單片機應用課程平臺的設計與實踐

【摘要】本文闡述了單片機應用課程平臺的硬件設計與軟件要求，分析了課程實踐中遇到的問題和解決方案。合理地設計單片機應用課程平臺，嚴格要求學生完成硬件分析和軟件編程的任務，不僅可以提高學生單片機應用能力，還可以激發(fā)學生對專業(yè)方向的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

【關鍵詞】單片機應用 課程平臺 硬件分析 軟件編程

【中圖分類號】G712 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0239-02

1.引言

單片機具有體積小、集成度高、可靠性高、控制功能強、低功耗、易擴展等特點，在工業(yè)控制、儀器儀表、日常家電、電子通信、辦公自動化設備等方面都有廣泛應用，單片機技術已成為控制系統(tǒng)中最普遍的應用技術[1～6]。單片機是一門應用設計類課，也是一門工程實踐性很強的課，所以如何做到理論與實踐相結合，讓學生能夠把抽象難懂的理論知識做到靈活運用、融會貫通是單片機實踐教學過程中要抓住的重點[7]。單片機實踐課程在目前教學過程中仍存在以下問題：（1）理論教學以單片機原理知識為核心，應用技術講授較少，使學生感覺枯燥；（2）單片機硬件結構和硬件資源與編程軟件講授分離，不宜形成系統(tǒng)概念；（3）實踐環(huán)節(jié)教學模式單一，不利于培養(yǎng)學生的的主動性和創(chuàng)造性[8]。

針對目前單片機實踐課程的教學現(xiàn)狀，開發(fā)了一套適用于學生設計和實踐的單片機應用課程平臺，要求學生獨立完成平臺的硬件原理分析、硬件焊接與調試以及軟件編程的工作。通過此環(huán)節(jié)的訓練既能鍛煉學生硬件分析能力和微處理器平臺上的軟件編程能力，又有助于培養(yǎng)學生對系統(tǒng)整體概念的認識，激發(fā)學生對電子信息專業(yè)方向的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

2.課程平臺的硬件設計

課程平臺硬件以STC89C52作為核心處理芯片，外擴5個功能模塊：鍵盤和顯示模塊、溫度采集模塊、電機控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和串行通信模塊，實現(xiàn)溫度實時采集、工藝參數(shù)的設定與存儲、電機運行與調速、以及良好的人機交互等功能。硬件總體框圖如圖1所示。

硬件平臺中鍵盤顯示部分選擇工業(yè)上使用廣泛的串行HD7279A芯片。溫度采集部分選擇硬件電路簡易的“一線總線”接口溫度傳感器——DS18B20溫度采集模塊。系統(tǒng)可以控制一個直流風機的運行及調速，并與溫度采集部分構成一個簡易的閉環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊采用24C16 E2PROM芯片。此外，硬件部分還提供RS232串行數(shù)據(jù)通信接口，實現(xiàn)與上位PC機的數(shù)據(jù)通信。

3.課程平臺的軟件要求

課程設計要求在實踐平臺上完成溫度測量及電機調速軟件一套。系統(tǒng)上電后，軟件應提供良好的人機交互功能，提示用戶選擇各級菜單。軟件能完成以下菜單功能：溫度檢測、直流風機調速、恒溫控制、工藝參數(shù)設置以及數(shù)據(jù)通信功能。

溫度檢測功能要求能實時采樣環(huán)境溫度，并顯示在LED數(shù)碼管上，顯示的溫度值需精確到小數(shù)點后2位。直流風機調速功能使風機按照用戶輸入的設定參數(shù)運轉，LED顯示器上顯示輸出給風機的實際PWM波占空比。恒溫控制功能根據(jù)溫度傳感器實際采樣值和設定溫度值，調整風機的轉動速度，達到溫度控制的目的。控制方法采用數(shù)字PID算法。工藝參數(shù)設置功能設置風機轉速和恒溫控制的設定溫度值，工藝參數(shù)設置功能支持設置多組工藝參數(shù)。數(shù)據(jù)通信功能通過RS232串行接口與上位PC機進行數(shù)據(jù)通信，實時接收上位機的各種命令，并將風機運行參數(shù)值和實際采樣的溫度值發(fā)送至上位機進行保存。

