關(guān)于讓學(xué)生輕松學(xué)懂單片機(jī)的探討

葉優(yōu)良

摘要：單片機(jī)體積小功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于各種自動控制設(shè)備，已經(jīng)成為自動化控制專業(yè)的必修課程。早期教學(xué)，或因?qū)嶒灄l件不足，或因?qū)W習(xí)方法欠佳，導(dǎo)致很多學(xué)生覺得單片機(jī)是高大上，難以懂。作者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗，提出一個教學(xué)思路：正確認(rèn)識單片機(jī)，采用C51編程語言，通過項目教學(xué)法，強(qiáng)調(diào)同步實驗加深對課程知識的理解，逐步培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用能力，讓學(xué)生輕松學(xué)懂51單片機(jī)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 硬件電路 C51 程序 項目教學(xué)法

上世紀(jì)80年代誕生的單片機(jī)因其控制功能強(qiáng)大被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，隨即國內(nèi)外各大高校掀起了學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的熱潮。但早期課本是以芯片生產(chǎn)商提供的技術(shù)資料、微機(jī)接口技術(shù)和匯編語言作為主要內(nèi)容，可謂是深奧難懂；加上當(dāng)年實驗設(shè)備昂貴實驗機(jī)會不多，以及當(dāng)時教育模式是理論課程和實際操作課程分步進(jìn)行，導(dǎo)致大部分人對這門課程的感覺是霧里看花。今天，單片機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，已成為自動控制領(lǐng)域的重要技術(shù)，職業(yè)院校的自動控制專業(yè)把單片機(jī)控制技術(shù)作為主干課程，對單片機(jī)掌握程度直接影響學(xué)生專業(yè)技能水平的高低。因此，怎樣讓學(xué)生輕松學(xué)懂單片機(jī)，已經(jīng)成為授課教師苦思冥想的問題，本文將逐步探討讓學(xué)生輕松學(xué)懂單片機(jī)的方法。

首先，正確認(rèn)識單片機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)的全稱是單片微型計算機(jī)，它是在一塊集成芯片上制作了計算機(jī)的主要組成部分，它根據(jù)存儲器中的程序（工作步驟表）的內(nèi)容控制其它電路工作。凡是應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)的電路都可以稱為單片機(jī)系統(tǒng)，控制環(huán)節(jié)的硬件電路包含最小系統(tǒng)和外圍拓展電路兩部分：最小系統(tǒng)為單片機(jī)提供最基本的工作條件（供電、時鐘和復(fù)位），外圍電路包含檢測外界狀況的輸入電路和控制電路實現(xiàn)各種操作的輸出電路。為了便于理解，現(xiàn)在用比喻的方法介紹單片機(jī)系統(tǒng)：沒有燒錄程序的單片機(jī)相當(dāng)空白的大腦（不會工作的），整個單片機(jī)硬件電路像是人體，最小系統(tǒng)像是軀干部位給這個大腦提供基本生存條件，輸入電路像是眼、耳、皮膚等視覺聽覺觸覺器官，輸出電路像是手、腳、嘴巴等運動器官；單片機(jī)這個大腦是按內(nèi)部燒錄的工作步驟表工作，所謂工作步驟表就是程序員所編寫的程序；單片機(jī)這個大腦通過I/O接口接收感覺器官送來的信號，同樣通過I/O接口發(fā)送信號控制行動器官實施動作。需要注意的是人的器官是健全的，而單片機(jī)系統(tǒng)的外圍電路是設(shè)計者根據(jù)需要來設(shè)置的，可多可少，甚至是沒有輸入只有輸出。比如單片機(jī)控制臨時紅綠燈，它從不看實際交通狀況，只是按事先設(shè)定的步驟表，交替亮起紅、黃、綠三色燈，也就是說這個單片機(jī)系統(tǒng)沒有輸入電路只有輸出電路。

然后，明白單片機(jī)系統(tǒng)是怎樣工作的，明白理解硬件電路是編程的前提條件。單片機(jī)是在程序的指導(dǎo)下工作，通過檢測I/O引腳電平的變化來感受外圍電路送來的信號，通過對I/O引腳的電平置1或置0控制外圍電路完成功能操作。輸入信號的檢測和控制信號的傳輸是單片機(jī)程序完成控制的決定性因素，而信號的檢測傳輸?shù)囊?guī)則由單片機(jī)I/O口結(jié)構(gòu)、拓展芯片的結(jié)構(gòu)等硬件決定，因此理解硬件電路是編程的前提條件。很多人學(xué)單片機(jī)，一頭扎在編程研究上，但到了實際項目編程時就束手無策，其原因是忽視了硬件的學(xué)習(xí)。只有看懂了硬件電路、單片機(jī)單元電路結(jié)構(gòu)方框圖、拓展芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖，才能理解各種芯片的功能表、控制引腳電平設(shè)置、工作時序圖，編程才能胸有成竹。

