謝 楠,張海波,馬 艷

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

1 課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路

在我國(guó),大學(xué)教育已經(jīng)從精英教育向大眾教育轉(zhuǎn)變,特別是高等職業(yè)教育向著為社會(huì)培養(yǎng)高技能、應(yīng)用型專門人才發(fā)展.大學(xué)教育工作者應(yīng)該從以往精英教育的觀念轉(zhuǎn)變到大眾教育的觀念上來(lái),充分考慮學(xué)生知識(shí)水平以及認(rèn)識(shí)過(guò)程的差異性,加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的積極引導(dǎo).在教學(xué)過(guò)程中要利用相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié),引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)適當(dāng)工程實(shí)踐將所學(xué)的知識(shí)能夠有機(jī)的聯(lián)系起來(lái),使學(xué)生對(duì)本專業(yè)知識(shí)體系得到更深的認(rèn)識(shí),建立起工程設(shè)計(jì)的初步能力,并由此促進(jìn)他發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,解決問(wèn)題的能力,啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)及以后走上工作崗位后卓有成效的開展工作打下基礎(chǔ).

基于以上的思路,根據(jù)作者所在學(xué)校的專業(yè)以及教學(xué)計(jì)劃,考慮在學(xué)生第5學(xué)期短學(xué)期的課程設(shè)計(jì)予以體現(xiàn),通過(guò)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程,讓學(xué)生對(duì)學(xué)過(guò)的專業(yè)知識(shí)有一個(gè)更深的認(rèn)識(shí),培養(yǎng)學(xué)生建立起一定的電子電路設(shè)計(jì)與開發(fā)、信號(hào)處理以及控制等實(shí)際軟硬件開發(fā)能力.

2 課程設(shè)計(jì)的構(gòu)建

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程教學(xué)中的一個(gè)綜合實(shí)踐訓(xùn)練,目的就是要讓學(xué)生綜合運(yùn)用電子電路、單片機(jī)接口技術(shù)和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方法,獨(dú)立完成基于MCS-51的應(yīng)用小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作任務(wù),為以后更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和工作積累經(jīng)驗(yàn)[1].本次課程設(shè)計(jì)為期兩周,目的為了讓學(xué)生進(jìn)一步掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制圖和硬件的焊接;并且進(jìn)一步學(xué)習(xí)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方法,全面掌握MCS-51單片機(jī)定時(shí)、中斷、調(diào)時(shí)的編程運(yùn)用,培養(yǎng)單片機(jī)開發(fā)的整體構(gòu)思能力,體會(huì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)方法與技巧,積累一定的MCS-51匯編程序的編程經(jīng)驗(yàn),學(xué)習(xí)編寫設(shè)計(jì)開發(fā)文檔,并在團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作中鍛煉互助協(xié)作精神[2].

在單片機(jī)開發(fā)課程設(shè)計(jì)之前,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)、電工電路基礎(chǔ)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、微機(jī)原理與應(yīng)用等課程.我們?cè)诮M建時(shí)主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)如何設(shè)計(jì)相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)題目,能讓學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中根據(jù)所學(xué)的知識(shí)能夠靈活運(yùn)用起來(lái)?

(2)課程設(shè)計(jì)時(shí)間兩周,怎樣才能保證學(xué)生完成的過(guò)程中任務(wù)量適當(dāng),既不能過(guò)于簡(jiǎn)單也不能過(guò)度復(fù)雜而導(dǎo)致學(xué)生不能完成任務(wù)?

(3)學(xué)生的成績(jī)有好有差,怎樣讓不同層次的學(xué)生都能保質(zhì)保量完成自己的任務(wù)?

