物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下單片機實驗教學(xué)裝置設(shè)計

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摘要：為了簡化實驗考核環(huán)節(jié)，減輕教師實驗教學(xué)的負擔，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗裝置。該裝置在傳統(tǒng)的“單片機原理及應(yīng)用”實驗開發(fā)板的基礎(chǔ)上增加實驗過程掃描及數(shù)據(jù)上報模塊，通過對單片機實驗過程中相關(guān)寄存器等硬件資源進行掃描，獲取實驗過程及最終結(jié)果數(shù)據(jù)，并上報到云端；教師可以通過云端及時掌握學(xué)生實驗情況，進行實驗成績評定。最后對該裝置進行了測試，搭建了基于中國移動Onenet云平臺的測試環(huán)境，結(jié)果驗證了該設(shè)計的可用性。

關(guān)鍵詞：單片機；實驗教學(xué)裝置；云平臺；物聯(lián)網(wǎng)

0引言

國家“新工科”“智能制造2025”等重大戰(zhàn)略規(guī)劃背景下，要求高等學(xué)校培養(yǎng)出更多的適應(yīng)新形勢的工科人才。為了響應(yīng)國家戰(zhàn)略需求，支撐以新產(chǎn)業(yè)為特點的新經(jīng)濟的發(fā)展，近年來各高校紛紛實行擴招政策，學(xué)生人數(shù)的迅速增加，給各高校的教學(xué)帶來了更大的壓力，特別是工科相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)，面臨著師資短缺、管理手段落后、實驗資源缺乏等一系列的問題［1］。作為服務(wù)電子信息產(chǎn)業(yè)的高校電子信息類相關(guān)工科專業(yè)，實驗教學(xué)在整個人才培養(yǎng)過程中的地位尤為重要，“單片機原理及應(yīng)用”作為電子科學(xué)與技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程等電子信息類相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其實驗教學(xué)已經(jīng)不能適應(yīng)新形式下的人才培養(yǎng)需求。目前，盡管各高校采取了一系列的教學(xué)改革手段，如線上線下混合式教學(xué)［2］、引進新的教學(xué)理念［3］、項目驅(qū)動式實踐教學(xué)［4］、遠程實驗教學(xué)［5］等，取得了一定的成果，但在實驗過程監(jiān)控，尤其在實驗成績考核環(huán)節(jié)仍采用傳統(tǒng)方式進行，無法解決效率低下，教師工作繁瑣等問題。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展為解決該問題提供了新的思路，本文引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗教學(xué)裝置，來加強對學(xué)生整個實驗過程的監(jiān)控，減輕實驗成績評定環(huán)節(jié)的工作量，提高教學(xué)效果。

1總體設(shè)計

1．1設(shè)計思路

為實現(xiàn)對學(xué)生實驗過程的遠程管理監(jiān)控，以簡化實驗結(jié)果考核環(huán)節(jié)的工作量，實現(xiàn)實驗過程中單片機運行狀態(tài)的記錄及數(shù)據(jù)上傳，在傳統(tǒng)“單片機原理及應(yīng)用”實驗開發(fā)板的基礎(chǔ)上，增加一個實驗數(shù)據(jù)采集上傳模塊，并把采集的實驗過程數(shù)據(jù)上報至云端，具體來說分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳至云平臺兩個過程。首先，數(shù)據(jù)采集主要是通過采集單片機在整個實驗過程相關(guān)寄存器的狀態(tài)變化來實現(xiàn)。單片機的主要功能分兩類：外部控制和外部數(shù)據(jù)的感知。其工作過程均是通過由CPU來對相關(guān)寄存器的操作來實現(xiàn)的，因此可以通過在特定時間來監(jiān)控單片機的相關(guān)寄存器來達到記錄整個實驗程序運行狀態(tài)的目的，從而記錄學(xué)生的實驗過程數(shù)據(jù)。而51單片機特殊功能寄存器數(shù)量較少也保證了該設(shè)計思路的可行性，以STC89C52單片機為例，其寄存器組主要包括I／O口鎖存器、定時器／計數(shù)器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器和各種控制寄存器等，共有23個，都以特殊功能寄存器的形式出現(xiàn)［6］。在基礎(chǔ)實驗中，往往僅使用到了其中的部分寄存器，如要實現(xiàn)控制8位七段數(shù)碼管的顯示實驗，CPU可通過控制P1口的8位寄存器來確定顯示內(nèi)容，通過控制P2口的8位寄存器中的8位中的某一位來決定由哪一位數(shù)碼管顯示，可通過控制定時器、中斷控制寄存器等來實現(xiàn)具體的顯示方式。這樣一來，對于該實驗，只需要在特定時間掃描上述寄存器的狀態(tài)變化，就可以實現(xiàn)實驗過程數(shù)據(jù)的采集。其次，數(shù)據(jù)的上傳。由51單片機通過串口將采集到的實驗過程數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺通信模塊，云平臺通信模塊將該數(shù)據(jù)通過相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議上傳至云端。

