侯甲童　孫克偉　王玉龍

哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院　山東榮成　264300

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)改革與實(shí)踐

侯甲童孫克偉王玉龍

哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院山東榮成264300

目前的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)中，各項(xiàng)安排過(guò)于陳舊。本文提出采用自制實(shí)驗(yàn)開發(fā)板作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，優(yōu)化課程設(shè)計(jì)步驟與時(shí)間安排，注重課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收，并改進(jìn)考核方式。教學(xué)反饋結(jié)果顯示，極大改善了教學(xué)效果。

單片機(jī)；課程設(shè)計(jì)；課程教學(xué)

在電類各專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通常在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程進(jìn)行完畢后進(jìn)行。

在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的理論課中，對(duì)于單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成以及單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)都有講解；實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生又通過(guò)動(dòng)手來(lái)編寫程序和搭建硬件電路或電路仿真來(lái)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。而緊跟其后的課程設(shè)計(jì)，在以上環(huán)節(jié)進(jìn)行完畢后，通過(guò)給學(xué)生提出綜合性的系統(tǒng)要求，在學(xué)生分析解決問(wèn)題后最終完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。［1-3］

1　單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)與特點(diǎn)

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是為了進(jìn)一步鞏固學(xué)生單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的理解，加深對(duì)微控制器的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)之上，將所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，如模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等課程進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合，提高學(xué)生分析問(wèn)題、查找資料、解決問(wèn)題的能力。［4，5］

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)實(shí)踐性強(qiáng)，同時(shí)注重理論與實(shí)踐的結(jié)合。需要學(xué)生在理解課程教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，要完成對(duì)任務(wù)和指標(biāo)進(jìn)行分析，查找資料，方案設(shè)計(jì)，電路與軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)試等工作。［6，7］

2　單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與分析

目前很多學(xué)校在這一環(huán)節(jié)，所采用的設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)施方式和手段等有以下特點(diǎn)。

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊

很多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱，這些實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)是采購(gòu)廠家的產(chǎn)品（如圖1所示）。實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是，集成了豐富的模塊，包括常用I/O擴(kuò)展模塊、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)模塊、RS232和RS485模塊、8155、8255擴(kuò)展模塊、8253模塊、128×64液晶點(diǎn)陣顯示模塊、16X16LED點(diǎn)陣顯示模塊、鍵盤LED控制器8279模塊、4×4鍵盤模塊、并行AD與并行DA模塊、直流電機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、PWM脈寬調(diào)制輸出接口模塊、繼電器模塊等?？梢蚤_展較多的設(shè)計(jì)。

但使用實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)來(lái)開展課程設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)也很明顯。

（1）實(shí)驗(yàn)箱體積大，不便于攜帶。學(xué)生們只能在實(shí)驗(yàn)室里使用，不便于學(xué)生帶回進(jìn)行調(diào)試。這樣，學(xué)生在完成方案設(shè)計(jì)和軟硬件設(shè)計(jì)后，只能扎堆來(lái)實(shí)驗(yàn)室，而實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)量和實(shí)驗(yàn)室資源有限，學(xué)生往往要等待很久才能進(jìn)行調(diào)試，浪費(fèi)時(shí)間。

圖1　單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱

（2）對(duì)于課程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在題目和任務(wù)確定的前提下，進(jìn)行調(diào)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)箱上的很多模塊是冗余的，而這種冗余是相對(duì)的。如基于DS18B20的溫度顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)用到了DS18B20模塊、顯示模塊等，但是閑置了步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、紅外通信等模塊。而閑置的這些模塊恰好是基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于單片機(jī)的紅外通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程設(shè)計(jì)所需要的。所以，資源得不到最大化地利用，造成資源浪費(fèi)。

（3）電路連接采用導(dǎo)線插拔，不宜使學(xué)生建立硬件設(shè)計(jì)的思想。實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)已經(jīng)集成了各模塊，且各模塊的電源供電，晶振模塊等已經(jīng)聯(lián)結(jié)完畢。學(xué)生在使用時(shí)，只需幾根信號(hào)導(dǎo)線即完成硬件上的連接。這樣學(xué)生對(duì)硬件設(shè)計(jì)沒(méi)有概念，很多學(xué)生在做完課程設(shè)計(jì)后，不知道整個(gè)系統(tǒng)包括哪幾部分模塊以及彼此之間如何聯(lián)系。