針對(duì)以上的問(wèn)題,我們?cè)O(shè)計(jì)了多個(gè)課程設(shè)計(jì)題目,學(xué)生可根據(jù)自己的情況選擇任意一個(gè)題目來(lái)完成,但每個(gè)課程設(shè)計(jì)題目中盡量包含多個(gè)需要完成的技術(shù)要點(diǎn).結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,我們針對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)06級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)了多個(gè)題目,下面將以“基于LED數(shù)碼管顯示的電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)與制作”一個(gè)具體案例進(jìn)行剖解.它可將《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程所講的重要知識(shí)點(diǎn)部分應(yīng)用于一身,將課程中涉及的重點(diǎn)內(nèi)容：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、定時(shí)、中斷、鍵盤、顯示、系統(tǒng)擴(kuò)展接口技術(shù)、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方法等知識(shí)點(diǎn)融合在一起,讓同學(xué)們能將所學(xué)應(yīng)用于實(shí)踐,對(duì)于他們將來(lái)走向單片機(jī)應(yīng)用與開發(fā)的工作崗位打下一個(gè)良好基礎(chǔ)[1].整個(gè)課程設(shè)計(jì),可分模塊化進(jìn)行.此外,本次課程設(shè)計(jì)大大地提倡團(tuán)隊(duì)合作精神,分小組完成,每個(gè)小組不超過(guò)3人,小組內(nèi)分工由各小組成員自行調(diào)整.

3 課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐

課程設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)除了讓學(xué)生更好地讓學(xué)生掌握單片機(jī)課程的重要知識(shí)點(diǎn)并靈活運(yùn)用它們之外,更想逐步帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入項(xiàng)目開發(fā)和團(tuán)隊(duì)合作中,更好的發(fā)揮課程設(shè)計(jì)本身的作用,找到一個(gè)學(xué)校課堂和社會(huì)的一個(gè)很好的切入點(diǎn)[2].本次課程設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程的實(shí)施計(jì)劃,見圖1.

從圖1可知,我們將整個(gè)課程設(shè)計(jì)的開發(fā)流程分成多個(gè)關(guān)鍵步驟,具體內(nèi)容如下.

圖1 課程設(shè)計(jì)過(guò)程開發(fā)流程

3.1 功能需求分析

課程設(shè)計(jì)要求基于MCS-51系列AT89S52單片機(jī),運(yùn)用其最小系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)和I/O接口與6個(gè)七段數(shù)碼管連接實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有時(shí)、分、秒顯示的電子時(shí)鐘(初始化顯示時(shí)間為：08.00.00),并且擴(kuò)展四個(gè)按鍵開關(guān),用以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的小時(shí)、分鐘、秒鐘的調(diào)整[1,3].即當(dāng)電子時(shí)鐘按復(fù)位后,能自動(dòng)顯示初始化時(shí)間08.00.00.鍵盤功能可自行設(shè)計(jì),如按動(dòng)KEY0進(jìn)入調(diào)整狀態(tài),KEY1、KEY2、KEY3分別調(diào)整時(shí)、分、秒;另外對(duì)部分學(xué)生基礎(chǔ)較好的同學(xué),要求他們將電子時(shí)鐘做成一個(gè)電子時(shí)鐘和日期交替顯示小儀器,即須增加日期顯示與設(shè)置功能.

3.2 總體設(shè)計(jì)與實(shí)施

課程設(shè)計(jì)開始的第一天,利用4節(jié)課的時(shí)間,對(duì)課程設(shè)計(jì)的題目進(jìn)行講解,點(diǎn)撥各個(gè)需要掌握知識(shí)點(diǎn)及需要查閱資料的方向,落實(shí)每個(gè)設(shè)計(jì)題目需要完成的任務(wù)以及時(shí)間安排表,最后由學(xué)生自由組合成小組.

學(xué)生查閱參考資料這段時(shí)間,問(wèn)題特別多,有些同學(xué)總體設(shè)計(jì)方案遲遲不能提交[4].為了達(dá)到最為簡(jiǎn)設(shè)計(jì),引導(dǎo)學(xué)生將整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)可從3個(gè)方面入手：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤設(shè)計(jì)部分和顯示設(shè)計(jì)部分.

(1)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).本次課程設(shè)計(jì)選用ATMEL89S52單片機(jī),它是ATMEL公司的以8031核構(gòu)成的8位Flash單片機(jī),內(nèi)置8KB可在線編程閃存.故最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)須考慮晶體振蕩器電路、復(fù)位開關(guān)和電源電路部分等.