4.課程實踐過程中遇到的問題及解決方案

課程實踐過程中會遇到各種問題，如果置之不理將直接影響教學質量，無法達到預期的教學目的。因此，準備好課程實施的預定方案并及時梳理和解決課程實際問題十分重要。

課程首當其沖的問題是必須端正學生學習態(tài)度，要求學生必須親歷親為完成整個實踐。以往的實踐課程通常是兩人一組完成一個項目的制作，而且一般以交書面報告或作品的形式來評分，實踐過程中時常會有一些學生濫竽充數(shù)，抄襲他人作品程序和報告的現(xiàn)象屢有發(fā)生。為了端正學生學習態(tài)度，杜絕上述現(xiàn)象發(fā)生，必須從規(guī)范實踐課程的考核要求入手。首先，實踐過程是一人一組，讓每個學生都親自動手完成硬件焊接和軟件編程；其次，實驗報告改為開卷考試的形式，任課教師根據(jù)實踐內容出題，全面考察學生知識的掌握情況；最后，在作品檢查時必須增設答辯環(huán)節(jié)，教師可根據(jù)作品完成情況提出一些硬件設計和軟件編程的相關問題。

在實踐過程中，不少學生暴露出硬件焊接水平較弱的問題。所以在實踐開始時，教師應該重新講述焊接要領，并給予示范，對焊接有問題的學生應逐一輔導。此外，一些學生可能會出現(xiàn)焊錯、焊壞的現(xiàn)象，為了方便元器件的拆卸或返工，所設計的PCB板的焊盤和焊孔的尺寸都應該適當放寬。

軟件編程是實踐過程的重頭戲。學生在KeilC51環(huán)境下編程，實現(xiàn)課程要求的各種功能。教師在指導學生軟件編程時，沒有必要手把手為學生檢查程序。指導過程應以軟件調試方法為主，告訴同學在面對程序編譯出錯或程序邏輯出錯時，應該用什么方法查找原因、排除軟件錯誤。只有這樣才能讓學生在這個過程中得到更多的軟件調試方面的鍛煉。由于學生的編程能力參差不齊，在布置任務時可以分層布置，一些程序功能可以作為加分的選做項，學有余力的同學可以嘗試完成更多功能，獲得更好的成績。

5.小結

一個好的實踐課程，首先要有好的構思和想法，所以，設計符合學生學習要求的課程硬件平臺，并布置相應的軟件編程任務是課程順利開展的基石。此外，在課程實踐過程中，必須嚴格實施預定的考核方案，有了嚴格的考核機制作保障，學生的學習態(tài)度會更加端正，從而獲得更好的教學效果。不少學生在心得體會中感慨：從來沒有這樣認真、投入地去完成一次課程實踐，雖然過程很累，但是收獲卻很多。一些同學還自發(fā)地組成研究小組，在整個過程中互相討論、互相學習、互相幫助，增進了團隊合作精神。

筆者在課程實踐過程中，嚴格按照課程要求和考核方案進行教學，收到了良好的教學效果。文章闡述的課程教學內容和考核方法值得同類實踐課程借鑒和推廣。

參考文獻：

[1]翟國芳，畢越凱. 用于本科教學的單片機最小系統(tǒng)實驗平臺的設計[J].實驗室科學. 2010，13（5）：69-72.

[2]工君，裴喜平. “單片機原理及應用”教學實驗裝置的研發(fā)[J]. 實驗技術與管理. 2008，25（1）：52-53.

[3]賈玉瑛，陳波. 單片機實驗教學改革與探索[J]. 實驗室科學. 2008（6）：26-27.

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[7]胡瑞強，張毅剛，李成偉. 單片機課程設計教學改革探討[J]. 實驗科學與技術. 2010，8（3）：46-48，78.

[8]趙延明，周少武，謝道文. 面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的《單片機原理及應用》的教改研究[J]. 當代教育理論與實踐. 2012，4（5）：116-117.

作者簡介：

萬永菁，女，1975年生，江西南昌人，博士，華東理工大學信息學院副教授，主要研究方向：信號處理、工業(yè)檢測與自動化。

張淑艷，女，1977年生，黑龍江黑河人，博士，華東理工大學信息學院高級實驗師，主要研究方向：微處理器及其應用技術、電機控制。