王文成

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，“單片機(jī)技術(shù)”作為自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、電子信息工程等專業(yè)的一門核心課程越來越受到重視，我校其他工科專業(yè)如機(jī)械自動(dòng)化、電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)也相繼開設(shè)了該門課程，對(duì)從事機(jī)電控制相關(guān)行業(yè)人才的培養(yǎng)起到了重要作用。該門課程實(shí)踐性強(qiáng)、涵蓋的知識(shí)面廣，它的教學(xué)目的是以電子技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)一步引入微處理器的概念，使學(xué)生初步掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)技能，達(dá)到對(duì)電子技術(shù)的自如運(yùn)用。然而，近幾年由于大學(xué)生擴(kuò)招所帶來的就業(yè)壓力，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)不能滿足工科專業(yè)“工程應(yīng)用”性人才培養(yǎng)的需求。特別是課程結(jié)束后，許多學(xué)生對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、芯片選擇及軟硬件綜合調(diào)試等內(nèi)容仍不能深入理解和靈活運(yùn)用。因此，不斷改進(jìn)單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力，是當(dāng)前教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

目前大部分高校的“單片機(jī)技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)方面主要采用“計(jì)算機(jī)＋仿真器＋實(shí)驗(yàn)箱＋示波器”的教學(xué)模式［1］。這種實(shí)驗(yàn)箱將各種單元電路合理地組合在一塊大印刷電路板上，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，技術(shù)成熟，學(xué)生使用方便，但不可避免地存在著如下局限性［2］。

（1）實(shí)驗(yàn)效率較差。實(shí)驗(yàn)箱中電路連接線和短路線多，學(xué)生不能提前了解電路，只能在實(shí)驗(yàn)課上根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成電路連接，這不但容易接錯(cuò)，而且每次實(shí)驗(yàn)有很多的時(shí)間要花在接線上，電路的設(shè)計(jì)規(guī)模受到限制；

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新慢。電子技術(shù)的高速發(fā)展導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新?lián)Q代較快，以程序代碼的下載為例，僅幾年的時(shí)間，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)由編程器→并口下載線→USB口下載的演化。而實(shí)驗(yàn)箱升級(jí)慢直接導(dǎo)致了學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)的內(nèi)容跟社會(huì)應(yīng)用的脫離，不利于為企業(yè)輸送直接應(yīng)用型人才；

（3）實(shí)驗(yàn)?zāi)K分散。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是以單片機(jī)理論教學(xué)內(nèi)容為目的而安排的，一般情況下，先做單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)，然后是指令和軟件編程的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，最后是一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生做到最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)才明白系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理，前期實(shí)驗(yàn)效果不好。

（4）靈活性和擴(kuò)展性差。實(shí)驗(yàn)箱中的實(shí)驗(yàn)主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的接線圖和參考程序做簡(jiǎn)單的硬件連線和代碼輸入，在學(xué)生動(dòng)腦和動(dòng)手能力的訓(xùn)練上顯得很薄弱，編寫程序上能發(fā)揮的余度較少，學(xué)生不用做實(shí)驗(yàn)就能知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并使抄襲和缺勤現(xiàn)象屢禁不止；

（5）實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用范圍受限。在進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和指導(dǎo)學(xué)生電子設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生的設(shè)計(jì)思想受到限制，有些甚至根本無法實(shí)現(xiàn)。這種重復(fù)、被動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式束縛了學(xué)生的手腳，不利于提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和工程應(yīng)用能力，達(dá)不到良好的實(shí)驗(yàn)效果，不利于學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