(2)顯示部分的設(shè)計(jì).本次課程設(shè)計(jì)采用的是七段數(shù)碼顯示器,主要有2種方案進(jìn)行選擇：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示方案,故要求同學(xué)在總體方案確定之前,必須弄清楚LED顯示器的工作方式和顯示程序,以及兩種方案設(shè)計(jì)的區(qū)別,各自有何優(yōu)、缺點(diǎn),如何節(jié)省內(nèi)部資源的使用以及如何對(duì)后續(xù)編程帶來(lái)方便等問(wèn)題.

(3)鍵盤設(shè)計(jì)/按鍵模塊.基于本次課程設(shè)計(jì)所使用的按鍵較少,大部分同學(xué)采用MCS-51單片機(jī)內(nèi)部資源P1口進(jìn)行簡(jiǎn)單的鍵盤結(jié)構(gòu)擴(kuò)展,但有一部分想挑戰(zhàn)自己,進(jìn)行了難度較高的行列矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

另外,還提醒學(xué)生,每組成員要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆止?經(jīng)過(guò)不斷的引導(dǎo)和學(xué)生查閱資料的不斷積累,學(xué)生開始逐漸進(jìn)入角色.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),見圖2.

在第二天上午驗(yàn)收硬件總體方案設(shè)計(jì)時(shí),每組同學(xué)都能很準(zhǔn)確且流利回答老師所提的問(wèn)題,比如MCU最小系統(tǒng),方案設(shè)計(jì)性能優(yōu)化,開發(fā)成本,以及各模塊主要有哪些芯片構(gòu)成等.通過(guò)各組成員海量資料查詢,同學(xué)們知道了更多芯片以及同類芯片的性能比較,突破了同學(xué)們?cè)谡n堂上所虛擬想象中的芯片以及芯片用途與使用模糊化的界線.

圖2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

(1)硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試

接下來(lái)的一天時(shí)間,各小組成員按照總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì),同學(xué)基本上在規(guī)定的時(shí)間完成了整個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5].硬件設(shè)計(jì)大致思路：硬件電路圖設(shè)計(jì)→設(shè)計(jì)PCB版→元器件對(duì)比采購(gòu)與焊接→硬件電路調(diào)試.

同學(xué)們能合理利用網(wǎng)上資源和課堂所學(xué)知識(shí),做到硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡量詳盡,如顯示方案采用靜態(tài)顯示方式需要考慮其驅(qū)動(dòng)電路,如何使用MCS-51的4個(gè)8位I/O口以及電阻阻值大小等細(xì)節(jié)問(wèn)題.

而接下來(lái)的2天時(shí)間就是硬件電路的焊接和調(diào)試工作.很多同學(xué)都是第一次進(jìn)行硬件電路焊接,而且很多元器件都只是停留在理論書本上的認(rèn)識(shí),對(duì)于一些基本常識(shí),例如芯片的引腳數(shù),芯片的電源和地線引腳的規(guī)定,引腳的輸出電流多大等都不是很清楚,故這樣的一次的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué),對(duì)同學(xué)們對(duì)專業(yè)知識(shí)從以前單純的書本知識(shí)到理性的實(shí)踐能力一個(gè)提升,以及同學(xué)們對(duì)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)、調(diào)試都有一定程度的深化.對(duì)于硬件電路調(diào)試,主要從短路和斷路兩種情況來(lái)考慮,一方面使用萬(wàn)用表進(jìn)行線路檢測(cè),察看各個(gè)電子元件是否通路,上電后,各個(gè)芯片電壓是否達(dá)到其最大工作電壓,并檢測(cè)各個(gè)模塊線路是否通路.

(2)軟件設(shè)計(jì)與集成測(cè)試

第五天開始進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā),同樣要求學(xué)生分模塊進(jìn)行,進(jìn)行軟件模塊化設(shè)計(jì).各組成員按照系統(tǒng)功能進(jìn)行詳細(xì)的功能模塊分析→進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)→模塊單元測(cè)試→各功能模塊進(jìn)行鏈接與整合→軟件集成測(cè)試.

