基于流水燈的“微控制器應用”課程項目教學設計

彭遠芳，張靜，黃曉峰

摘 要：“微控制器應用”課程是高職應用電子技術專業核心課程，對培養學生的分析問題、解決問題能力，以及創新能力都具有十分重要的作用。但由于課程邏輯性強，與其他課程的關聯度大，加之高職學生專業基礎較弱、主動學習意愿不夠強烈，隨著課程內容的逐步加深，許多學生會逐漸失去學習興趣，教學效果不甚理想。如何讓多數學生掌握課程的主要內容并保持學習的興趣與動力，在項目教學設計中，基礎項目設計的重要性不容小覷。文章以流水燈控制為主線，以最大范圍涵蓋課程主要內容為目的，設計了若干個基礎教學項目，項目功能簡單具體、可操作性強，在課程教學實施中避免了學生的畏難情緒，滿足了學生對“微控制器應用”課程的基礎要求，為進一步學習打下了基礎。

關鍵詞：流水燈;微控制器應用;基礎項目設計

中圖分類號：G712

文獻標識碼：A

收稿日期：2018-11-14

基金項目：上海工程技術大學教學研究項目“微控制器應用課程建設”（k201716003）。

作者簡介：彭遠芳（1968—），女，重慶人，副教授，碩士，主要從事C語言程序設計、微控制器應用以及電子線路板設計等課程的教學工作。

一、高職“微控制器應用”課程

高職“微控制器應用”課程以電子電路的分析與實踐能力、電子線路板的設計能力為基礎，學習以單片機為微控制器的典型小系統調試與開發的全過程，該課程涉及模擬電子技術、數字電子技術、集成電路應用、傳感器應用技術以及C語言程序設計的相關知識，并為后續課程如CPLD/FPGA應用技術、嵌入式系統應用等課程的學習奠定基礎，更為學生畢業后從事智能儀表、汽車電子及其他消費類電子產品的調試、設計與制造，以及繼續學習與職業能力的提升起支撐作用，因此該課程對應用電子技術專業的學生顯得尤為重要。

筆者提出通過項目教學法引導學生學習，為此設計了基礎、提高、拓展項目以適應不同學習需求的學生，在教學實踐中，由于學生學習基礎、接受能力、主觀能動性迥異，加之課程內容多學時少，之前設計的提高及拓展項目不能為多數學生所接受，為改變曲高和寡的處境？以流水燈控制為主線，以最大范圍涵蓋課程主要內容為目的，設計了若干個基礎教學項目，在極少改變硬件組成的前提下，通過不同的控制方式將教學內容蘊涵于項目中，克服了學生在遭遇新知識點時的畏難情緒，使得多數學生能夠跟著教師的思路學習，在經歷這樣一個慢熱的過程后，基本掌握了課程基礎內容，學習興趣也由此被激發出來。

二、教學設計

圖1為典型流水燈硬件電路（晶振電路和復位電路略），其中P1口作為外接獨立式按鍵，P2口輸出低電平點亮發光二極管。以該電路為基礎，采用不同的控制方式，體現課程中最基礎最重要的內容，具體設計如下。

（一）I/O口的基本應用

1.項目1-無鍵控制的流水燈

暫不考慮按鍵控制，I/O口的輸出從1位發光二極管（如D0）的閃爍→（D0～D7）左移流水/右移流水→花樣流水燈圖案設計與實現。在項目功能實現的過程中，先要理解“閃爍”“流水”的原理，分別掌握利用左移/右移運算符、字符串循環左移/右移函數實現左右移流水的方法;對于花樣流水燈，如設置從八路LED閃爍→左移流水→右移流水→兩個亮點從中間向兩側舒展→兩個亮點從兩側向中間收縮→八路LED閃爍為1次循環，掌握采用子函數調用實現花樣流水效果，以及利用一維數組存儲和輸出花樣流水圖形數據表這兩種方法。

2.項目2-通用I/0口鍵控流水燈

（1）單鍵控制的流水燈。為方便起見（如K0），KO未動作記為KO+0，按下/釋放n次記為KO+n動作，項目設計中可設置K0+0為八路LED閃爍，K0+1左移流水，K0+2右移流水，K0+3兩個亮點從中間向兩側舒展，K0+4兩個亮點從兩側向中間收縮，K0+5隔路左移流水，K0+6隔路右移流水，K0+7左四路和右四路交替亮滅，K0+8則回到K0+0。

程序設計中，通過引入一次鍵動作的判斷（包括按下/釋放及鍵抖動處理）、按鍵動作次數的計數，掌握用兩種分支結構（if-else if語句和switch-case語句）對按鍵動作次數進行相應的處理，并比較這兩種分支結構的異同。

