基于微型開發(fā)板的單片機(jī)教學(xué)模式探索

張守峰

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，江蘇 淮安 223003)

0 引言

單片機(jī)芯片體積小、集成度高、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、功耗低、性價(jià)比高，涉及電子、通信、計(jì)算機(jī)和電氣等行業(yè)，廣泛應(yīng)與于儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、智能設(shè)備、汽車電子和航空航天等人們生活的各個(gè)領(lǐng)域[1]63-66. 單片機(jī)的廣泛應(yīng)用極大地提高了生產(chǎn)效率，改善了人們的生活質(zhì)量，尤其是改變了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，從采用硬件電路到采用單片機(jī)程序的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能.

1 單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)是高校工科專業(yè)的一門核心課程，實(shí)踐性非常強(qiáng)，是自動(dòng)控制、電子通信和機(jī)電一體化等許多專業(yè)的必修課. 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，單片機(jī)課程不僅在高校設(shè)置，在很多中職學(xué)校也出現(xiàn)了單片機(jī)課程，每年都會(huì)有各種不同層次的單片機(jī)應(yīng)用競(jìng)賽. 目前，單片機(jī)教學(xué)以實(shí)踐教學(xué)為主，軟件和硬件緊密結(jié)合，教學(xué)模式不斷總結(jié)改進(jìn)，從傳統(tǒng)課堂教學(xué)到項(xiàng)目化教學(xué)、模塊化教學(xué)、工作工程教學(xué)和理實(shí)一體化教學(xué)等. 目前的單片機(jī)教學(xué)模式，普遍存在以下問題：

1．1 高昂的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本

單片機(jī)教學(xué)需要配置大批的硬件設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本較高. 目前高校的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備大都是統(tǒng)一成套的形式，按照50套實(shí)驗(yàn)設(shè)備及相關(guān)附件，則成本平均在50萬(wàn)元左右. 因此，許多院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，不能保證學(xué)生每人1套實(shí)驗(yàn)裝備.

1．2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維護(hù)困難

單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本大，但維護(hù)性差，隨著時(shí)間推移造成設(shè)備老化，一旦出現(xiàn)主要零件損壞，則導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)?zāi)K不能工作或整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱報(bào)廢. 更麻煩的是實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往因?yàn)榻涌诙唷⒔泳€多、連接復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)和軟件等原因，經(jīng)常出現(xiàn)許多莫名的故障，學(xué)生實(shí)踐過(guò)程中斷，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果很差. 而單片機(jī)實(shí)驗(yàn)員既要有電子設(shè)備維修技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，還要熟悉單片機(jī)知識(shí)與技能，這樣的維修人員極其稀缺，按照目前高職院校實(shí)驗(yàn)員待遇，引進(jìn)如此技能人才是極其困難的[2]84-86.

1．3 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備局限性

首先，成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積大，安裝連接極其復(fù)雜，不能攜帶. 其次，學(xué)生能力不同，完成實(shí)踐操作不能統(tǒng)一，而在實(shí)驗(yàn)室的學(xué)習(xí)時(shí)間有限，學(xué)習(xí)目標(biāo)不能真正達(dá)成，甚至很多實(shí)驗(yàn)未能完成，錯(cuò)過(guò)了分析解決實(shí)際問題的時(shí)機(jī)，降低了實(shí)驗(yàn)的功能. 再次，大型單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備跟不上單片機(jī)發(fā)展的需要，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往比較滯后，而且很難進(jìn)行二次開發(fā)，同時(shí)這些設(shè)備使用不太方便，學(xué)生不能很快進(jìn)入學(xué)習(xí)環(huán)境. 還有，學(xué)生不能在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，不利于擴(kuò)展，同時(shí)，學(xué)生進(jìn)行課余實(shí)踐活動(dòng)時(shí)缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力.

2 單片機(jī)教學(xué)組合系統(tǒng)

2．1 微型單片機(jī)開發(fā)板

隨著我國(guó)科研能力不斷提高，出現(xiàn)了許多品牌單片機(jī)開發(fā)板，如靜慧電子HL-1型、光匯科技V3.27型、銳志單片機(jī)V2.8型和德飛萊mini80e型等入門級(jí)的單片機(jī)開發(fā)板，都能滿足單片機(jī)學(xué)習(xí)的基本需要.

2．2 Proteus軟件

Proteus是一款優(yōu)秀的EDA工具軟件，由Labcenter electronics公司設(shè)計(jì)，不僅具有Protel等EDA軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件. 包含原理圖、PCB設(shè)計(jì)、代碼調(diào)試及單片機(jī)硬件電路仿真，支持8051、PIC、AVR、ARM和DSP系列處理器等. 這些軟件還能夠支持LCD字符及圖形、LED數(shù)碼管及點(diǎn)陣、鍵盤和電機(jī)等通用外設(shè)模型，能夠支持中斷、ADC和PSP等實(shí)時(shí)仿真，能夠支持單片機(jī)匯編語(yǔ)言的編譯與仿真，也可以與第三方集成編譯環(huán)境(如Keil)結(jié)合，進(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言的源碼級(jí)仿真和調(diào)試[3]106-107.