各組同學(xué)基本上都能夠集中討論軟件設(shè)計(jì)的整體流程.主程序設(shè)計(jì)主要考慮初始化程序、調(diào)用LED顯示子程序、調(diào)用按鍵子程序幾個(gè)部分;子程序控制部分主要有按鍵控制部分、定時(shí)器中斷控制部分、秒加1計(jì)時(shí)部分和延時(shí)子程序等.要求各組畫出程序流程圖,再按照其思路進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)與編寫代碼.縱向比較各組學(xué)生的設(shè)計(jì)思路,歸納如下：系統(tǒng)上電復(fù)位后,進(jìn)入初始化程序,LED顯示時(shí)間為：08.00.00,CPU主要工作就是調(diào)用LED顯示子程序、判斷是否有鍵按下,有鍵按下,則調(diào)用鍵盤子程序等反復(fù)執(zhí)行.

軟件設(shè)計(jì)和程序的編寫對(duì)于大部分?？茖W(xué)生來(lái)說(shuō)是個(gè)棘手的事情,故此次課程設(shè)計(jì),指導(dǎo)老師全天候現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo),帶動(dòng)學(xué)生進(jìn)行模塊編程進(jìn)行各功能模塊逐一擊破,一個(gè)模塊完成之后,再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行下一個(gè)模塊的編程和調(diào)試.進(jìn)行在調(diào)試過(guò)程中,學(xué)生基本能按照指導(dǎo)老師的要求進(jìn)行每一個(gè)模塊的單步調(diào)試,模塊間集成調(diào)試等.最后留給學(xué)生2天的時(shí)間用于寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告,對(duì)此次課程設(shè)計(jì)報(bào)告,并且嚴(yán)格按照論文式格式,要求同學(xué)將整個(gè)課程設(shè)計(jì)開發(fā)流程,遇到的問(wèn)題及解決,收獲心得與系統(tǒng)不足和改進(jìn)等詳盡描述,更進(jìn)一步培養(yǎng)他們懂得一定的技術(shù)文檔說(shuō)明報(bào)告書寫的基本思路.

驗(yàn)收的時(shí)候,各小組完成的方法各有特點(diǎn).按鍵部分有的采用簡(jiǎn)單鍵盤設(shè)計(jì)方案,有的采用P1口2×2行列式矩陣設(shè)計(jì),采用LED靜態(tài)顯示方案,驅(qū)動(dòng)電路直接采用74LS164芯片,電子時(shí)鐘顯示的亮度很好;而顯示部分學(xué)生采用動(dòng)態(tài)顯示方案,亮度稍暗寫,但他們覺得硬件設(shè)計(jì)和編程都更簡(jiǎn)單些,驅(qū)動(dòng)電路有的采用74LS244芯片,有的采用三極管作為驅(qū)動(dòng)電路,編程方法也是各盡其一,各顯其能[1,3,5].不同小組成員在現(xiàn)場(chǎng)能交流各自使用的編程方法和心得,哪一種方法更好,為什么?同學(xué)也為此展開了激烈的討論.

4 結(jié) 語(yǔ)

課程設(shè)計(jì)的安排從原本的理論層面上升到了實(shí)踐的范疇,很真實(shí)的運(yùn)用了他們?cè)谡n堂上所學(xué)過(guò)的東西,使他們的學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)更上了一層樓,也懂得了很多關(guān)于自己動(dòng)手和團(tuán)隊(duì)合作的道理.

[1] 徐煜明,韓 雁.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006.

[2] 沈兆軍.單片機(jī)課程任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式探討[J].科技信息：科學(xué)教研,2008(24)：471,503.

[3] 高衛(wèi)東,辛友順,韓彥征.51單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[4] 肖伸平,凌 云,何小寧,等.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程實(shí)踐化教學(xué)改革的探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006(12)：104-106.

[5] 施金鴻.電氣自動(dòng)化專業(yè)電子技術(shù)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施及探索[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2004(6)：83-84.