“單片機(jī)與接口技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討

陳毅華　毛建國　沈峘　張偉　王帥

摘要：“單片機(jī)與接口技術(shù)”是一門工程性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是將理論知識轉(zhuǎn)化到工程應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，目前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍受到純理論課程的影響，作為理論輔助而未被重視。本文分析了本科生單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及其中的問題，并提出了Proteus仿真與實(shí)驗(yàn)箱結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；Proteus；軟硬結(jié)合

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）11-0260-02

人才培養(yǎng)是學(xué)校的根本任務(wù)，質(zhì)量是學(xué)校的生命線，教學(xué)是學(xué)校的中心工作，而實(shí)踐是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，要提高學(xué)生實(shí)踐動手能力，需要推進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降母母锖蛣?chuàng)新?！皢纹瑱C(jī)與接口技術(shù)”課程除了理論基礎(chǔ)外，還具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。因此，需要對該課程提出更具針對性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以便使學(xué)生能夠在掌握理論基礎(chǔ)的同時(shí)，工程實(shí)踐能力也得到培養(yǎng)與提升。本文即是在此背景下，主要對“單片機(jī)與接口技術(shù)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了分析研究，結(jié)合本課程的實(shí)際情況提出了改革措施。

一、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

“單片機(jī)與接口技術(shù)”課程目前仍沿襲以前純理論課程的教學(xué)模式，雖然設(shè)置了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，但實(shí)驗(yàn)僅作為理論教學(xué)的次要輔助，未對實(shí)驗(yàn)教學(xué)加以足夠的重視。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置不合理

目前，對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠重視，內(nèi)容安排上主要以理論課內(nèi)容為主線，多是作為理論教學(xué)的驗(yàn)證，所以對于學(xué)生而言，各個(gè)實(shí)驗(yàn)是相互獨(dú)立的，沒有相互聯(lián)系起來形成一個(gè)知識網(wǎng)絡(luò)。加之實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容編寫的面面俱到，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)僅僅是參照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，簡單地將程序輸入到計(jì)算機(jī)上，如此重復(fù)地完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，課程實(shí)驗(yàn)實(shí)際上演變成了程序功能的驗(yàn)證，并沒有到達(dá)對單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、編寫、調(diào)試等過程訓(xùn)練的目的。由于過于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的作用，學(xué)生不愿獨(dú)立分析思考，解決實(shí)驗(yàn)大綱中提出的問題，甚至不對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，急于得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，照抄實(shí)驗(yàn)報(bào)告，忽視了實(shí)驗(yàn)過程的重要性。這難以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣性和積極性，也不利于在解決單片機(jī)實(shí)際工程應(yīng)用問題時(shí)，對學(xué)生動手與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，進(jìn)而失去了實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)有的作用。

（二）過度依賴功能集成的實(shí)驗(yàn)箱

隨著單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展，許多高校對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了更新，配備了將實(shí)驗(yàn)所需功能集成于一體的綜合實(shí)驗(yàn)箱，這在一定程度上方便了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，但單一依賴于實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有局限性，并且從學(xué)生反饋的來看并沒有達(dá)到應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)效果。這種綜合實(shí)驗(yàn)箱將全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都集中在一起，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)只需按照實(shí)驗(yàn)接線圖完成所需實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必要的線路連接，將實(shí)驗(yàn)參考程序直接燒錄到實(shí)驗(yàn)箱，再查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程得到了簡化，減少了硬件連接上的錯(cuò)誤，加快了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的進(jìn)度。然而，由于其集成度過高，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都已經(jīng)固定，不易改變和擴(kuò)展，降低了實(shí)驗(yàn)的靈活性，限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維；不用從原理圖開始對硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡化了硬件的連接，弱化了對學(xué)生電路設(shè)計(jì)能力的需求；實(shí)驗(yàn)程序也隨著硬件連接的固定而固化，學(xué)生對單片機(jī)程序的編寫與調(diào)試能力沒有得到鍛煉。

二、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

為改善上述課程教學(xué)的不足，本文將EDA仿真軟件Proteus引入到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，同時(shí)提出了Proteus與實(shí)驗(yàn)箱軟硬結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，使得虛擬仿真與真實(shí)硬件互補(bǔ)互足。

（一）基于Proteus單片機(jī)仿真的特點(diǎn)