2 小項(xiàng)目理論

小項(xiàng)目理論的主導(dǎo)思想是將相對(duì)獨(dú)立的模塊整合為一個(gè)整體，為學(xué)習(xí)者提供了清晰、概括的指導(dǎo)，使學(xué)習(xí)者能夠清晰地掌握學(xué)習(xí)的脈絡(luò)。且在一段教學(xué)時(shí)間內(nèi)，只把某一個(gè)項(xiàng)目或工作過程作為主體的學(xué)習(xí)內(nèi)容，從理論到實(shí)踐反復(fù)認(rèn)識(shí)的主體只有這一個(gè)，使學(xué)生縮小了注意目標(biāo)，可以較短時(shí)間內(nèi)在大腦中形成對(duì)項(xiàng)目的完整認(rèn)識(shí)［3］。而在試驗(yàn)中的小項(xiàng)目就是學(xué)生通過實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目工作而進(jìn)行的實(shí)踐活動(dòng)，在這里，項(xiàng)目指以生產(chǎn)一件具體的具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品為目的，它應(yīng)滿足以下條件［4］：

（1）該項(xiàng)目應(yīng)該包含豐富的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，工作過程用于學(xué)習(xí)一定的教學(xué)內(nèi)容；

（2）能將單片機(jī)課程中某一教學(xué)課題的理論知識(shí)和實(shí)際技能有機(jī)結(jié)合起來，并具有一定的趣味性。

（3）小項(xiàng)目應(yīng)該具有一定的應(yīng)用背景，來源于人民生產(chǎn)生活，也應(yīng)該能夠應(yīng)用到人民生產(chǎn)生活中，與實(shí)際企業(yè)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程或商業(yè)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)有直接的關(guān)系；

（4）小項(xiàng)目的實(shí)施能夠擺脫學(xué)校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的限制，學(xué)生有獨(dú)立制定計(jì)劃并實(shí)施的機(jī)會(huì)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)可以自行組織、安排自己的學(xué)習(xí)行為；

（5）小項(xiàng)目的制定需要完善的任務(wù)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，有明確而具體的成果展示；

（6）教師充當(dāng)指導(dǎo)教師的作用，要求學(xué)生通過資料查閱和集體討論等方式克服、處理在項(xiàng)目工作中出現(xiàn)的困難和難題；

（7）項(xiàng)目的實(shí)施可以采用小組合作方式進(jìn)行組織，把學(xué)生分成若干個(gè)小組，組內(nèi)成員根據(jù)個(gè)人能力合作共同完成一個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目；

（8）項(xiàng)目工作具有一定的難度，要求學(xué)生運(yùn)用新學(xué)習(xí)的知識(shí)、技能，解決過去從未遇到的實(shí)際問題；（9）學(xué)習(xí)結(jié)束時(shí)，各小組產(chǎn)品進(jìn)行展示交流，師生共同評(píng)價(jià)工作成果。

總之，在設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，要仔細(xì)推敲各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的相互聯(lián)系，統(tǒng)籌兼顧，為學(xué)生設(shè)計(jì)出一系列典型的操作性較強(qiáng)的項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生去探索知識(shí)，獲取知識(shí)，運(yùn)用知識(shí)，從設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單產(chǎn)品為切入口，熟悉單片機(jī)產(chǎn)品的開發(fā)流程，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性思維，把學(xué)生領(lǐng)進(jìn)專業(yè)知識(shí)的大門。

3 實(shí)驗(yàn)板總體設(shè)計(jì)

基于以上所述，我們結(jié)合本課程特點(diǎn)和各實(shí)踐環(huán)節(jié)的需求，自行研制開發(fā)并不斷改進(jìn)了一套單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上有豐富的實(shí)驗(yàn)電路和靈活的組成方法［5－6］。它包含了51系列單片機(jī)的基本系統(tǒng)、串行A／D轉(zhuǎn)換、RS232／485接口、LED顯示、鍵盤控制、功率驅(qū)動(dòng)、隔離電路和端口擴(kuò)展等功能模塊。并且實(shí)驗(yàn)板具有在線編程的能力，使用者能比較迅速地掌握編程技巧，通過ISP下載線可以方便地進(jìn)行下載。另外，實(shí)驗(yàn)板還可以脫機(jī)運(yùn)行的功能，能滿足教學(xué)所要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，及科研開發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板原理框圖

