創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研制淺說(shuō)及實(shí)現(xiàn)

　　摘 要：介紹了一個(gè)自行研制開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合多年來(lái)積累的計(jì)算機(jī)及相關(guān)學(xué)科實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，吸納當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域幾項(xiàng)較為先進(jìn)實(shí)用的技術(shù)，打破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱式實(shí)驗(yàn)手段，采用開(kāi)放、獨(dú)立、直觀的實(shí)驗(yàn)板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，取得了良好的教學(xué)效果。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)先進(jìn)、種類(lèi)齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、直觀效果好等特點(diǎn)，體現(xiàn)了重視培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思想的理念，能夠有效地提高學(xué)生工程實(shí)踐的能力。詳細(xì)闡述了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、特點(diǎn)，完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并給出典型實(shí)例。

　　關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué);計(jì)算機(jī);控制

　　高校實(shí)驗(yàn)室是培育高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要基地，是傳承文化、創(chuàng)新知識(shí)的重要場(chǎng)所，在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的進(jìn)程中，負(fù)有重要的歷史使命” 。為了加快培養(yǎng)創(chuàng)新型科技人才，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和社會(huì)需求為重點(diǎn)，結(jié)合多年來(lái)積累的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)及相關(guān)學(xué)科本、專(zhuān)科學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，以及當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域較為先進(jìn)、實(shí)用的幾項(xiàng)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)方法和手段，采用了開(kāi)放、獨(dú)立、靈活、直觀、學(xué)生可自選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)板結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念，在國(guó)內(nèi)率先研制開(kāi)發(fā)了一套先進(jìn)、完整、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。年初已經(jīng)通過(guò)學(xué)校驗(yàn)收，并交付計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)07級(jí)500多名學(xué)生“計(jì)算機(jī)控制”實(shí)驗(yàn)課使用，受到廣大同學(xué)重視，探索求知與動(dòng)手實(shí)踐的積極性高漲，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著。

　　1、系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

　　實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容須具有科學(xué)性和先進(jìn)性 ，本套實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(LED顯示和段碼液晶顯示2種)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖形液晶顯示)和音頻量化與還原、超聲波測(cè)距與溫度控制、光照度與日歷時(shí)鐘應(yīng)用、多機(jī)通信、LED點(diǎn)陣顯示、步進(jìn)電機(jī)控制與直流電機(jī)調(diào)控、重量測(cè)量與精度分析實(shí)驗(yàn)板等多種外圍實(shí)驗(yàn)板及通信電纜和應(yīng)用軟件構(gòu)成，其功能具體如下：

　　(1)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括LED主板和段碼液晶 主板。這是一個(gè)功能完整的單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)板，包含3個(gè)數(shù)碼管顯示單元和2個(gè)輸入開(kāi)關(guān)，還有8個(gè)LED燈用來(lái)顯示內(nèi)部信號(hào)狀態(tài)以利于調(diào)試。該實(shí)驗(yàn)板使用專(zhuān)用電纜與Pc機(jī)通信，具有程序下載調(diào)試功能，并且具有標(biāo)準(zhǔn)接口，能夠支持簡(jiǎn)單的外圍設(shè)備。

　　(2)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖形液晶顯示)。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除具有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的功能外，還包括一個(gè)液晶點(diǎn)陣顯示屏，可以顯示復(fù)雜的圖形和文字 。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的CPU具有64 KB存儲(chǔ)單元，外部接口功能全面，可以支持各種復(fù)雜功能的外圍設(shè)備。

　　(3)音頻量化 與還原實(shí)驗(yàn)板。該實(shí)驗(yàn)板與基礎(chǔ)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合，能夠進(jìn)行音頻信號(hào)的轉(zhuǎn)化、量化、存儲(chǔ)和還原等操作，能夠存儲(chǔ)不超過(guò)10 S的音頻信號(hào)，還可以完成聲音多媒體等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

　　(4)步進(jìn)電機(jī)控制和直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)板。該實(shí)驗(yàn)板安裝有適合實(shí)驗(yàn)使用的小功率步進(jìn)電機(jī) 和直流電機(jī)。它不僅能夠以單相、雙相、單雙相等多種方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，而且能夠以PWM 方式驅(qū)動(dòng)直流電機(jī) 。

　　(5)超聲波測(cè)距與溫度控制實(shí)驗(yàn)板。該實(shí)驗(yàn)板能夠發(fā)送和接收一定頻率的超聲波，完成超聲波測(cè)距等實(shí)驗(yàn) 。同時(shí)，由于它包括一個(gè)由熱電阻和集成溫度傳感器構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)，所以還可以進(jìn)行溫度控制，I c總線傳輸，閉環(huán)溫度控制等實(shí)驗(yàn)。

　　(6)光照度與日歷時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)板。該實(shí)驗(yàn)板具有獨(dú)特的光照度傳感器單元和基于I C總線的Et歷時(shí)鐘芯片，能夠完成光照度測(cè)量 等實(shí)驗(yàn)，并可與其他實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合，增加定時(shí)、鬧鐘等功能。

