機械類本科單片機實驗教學案例研究

摘要：針對工科機械類本科專業的單片機原理與應用課程實驗教學現狀的不足，本文提出了基于工程項目為導向的單元案例和綜合案例相結合的課程實驗教學方法，探討了實驗案例項目、綜合考核等單片機實驗教學改革實施方案，取得了明顯的教學效果。

關鍵詞：單片機；實驗教學；改革；機械

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）43-0246-02

單片機已經在工業控制、數據采集、智能儀表、機電一體化等領域得到了廣泛應用，極大地提高了這些領域的技術水平，各大高校都將單片機原理與應用課程作為工科類重要的專業基礎課。隨著學科的交叉融合，機械類本科專業不僅要求具備一般的機械設計與制造的能力，還必須具備電子、控制的基本知識，因為目前的機械裝備已不再是單純的機械集合體，而是集機構、驅動、檢測、控制等為一體的機電一體化裝置。機械裝備的設計也不再僅專注于機構與簡單驅動的應用，而是集伺服驅動、高精度檢測、PLC/單片機等控制為一體的復雜閉環系統設計。單片機課程綜合了硬件電路設計和軟件編程等技術。單片機原理也是應用型人才培養的需要，現代理工科院校和高職院校都開設了相關課程。但是，單片機技術日新月異，而大部分高校的單片機課程教學模式卻一直延續至今，沒有針對技術發展、社會需求做出相應調整，使學生處于被動接受而不是主動求知；傳統教學過程中未引入工程實踐設計，導致學生缺乏整體設計能力，動手能力普遍較差。因此，單片機課程改革勢在必行。

一、單片機實驗教學案例研究

單片機實驗教學中，課堂教學主要以案例為主，通過案例來分析與講解單片機原理、應用特點與方法。下面通過單元案例與綜合案例來詳細說明。

1.單元案例。單元案例就是結合單片機的應用特點，對單片機中常用的功能單元進行案例研究及講解，目的是使得學生盡快認識和掌握單片機的各個功能單元。（1）最小系統，最小系統是單片機運行工作起來，所必需的最基本電路組成。在接觸單片機之前，需反復強調最小系統的各部分組成，對于8051單片機來說，即電源、晶振、復位、片內片外存儲器選擇的EA引腳。首先在Proteus里搭建最小系統電路，這有利于學生接觸Proteus仿真環境，熟悉基本元器件的選取和參數定義。然后在最小電路的基礎上，進行單片機控制一盞燈的簡單實驗，這部分內容可結合51單片機的IO口同時講解。再次，在51單片機開發板上，讓學生認識單片機及最小系統，對一些元器件有基本認識。（2）流水燈，在做流水燈實例時，要考慮LED點亮的時間，亮的時間太長會影響整個過程的速度，亮的時間過短，我們無法觀測到。因此，讓學生認識到點亮LED的時間是關鍵，逐步引申到延時的概念，詳細講解程序延時及定時中斷延時這兩種延時方法及各自的優缺點。程序延時的概念學生較容易接受，定時中斷的學習要結合定時/計數器及中斷的知識點，重點講解定時器工作原理、定時中斷方法以及程序等。（3）按鍵和LED數碼管顯示，按鍵和LED數碼管顯示是51單片機常見的輸入輸出設備。首先，Proteus仿真環境里構建的是獨立式按鍵，利用按鍵來控制發光二極管的點亮或熄滅；然后，構建4*4的矩陣式鍵盤，并分析比較獨立式按鍵和矩陣式按鍵；再次，介紹七段式LED的組成原理，分為共陰和共陽兩種，讓學生來分析顯示不同字符時的代碼指令；最后，將4*4矩陣鍵盤和LED顯示結合起來，實現按下鍵盤中的某個按鍵時，LED上將顯示該鍵的鍵值（0-F）。（4）LCD顯示，無論是單個LED（發光二極管）還是LED數碼管，都不能顯示字符及更為復雜的圖形信息，這是因為它們沒有足夠的信息顯示單元。很自然地引申出LCD來，轉而介紹常見的字符型LCD 1602。首先，在Proteus里構建1602固定顯示的實例，可以顯示學校名稱、課程名稱等等；然后，演示動態顯示效果，讓字符自右向左滾動顯示；在演示的基礎上，講解1602顯示的原理，固定顯示和滾動顯示的方法，然后讓學生自己實踐。（5）AD和DA，在單片機應用系統中，只要涉及到測試與控制，都離不開傳感器的檢測。而大部分傳感器是模擬傳感器，檢測信號為模擬信號，在送入單片機處理之前需要利用AD轉換器將模擬信號轉換為數字信號。此時，如果傳感器輸出的信號為大信號的模擬電壓，直接滿足轉換要求，則可直接送入AD轉換器，否則要將信號進行處理，一般是將信號進行放大。讓學生回顧理想集成電路的放大原理，構建檢測信號的放大電路。可以采用溫度檢測的實例，在Proteus里構建模擬溫度傳感器檢測溫度的模型，利用51單片機常用的ADC0809進行模數轉換。DA轉換與AD剛好相反，是將數字量轉換成相應的模擬量，單片機輸出的數字信號必須經過DA轉換器轉換為模擬信號后，才能對一些控制對象進行控制。對于DA轉換器的實驗案例，采用基于DA方式的波形發生器，通過按鍵控制，可輸出方波、鋸齒波、三角波、正弦波等波形，并在Proteus里利用模擬示波器進行觀測。（6）串口通信，在數據處理和過程控制領域，通常需要一臺PC機，由它來管理一臺或多臺以單片機為核心的智能測量控制儀表。這時要使每個單片機應用系統實時的檢測數據能在PC機上顯示出來，或者通過PC機來調整這些測量儀表的工作狀態，就必須實現PC機與單片機之間的通信。串口通信是單片機中常見的通信方式，以串口通信為例向學生講解通信的基本概念，包括并行通信、串行通信以及常見的串行通信方式。在Proteus里構建PC機與單片機之間串口通信的實例，進行數據的發送與回傳接收。

