单片机微实验与微开发平台设计

引 言

近年来，国内一部分本科院校正处于向应用技术型大学转型的进程中 [1-2]。应用型大学的首要职能是服务社会，为社会培养品格良好、理论功底扎实、具有较强应用实践能力的应用型人才 [3-4]。因此，相关高校及教师也应积极改变教学思路，变革实验教学平台。

单片机的应用非常广泛，许多理工科专业都设置了专门课程。单片机课程教学的特点是实践性比较强 [5]。而传统的单片机实验平台往往侧重单片机本身的功能特性，忽略了实际应用。在实际教学中，很多学生学会了使用单片机，却开发不出实用的系统 [6]。

本文首次提出微实验和微开发的概念，以加速学生工程应用能力的培养。同时在此概念的基础上，设计了一款便于学生掌握单片机原理及其应用的单片机微实验与微开发平台。

1 微实验与微开发的概念

所谓微开发，就是针对特定专业或课程，将具有代表性的技术进行一定程度的简化，并集成到一个小型平台上，使学生通过该平台即可对相应专业或课程建立较为系统的认识，同时又能学习使用相关技术进行较小规模的应用开发。在这种小型平台下进行的特定技术实验称为微实验，能够进行微实验与微开发的小型平台简称为双微平台。

微实验与微开发的概念兼顾了基础学习和高端开发两个方面。刚刚接触相关课程的学生可在双微平台上进行微实验，从而快速入门 ；已经具备一定基础的学生则可进行微开发，实现系统级的高端设计。经过这两个层面的训练，学生可见微知著，在一个简化后的小型平台上体会到生产或生活中的真实场景。

2 单片机双微平台

单片机的应用已渗透到生产或生活的较多领域，相关专业对单片机的教学也非常重视。因此，本文基于微实验与微开发的概念，针对单片机课程的实践教学，设计了单片机双微平台。

2.1 系统设计

在实际生产或生活中，只用单片机尚无法实现一个实用的产品，必须包括其他功能单元，如传感器单元、输出单元或执行单元等。因此，为了使单片机双微平台更加贴近实际应用，各种常见的电子电路单元被集成到平台上，并且在所有单元都实现其功能的前提下做了简化。这些功能单元包括温度传感器、光照传感器、红外传感器、显示器、语音电路、电源、电机及其驱动器、继电器和无线通信等。单片机双微平台示意图如图 1 所示。

2.2 硬件组成

本文平台以当下主流的高性能单片机 STM32F407 为核心 [7]；温度传感器采用 DS18B20 ；光照强度传感器采用BH1750；避障传感器采用红外对管 ；语音电路采用集成MP3 音频编解码技术的 YX5200-24SS；电机采用 25GA370 直流减速电机，可在较小的功耗下实现大扭矩，且驱动电路简单，仅用 SOP8 封装的 L9110S 即可 ；继电器采用松乐SRD-03VDC-SL-C，3V电压即可驱动线圈 ；无线通信采用nRF24L01模块，单片机无需运行复杂的通信协议。单片机双微平台硬件系统框图如图 2 所示。

                                                                                                                                                                       图 2 单片机双微平台硬件系统框图

此外，平台利用 2个直流电机和 1个万向轮将 PCB支撑起来，形成一个可移动的小车，平台的实际尺寸为 ：长19.5cm，宽 22.0cm，高 6.5cm，效果图如图 3所示。各个传感器也与 PCB有机结合，6组红外避障传感器分布于 PCB 前后左右四个方向，4 个光照传感器和 3个温度传感器分布式放置，形成传感器阵列。平台可采用单节动力锂电池供电， 配有 Boost型升压电源，用于驱动电机。平台的各个功能单元有机结合，形成一套能够满足系统级开发的功能单元组合。

3 结 语

本文提出了微实验与微开发的概念，并设计了一款针对单片机原理及其应用课程的双微平台。在该平台下，可进行多种微实验与微开发，使学生逐步建立单片机实际应用的系统级认识。平台设计巧妙，方便实用，实验室建设成本低， 有助于高校培养具有工程应用能力的应用技术型人才。