創(chuàng )新型計算機控制實(shí)驗教學(xué)系統的研制淺說(shuō)及實(shí)現
摘 要：介紹了一個(gè)自行研制開(kāi)發(fā)的計算機控制實(shí)驗教學(xué)系統，該系統結合多年來(lái)積累的計算機及相關(guān)學(xué)科實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，吸納當前計算機應用領(lǐng)域幾項較為先進(jìn)實(shí)用的技術(shù)，打破傳統的實(shí)驗箱式實(shí)驗手段，采用開(kāi)放、獨立、直觀(guān)的實(shí)驗板結構的設計理念，取得了良好的教學(xué)效果。該實(shí)驗教學(xué)系統具有設計先進(jìn)、種類(lèi)齊全、結構緊湊、使用方便、直觀(guān)效果好等特點(diǎn)，體現了重視培養學(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。詳細闡述了實(shí)驗系統的構成、功能、特點(diǎn)，完成的實(shí)驗項目，并給出典型實(shí)例。
關(guān)鍵詞：實(shí)驗教學(xué);計算機;控制
高校實(shí)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(chǎng)所，在建設創(chuàng )新型國家的進(jìn)程中，負有重要的歷史使命” 。為了加快培養創(chuàng )新型科技人才，以培養學(xué)生創(chuàng )新實(shí)踐能力和社會(huì )需求為重點(diǎn)，結合多年來(lái)積累的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗和計算機及相關(guān)學(xué)科本、專(zhuān)科學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，以及當前計算機應用領(lǐng)域較為先進(jìn)、實(shí)用的幾項技術(shù)，打破了傳統的實(shí)驗箱的實(shí)驗方法和手段，采用了開(kāi)放、獨立、靈活、直觀(guān)、學(xué)生可自選實(shí)驗項目的實(shí)驗板結構和設計理念，在國內率先研制開(kāi)發(fā)了一套先進(jìn)、完整、實(shí)用的實(shí)驗教學(xué)系統。年初已經(jīng)通過(guò)學(xué)校驗收，并交付計算機專(zhuān)業(yè)07級500多名學(xué)生“計算機控制”實(shí)驗課使用，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)驗教學(xué)效果顯著(zhù)。
1、系統的構成及功能
實(shí)驗教學(xué)內容須具有科學(xué)性和先進(jìn)性 ，本套實(shí)驗教學(xué)系統由基礎實(shí)驗平臺(LED顯示和段碼液晶顯示2種)、創(chuàng )新實(shí)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(shí)鐘應用、多機通信、LED點(diǎn)陣顯示、步進(jìn)電機控制與直流電機調控、重量測量與精度分析實(shí)驗板等多種外圍實(shí)驗板及通信電纜和應用軟件構成，其功能具體如下：
(1)基礎實(shí)驗平臺 基礎實(shí)驗平臺包括LED主板和段碼液晶 主板。這是一個(gè)功能完整的單片機開(kāi)發(fā)平臺實(shí)驗板，包含3個(gè)數碼管顯示單元和2個(gè)輸入開(kāi)關(guān)，還有8個(gè)LED燈用來(lái)顯示內部信號狀態(tài)以利于調試。該實(shí)驗板使用專(zhuān)用電纜與Pc機通信，具有程序下載調試功能，并且具有標準接口，能夠支持簡(jiǎn)單的外圍設備。
(2)創(chuàng )新實(shí)驗平臺(圖形液晶顯示)。創(chuàng )新實(shí)驗平臺除具有基礎實(shí)驗開(kāi)發(fā)平臺的功能外，還包括一個(gè)液晶點(diǎn)陣顯示屏，可以顯示復雜的圖形和文字 。創(chuàng )新實(shí)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(shí)驗板。該實(shí)驗板與基礎和創(chuàng )新實(shí)驗平臺結合，能夠進(jìn)行音頻信號的轉化、量化、存儲和還原等操作，能夠存儲不超過(guò)10 S的音頻信號，還可以完成聲音多媒體等相關(guān)實(shí)驗。
(4)步進(jìn)電機控制和直流電機調速實(shí)驗板。該實(shí)驗板安裝有適合實(shí)驗使用的小功率步進(jìn)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動(dòng)步進(jìn)電機，而且能夠以PWM 方式驅動(dòng)直流電機 。
(5)超聲波測距與溫度控制實(shí)驗板。該實(shí)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(shí)驗 。同時(shí)，由于它包括一個(gè)由熱電阻和集成溫度傳感器構成的溫度控制系統，所以還可以進(jìn)行溫度控制，I c總線(xiàn)傳輸，閉環(huán)溫度控制等實(shí)驗。
(6)光照度與日歷時(shí)鐘實(shí)驗板。該實(shí)驗板具有獨特的光照度傳感器單元和基于I C總線(xiàn)的Et歷時(shí)鐘芯片，能夠完成光照度測量 等實(shí)驗，并可與其他實(shí)驗內容相結合，增加定時(shí)、鬧鐘等功能。