2.2課程設(shè)計(jì)各步驟和時(shí)間安排不合理

在教學(xué)進(jìn)程安排上，考慮到整個(gè)環(huán)節(jié)的綜合性，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)往往安排兩周的時(shí)間。很多學(xué)校在實(shí)施時(shí)，往往按部就班地在兩周的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行以下步驟：題目下放，學(xué)生的資料查找，方案設(shè)計(jì)，硬件與軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)收與答辯等環(huán)節(jié)。其實(shí)兩周的時(shí)間來(lái)完成課程設(shè)計(jì)時(shí)間上是足夠的，但是在采用實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備的前提下，系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)間就大大縮短了。很多時(shí)候需要降低難度才能保證學(xué)生完成全部的步驟，這樣課程設(shè)計(jì)的效果會(huì)大打折扣。

2.3課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收要求過(guò)于簡(jiǎn)化

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性，所以最終的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是明確的要求。但僅僅要求整個(gè)系統(tǒng)調(diào)通，展示現(xiàn)象是不夠的。

前文所述，提出單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的目的在于將各門相關(guān)課程的綜合，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。若僅要求搭建電路后編寫程序，然后調(diào)試完畢后結(jié)束，達(dá)不到對(duì)于單片機(jī)課程和其他相關(guān)課程的加深，對(duì)于使用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)也沒(méi)有良好的鍛煉。

2.4考核方式過(guò)于表面化

在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)成績(jī)考核中，往往采用如下幾個(gè)部分：考勤，實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)，系統(tǒng)驗(yàn)收，答辯等。這幾個(gè)部分的分值可以相對(duì)靈活的調(diào)整，而后兩部分的分值往往占到60%以上，比重最大。在系統(tǒng)驗(yàn)收和答辯這兩個(gè)步驟，應(yīng)該不僅僅的進(jìn)行評(píng)分，更重要的也是讓學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)。而目前的系統(tǒng)驗(yàn)收中，往往過(guò)多關(guān)注是否實(shí)現(xiàn)了功能。

3　單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施

針對(duì)剛才所述，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中存在的不足，做出以下改進(jìn)措施。

3.1采用實(shí)驗(yàn)開發(fā)板作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板如圖2所示，為自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在制作本實(shí)驗(yàn)開發(fā)板時(shí)，PCB板尺寸為67 mm×95 mm，板厚1.6 mm，雙面板。器件布局盡量緊湊，節(jié)省空間，便于攜帶，學(xué)生可以帶回宿舍調(diào)試程序。

除了最小系統(tǒng)部分外，包含如下模塊：獨(dú)立式按鍵模塊，蜂鳴器模塊，發(fā)光二管模塊，四位一體數(shù)碼管模塊，顯示屏接口模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，AD與DA模塊，EEPROM模塊等。使用本實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，將各部分功能部件配齊，可以完成如下實(shí)驗(yàn)：流水燈實(shí)驗(yàn)，按鍵實(shí)驗(yàn)，數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)，LCD顯示實(shí)驗(yàn)，AD轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，DA轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，電子琴實(shí)驗(yàn)，EEPROM存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)等。

若要做一些其他實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目，而本實(shí)驗(yàn)板上沒(méi)有相應(yīng)的功能模塊，則將相應(yīng)的電源和接口使用杜邦線引出，接到外圍模塊的相應(yīng)引腳即可。

圖2　實(shí)驗(yàn)開發(fā)板

3.2 課程設(shè)計(jì)各步驟和時(shí)間安排的改進(jìn)

課程設(shè)計(jì)采用的步驟如圖3所示。相較于以往的課程設(shè)計(jì)步驟，增加了仿真調(diào)試和仿真驗(yàn)收環(huán)節(jié)。仿真軟件采用Proteus和Keil相結(jié)合的方式進(jìn)行。通過(guò)仿真調(diào)試環(huán)節(jié)，使學(xué)生加深硬件設(shè)計(jì)的思想，并在仿真的過(guò)程中，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行排查，可以將各門相關(guān)課程進(jìn)行綜合。