其中MCU模塊選用ATMEL公司51系列單片機(jī)；電源模塊，采用7805三端穩(wěn)壓模塊與變壓器組合；AD轉(zhuǎn)換模塊選用8路模擬量輸入芯片ADC0809；直流電機(jī)調(diào)速模塊，設(shè)計(jì)了H橋電路，并可選擇利用ULN2003A芯片增加驅(qū)動(dòng)能力；顯示模塊，在設(shè)計(jì)時(shí)選用CD451芯片和晶體管組合驅(qū)動(dòng)方式；溫度檢測(cè)模塊，選用Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS1820作為溫度檢測(cè)器件；音頻電路，采用三極管放大加揚(yáng)聲器的組合方式；串行通信模塊，采用RS232的通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)；此外，端口接線區(qū)域可以根據(jù)需求自主接線。

4 小項(xiàng)目實(shí)例

根據(jù)實(shí)驗(yàn)板的電路設(shè)計(jì)，可以開展的小項(xiàng)目包括：溫度檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、音樂播放、電機(jī)控制、數(shù)據(jù)顯示等。在此基礎(chǔ)上，同學(xué)們也可以根據(jù)自己的設(shè)想進(jìn)行功能擴(kuò)展。以下以電子音樂盒為例分析小項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

4.1 小項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目的

（1）熟悉51系列單片機(jī)的使用；

（2）熟悉匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)方法，了解基于Protel系列工具的電路板設(shè)計(jì)流程；

（3）掌握單片機(jī)的內(nèi)部功能模塊的應(yīng)用，如定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、中斷、I／O口、串行口通訊等功能；

（4）掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)過程、方法及實(shí)現(xiàn)。

4.2 小項(xiàng)目設(shè)計(jì)的任務(wù)

該小項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基本任務(wù)為完成一個(gè)電子音樂盒的功能。

基本要求：當(dāng)某按鍵按下，音樂盒開始播放音樂，并且流水燈依次閃爍，再次按下按鍵，播放暫停。

擴(kuò)展功能：結(jié)合個(gè)人能力和電路板的現(xiàn)有硬件，增加其他功能。如音樂播放時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)等。

4.3 小項(xiàng)目設(shè)計(jì)的流程

（1）學(xué)習(xí)用Protel99se設(shè)計(jì)原理圖和PCB板圖；

（2）查找資料，分析電路并編寫程序；

（3）焊接電路并用Keil uVision3編譯程序；

（4）下載程序并進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證；

（5）編寫整理文檔；

4.4 硬件設(shè)計(jì)

本小項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以AT89S51單片機(jī)為核心，利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的方波，方波脈沖驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。當(dāng)鍵盤有鍵按下時(shí)，判斷鍵值，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0，產(chǎn)生一定頻率的脈沖，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，放出樂曲。同時(shí)在LED顯示歌曲序號(hào)和流水燈依次閃爍。其原理框圖如圖2所示。

圖2 電子音樂盒原理框圖

4.5 軟件設(shè)計(jì)

基于上述電路，電子音樂盒功能程序部分主要包括音樂盒功能主程序、音頻節(jié)拍讀取子程序、T0中斷服務(wù)子程序和節(jié)拍延時(shí)子程序等。其中，主程序如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于小項(xiàng)目理論的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板，不僅能為以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)前期探索研究提供一種方便的實(shí)驗(yàn)裝置，而且能在遠(yuǎn)離工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境中模擬解決實(shí)際問題。通過基于小項(xiàng)目的開發(fā)鍛煉，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)手能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，更重要的是能了解更多的有關(guān)產(chǎn)品和市場(chǎng)的概念，提高了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，為將來走向社會(huì)打下了良好的基礎(chǔ)。

圖3 主程序流程圖

［1］胡敬朋，王聰.單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)研究及實(shí)踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（5）：82－84.

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［5］WANG Wen－cheng.A teaching method of single chip machine based on small project［C］／／2011International Conference on Communication Software and Networks（ICCSN2011）：25－27.

［6］彭遠(yuǎn)芳，陸勤，胡寧，等.基于“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法”的單片機(jī)課程一體化教學(xué)的探索與實(shí)踐［J］.計(jì)算機(jī)教育，2010，（6）：78－81.