趙翠芹+黃星壽

摘要：為解決“單片機原理及應(yīng)用”課程內(nèi)容多而課時少之間的矛盾，提出將項目式教學(xué)法引入到單片機課程教學(xué)中。在虛擬硬件平臺proteus和 Keil軟件平臺下，結(jié)合最小單片機系統(tǒng)、數(shù)碼管、矩陣按鍵和點陣制作了一個電梯控制綜合應(yīng)用系統(tǒng)，最后通過KST-51開發(fā)板進行測試驗證。實踐證明，通過開發(fā)板實物的體驗和軟件虛擬平臺的擴展設(shè)計，能夠激發(fā)學(xué)生對單片機學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性思維，在提高學(xué)生的知識水平、專業(yè)能力和專業(yè)素質(zhì)方面具有明顯的優(yōu)勢，符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。

關(guān)鍵詞：單片機原理及應(yīng)用；keil；proteus；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0177-02

單片機早已融入尋常百姓的智能家電之中，單片機技術(shù)是計算機、自動化、通信等相關(guān)專業(yè)的一門軟硬件結(jié)合且操作性很強的課程[1][2]，也是后續(xù)zigbee協(xié)議棧、ARM Cortex-M3架構(gòu)的STM32單片機開發(fā)、ARM Cortex-A8網(wǎng)關(guān)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和FPGA設(shè)計等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程的基礎(chǔ)性課程[3]。“單片機原理及應(yīng)用”課程內(nèi)容按功能來分可分為控制部分和通信部分[4]；控制部分主要包括流水燈、中斷、數(shù)碼管動態(tài)掃描、點陣LED、矩陣按鍵、步進電機、蜂鳴器和脈沖寬度調(diào)制（PMW）等；通信部分主要包括UART串口通信、1602液晶、I2C總線與E2PROM、實時時鐘DS1302、紅外通信與傳感器、模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換。由于課程內(nèi)容多而繁雜、總課時量受限制，必須對課程內(nèi)容進行整合處理，才能順利完成教學(xué)目標(biāo)。在“Keil軟件+虛擬硬件平臺proteus+開發(fā)板實物測試”下，提出采用項目式教學(xué)教授單片機課程。以項目式為主線，將最小單片機系統(tǒng)、矩陣按鍵、數(shù)碼管和LED點陣動態(tài)顯示等知識融合起來，設(shè)計仿真了電梯數(shù)字滾動顯示的項目。該項目以點帶面，有效地改善了單片機軟硬件知識的學(xué)習(xí)效果，把理論教學(xué)和實踐操作緊密耦合起來，有效地提升了單片機的學(xué)習(xí)效率和綜合應(yīng)用的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生動手能力[5]。

1“單片機原理及應(yīng)用”教學(xué)模式存在的問題

單片機的設(shè)計原則是以最少的硬件器件獲取最多的功能應(yīng)用[4]，在以往的“單片機原理及應(yīng)用”實驗教學(xué)中，通常是由學(xué)校統(tǒng)一購買試驗箱，試驗箱板子線路基本是集成封裝好的，學(xué)生做實驗時只需要根據(jù)硬件電路的連接形式進行相應(yīng)軟件編程，把編寫運行好的二進制可執(zhí)行hex文件下載到試驗箱進行驗證即可。其實這樣做有一個很大的缺陷，忽視了學(xué)生實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)，也就是單片機硬件系統(tǒng)的設(shè)計能力沒有得到強有力的訓(xùn)練，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性。對于固定線路的試驗箱，如果需要修改所涉及的接口電路，就需要重新設(shè)計電路和制版，學(xué)生需要額外購買更多外部器件和儀表，無形中增加了教育投入和價格昂貴的實驗設(shè)備，而且實驗設(shè)備的更新速度也是很快的。因此學(xué)生學(xué)完了單片機課程后，想將其應(yīng)用到實際的項目工程實踐中，其難度還是比較大的，繪制一個綜合性項目的電路圖都有問題，更別說是PCB電路板的制作[6]。

為了提升學(xué)生學(xué)習(xí)“單片機原理及應(yīng)用”課程的自主能動性，豐富課程教學(xué)內(nèi)容，提升課程教學(xué)質(zhì)量，急需對“單片機原理及應(yīng)用”課程進行教學(xué)改革研究，結(jié)合Proteus、Keil軟件和開發(fā)板進行項目式教學(xué)，鍛煉學(xué)生軟硬件綜合開發(fā)設(shè)計能力，升華“單片機原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)效果，為培養(yǎng)與時俱進的應(yīng)用型專業(yè)人才而努力。

