高職院校單片機教學改革在實踐教學中的應用

楊 楠

(西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710014)

當前，大多數院校對于電子設計類課程采用的授課方法都是先要求理解(理解原理、實現思路等)，然后才是實踐編程，這樣會學生們對此類課程缺少初步的認知，更談不上什么興趣，因此教學效果不好。高職院校強調培養操作型人才，因此在日常授課中，不僅采用了現場教學等方法，還增設了許多實踐內容，以提高學生的動手能力；但由于實踐教學內容的設計相對薄弱，使得學生本身缺乏興趣，無法將書本上的理論與實際結合起來，導致效果不明顯，嚴重影響了學生動手能力的提高，甚至成為制約高職發展的瓶頸。為此，提出了一種新的單片機教學模式，即通過詳細描述數字鐘電路的整個過程設計，讓學生自己動手從繪制電路原理圖到利用ISIS軟件仿真，再到元件焊接以及電路調試，最終生產出一臺屬于自己的數字鐘。通過這一系列連續的工作，使學生切實體會到成就感，提升了動手能力，使學生對單片機技術產生初步的興趣。

1 方案設計

簡易單片機應用大多采用最小應用系統，系統實物如圖1所示，主要包括單片機電路模塊、振蕩電路模塊、復位電路模塊、電源接口模塊以及≥12 MHz頻率的晶振(波特率為1 MHz)。最小應用系統是最簡單的單片機外圍電路，許多功能都可以利用該系統實現，其制作成功后可為后續試驗提供平臺。

圖1 單片機最小應用系統實物圖

單片機最小應用系統材料清單見表1，可按表1準備原件即可實現MCS-51最小應用系統電路。

2 電路設計

2.1 單片機電路模塊

首先在面包板當中放置40腳的IC芯片[1]，用來放置單片機；然后將P0口(管腳32～39)、P1口(管腳1～8)、P2口(管腳21～28)和P3口(管腳10～17)分別引出排陣，用于系統擴展。

表1 單片機最小應用系統材料清單

2.2 復位電路模塊

單片機復位電路形式多種多樣，本文采用按鍵式復位電路，電路連接如圖2所示。首先將200 Ω電阻的一端、電解電容的負極和1 kΩ電阻的一端均與單片機的9號管腳相連接；然后將電解電容的正極接電源VCC，1 kΩ電阻的另一端接地；最后將200 Ω電阻的另一端與復位開關相接，復位開關的另一端接電源。復位開關共有4個管腳，在接線時選擇對角線接法即可[2]。

2.3 振蕩電路模塊

電路連接如圖2所示，首先將12 MHz的晶振兩端與單片機的18腳、19腳分別相連接；然后將2個30 pF的電容的一端與晶振的2個管腳相接；最后將2個電容另一端分別接地即可。

2.4 電源接口模塊

在單片機最小應用系統板上設計電源接口模塊，此模塊主要采用4個排針作為電源插口，且均為并聯方式連接，其中J1為電源輸入端，J2～J4可用于系統擴展，為其他模塊提供電源，電路連接如圖2所示，單片機的31號管腳應接電源，表示使用片內ROM。

圖2 MCS-51最小應用系統原理圖

列出制作簡易數字鐘所需的原件清單(見表2)，其中74HC245芯片起到電流放大作用，由于MCS-51端口輸出信號的驅動能力有限，因此為了增強信號的驅動能力，需經過74HC245放大，8只PNP型9012三極管作為開關使用配合選通管腳，當某一只引腳輸出低電平時，其所接的三極管便導通，使得該管所接引腳的信號傳送到數碼管的引腳上[3]。

表2 數字鐘所需元器件清單

3 程序設計

在軟件設計中遵循V模型自頂向下的設計原則[4]，先設計好程序總體運行時的邏輯框圖，在此階段可以不考慮具體的實現細節，以免影響整體設計思路，主體程序結構框圖如圖3所示。

圖3 主體程序結構框圖

主體程序如下：

1 #include

2 #define uint unsigned int

3 #define uchar unsigned char

4 uint time_t; //毫秒統計值

5 #uchar hour,min,sec; //數碼管顯示值，小時，分，秒

6 uchar code led[10]={0xFC,0x60,0xDA,0xF2,0x66,0xB6,0xBE,0Xe0, 0xFE,0xF6}//數碼管顯示0～9

7 void main()

8{

9 sec=56;

10 min=59;;

11 hour=23;//時間初始化為23:59:56

12 while(1){

13 DISPLAY_NUM(sec，0x01)；//顯示秒

14 DISPLAY_NUM(min，0x08)； //顯示分

15 DISPLAY_NUM(hour，0x40)； //顯示小時

16 DISPLAY_CHAR( )； //顯示分隔符“—”

17 TIME_TAKE( ); //調用時間調整函數}

18}

程序第一行包含AT89X51.h頭文件，該文件包含常用的51系列單片機宏定義，第2和第3行將表述方式較為復雜的無符號整形、無符號字符型2種數據類型采用定義的方法進行簡化改寫。第4和第5行共定義了4個全局變量，分別用于存儲毫秒統計值、小時值、分值和秒值。第6行定義了一個容量為10的一維數組，用于存儲能夠在數碼管上顯示0～9這10個數字的十六進制數。主程序一開始對數碼管進行了初始化，這里設置為23:59:56，而主程序中被調用最頻繁的函數DISPLAY_NUM其函數原型為DISPLAY_NUM(uchar num，dis_w)其中局部變量num傳遞被送顯數值，而dis_w變量則是傳遞送顯數值顯示的位置。下述分析時間調整函數TIME_TAKE()。

