創(chuàng)新型計算機控制實驗教學系統(tǒng)的研制淺說及實現(xiàn)
摘 要：介紹了一個自行研制開發(fā)的計算機控制實驗教學系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合多年來積累的計算機及相關學科實踐教學的特點，吸納當前計算機應用領域幾項較為先進實用的技術(shù)，打破傳統(tǒng)的實驗箱式實驗手段，采用開放、獨立、直觀的實驗板結(jié)構(gòu)的設計理念，取得了良好的教學效果。該實驗教學系統(tǒng)具有設計先進、種類齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、直觀效果好等特點，體現(xiàn)了重視培養(yǎng)學生創(chuàng)新思想的理念，能夠有效地提高學生工程實踐的能力。詳細闡述了實驗系統(tǒng)的構(gòu)成、功能、特點，完成的實驗項目，并給出典型實例。
關鍵詞：實驗教學;計算機;控制
高校實驗室是培育高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要基地，是傳承文化、創(chuàng)新知識的重要場所，在建設創(chuàng)新型國家的進程中，負有重要的歷史使命” 。為了加快培養(yǎng)創(chuàng)新型科技人才，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力和社會需求為重點，結(jié)合多年來積累的實踐教學經(jīng)驗和計算機及相關學科本、專科學生實踐教學的特點，以及當前計算機應用領域較為先進、實用的幾項技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的實驗箱的實驗方法和手段，采用了開放、獨立、靈活、直觀、學生可自選實驗項目的實驗板結(jié)構(gòu)和設計理念，在國內(nèi)率先研制開發(fā)了一套先進、完整、實用的實驗教學系統(tǒng)。年初已經(jīng)通過學校驗收，并交付計算機專業(yè)07級500多名學生“計算機控制”實驗課使用，受到廣大同學重視，探索求知與動手實踐的積極性高漲，實驗教學效果顯著。
1、系統(tǒng)的構(gòu)成及功能
實驗教學內(nèi)容須具有科學性和先進性 ，本套實驗教學系統(tǒng)由基礎實驗平臺(LED顯示和段碼液晶顯示2種)、創(chuàng)新實驗平臺(圖形液晶顯示)和音頻量化與還原、超聲波測距與溫度控制、光照度與日歷時鐘應用、多機通信、LED點陣顯示、步進電機控制與直流電機調(diào)控、重量測量與精度分析實驗板等多種外圍實驗板及通信電纜和應用軟件構(gòu)成，其功能具體如下：
(1)基礎實驗平臺 基礎實驗平臺包括LED主板和段碼液晶 主板。這是一個功能完整的單片機開發(fā)平臺實驗板，包含3個數(shù)碼管顯示單元和2個輸入開關，還有8個LED燈用來顯示內(nèi)部信號狀態(tài)以利于調(diào)試。該實驗板使用專用電纜與Pc機通信，具有程序下載調(diào)試功能，并且具有標準接口，能夠支持簡單的外圍設備。
(2)創(chuàng)新實驗平臺(圖形液晶顯示)。創(chuàng)新實驗平臺除具有基礎實驗開發(fā)平臺的功能外，還包括一個液晶點陣顯示屏，可以顯示復雜的圖形和文字 。創(chuàng)新實驗平臺的CPU具有64 KB存儲單元，外部接口功能全面，可以支持各種復雜功能的外圍設備。
(3)音頻量化 與還原實驗板。該實驗板與基礎和創(chuàng)新實驗平臺結(jié)合，能夠進行音頻信號的轉(zhuǎn)化、量化、存儲和還原等操作，能夠存儲不超過10 S的音頻信號，還可以完成聲音多媒體等相關實驗。
(4)步進電機控制和直流電機調(diào)速實驗板。該實驗板安裝有適合實驗使用的小功率步進電機 和直流電機。它不僅能夠以單相、雙相、單雙相等多種方式驅(qū)動步進電機，而且能夠以PWM 方式驅(qū)動直流電機 。
(5)超聲波測距與溫度控制實驗板。該實驗板能夠發(fā)送和接收一定頻率的超聲波，完成超聲波測距等實驗 。同時，由于它包括一個由熱電阻和集成溫度傳感器構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)，所以還可以進行溫度控制，I c總線傳輸，閉環(huán)溫度控制等實驗。
(6)光照度與日歷時鐘實驗板。該實驗板具有獨特的光照度傳感器單元和基于I C總線的Et歷時鐘芯片，能夠完成光照度測量 等實驗，并可與其他實驗內(nèi)容相結(jié)合，增加定時、鬧鐘等功能。
(7)LED點陣實驗板 。該實驗板具有l(wèi)6×16的LED點陣顯示單元，能夠以掃描方式顯示各種圖形和文字。
(8)多機通信實驗板。該實驗板能夠?qū)⒍鄠�開發(fā)平臺連接在一起，完成多機協(xié)作、上下級處理等任務川 。
