“單片機技術(shù)應(yīng)用”實踐項目改革與創(chuàng)新
——以全國大學生電子設(shè)計競賽為例

崔寶影，程權(quán)成

（1.遼東學院工程技術(shù)學院，遼寧丹東 118003；2.遼寧機電職業(yè)技術(shù)學院華孚儀表學院，遼寧 丹東 118009）

隨著半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，以微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，而“單片機技術(shù)應(yīng)用”作為入門級的微控制器技術(shù)成為高校電子專業(yè)、機電專業(yè)、自動化專業(yè)的一門專業(yè)核心課程。但現(xiàn)在學校內(nèi)“單片機技術(shù)應(yīng)用”課程對于實踐操作的訓練相對薄弱，并且實踐項目多為基礎(chǔ)驗證性實驗，對于學生電子產(chǎn)品的整體設(shè)計能力缺乏鍛煉，實驗項目過于單薄，且缺少工科類基礎(chǔ)課程（如“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”等）實踐鍛煉的連貫性，學生無法獨立完成電子產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)。而以近幾年高校學生就業(yè)情況分析，企業(yè)更重視學生的動手能力、設(shè)計能力和項目開發(fā)能力，希望學生入職即上崗，因此開發(fā)完整的單片機實踐項目不僅能夠增強學生項目設(shè)計能力、動手操作能力，還能夠增強學生的就業(yè)競爭力[1]。因此，兼顧鍛煉學生項目設(shè)計能力、動手操作能力，同時又能夠?qū)崿F(xiàn)貫穿基礎(chǔ)課程到核心課程的單片機實踐項目的開發(fā)就變得尤為重要，但這樣的實踐項目開發(fā)對于缺乏豐富實踐經(jīng)驗的教師尤其是青年教師來說并不容易，而全國大學生電子設(shè)計競賽的試題為項目的開發(fā)提供了很好的設(shè)計思路。

全國大學生電子設(shè)計競賽是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學生學科競賽之一，目的在于推動高等學校促進信息與電子類學科課程體系和課程內(nèi)容的改革[2]。近年來，該比賽已經(jīng)成為全國規(guī)模最大、認可度最高的電子設(shè)計競賽，也是電子類同學參賽熱情最高的科技競賽之一。歷年電子競賽題目不僅能夠培養(yǎng)學生具備初步工程實踐能力，又能夠培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，同時能夠提高學生的就業(yè)能力。本文以周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置試題為例，探討如何參考電子競賽題目來設(shè)計單片機實踐項目，并將該項目運用到學生單片機課程當中。

1 電子設(shè)計競賽題目周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置簡介

周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置要求設(shè)計一個周期信號的波形識別及參數(shù)測量裝置，要求該裝置能夠識別出給定信號的波形類型，并測量信號的參數(shù)。其基本要求如下：

（1）能夠識別1V≤VPP≤5V、100Hz≤f≤10kHz 范圍內(nèi)的正弦波、三角波和矩形波，且誤差的絕對值不大于2%。

（2）能夠測量并顯示信號的頻率f，相對誤差的絕對值不大于1%。

（3）能夠測量并顯示矩形波信號的占空比D，D 的范圍為20%～80%，絕對形波信號，并顯示類型。

（4）能夠測量并顯示信號的峰-峰值VPP，相對誤差的絕對值不大于1%。

（5）能夠測量并顯示矩形波信號的占空比D，D 的范圍為20%～80%，絕對誤差的絕對值不大于2%。

學生首先根據(jù)題目要求分析該周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置需要具備的功能，以及思考如何實現(xiàn)。

2 電子設(shè)計競賽題目分析與設(shè)計

周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置能夠識別正弦波、三角波和矩形波。題目的難點在于區(qū)分正弦波和三角波，需要學生對兩種波形進行理論分析，此部分內(nèi)容主要培養(yǎng)學生主動思考，考核學生自主分析能力。將該題目用于單片機實踐教學中，首先帶領(lǐng)學生進行整體方案設(shè)計，然后進行電路原理圖的設(shè)計和電路板的設(shè)計與焊接，最后是程序的編程與調(diào)試。

2.1 整體設(shè)計方案

此任務(wù)采用單片機作為核心控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)周期信號的波形識別及參數(shù)測量功能。依據(jù)任務(wù)特點和實驗室條件選擇IAP15W4K61S4 單片機作為控制器，教師提供整體設(shè)計思路，此系統(tǒng)由IAP15W4K61S4單片機、LCD 顯示電路、電源模塊、信號處理電路構(gòu)成。圖1 為系統(tǒng)構(gòu)成框圖。此部分內(nèi)容主要培養(yǎng)學生對電子產(chǎn)品的整體設(shè)計能力，考核學生對各電子元器件的掌握情況。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2.2 系統(tǒng)電路圖設(shè)計及實物圖

要想實現(xiàn)題目要求的功能首先要進行硬件的設(shè)計，包括單片機最小系統(tǒng)電路、模擬信號處理電路，這些要求學生運用所學的電路、模擬電子技術(shù)等知識進行合理的設(shè)計，實現(xiàn)了基礎(chǔ)課程到核心課程內(nèi)容的融會貫通。此外，還需要在完成電路圖設(shè)計的基礎(chǔ)上完成實物圖的焊接，也鍛煉了學生的電路板設(shè)計能力和焊接能力。單片機最小系統(tǒng)電路的設(shè)計既考核了學生基礎(chǔ)電路的掌握情況，又鍛煉了學生單片機最小系統(tǒng)電路和外圍電路的設(shè)計能力，包括流水燈、電源、按鍵的電路，考核了電路設(shè)計中各元器件的選擇和參數(shù)設(shè)置能力。模擬信號處理電路的設(shè)計則是考核了模擬電子的基礎(chǔ)知識掌握情況及電路設(shè)計能力，包括元器件的選擇和參數(shù)的設(shè)置。而最終的電路板設(shè)計則考核學生電路板設(shè)計及元器件焊接的能力。