2 Proteus與Keil引入“單片機原理及應(yīng)用”課程中

2.1 Proteus在單片機教學(xué)中的應(yīng)用

Proteus軟件是在傳統(tǒng)的虛擬硬件平臺中添加了嵌入式系統(tǒng)的仿真，可以實現(xiàn)51系列、AVR、PIC和ARM等常用的微處理器的仿真調(diào)試。Proteus提供了LED小燈、LED點陣、矩陣按鍵、數(shù)碼管、開關(guān)及步進電機等多種豐富的元器件，有模擬器件也有數(shù)字器件。它還提供了示波器、邏輯分析儀、計數(shù)/定時、SPI調(diào)試器等多種虛擬儀器，借助這些虛擬儀器可以進行相應(yīng)的分析。這些器件的參數(shù)設(shè)置靈活，可以根據(jù)需要進行修改，彌補了硬件實物的不足。課堂教學(xué)中利用這些元器件在Proteus中進行硬件的設(shè)計、編譯調(diào)試代碼，活靈活現(xiàn)的展示電路運行過程與結(jié)果，改善課堂的氣氛和學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

2.2 Keil軟件在單片機教學(xué)中的應(yīng)用

Keil c51和Keil mdk都是Keil公司的單片機集成開發(fā)環(huán)境，c51針對的是51系列的單片機開發(fā)，Keil mdk對應(yīng)的是ARM系列的開發(fā)。Keil軟件是一款簡單易用的集成開發(fā)環(huán)境，帶有強大的在線調(diào)試仿真工具，入門門檻低，只要有c語言或匯編語言基礎(chǔ)就可以進行相應(yīng)的開發(fā)，常常會有事半功倍的效果。

3 課程項目設(shè)計與教學(xué)案例

將項目式驅(qū)動教學(xué)法引入到“單片機原理及應(yīng)用”教學(xué)中，巧妙的設(shè)計了一個電梯控制系統(tǒng)項目。項目包括最小單片機系統(tǒng)、矩陣按鍵、數(shù)碼管和LED點陣的理論知識和實踐技能。項目使用到的元器件有8位單片機AT89C52、7段數(shù)碼管7SEG-COM-AN-GRN、4X4的矩陣按鍵BUTTON、電容CAP、電解電容CAP-ELEC，晶振CRYSTAL， 8X8的點陣MATRIX-GREEN和上拉電阻RESPACK-8。教師對每一個器件用途進行由淺入深的詳細講解，例如電路中的電容和晶振是用于構(gòu)造單片機最小系統(tǒng)的，AT89C52的第18和第19引腳接了一個11.0592MHz的晶振，外加幫助起振并維持振蕩信號穩(wěn)定功能的電容。在確定了項目所需要的元器件之后用Proteus軟件畫出硬件電路設(shè)計原理圖，如圖1所示。根據(jù)實際任務(wù)的需求畫出程序流程圖，如圖2所示，再用Keil C51軟件根據(jù)流程圖編寫源程序，并進行編譯，產(chǎn)生一個可執(zhí)行的二進制hex文件，然后把該執(zhí)行文件下載到AT89C52單片機中去進行調(diào)試，調(diào)試沒有出現(xiàn)問題之后，把hex文件下載到KST-51開發(fā)板進行真實環(huán)境的測試。把項目任務(wù)巧妙的進行模塊分解，然后分配給學(xué)生，讓學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)動手完成每一個模塊的編程與調(diào)試，所有模塊完成后，最后整合成一個電梯控制系統(tǒng)，從而增強學(xué)生的理論知識和實際操作能力。

4 結(jié)語

采用以點帶面的項目式教學(xué)方法在單片機教學(xué)中具有實用性，通過軟硬件動手實踐，它能讓學(xué)生輕松地實現(xiàn)最小單片機系統(tǒng)、矩陣按鍵的掃描、數(shù)碼管的動態(tài)掃描和LED點陣動態(tài)顯示，學(xué)生也能了解到定時器、中斷以及外圍電路的硬件知識，并根據(jù)需要在Proteus軟件中動態(tài)的修改電路元器件參數(shù)；學(xué)生在理解了硬件的基礎(chǔ)上，理解C語言的程序流程和功能實現(xiàn)，并可以在Keil軟件中動態(tài)的修改指令。

參考文獻：

[1] 丁保華，張有忠，陳軍，等.單片機原理與接口技術(shù)實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2010，27（1）：117-119.

[2] 朱敏杰，羅珩，余亞東.改革單片機教學(xué)培養(yǎng)應(yīng)用型人才[J].實驗室研究與探索，2012，31（2）：144-147.

[3] 趙月靜，陳繼榮，張永弟.單片機原理及應(yīng)用課程創(chuàng)新實踐教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（1）：176-179.

[4] 宋雪松，李冬明，崔長勝.手把手教你學(xué)51單片機（C語言版）[M].清華大學(xué)出版社，2014.4.

[5] 許超，吳新杰，張丹.基于Proteus和Keil的單片機課程教學(xué)改革[J]，遼寧大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2011，38（1）.

[6] 顧菊芬，楊國華.“開發(fā)板+Proteus仿真”雙平臺單片機教學(xué)改革實踐[J].教學(xué)改革，2015（3）.