單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)改革實(shí)踐

韓翠娥 郭清晨

中國人民解放軍軍械工程學(xué)院四系 河北石家莊 050003

單片機(jī)自問世以來，以其極高的性能價(jià)格比，以及抗干擾能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)的顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)工業(yè)控制、機(jī)電一體化產(chǎn)品、智能化儀表、通信產(chǎn)品、家用電器及軍事裝備等領(lǐng)域。因此，即使為選修課，該課程也越來越受到學(xué)生的追捧?！奥槿鸽m小，五臟俱全”，單片機(jī)雖只是一個(gè)芯片，但其內(nèi)涵非常豐富，知識(shí)點(diǎn)多，內(nèi)容抽象，要在短時(shí)間內(nèi)使學(xué)生既熟練掌握單片機(jī)原理又能夠嫻熟應(yīng)用于實(shí)踐的難度很大。那么，怎樣才能大幅提升課程教學(xué)質(zhì)量呢？在對(duì)單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐過程中，筆者在以下幾方面進(jìn)行了有益的探索。

1 合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，提高授課質(zhì)量

教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)包含兩個(gè)層面：

1.1 內(nèi)容的優(yōu)化整合

在很短的學(xué)時(shí)(僅20學(xué)時(shí))內(nèi)，如何使學(xué)生最大限度地掌握單片機(jī)知識(shí)，是一個(gè)急需解決的問題。針對(duì)這一問題，筆者在以下兩方面進(jìn)行了嘗試。

1.1.1 內(nèi)容的取舍

我院學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程之前已經(jīng)學(xué)過很多前序課程，如計(jì)算機(jī)組成原理、C語言程序設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、模擬電子電路、數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)等。并且，在計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程中，學(xué)生已系統(tǒng)地學(xué)過尋址方式、指令系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)方法、存儲(chǔ)器、并行接口(以8255為例)以及模擬I/O接口等內(nèi)容。因此對(duì)數(shù)制與碼制、數(shù)字電路、程序設(shè)計(jì)的基本方法等基礎(chǔ)知識(shí)不須重復(fù)講授；將8086指令系統(tǒng)與單片機(jī)指令系統(tǒng)采取對(duì)比的方式進(jìn)行講授；減少了8255芯片的內(nèi)容，增加了8155芯片，且更注重這些芯片與單片機(jī)之間的電路連接及編程使用；減少了A/D，D/A轉(zhuǎn)換芯片介紹，注重其與單片機(jī)之間的連接方式及編程應(yīng)用。

1.1.2 內(nèi)容的重組

通常，本課程教材的編排順序是微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)→MCS51單片機(jī)結(jié)構(gòu)和時(shí)序→單片機(jī)指令系統(tǒng)→匯編語言程序設(shè)計(jì)→中斷系統(tǒng)→定時(shí)器/計(jì)數(shù)器→并行I/O接口→A/D及D/A接口技術(shù)→串行通信等內(nèi)容。如果完全按照教材的編排順序授課，各知識(shí)點(diǎn)之間相對(duì)獨(dú)立，不能使學(xué)生建立起整體的概念。因此，整合教學(xué)內(nèi)容，合理安排教學(xué)順序，顯得至關(guān)重要。

在教學(xué)過程中，主要以單片機(jī)最小系統(tǒng)組成及原理、單片機(jī)指令系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展及I/O擴(kuò)展技術(shù)四大模塊為設(shè)計(jì)主線，以如何組建單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)其功能為設(shè)計(jì)思路，將各部分內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系成一個(gè)整體。首先將教學(xué)內(nèi)容分成兩大部分(如圖1所示)—單片機(jī)原理與單片機(jī)應(yīng)用。

單片機(jī)原理主要包括硬件和軟件兩部分，其中硬件部分重點(diǎn)講授單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成原理(以51系列單片機(jī)為核心的單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)與原理、存儲(chǔ)器配置、單片機(jī)外圍工作電路、4個(gè)并行I/O端口電路結(jié)構(gòu)、中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器)；對(duì)于軟件部分，將指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)融合在一起，不再講授教材的簡單與分支程序設(shè)計(jì)、子程序設(shè)計(jì)和運(yùn)算程序設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，不再逐條介紹MCS51單片機(jī)的111條指令，而是重在梳理歸納總結(jié)，特別指出51匯編與X86匯編的相同和不同之處；對(duì)于一些關(guān)鍵指令，結(jié)合具體的程序進(jìn)行講解，加深學(xué)生的理解和掌握，如利用DJNZ指令設(shè)計(jì)循環(huán)程序，利用MOVC A，@A+PC和MOVC A，@A+DPTR兩條指令設(shè)計(jì)查表程序，分別用相應(yīng)的程序舉例進(jìn)行講解。在軟件部分，還引入了C51內(nèi)容，指出C51與普通C的區(qū)別。同時(shí)針對(duì)單片機(jī)的I/O端口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)也給出具體的編程實(shí)例。