2、系統(tǒng)的先進性及特點
該實驗教學系統(tǒng)的設計理念是突出學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，除保留必要的基礎性實驗，增加綜合性、設計性和創(chuàng)新性實驗;實驗教學與科研相融合，把我們在工業(yè)過程控制領域中取得的各種科研成果，及先進的控制算法引入實驗研究內(nèi)容，將科研成果轉(zhuǎn)化成教學實驗設備;由模塊化實驗板組成的實驗教學系統(tǒng)靈活、直觀、易組合擴展，實用性強，屬國內(nèi)獨創(chuàng)，具有鮮明的特點。該實驗教學系統(tǒng)使用先進的具有ISP功能的STC(51系列)單片機作為主CPU，通過1條專用電纜線與Pc機USB口相連，通過RS一232接口把Pc機上編譯好的目標代碼以ISP方式下載到該系統(tǒng)中，在Keil開發(fā)環(huán)境中進行程序仿真、調(diào)試及ISP下載。
(1)單片機的選擇。STC系列單片機具有速度快、功能強、低功耗、價格低Flash存儲器從4～64 KB任選，并具有ISP、IAP、內(nèi)部E PROM功能等優(yōu)點;
(2)USB接口供電。從USB接口竊電(PC機USB接口可提供電源：+5V/O.5A)整體設備耗電低，節(jié)約環(huán)保，同時對學生的錯誤操作具有保護性，避免了短路造成的設備損毀;
(3)RS一232接口。設計統(tǒng)一的接口，可以兼容不同的外圍設備需求;
(4)ISP方式下載。方便、快捷，省去了常規(guī)的臺式直流穩(wěn)壓電源及編程器等設備;
(5)Keil編譯軟件。該軟件提供了很強的軟件仿真功能，支持匯編和c語言;
(6)單片機主系統(tǒng)集成兩種顯示單元，能夠完成若干實驗。
創(chuàng)新開發(fā)平臺除具有基礎實驗開發(fā)平臺功能外，包含圖形液晶顯示等較為復雜的顯示單元。能夠支持較為復雜的顯示需求，基礎實驗平臺和創(chuàng)新實驗平臺，在滿足常規(guī)教學需要的同時還可以進行課程設計、創(chuàng)新實驗等。
3、系統(tǒng)完成的實驗項目及實例
實驗系統(tǒng)開出的實驗項目內(nèi)容新穎，實驗平臺先進，實用性強，屬國內(nèi)獨創(chuàng)并率先使用，具有鮮明的特點。該實驗系統(tǒng)完全能夠滿足計算機技術(shù)與應用、網(wǎng)絡與信息安全、計算機軟硬件、電子科學與技術(shù)、通信工程、自動化、儀器科學與電氣工程等專業(yè)本、�？茖W生實驗課教學。利用本系統(tǒng)，可以開設并完成多個單片機控制相關實驗項目。
3.1 典型實驗項目
3.2 實例—— 超聲波測距實驗
超聲波測距實驗屬國內(nèi)首創(chuàng)。其設計思想體現(xiàn)了多年在工業(yè)過程控制領域中取得的成果。主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等距離測量，目前測距量程上可達百m，測量精度一般能達到厘米數(shù)量級。這對于促進專業(yè)實驗的改革，將高水平的科研成果轉(zhuǎn)化為高水平的教學實驗是一種有益的嘗試。
超聲波測距實驗中的超聲波測距具有易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測物體不需直接接觸的優(yōu)點，是非接觸測距的理想手段，廣泛應用于測距精度要求不高的場合。超聲在空氣中傳播速度為340m/s，測量超聲波發(fā)射后遇到被測物體反射回來的時間差即可計算出發(fā)射點到被測物的距離 。
本實驗使用的是STC89C5 16RD+的單片機實驗板。本實驗中，利用單片機的P1.1發(fā)出40 kHz的方波脈沖，經(jīng)過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經(jīng)過放大、過濾等，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)部定時器進行準確計時，以通過計算得到準確距離，由單片機進行計算和顯示。本實驗系統(tǒng)的測距范圍為50～200 cnl，測量誤差約為±2 cm。
4、結(jié)束語
我們設計的實驗教學系統(tǒng)具有基礎性、實用性、先進性、多用性和可擴展性，綜合性強，內(nèi)容覆蓋面廣，該實驗系統(tǒng)完全能夠滿足計算機技術(shù)與應用、網(wǎng)絡與信息安全、計算機軟硬件、電子科學與技術(shù)、通信工程、自動化、儀器科學與電氣工程等專業(yè)本、�？茖W生實驗課教學。
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