　　(7)LED點(diǎn)陣實(shí)驗(yàn)板 。該實(shí)驗(yàn)板具有l(wèi)6×16的LED點(diǎn)陣顯示單元，能夠以掃描方式顯示各種圖形和文字。

　　(8)多機(jī)通信實(shí)驗(yàn)板。該實(shí)驗(yàn)板能夠?qū)⒍鄠�(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)連接在一起，完成多機(jī)協(xié)作、上下級(jí)處理等任務(wù)川 。

　　2、系統(tǒng)的先進(jìn)性及特點(diǎn)

　　該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是突出學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，除保留必要的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，增加綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研相融合，把我們?cè)诠�業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中取得的各種科研成果，及先進(jìn)的控制算法引入實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，將科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備;由模塊化實(shí)驗(yàn)板組成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)靈活、直觀、易組合擴(kuò)展，實(shí)用性強(qiáng)，屬?lài)?guó)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)，具有鮮明的特點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)使用先進(jìn)的具有ISP功能的STC(51系列)單片機(jī)作為主CPU，通過(guò)1條專(zhuān)用電纜線與Pc機(jī)USB口相連，通過(guò)RS一232接口把Pc機(jī)上編譯好的目標(biāo)代碼以ISP方式下載到該系統(tǒng)中，在Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行程序仿真、調(diào)試及ISP下載。

　　(1)單片機(jī)的選擇。STC系列單片機(jī)具有速度快、功能強(qiáng)、低功耗、價(jià)格低Flash存儲(chǔ)器從4～64 KB任選，并具有ISP、IAP、內(nèi)部E PROM功能等優(yōu)點(diǎn);

　　(2)USB接口供電。從USB接口竊電(PC機(jī)USB接口可提供電源：+5V/O.5A)整體設(shè)備耗電低，節(jié)約環(huán)保，同時(shí)對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤操作具有保護(hù)性，避免了短路造成的設(shè)備損毀;

　　(3)RS一232接口。設(shè)計(jì)統(tǒng)一的接口，可以兼容不同的外圍設(shè)備需求;

　　(4)ISP方式下載。方便、快捷，省去了常規(guī)的臺(tái)式直流穩(wěn)壓電源及編程器等設(shè)備;

　　(5)Keil編譯軟件。該軟件提供了很強(qiáng)的軟件仿真功能，支持匯編和c語(yǔ)言;

　　(6)單片機(jī)主系統(tǒng)集成兩種顯示單元，能夠完成若干實(shí)驗(yàn)。

　　創(chuàng)新開(kāi)發(fā)平臺(tái)除具有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)功能外，包含圖形液晶顯示等較為復(fù)雜的顯示單元。能夠支持較為復(fù)雜的顯示需求，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在滿足常規(guī)教學(xué)需要的同時(shí)還可以進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等。

　　3、系統(tǒng)完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)例

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容新穎，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)先進(jìn)，實(shí)用性強(qiáng)，屬?lài)?guó)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)并率先使用，具有鮮明的特點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完全能夠滿足計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、計(jì)算機(jī)軟硬件、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、自動(dòng)化、儀器科學(xué)與電氣工程等專(zhuān)業(yè)本、專(zhuān)科學(xué)生實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。利用本系統(tǒng)，可以開(kāi)設(shè)并完成多個(gè)單片機(jī)控制相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

　　3.1 典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

　　3.2 實(shí)例—— 超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)

　　超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)。其設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)了多年在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中取得的成果。主要應(yīng)用于倒車(chē)提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等距離測(cè)量，目前測(cè)距量程上可達(dá)百m，測(cè)量精度一般能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。這對(duì)于促進(jìn)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的改革，將高水平的科研成果轉(zhuǎn)化為高水平的教學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種有益的嘗試。

　　超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)中的超聲波測(cè)距具有易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)物體不需直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是非接觸測(cè)距的理想手段，廣泛應(yīng)用于測(cè)距精度要求不高的場(chǎng)合。超聲在空氣中傳播速度為340m/s，測(cè)量超聲波發(fā)射后遇到被測(cè)物體反射回來(lái)的時(shí)間差即可計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到被測(cè)物的距離 。

　　本實(shí)驗(yàn)使用的是STC89C5 16RD+的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板。本實(shí)驗(yàn)中，利用單片機(jī)的P1.1發(fā)出40 kHz的方波脈沖，經(jīng)過(guò)放大后輸出到超聲波發(fā)生器，產(chǎn)生超聲波。超聲波接受部分將接受到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、過(guò)濾等，最后輸出到鎖相電路中，產(chǎn)生INT0 外部中斷(邊沿觸發(fā)方式)。內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以通過(guò)計(jì)算得到準(zhǔn)確距離，由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算和顯示。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)距范圍為50～200 cnl，測(cè)量誤差約為±2 cm。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有基礎(chǔ)性、實(shí)用性、先進(jìn)性、多用性和可擴(kuò)展性，綜合性強(qiáng)，內(nèi)容覆蓋面廣，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完全能夠滿足計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、計(jì)算機(jī)軟硬件、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、自動(dòng)化、儀器科學(xué)與電氣工程等專(zhuān)業(yè)本、專(zhuān)科學(xué)生實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。

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