在單片機(jī)應(yīng)用部分重點(diǎn)講授單片機(jī)的外圍擴(kuò)展技術(shù)，主要包括：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的擴(kuò)展(程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展、并行I/O端口的擴(kuò)展)、單片機(jī)對(duì)鍵盤和顯示器件的擴(kuò)展技術(shù)、單片機(jī)對(duì)A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)展技術(shù)以及單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信技術(shù)。針對(duì)這些內(nèi)容的特點(diǎn)(應(yīng)用性非常強(qiáng))主要以一些典型器件為例進(jìn)行講授。例如，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路連接有相似之處，教學(xué)過程中以新型的EEPROM芯片2817(既可作為程序存儲(chǔ)器也可作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)為例來講授其與單片機(jī)之間的電路連接。對(duì)于顯示器件的擴(kuò)展，除了介紹單片機(jī)對(duì)LED數(shù)碼管的擴(kuò)展技術(shù)外，還增加了單片機(jī)對(duì)LCD顯示器的擴(kuò)展內(nèi)容。

單片機(jī)原理和應(yīng)用兩大部分的內(nèi)容并不是孤立的，同時(shí)在教學(xué)過程中也不是獨(dú)立講解的，單純的講原理，內(nèi)容很抽象，學(xué)生也不易理解和掌握，而在單片機(jī)原理的基礎(chǔ)上，穿插各種典型設(shè)計(jì)案例的講解，將原理教學(xué)融入生活或工程實(shí)際中的相應(yīng)案例，既加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和掌握，又對(duì)學(xué)生以后進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的啟發(fā)。

1.2 不斷更新

單片機(jī)的發(fā)展日新月異，為了避免教學(xué)內(nèi)容陳舊跟不上時(shí)代的發(fā)展，就必須把握單片機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，將最新的技術(shù)引入教學(xué)中，及時(shí)更新課程內(nèi)容。開闊學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

如對(duì)單片機(jī)編程語言的選擇，以C51為主，匯編為輔。由于C語言的突出優(yōu)點(diǎn)(它兼顧了多種高級(jí)語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能)，針對(duì)8051的C語言日趨成熟，成為了專業(yè)化的實(shí)用高級(jí)語言，國內(nèi)最通用的是Keil C51。但匯編語言也不能被完全舍棄，它在某些情況下具有一定的優(yōu)勢(shì)，如與硬件有關(guān)的程序用匯編語言編寫，用C51編寫主程序和運(yùn)算子程序。所以除了引入C51的相關(guān)內(nèi)容外，還引入了針對(duì)匯編和C51的混合編程舉例。除此之外，LCD顯示器接口技術(shù)也是新增內(nèi)容。

2 融入多種教學(xué)手段，提升教學(xué)效果

在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，不僅要使學(xué)生學(xué)到更多的知識(shí)，讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通并牢固掌握，也是值得每個(gè)教師深思的問題。筆者認(rèn)為，采取多樣化的教學(xué)手段是提升教學(xué)效果的有效途徑。

目前主要以課堂授課為主，大多采用多媒體和黑板相結(jié)合的方式進(jìn)行。多媒體教學(xué)雖然減少了教師在黑板上的書寫時(shí)間，但是課堂上單純的程序和電路講解，內(nèi)容枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)也沒有積極性，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。并且，單片機(jī)課程既不像一些理論課那樣具有大量的公式需要推導(dǎo)，也不像機(jī)械結(jié)構(gòu)課可以采用動(dòng)畫形式進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理的演示。它本身所固有的特點(diǎn)就是實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)，針對(duì)這一點(diǎn)，在教學(xué)過程中，一方面采用多媒體教學(xué)，節(jié)省學(xué)時(shí)，以便在有限的時(shí)間內(nèi)能教授更多的內(nèi)容；另一方面將程序和電路仿真軟件——Keil μVision和Proteus引入教學(xué)，針對(duì)所有引用的程序和電路在課堂上進(jìn)行仿真，這一做法不僅吸引了學(xué)生的眼球，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，更加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握，同時(shí)也掌握了這兩個(gè)軟件的應(yīng)用。這里僅舉兩個(gè)例子。