Proteus是一款由英國Labcenter Electronic公司開發(fā)的EDA軟件，它支持對微控制器和外圍元器件組成的嵌入式系統(tǒng)仿真，并且能夠與Keil等軟件實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真調(diào)試，這樣不僅可以查看程序執(zhí)行時(shí)微控制器內(nèi)部寄存器、存儲器內(nèi)容的變化，而且可以觀察外圍元器件的工作情況。利用Proteus可以快速靈活地完成嵌入式系統(tǒng)原理圖的繪制，便于在課堂上進(jìn)行講解。

例如，我們利用Proteu進(jìn)行定時(shí)器控制LED燈亮滅的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生按照硬件原理圖（如圖1所示）用Proteus軟件繪制實(shí)驗(yàn)仿真電路圖（如圖2所示），使得在P1.0腳輸出周期為1s的方波，即實(shí)現(xiàn)LED燈循環(huán)亮0.5s，滅0.5s，同時(shí)，在P1.0引腳用虛擬示波器觀察輸出信號，最終實(shí)現(xiàn)LED燈控制器的仿真（如圖3所示）。通過本Proteus實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)會硬件原理圖的繪制、掌握定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的原理及編程方法，學(xué)會使用虛擬示波器觀察波形變化，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

當(dāng)然，軟件虛擬仿真無法達(dá)到與硬件完全一致，有時(shí)仿真結(jié)果存在一定差異。因此，Proteus仿真只能作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的其中一環(huán)。

（二）軟硬結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通過Proteus對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仿真，可以讓學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，不僅軟件編程能力得到了提升，并且也對單片機(jī)外圍硬件設(shè)計(jì)有所了解。由此對單片機(jī)系統(tǒng)有了全面的認(rèn)識，而不是在實(shí)驗(yàn)箱上按部就班地參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

在實(shí)驗(yàn)課前，學(xué)生不再是通過閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行枯燥預(yù)習(xí)，而可以根據(jù)教師布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，利用Proteus提前設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)硬件電路、編寫程序、仿真調(diào)試。在課堂上，教師可以根據(jù)學(xué)生課前仿真的完成情況，有針對性地講解實(shí)驗(yàn)。然后學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)箱上認(rèn)識真實(shí)的元器件，連接線路完成實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)課上，結(jié)合Proteus與實(shí)驗(yàn)箱完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，鞏固理論課上學(xué)習(xí)的知識。實(shí)驗(yàn)課后，教師可以再布置一些擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，以便有興趣、有能力的學(xué)生進(jìn)一步利用Proteus及單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)物驗(yàn)證，以更加深入地學(xué)習(xí)、掌握單片機(jī)及接口技術(shù)。

例如我們布置一個(gè)擴(kuò)展性大作業(yè)：通過PWM信號驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)用AD轉(zhuǎn)換模塊，將電位計(jì)輸入的電壓轉(zhuǎn)換成AD值，該AD值通過換算得到占空比，即只需要調(diào)節(jié)電位計(jì)就可以改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。AD值換算成占空比后可通過動態(tài)數(shù)碼管顯示出來。另外，增加一個(gè)獨(dú)立鍵盤按鈕，來作為控制直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的總開關(guān)。知識點(diǎn)的考核含有定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷、動態(tài)數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、獨(dú)立鍵盤的使用等內(nèi)容。總之，完成該大作業(yè)需要學(xué)生對51單片機(jī)的上述每個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的了解與掌握，并對獨(dú)立的知識點(diǎn)進(jìn)行整合，通過合理的邏輯梳理，完成整個(gè)程序的編寫。學(xué)生可以對51單片機(jī)有更加深刻的了解，加強(qiáng)了對邏輯思維能力的培養(yǎng)，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)打下深厚的基礎(chǔ)。

這樣的教學(xué)方法，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課堂時(shí)間上和空間上的限制，使學(xué)生愿意主動預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并能帶著問題進(jìn)入課堂，有針對性的教學(xué)也提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)效率。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置上也更加靈活多變，易于擴(kuò)展。這種軟硬結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣，而且還可以提升學(xué)生的單片機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力，將所學(xué)理論應(yīng)用到實(shí)際工程中。

三、結(jié)束語

本文從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備兩個(gè)方面分析了當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，分析了其中存在的問題。在此基礎(chǔ)上，將虛擬仿真引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來，并且結(jié)合Proteus軟件的特點(diǎn)，提出了Proteus與實(shí)驗(yàn)箱軟硬結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以此提升單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對理論知識的應(yīng)用能力。希望此文的教學(xué)探討，能對同行起到拋磚引玉的作用。

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