2.綜合案例。在學生基本掌握單片機的上述單元案例后，結合機械類專業的特點，設計兩個綜合案例，分別為：（1）溫濕度監測系統。利用溫濕度傳感器定時檢測環境的溫度和濕度，將檢測信號AD轉換后輸入到單片機，一方面進行1602 LCD的實時顯示，另一方面將檢測溫濕度數據通過串口發送至上位PC機。這個綜合案例考察到了定時器、AD轉換、LCD顯示、串口通信等知識點。（2）PWM控制電機調速。要求產生脈沖頻率為1Hz，占空比0-100%可調。這個綜合案例考察到了PWM波形生成方法、步進電機調速等。

二、單片機實驗教學的考核方式

由于單片機課程的教學方式基本以案例和實踐為主，也須對原有的考核主要以考試為主進行改革。采取的考核方式主要為綜合實踐，即2-3名同學組成一組的形式，自定一個綜合實踐題目，就題目展開分析和討論，并展開單片機硬件系統設計和程序設計，然后確定并繪制單片機綜合實踐系統的硬件圖（在Proteus中完成），并編寫單片機綜合實踐系統的軟件。最后每個項目組指派一位同學，在課堂上通過ppt方式闡述設計理念及具體的設計流程，并接受老師及臺下同學的提問。本次綜合實踐占單片機原理課程總成績的50%，對于設計選題及設計、答辯完成得較好的項目組，給予期末成績加分的獎勵。

三、實驗教學效果

通過單元案例和綜合案例相結合的實驗教學方法，以模塊化、系統化的結構進行單片機原理課程的授課，能夠讓理工科學生特別是機械類學生在認識到單片機應用特點時，能夠綜合運用所學知識，實際開發一些單片機應用系統。以上具體方案，經過三年的教學實踐及效果反饋，效果良好。

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基金項目：杭州電子科技大學高等教育研究項目實驗專項項目資助