接著，選擇C51作為單片機(jī)編程語言。單片機(jī)系統(tǒng)的靈魂是存儲器里的工作步驟表，即程序員編寫的程序，編程必須使用計算機(jī)語言。早期單片機(jī)編程主要使用匯編語言，是因為匯編語言的指令與硬件緊密關(guān)聯(lián)，每條指令都有固定的機(jī)器周期，在時間上可以做到精確掌控，生成目標(biāo)代碼精簡占用的存儲空間小，執(zhí)行時間短，非常適合當(dāng)時的單片機(jī)速度慢、存儲空間很小的狀況；加上匯編語言出現(xiàn)得早，當(dāng)時的程序設(shè)計人員對它是耳熟能詳，故廣泛應(yīng)用。但匯編語言指令的數(shù)量多、理解難度大、尋址方式復(fù)雜，編寫源程序的代碼較長，令無數(shù)初學(xué)者頭痛。今天，單片機(jī)的存儲空間大、速度快，已經(jīng)不再苛求代碼數(shù)據(jù)量和程序執(zhí)行速度。單片機(jī)編程語言C51，雖然程序運行時間不能精確控制，目標(biāo)代碼較多，但通俗易懂，容易掌握，程序移植性好，使得C51成為目前主流的單片機(jī)編程語言。也就是說：C51編程語言最適合初學(xué)者，有利于提高學(xué)習(xí)效率，讓學(xué)習(xí)事半功倍。

重點：項目教學(xué)法是讓學(xué)生輕松學(xué)懂單片機(jī)的關(guān)鍵所在。掌握單片機(jī)開發(fā)技術(shù)，所需要的硬件和軟件方面的知識非常多。傳統(tǒng)教學(xué)法完成理論學(xué)習(xí)后再進(jìn)行實習(xí)，理論知識難度大且容易混淆，以至實驗時頭腦混亂，不能做到理論指導(dǎo)實踐，導(dǎo)致難以學(xué)懂。項目教學(xué)法只學(xué)習(xí)即將用到的知識點，將實操與理論學(xué)習(xí)同步進(jìn)行，理論指導(dǎo)實踐，實踐驗證理論，可謂是“學(xué)以致用，用以促學(xué)”，極大降低學(xué)習(xí)難度，大大提高學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)習(xí)變成輕松愉快。

通過項目教學(xué)法，將數(shù)量龐大的硬件和軟件知識分解到每一個項目中，逐個掌握，逐項應(yīng)用，逐步提高學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)的能力。單片機(jī)開發(fā)人員需要掌握的軟硬件知識非常繁多，首先要理解全局硬件電路、單片機(jī)單元電路方框圖和芯片結(jié)構(gòu)方框圖；接著理解信號的傳輸途徑、拓展芯片的功能表和控制引腳電平設(shè)置、工作時序圖、控制寄存器的設(shè)置、定時器初始值設(shè)置等知識；還需掌握眾多軟件知識，如各種變量、數(shù)組、各種運算符、語法規(guī)則、程序結(jié)構(gòu)、while、for 、if、switch指令，以及如何用位操作指令模擬時序的方法等。面對如此龐大的知識量，項目教學(xué)法成功的把這個“大饅頭”分成很多小塊，逐快吞咽。因為單個項目只學(xué)習(xí)即將用到的一兩個知識點，逐個學(xué)習(xí)單片機(jī)項目，就能逐項掌握相關(guān)軟硬件專業(yè)知識。

單片機(jī)項目教學(xué)法關(guān)鍵點是實踐。單片機(jī)是控制硬件電路的，非常注重實際效果，實驗成為重要教學(xué)環(huán)節(jié)。硬件電路實驗和軟件仿真實驗，使單片機(jī)項目教學(xué)法實驗環(huán)節(jié)非?？尚?，保障實際操作跟理論學(xué)習(xí)同步進(jìn)行，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，快樂學(xué)習(xí)。硬件電路實驗是指利用學(xué)校的實驗箱或開發(fā)板進(jìn)行實驗，首先讀懂電路圖，然后參照給定的例程，在KEIL軟件上編寫自己的程序并編譯，最后通過燒錄軟件將目標(biāo)程序燒錄到單片機(jī)內(nèi)，通電實驗。軟件仿真實驗是指在電腦上利用PROTEUS軟件（需要和KEIL聯(lián)動）進(jìn)行仿真實驗，它是一個虛擬實驗室，有很多種類的虛擬器件，不受實際條件限制的進(jìn)行各種實驗，我們只需在原理圖窗口繪制電路圖，程序代碼窗口編寫軟件，然后進(jìn)行仿真實驗。初學(xué)者每在書本上完成一個項目的學(xué)習(xí)，即刻實驗觀看控制效果，加深對知識的理解，提升動手能力。

項目教學(xué)法可以快速提高初學(xué)者的單片機(jī)開發(fā)能力。通過給學(xué)生布置設(shè)計課題，引導(dǎo)學(xué)生從分析設(shè)計意圖和項目功能開始，然后去設(shè)計硬件電路，研究硬件電路所用芯片，構(gòu)思程序的流程圖，設(shè)置控制寄存器，編寫程序代碼（用位操作指令模擬工作時序），進(jìn)行多次實驗，逐步實現(xiàn)項目功能。通過項目開發(fā)練習(xí)，學(xué)生能夠把所學(xué)的知識及時應(yīng)用，提升電路設(shè)計和軟件編程能力，快速掌握單片機(jī)專業(yè)知識。

本文從正確認(rèn)識單片機(jī)系統(tǒng)及其工作過程開始，提出理解硬件電路是編程的前提條件的觀點，選擇C51作為編程語言，運用項目教學(xué)法，將眾多軟硬件知識分解逐個掌握，通過實驗逐漸培養(yǎng)單片機(jī)應(yīng)用能力，讓學(xué)生輕松學(xué)懂單片機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

趙興宇等 單片機(jī)的應(yīng)用與設(shè)計（項目式教學(xué)）