圖3　課程設(shè)計(jì)步驟

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)的時(shí)間安排采用較靈活的方式，在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程授課之處就將課程設(shè)計(jì)題目下發(fā)。在課程的進(jìn)行中，學(xué)生查找資料并進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并逐步地進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。最終，完成仿真和實(shí)物調(diào)試后驗(yàn)收通過(guò)，撰寫報(bào)告和答辯。這樣的時(shí)間安排相當(dāng)于將課程設(shè)計(jì)的有效時(shí)間延長(zhǎng)，有利于學(xué)生更好地完成課程設(shè)計(jì)，提高實(shí)踐能力。

3.3課程設(shè)計(jì)要求更全面

在課程設(shè)計(jì)的步驟中，加入了仿真調(diào)試和驗(yàn)收。針對(duì)這一項(xiàng)，在題目下發(fā)之初，就明確要求仿真調(diào)試應(yīng)全部通過(guò)。并且最終系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)，要求在最小系統(tǒng)板之外焊接電路板，來(lái)構(gòu)成總體系統(tǒng)電路。這樣有仿真有實(shí)物，學(xué)生對(duì)于課程設(shè)計(jì)的題目，以及各門課程有更深刻的理解，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合。

3.4考核方式的改進(jìn)

對(duì)于考勤和實(shí)驗(yàn)室表現(xiàn)的考核，參考一般做法即可，重點(diǎn)對(duì)于后兩個(gè)步驟的考核，即驗(yàn)收和答辯。

在仿真驗(yàn)收和實(shí)物驗(yàn)收階段，由每個(gè)學(xué)生獨(dú)立操作。對(duì)于仿真驗(yàn)收，學(xué)生將完整的流程，包括建立工程，添加項(xiàng)目文件，編輯文件，編譯文件，仿真調(diào)試等步驟全部演示。對(duì)于實(shí)物驗(yàn)收，學(xué)生將自己焊接的外圍電路模塊連接到最小系統(tǒng)板上進(jìn)行操作演示，并說(shuō)明自己的方案設(shè)計(jì)及思路。教師根據(jù)仿真演示和實(shí)物演示的情況，以及學(xué)生的講解情況給出成績(jī)。

在答辯環(huán)節(jié)，學(xué)生上交報(bào)告并自述，簡(jiǎn)要說(shuō)明自己硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的各模塊功能，以及設(shè)計(jì)和調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法。最后由教師提問(wèn)，根據(jù)提問(wèn)結(jié)果，結(jié)合報(bào)告和自述給出這一部分成績(jī)。

4　結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇，課程設(shè)計(jì)步驟與時(shí)間安排，課程設(shè)計(jì)要求以及考核方式起著重要的作用，它關(guān)乎課程設(shè)計(jì)是否能夠達(dá)到預(yù)定的教學(xué)效果。在本課題組2013～2014兩個(gè)學(xué)年的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)中采用上述的改進(jìn)措施，根據(jù)教學(xué)效果和學(xué)生反饋，均較以往有很大改進(jìn)。

［1］ 葛浩，林其斌.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011（10）:138-140.

［2］ 翟子楠，趙志敏.項(xiàng)目管理模式在單片機(jī)原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)電力教育，2008（9）:51-52.

［3］ 鄭梁，胡冀，徐平原.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的創(chuàng)新教育模式研究與實(shí)踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009（S1）:99-101.?

［4］ 謝斌，譚彧，楊柳.單片機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究與實(shí)踐［J］.高教論壇，2009（11）:43-44.

［5］ 曲輝，劉宇.面向項(xiàng)目的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計(jì)改革探析［J］.中國(guó)電力教育，2013（35）:76-77.

［6］ 李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用（C51編程）［M］.北京:高等教育出版社，2012.

［7］ 李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.第2版.北京:清華大學(xué)出版社，2014.

The Reform and Practice of Principle and Application of MCU Curriculum Design

Hou Jiatong， Sun Kewei， WangYulong
Harbin University of Science and Technology， Rongcheng， 264300， China

In the current Principles and Applications of MCU curriculum design， the arrangements are too old. The homemade experimental development board is used as laboratory equipment in this paper is proposed， the steps and timing of curriculum design are improved.Then，the acceptance of curriculum design is emphasized， and the assessment method is improved. Teaching feedback showed that it improved the effectiveness of teaching greatly.

MCU； curriculum design；curriculum teaching

2014-12-27

侯甲童，碩士，講師。孫克偉，碩士，助教。王玉龍，碩士，講師。

哈爾濱理工大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：320140021。