3 單片機(jī)教學(xué)

單片機(jī)開發(fā)板七八十元，價(jià)格低廉. 規(guī)格約10cm×15cm，容易操作，方便攜帶與保管；容易與筆記本電腦兼容；性能穩(wěn)定，故障率低. 因此，還能夠以宿舍為單位購(gòu)買與使用，進(jìn)一步降低學(xué)習(xí)成本，可以有效解決單片機(jī)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高昂與維護(hù)麻煩的問題. 同時(shí)進(jìn)行分工合作，充分利用單片機(jī)開發(fā)板實(shí)踐操作，提高學(xué)生自學(xué)能力，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)合作精神.

單片機(jī)開發(fā)板配置有時(shí)鐘電路與AD轉(zhuǎn)換芯片，USB具有高速下載、通信與供電三種功能. 涵蓋了各專業(yè)所必需的基本功能模塊，如8個(gè)彩色發(fā)光二極管、6～8個(gè)數(shù)碼管、蜂鳴器、獨(dú)立鍵盤、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、繼電器模塊、LCD1602液晶顯示設(shè)計(jì)、LCD12864 2.4寸彩屏液晶顯示、DS18B20溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)、紅外發(fā)射/接收模塊、光敏/熱敏檢測(cè)設(shè)計(jì)等，配套Keil c單片機(jī)開發(fā)軟件、單片機(jī)視頻學(xué)習(xí)課件、各種常見單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)與調(diào)試等[4]64-66.

單片機(jī)課程采用模塊化教學(xué)模式，理實(shí)一體化教學(xué)進(jìn)程，根據(jù)對(duì)應(yīng)專業(yè)而有所偏重，但基礎(chǔ)知識(shí)和模塊相同. 以機(jī)電一體化專業(yè)單片機(jī)教學(xué)為例，單片機(jī)開發(fā)板可以承載所有的單片機(jī)基本教學(xué)內(nèi)容，如單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)學(xué)習(xí)，基于發(fā)光二極管的指示燈、閃爍燈和流水燈，基于數(shù)碼管的系統(tǒng)工作時(shí)間與工作狀態(tài)顯示，獨(dú)立鍵盤控制系統(tǒng)等. 專業(yè)模塊還可以學(xué)習(xí)單片機(jī)控制直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和交流電機(jī)，繼電器控制系統(tǒng)，基于紅外發(fā)射與接收的位移檢測(cè)系統(tǒng)，基于光敏電阻的避障系統(tǒng)等. 無(wú)論是從基礎(chǔ)模塊學(xué)習(xí)，還是從專業(yè)模塊應(yīng)用分析，單片機(jī)開發(fā)板可完全滿足高職教學(xué)的需要.

在單片機(jī)學(xué)習(xí)中，硬件設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，但由于條件制約，教師一般講解電路原理圖，很難直接展示硬件設(shè)計(jì)過(guò)程. 把Proteus軟件引入單片機(jī)教學(xué)，可以現(xiàn)場(chǎng)繪制電路圖，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)仿真，使教學(xué)變得直觀、生動(dòng)，提高了教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的積極性. 雖然由于元器件參數(shù)的分散性、誤差和干擾等現(xiàn)象，軟件仿真不能達(dá)到與實(shí)際硬件完全一致，但這并不妨礙Proteus軟件的應(yīng)用價(jià)值. 在仿真電路結(jié)合程序設(shè)計(jì)不斷調(diào)整與改善過(guò)程中，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和分析解決問題能力，又留給學(xué)生很大的創(chuàng)新空間. 在掌握了單片機(jī)開發(fā)板基本模塊基礎(chǔ)上，學(xué)生可以通過(guò)Proteus構(gòu)建個(gè)人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)單片機(jī)開發(fā)板進(jìn)行二次開發(fā)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力和工程素養(yǎng)[5]60-62.

以典型的數(shù)字鐘項(xiàng)目為例來(lái)分析開發(fā)板與Proteus軟件相結(jié)合的基礎(chǔ)模塊教學(xué)實(shí)施過(guò)程，項(xiàng)目包括了數(shù)碼管、外中斷、定時(shí)器和獨(dú)立鍵盤等內(nèi)容. 首先采用理實(shí)一體化模式，在實(shí)訓(xùn)室以60S程序設(shè)計(jì)為載體，通過(guò)編程、仿真和調(diào)試學(xué)習(xí)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示和定時(shí)器相關(guān)寄存器設(shè)置；然后擴(kuò)展到可調(diào)24 h時(shí)鐘設(shè)計(jì)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)外中斷和獨(dú)立鍵盤應(yīng)用；最后，課余時(shí)間學(xué)生可以參考開發(fā)板電路，運(yùn)用Proteus仿真軟件在筆記本電腦上編寫邏輯電路，應(yīng)用揚(yáng)聲器等外設(shè)實(shí)現(xiàn)開發(fā)板二次開發(fā)[6]108-111.

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)單片機(jī)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購(gòu)、建設(shè)、使用和維護(hù)等問題,

通過(guò)近幾年的教學(xué)探索,采用單片機(jī)微型開發(fā)板，運(yùn)用理實(shí)一體化教學(xué)模式，不僅有效解決了教學(xué)中出現(xiàn)的問題，而且提高了教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生的綜合職業(yè)能力，取得了良好的教學(xué)效果. 微型開發(fā)板電路采用固定的模塊，雖然提供了便利，但不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，因此，需要在單片機(jī)綜合性實(shí)訓(xùn)中加強(qiáng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)能力培養(yǎng).

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