王海滨，辛 颖，杨铁滨

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

为深入贯彻党的十八大、十八届三中全会精神，根据《教育部农业部国家林业局关于推进高等农林教育综合改革的若干意见》要求，推进高等农林教育综合改革，经研究，教育部、农业部、国家林业局共同组织实施“卓越农林人才教育培养计划”[1-2]。“卓越农林人才教育培养计划”致力于改革实践教学内容，强化实践教学环节，提高学生综合实践能力，建立健全复合应用型卓越农林人才培养的质量评价体系[3-4]。

《森工装备工控技术》课程在森林工程专业教学课程培养体系中的地位极为重要，应用性很强，能够提高学生们的实践动手能力[5-6]。《森工装备工控技术》课程以单片机技术为核心，着重讲解单片机技术在农林领域的应用，包括在农田监测系统、农业电气化、农业机械、农产品加工、水利水电工程、农业环境等农业工程领域中的应用研究与开发趋势。目前，单片机种类较多，在实际中均有应用，但在教学中主要讲解51系列单片机[7]。STC单片机以其低功耗和卓越的性能在实际中广泛应用，在编程指令和内部结构方面和51单片机没有区别，可片上在线编程；在使用方面，其性能超过51单片机。因此，向学生讲解和使用新型、性能更为优越的单片机，使学生的专业知识紧随时代步伐十分必要的[8]。

学习《森工装备工控技术》课程，实践和实验环节必不可少[9]。因此，研制相配套的教学实验开发板相当重要，需要根据《森工装备工控技术》课程教学大纲，基于STC系列单片机的组成和架构，研制出便携式STC系列单片机教学实验开发板。为提高学生的学习兴趣、增强实践动手能力，在教学中指导学生研制便携式单片机教学开发板。首先，依据教学大纲，通过理论教学，使学生学会STC系列单片机的组成和工作原理，在指令编程和程序设计环节中讲解Keil软件的设置与使用。其次，对学生进行培训，使学生熟练掌握电子工程师工具软件——Protel软件，学生通过软件学习，掌握如何利用Protel软件绘制元件原理图、系统电路原理图、元器件封装图、PCB布线图以及如何利用网络报表文件生成PCB布线图。最后，进入实验开发板研制开发阶段，根据教学情况对学生进行分组，为学生布置任务，讲解单片机教学实验开发板的工作原理，指导学生完成对STC系列单片机教学实验开发板的硬件电路设计和软件编程、软硬件联调实验。下面对STC系列教学实验开发板工作原理、学生开发教学开发板的过程和学生课程实验分别予以介绍。

1 STC系列教学开发板的工作原理

STC系列教学开发板采用普通+5V电源或5号电池供电，根据实际需要采用不同的供电方式。系统硬件电路按功能可划分为：STC系列单片机最小应用系统电路、按键显示电路、数据传输转换电路和译码电路。各电路主要功能如下。

1.1 STC系列教学开发板核心电路

STC系列教学开发板的核心电路以STC89C51RC单片机为核心，由单片机无源晶振电路和按键复位电路组成，附加抗干扰滤波电容和电源插孔，为STC89C51RC单片机提供电源，保证单片机正常工作，同时提供固定频率的时钟脉冲，在系统程序运行出错时，提供按键复位功能，保证程序的正常运行。

1.2 STC系列教学开发板按键显示电路

STC系列教学开发板按键显示电路主要由开关电路、按键电路、发光二极管电路、LED显示电路组成，为教学装置提供4个开关、4个按键、5个发光二极管和1个8段共阳极数码管（LED）。主要与STC系列单片机的P0~P3口连接，实现键盘信号输入和控制信号输出。

1.3 STC系列教学开发板译码电路

STC系列教学开发板译码电路以74LS138芯片为核心，通过38译码器，实现单片机的端口扩展。通过插排连接，译码电路可分别与开关电路、按键电路、发光二极管电路、LED显示电路组合拓展STC系列教学开发板的功能，为学生开发更多的教学实验。