Void TIME_TAKE()

{ if(time_t>=1000) //當總延時數為1 s時

{ time_t=0; //time_t 清零

sec++; //秒加1

if(60==sec) //當秒值為60時

{ sec=0; //秒值清零

min++; //分加1

if(60==min) //當分值為60時

{ min=0; //分值清零

hour++; //分加1

if(24==hour) hour=0; //當小時為24時，小時清零

} } } }

時間調整函數的處理流程如下：首先判斷毫秒累加值是否達到1 000，若是，則秒累加值加1，同時毫秒累加值清零；如果秒值到了60，則分累加值加1，同時秒值清零；若分值到了60，則小時累加值加1，同時分值清零；如果小時累加值到了24，則小時累加值清零；上述判斷只要任何一步不滿足條件則退出該函數。

4 項目仿真

利用上述源代碼及硬件電路圖可以在ISIS中進行虛擬仿真測試，此軟件可以模擬單片機應用程序的運行結果，在此平臺下可以驗證硬件電路及代碼的正確性，并進行代碼的修改以及優化，只有仿真結果正確，才有必要制作電路板實現硬件電路[5]。

啟動Proteus仿真軟件，根據硬件連接圖,在元件庫中找出相應原件并連接(見圖4)，共需用到AT89C51芯片、4009反向器和8位1體7段數碼管7seg-mpx8。單擊元件庫“P”按鈕，在彈出對話框中輸入所需原件名，并將其布放到位，此處在仿真時做了如下省略：實際電路中，從單片機P0端口引出的8腳首先通過74HC245芯片后，再接入數碼管的a～h腳，這是因為需要考慮電流的驅動能力，而仿真只是為了驗證程序的正確性，因此在仿真圖中可以省略，直接將P0口與數碼管管腳相連，減少仿真難度；同時實際電路中數碼管8只位選腳同時也是數碼管工作時電流的提供腳，因此提供8只PNP三極管做開關管，既可以起到選通作用，也可以提高電流的驅動能力，而仿真中均用4009反相器代替，模擬選通作用。

5 制作電路板

制作電路板應遵循如下原則：1)考慮原件在面包板上布局美觀、大方，相關元器件盡量接近；2)考慮原件走線需要，盡可能預留走線空間。

走線時線路盡量布放在原件的背面，如果實在布放困難必須布放在原件側，則依據“正面走橫線，背面走豎線”的原則。

制作步驟如下。

圖4 Proteus仿真圖

1)找出2個12腳IC底座，放置合適位置，使得2個4位數碼管安裝完成后正好組成1個8為數碼管。

2)確定2個4位數碼管的12只引腳，哪8只控制數碼管的7段及小數點，哪4只腳是位控制腳并標示。

3)分別將2個4位數碼管相應的a-a、b-b、c-c、d-d、e-e、f-f、g-g、dp-dp等8對腳兩兩連接，并引出到合適位置成為8只段腳。

4)將2個4位數碼管的8只位選腳也分別引出到合適位置，成為8只位腳。

5)在8只段腳引出處連接8只電阻，并通過該電阻連接74LS245芯片相應的引腳處，同時將245芯片另8只腳連接到排針處。

6)8只位腳引出到8個PNP型三極管的集電極，發射極連在一起接VCC，基極接電阻后連接到另外的8只排針處。

實際制作好的電路板如圖5所示。

圖5 電路板實物圖

6 結語

考慮到高職院校的特點，單片機教學應該是“模仿—理解—擴展”的過程。模仿階段主要是“玩”的階段，通過模仿學習讓學生對這門課程產生興趣，在這個階段應盡可能地提供詳細的資料，如電路圖、原理圖、操作流程和源代碼等，這樣初學者即使不懂也能依樣畫葫蘆做出成品，這對提高學習興趣有著至關重要的作用；之后的理解階段是真正的學習過程，從單片機的原理到高級應用以及源代碼的編寫進行融會貫通， 在原來模仿的基礎上能夠加以改造從而設計出自己的產品；最后的擴展階段則是沒有明確的界限，也是一個長期的過程，能夠得心應手地設計解決生活中的問題。

為實現上述目的，設計了一款較為容易實現的單片機應用電路，通過讓學生親自動手參與從電路的設計到項目仿真，再到元件的焊接，最后整體調試。這一整套生產工藝，讓學生們了解單片機電路板的開發制作過程及原理， 不僅提高了學生的動手能力，更重要的是提高同學們對本門課程的興趣，真正做到學以致用，讓大家知道平日上課所學的理論知識在現實當中具體的運用。經過兩屆學生的現場教學發現，同學們通過這樣的實訓模式后，普遍對單片機的后續功能開發充滿了興趣，并養成了獨立思考的能力，動手能力有了明顯提升。

[1] 朱可斌.電路基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[2] 傅豐林.低頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 孫津平.電子技術及其應用[M].北京：北京理工大學出版社，2012.

[4] 丁峰，柳西玲.UML技術及應用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 倪志蓮.單片機應用技術[M].北京：北京理工大學出版社，2010.