1．2總體組成

整個系統(tǒng)由實驗數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊、云平臺模塊和實驗數(shù)據(jù)應(yīng)用監(jiān)控模塊4個模塊組成。首先，由51單片機實驗系統(tǒng)實現(xiàn)實驗過程中相關(guān)寄存器運行狀態(tài)的采集，并通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)上傳模塊；接下來數(shù)據(jù)上傳模塊通過TCP透傳的方式將數(shù)據(jù)上傳至云端；教師可以在監(jiān)控端查看云端數(shù)據(jù)，完成實驗指導(dǎo)及成績的評定等工作。系統(tǒng)整體組成如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1實驗開發(fā)板硬件電路設(shè)計

實驗開發(fā)板主要由STC89C52最小系統(tǒng)、Led控制實驗?zāi)K、按鍵模塊、數(shù)碼管顯示模塊等組成，具體電路設(shè)計如圖2所示。

2．2數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸模塊由ESP8266來實現(xiàn)，通過串口與實驗開發(fā)板連接，通過TCP透傳與云平臺實現(xiàn)雙向通信，電路設(shè)計如圖3所示。

3測試及結(jié)果

3．1測試環(huán)境的搭建

基于上述設(shè)計，搭建了測試環(huán)境，對學(xué)生“數(shù)碼管靜態(tài)顯示實驗”中用到的寄存器的運行狀態(tài)進行了數(shù)據(jù)的采集上傳。該實驗要求學(xué)生編程實現(xiàn)對8位7段共陽極數(shù)碼的控制，讓8位共陽極數(shù)碼管同時循環(huán)顯示0到7八個字符，時間間隔為1s，理論分析各寄存器的狀態(tài)隨時間的變化如表1所示。首先，云平臺的搭建。包括按照Onenet官方流程在Onenet云平臺申請賬號、建立基于TCP透傳協(xié)議的產(chǎn)品、新建設(shè)備、Lua腳本設(shè)計上傳、數(shù)據(jù)流的設(shè)置等步驟；接著設(shè)置ESP8266與云平臺進行連接，以便上傳數(shù)據(jù)。由C51單片機通過AT指令對ESP8266進行初始化，使其處于TCP透傳模式下，并連接地址為183．230．40．40的云平臺遠程主機，端口號使用1811，發(fā)送登錄指令＊357000＃51IOT＃51IotTest＊，登錄后就可以把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺并保存至數(shù)據(jù)庫；最后，數(shù)據(jù)導(dǎo)出并驗證。通過云平臺數(shù)據(jù)流界面查看上傳的數(shù)據(jù)并與理論分析數(shù)據(jù)進行對比驗證。

3．2測試過程及結(jié)果

連接好硬件電路，P2口8位分別接8位共陽極數(shù)碼管的控制端，P1口的8位作為8位共陽極數(shù)碼管顯示內(nèi)容控制輸入端，ESP8266模塊通過串口與單片機開發(fā)板連接；接著將編寫好的串口數(shù)據(jù)發(fā)送程序與實驗程序一起燒寫到STC89C52開發(fā)板中，最后上電，在實驗板觀察實驗現(xiàn)象，在云平臺上查看寄存器隨時間變化狀態(tài)。51單片機設(shè)計主程序流程圖如圖4所示。程序運行后，可以看到開發(fā)板上的8位7段數(shù)碼管以1s的時間間隔循環(huán)顯示字符0－7；云平臺數(shù)據(jù)流查看界面P1、P2數(shù)據(jù)流截圖如圖5所示?？梢钥吹?，在云平臺上，每隔1s收到一次P1口及P2口的狀態(tài)數(shù)據(jù)，將該十進制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制后，正好與表1的數(shù)據(jù)項吻合，驗證了設(shè)計的正確性。

4總結(jié)

本文應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將“單片機原理及應(yīng)用”實驗過程中單片機相關(guān)寄存器的狀態(tài)傳送到了云平臺上?；谶@些數(shù)據(jù)，教師可以遠程對學(xué)生的實驗情況進行掌握，簡化了實驗的考核過程，一定程度上降低了教師的工作量。

作者:王建強 單位:榆林學(xué)院信息工程學(xué)院