1.4 STC系列教学开发板数据传输转换电路

STC系列教学开发板数据传输转换电路主要由RS232数据传输电路和串并数据转换电路组成。设置STC系列单片机串口工作在方式 0，通过串口数据转换电路更换74LS164芯片或74LS165芯片可实现串→并数据输出功能或并→串数据输入功能；设置单片机串口工作在方式1~3，通过串口数据传输电路可实现单片机数据传输、多机通讯功能。此外，为避免传输信号大幅度衰减，增强系统信号传输的强度，实用MAX232作为串口数据传输电路的信号转换芯片，完成TTL与EIA双向电平转换。

2 STC系列教学开发板的研制

STC系列教学开发板的研制研制过程如下：首先，介绍STC系列单片机教学实验开发板的工作原理，指导学生完成教学开发板电路原理图的设计，依据所设计的电路原理图选择电路元器件，利用Protel软件绘制教学实验开发板各元器件原理图和封装图的绘制并导入到元件库和封装库中，通过元件库完成教学实验开发板电路原理图的绘制，由电路原理图生成网络报表，根据网络报表生成PCB布线图文件，向学生讲解PCB布线规则，由学生手工布线完成PCB布线图的绘制，检查无误后将PCB布线图送到工厂加工得到印刷电路板（如图1所示）。

图1 学生研制的印刷电路板

其次，把印刷电路板及相关的电子元器件分发给各组，引导同学根据电路原理图和PCB布线图在印刷电路板上焊接电子元器件，完成实验开发板硬件电路的开发和研制。由于在焊接过程中可能出现漏焊、虚焊、错焊等问题，需要对实验开发板硬件电路进行调试，在调试的过程中根据电路板的工作原理，利用STC系列单片机编程指令开发实验开发板调试程序，通过程序的运行分析实验开发板硬件电路的故障，找出故障原因并进行排除，图2所示为学生焊接调试完成后的实验开发板。

图2 学生开发的单片机系统电路板

通过STC系列教学开发板研制，学生能够熟练地对Protel软件进行操作，将自己设计的电路原理图绘制成PCB布线图，在电路板调试的过程中积累的丰富的实践经验，很好地完成了教学任务。

3 STC系列教学开发板实验

在STC系列教学开发板研制完成后，授课教师根据教学内容和教学需要，设置了表1（P176）所示的《森工装备工控技术》课程实验。根据表中的实验项目对各组学生进行任务分配，引导学生分析实验项目，绘制各实验项目程序框图，依据程序框图编制实验程序，生成*.C文件，利用Keil软件对实验程序（*.C文件）进行调试并进行软件模拟仿真，仿真无误，对程序进行编译，生成*.HEX文件，利用PC机里的PC-ISP软件将程序（*.HEX文件）从上位机下载到下位机——实验开发板上 STC系列单片机的 ROM内。开启电源，运行所编译的程序，进行软硬件联调，调试不成功则分析原因，修改程序，重新编译并下载运行，直至调试成功为止。

表1 单片机课程实验项目

通过实验项目演练，学生们不仅掌握了利用Keil软件对单片机进行编程和模拟仿真，而且通过学习和交流，对编程中出现的问题能够很好地解决，掌握单片机开发流程和软硬件联调技巧，积累了丰富的实践经验，很好地完成了课堂教学任务，实现预期教学目标。

4 结语

通过STC系列教学实验开发板的研制和森工装备工控技术课程实验，反映出森工装备工控技术课程教学实验的真实性，学生们在STC系列教学实验开发板研制开发过程中遇到了很多实际问题，通过自己的独立思考，在解决问题的过程中学到课本上学不到的知识，积累了实践经验。STC系列教学开发板实验提高了学生的实践动手能力，使得森工装备工控技术课程的理论在实践中得以融会贯通，促进学生对理论知识的理解和吸收，取得了良好的教学效果，为学生在今后的学习和工作奠定了良好的基础。