(7)LED點(diǎn)陣實(shí)驗板 。該實(shí)驗板具有l6×16的LED點(diǎn)陣顯示單元，能夠以?huà)呙璺绞斤@示各種圖形和文字。
(8)多機通信實(shí)驗板。該實(shí)驗板能夠將多個(gè)開(kāi)發(fā)平臺連接在一起，完成多機協(xié)作、上下級處理等任務(wù)川 。
2、系統的先進(jìn)性及特點(diǎn)
該實(shí)驗教學(xué)系統的設計理念是突出學(xué)生創(chuàng )新能力的培養，除保留必要的基礎性實(shí)驗，增加綜合性、設計性和創(chuàng )新性實(shí)驗;實(shí)驗教學(xué)與科研相融合，把我們在工業(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)驗研究?jì)热�，將科研成果轉化成教學(xué)實(shí)驗設備;由模塊化實(shí)驗板組成的實(shí)驗教學(xué)系統靈活、直觀(guān)、易組合擴展，實(shí)用性強，屬?lài)鴥泉殑?chuàng )，具有鮮明的特點(diǎn)。該實(shí)驗教學(xué)系統使用先進(jìn)的具有ISP功能的STC(51系列)單片機作為主CPU，通過(guò)1條專(zhuān)用電纜線(xiàn)與Pc機USB口相連，通過(guò)RS一232接口把Pc機上編譯好的目標代碼以ISP方式下載到該系統中，在Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行程序仿真、調試及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(jià)格低Flash存儲器從4～64 KB任選，并具有ISP、IAP、內部E PROM功能等優(yōu)點(diǎn);
(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，節約環(huán)保，同時(shí)對學(xué)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，省去了常規的臺式直流穩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(yǔ)言;
(6)單片機主系統集成兩種顯示單元，能夠完成若干實(shí)驗。
創(chuàng )新開(kāi)發(fā)平臺除具有基礎實(shí)驗開(kāi)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(shí)驗平臺和創(chuàng )新實(shí)驗平臺，在滿(mǎn)足常規教學(xué)需要的同時(shí)還可以進(jìn)行課程設計、創(chuàng )新實(shí)驗等。
3、系統完成的實(shí)驗項目及實(shí)例
實(shí)驗系統開(kāi)出的實(shí)驗項目?jì)热菪路f，實(shí)驗平臺先進(jìn)，實(shí)用性強，屬?lài)鴥泉殑?chuàng )并率先使用，具有鮮明的特點(diǎn)。該實(shí)驗系統完全能夠滿(mǎn)足計算機技術(shù)與應用、網(wǎng)絡(luò )與信息安全、計算機軟硬件、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)驗課教學(xué)。利用本系統，可以開(kāi)設并完成多個(gè)單片機控制相關(guān)實(shí)驗項目。
3.1 典型實(shí)驗項目
3.2 實(shí)例—— 超聲波測距實(shí)驗
超聲波測距實(shí)驗屬?lài)鴥仁讋?chuàng )。其設計思想體現了多年在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域中取得的成果。主要應用于倒車(chē)提醒、建筑工地、工業(yè)現場(chǎng)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量級。這對于促進(jìn)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗的改革，將高水平的科研成果轉化為高水平的教學(xué)實(shí)驗是一種有益的嘗試。
超聲波測距實(shí)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(diǎn)，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(chǎng)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(lái)的時(shí)間差即可計算出發(fā)射點(diǎn)到被測物的距離 。
本實(shí)驗使用的是STC89C5 16RD+的單片機實(shí)驗板。本實(shí)驗中，利用單片機的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)。內部定時(shí)器進(jìn)行準確計時(shí)，以通過(guò)計算得到準確距離，由單片機進(jìn)行計算和顯示。本實(shí)驗系統的測距范圍為50～200 cnl，測量誤差約為±2 cm。
4、結束語(yǔ)
我們設計的實(shí)驗教學(xué)系統具有基礎性、實(shí)用性、先進(jìn)性、多用性和可擴展性，綜合性強，內容覆蓋面廣，該實(shí)驗系統完全能夠滿(mǎn)足計算機技術(shù)與應用、網(wǎng)絡(luò )與信息安全、計算機軟硬件、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)驗課教學(xué)。
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