其模擬信號處理電路圖和實物圖見圖2，圖3。

圖2 模擬信號處理電路

圖3 系統(tǒng)實物圖

2.3 軟件程序設(shè)計流程圖

在理論分析的基礎(chǔ)上實現(xiàn)軟件程序設(shè)計，首先設(shè)計軟件流程圖，然后根據(jù)流程圖進一步分模塊實現(xiàn)單片機的功能，整體設(shè)計的流程圖主要包括顯示參數(shù)、參數(shù)計算等，因該部分內(nèi)容難度較大，且流程圖不正確影響后期學生編程，因此整體設(shè)計的流程圖由教師啟發(fā)、講解、繪制，學生在理解的基礎(chǔ)上根據(jù)流程圖編寫程序并進行調(diào)試。此部分內(nèi)容主要考核學生程序流程設(shè)計能力和編程、調(diào)試的能力。而具體的考核內(nèi)容既包含了單片機C51 的基本語句、函數(shù)模塊，也包含了定時器、串口通信等程序設(shè)計能力。

圖4 軟件程序流程圖轉(zhuǎn)換

在完成電子設(shè)計競賽題目的整個過程中，學生需要根據(jù)任務(wù)要求分析系統(tǒng)的構(gòu)成完成整體設(shè)計方案，再對各個子系統(tǒng)進行硬件設(shè)計和單片機的程序設(shè)計，最終進行裝置的調(diào)試。在此過程中鍛煉了學生對題目的理論分析能力、整個系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)計能力、單片機顯示器等元器件的選擇能力、電路設(shè)計能力、模擬電路設(shè)計能力、電路板繪制能力、焊接能力、程序流程設(shè)計能力、編程能力和調(diào)試能力。在此期間不僅考核了學生對基礎(chǔ)電路、模擬電子技術(shù)、電路板繪制及焊接等基礎(chǔ)知識的掌握情況，也進一步考核了單片機的最小系統(tǒng)設(shè)計、C51 的語句編程、定時器編程等單片機課程知識的掌握情況，提高了學生以單片機為核心的電子系統(tǒng)設(shè)計能力，進而增強了學生的就業(yè)能力。

3 電子設(shè)計競賽在“單片機技術(shù)應(yīng)用”課程中的應(yīng)用

3.1 競賽項目納入教學實踐

將電子競賽的題目用于“單片機技術(shù)應(yīng)用”課程的實踐中，需要在完成基礎(chǔ)教學內(nèi)容（定時器、外部中斷、串口通信、AD、DA 轉(zhuǎn)換、外部擴展等）的講授，進入實踐提高階段發(fā)布電子競賽題目的任務(wù)要求，學生根據(jù)任務(wù)要求進行分析并分組討論，教師參與到小組討論中進行提示，這個過程中學生會產(chǎn)生不同的思路，教師加以引導，各小組制定初步設(shè)計方案。之后，教師講述整體的設(shè)計方案及軟硬件設(shè)計思路，各小組進一步討論和完善方案。接著，各小組依據(jù)自己的方案開始分工制作周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置。

3.2 教學評價改革

原有的教學評價方式是以閉卷考試為主、實驗考核為輔，試卷考試的方式不能衡量學生程序設(shè)計、編寫和調(diào)試的能力，且大大打擊學生動手實踐的興趣。因此可以從基礎(chǔ)知識掌握、程序設(shè)計思路、方案制定情況、硬件設(shè)計能力、軟件編程能力、實驗報告方面進行綜合評價，而周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置的功能性也要作為重點考核，減小理論考試成績的比重，增加實踐操作的比重，這樣才能大大提高學生的動手實踐興趣，而且以完成某個裝置為目的，更容易調(diào)動學生的積極性[3]。學生教學評價體系的改革以提升應(yīng)用能力為目的、以競賽為動力、分層次有步驟地推進教學改革[4]。

4 結(jié)論

對于高職類學生而言，“單片機技術(shù)應(yīng)用”課程需要更多的是實踐操作水平，如何將學生培養(yǎng)成才，使學生成長到無需培訓立馬上崗的水平成為高職學生的一項核心競爭力，因此圍繞培養(yǎng)學生項目設(shè)計能力的教學改革成為培養(yǎng)學生的關(guān)鍵任務(wù)。電子設(shè)計競賽的題目緊跟工業(yè)領(lǐng)域熱點技術(shù)，大大提升學生的學習興趣。周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置融合了“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”等多門專業(yè)課，提高學生將所學知識融會貫通的能力。教師通過指導學生完成電子競賽試題項目，不僅能提升自身的技術(shù)水平和教育教學水平，而且以此為契機進行教學反思和改革能夠深入貫徹科教融合理念[5]?？傊?，改革只是手段，將學生培養(yǎng)成為具備單片機綜合設(shè)計能力的人才才是目的，因此探索也需要與時俱進、不斷完善。