例1：對(duì)MOVC A，@A+DPTR和MOVC A，@A+PC兩條查表指令的使用，分別如圖2和圖3所示。圖中兩段程序均使用查表指令進(jìn)行平方值的查詢，程序雖然短小，卻足以說明這兩個(gè)查表指令的具體用法，非常有利于學(xué)生的理解和掌握，尤其是MOVC A，@A+PC，在使用之前需要加一個(gè)偏移量。從圖中左側(cè)寄存器A中的值可以讀出具體結(jié)果。利用Keil μVision除了可以驗(yàn)證程序的正確與否之外，還可以使學(xué)生更好地了解單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器的配置，如這兩段程序中，具體的平方值都是以常數(shù)形式存放于程序存儲(chǔ)器中，從圖右下側(cè)可以看出，它們存放在以2000H單元開始的ROM中。

例2：單片機(jī)對(duì)ADC0808芯片的擴(kuò)展技術(shù)(如圖4所示)。圖中以一分壓電阻作為輸入的模擬信號(hào)，輸入ADC0808的IN3通道，單片機(jī)通過P0口擴(kuò)展了4位LED數(shù)碼管來顯示模擬電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。滿量程顯示255(FFH)，改變分壓值(圖中分壓比為65%)，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出也會(huì)相應(yīng)改變。AD轉(zhuǎn)換需要通過程序來實(shí)現(xiàn)，這就用到了Proteus和Keil μVision軟件的聯(lián)合仿真，以Keil μVision軟件對(duì)程序進(jìn)行編譯生成HEX文件供Proteus電路調(diào)用，然后在Proteus軟件中運(yùn)行電路和程序，即可得到仿真結(jié)果(如圖4所示)。

3 以案例推動(dòng)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力

雖然將程序和電路仿真軟件引入教學(xué)，確實(shí)提高了課堂的授課效果，但畢竟沒有給學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。所以，為了培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到學(xué)以致用的目的，在教學(xué)方法上，我們引入了案例教學(xué)。不僅在課堂上引入大量生活中或工程中的實(shí)例，如加入單片機(jī)在軍事、通信、能源、機(jī)器人、交通、IT以及現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、家用電器、玩具及個(gè)人信息終端等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用案例，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)；更重要的是通過讓學(xué)生選擇不同的設(shè)計(jì)題目，親自動(dòng)手設(shè)計(jì)硬件電路和軟件編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，大大提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

由于是大班教學(xué)(50～60人)，而且課時(shí)又少，不便于開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)，原有的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，課程實(shí)驗(yàn)固定，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過設(shè)立不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生積極開動(dòng)腦筋完成任務(wù)，以任務(wù)推動(dòng)教學(xué)，突出學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，達(dá)到熟練掌握本課程的目的。

在教學(xué)過程中，設(shè)立10個(gè)題目供學(xué)生選擇，平均每題4～6人。由于時(shí)間有限，題目不宜選得太大太難，以能鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，并按時(shí)完成任務(wù)為原則，題目如下。

(1)定時(shí)鬧鈴LCD，(2)密碼鎖控制，(3)8051八音盒，(4)基于單片機(jī)的數(shù)字鐘，(5)機(jī)箱活動(dòng)門(如光驅(qū)門)的控制，(6)8通道自動(dòng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)，(7)多功能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，(8)用單片機(jī)來設(shè)計(jì)計(jì)算器，(9)單片機(jī)與微機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，(10)紅外遙控器的設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)題目可充分鍛煉學(xué)生對(duì)8051定時(shí)器、按鍵掃描、LCD顯示器、密碼比較處理、歌曲旋律設(shè)計(jì)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的接口設(shè)計(jì)、串行通信及單片機(jī)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法。在學(xué)生完成項(xiàng)目過程中，給予適度的指導(dǎo)，關(guān)鍵是讓學(xué)生自己獨(dú)立自主、保質(zhì)保量地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，把上課時(shí)的被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)檎n外實(shí)踐中的積極主動(dòng)思考。一方面提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、解決問題的能力和創(chuàng)新能力；另一方面讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，激發(fā)了其學(xué)習(xí)興趣和熱情，增強(qiáng)了學(xué)生的自信心，在課程教學(xué)實(shí)踐中收到了很好的效果。

4 結(jié)束語

這些做法在教學(xué)過程中收到了非常好的效果。通過合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，提高了課堂授課信息量及授課效率，解決了學(xué)時(shí)少與授課內(nèi)容多之間的矛盾；課堂引入Keil和Proteus仿真教學(xué)手段，大大提高了課堂的授課質(zhì)量；案例教學(xué)法的實(shí)施，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

[1]靳達(dá).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[2]陳明熒.8051單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[3]段英宏,田志宏,劉秀紅.《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程改革與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009,19(13):282-284.

[4]陳艷麗,劉小燕.“單片機(jī)原理與應(yīng)用”教學(xué)改革探討[J].中國電力教育,2010(1):74-75.