森工裝備工控技術(shù)課程實驗，反映出森工裝備工控技術(shù)課程教學(xué)實驗的真實性，學(xué)生們在STC系列教學(xué)實驗開發(fā)板研制開發(fā)過程中遇到了很多實際問題，通過自己的獨立思考，在解決問題的過程中學(xué)到課本上學(xué)不到的知識，積累了實踐經(jīng)驗。STC系列教學(xué)開發(fā)板實驗提高了學(xué)生的實踐動手能力，使得森工裝備工控技術(shù)課程的理論在實踐中得以融會貫通，促進學(xué)生對理論知識的理解和吸收，取得了良好的教學(xué)效果，為學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和工作奠定了良好的基礎(chǔ)。