（2）多鍵控制的流水燈。依據圖1，在功能設計上由簡單到復雜，如基本功能可設計為Ki鍵動作（i=1～8），發光二極管Di被點亮;進一步可將上述花樣流水圖案進行分解，設計為Ki鍵動作，實現圖案中的第i個流水動作（動作時長可自定義）。

通過項目1-2，學生掌握了通用I/O口的輸入輸出特性、程序基本結構和編程方法。

（二）外中斷及定時器/計數器中斷的應用

中斷系統是單片機最重要的資源，包括外部中斷、定時器/計數器中斷以及串行口中斷。中斷系統的應用是重點也是難點，通過單片機外中斷及定時器/計數器中斷控制流水燈的運行。如圖2，保留K2-K5并分別與INT0/INT1、T0/T1接口，項目具體內容如下。

1.項目3-利用外部中斷控制流水燈

先引入INT0/INT1（K2/K3作為中斷源），暫不考慮K4/K5，如設置無鍵按下為左移流水→右移流水的循環，K2動作則8路閃爍持續5S報警，K3動作則完成上述項目2中單鍵控制的花樣流水燈功能（持續10S），INT0/INT1選用邊沿觸發。

該項目功能雖簡單，但實現過程中涉及的知識點卻很多也相當重要。如通用I/O口外接按鍵的軟件去抖動和INT0/INT1外接按鍵的軟件去抖動有何異同？如何實現？采用中斷方式為何多選用邊沿觸發而不是電平觸發？為何中斷函數一般要求盡可能短？INT0中斷函數如何設計，才能實現8路閃爍報警持續5s（INT1亦如此即完成花樣流水燈持續10s的功能），需知多數學生均會將5s或10s延時放在中斷服務函數中，這顯然是不合理的，啟發學生可以為INT0/INT1各設置一個標志位flag0/flag1，以及增設兩個計數變量C0/C1，通過調用1s延時函數分別實現5s/10s延時，在此基礎上將項目需要實現的功能通過邏輯關系加以詳細描述，再利用編程語言實現，學生會發現這是一個無比奇妙的過程。

2.項目4-利用計數器控制流水燈

忽略K2-K4，為方便起見，K5未動作記為K5+0，按下/釋放m次記為K5+m。項目設計為在K5按下m次完成花樣流水燈的第m個動作（m=1～8），且持續ms（通過定時器T0實現）。

為此T1為8位自動重裝初值的計數器，初值設置為0XFF，工作于查詢方式;T0為定時器方式1，工作于中斷控制方式（50ms溢出一次），另設置兩個計數變量C0/C1，其中C0用以對K5動作次數進行計數，C1對T0溢出次數進行計數，實現1s-8s的延時。在程序結構上，選用switch-case結構，實現花樣流水動作的分解與延時時長的配合。

（三）串口典型應用

串口是單片機最重要的資源之一，也是學生比較難以理解的內容。通過串口資源來控制流水燈，項目內容簡單直觀，學生易于理解。具體設計如下。

1.項目5-通過串口方式0控制流水燈

圖3給出了利用串口方式0控制流水燈的電路，可以設計為Ki鍵按下發光二極管Di閃爍（閃爍間隔1s由T0或采用調用延時子函數實現）。此時串口用作同步移位寄存器，單片機的P1口每讀入一組按鍵信息，RXD端作為數據移位的出口（設置為查詢工作方式），在TXD所提供移位脈沖的控制下，低位在前、高位在后將按鍵信息逐位移出。

需要著重強調的是74LS164的輸出QA～QH應與發光二極管Q7～Q0依此相連，以避免數據傳輸完成后出現“頭朝地”的現象，并通過流水燈運行效果加以印證。

2.項目6-雙機通信控制流水燈

圖4則給出了利用串行通信控制流水燈（閃爍間隔1s仍需由T0或采用調用延時子函數實現）。可以看到，這是一個簡單的雙機通信系統，甲機向乙機發送8位數據，乙機將接收到的數據在其連接的數碼管上顯示。

串口的工作方式可以設置為方式1～方式3中的任意一種（設置為中斷工作方式）。由于是雙機通信，因此對甲乙兩個單片機均需進行編程，通過這個簡單的項目，學生更加容易理解串口發送和接收數據的典型流程，何時可增加奇偶校驗位，何時可修改波特率以改變傳輸速度，并通過流水燈加以驗證。

三、結語

以上通過流水燈涵蓋了I/O端口典型應用、外部中斷、定時器/計數器以及串行口應用，項目設計中也可將流水燈用于人機接口及其程序設計，如通過4只發光二極管、以四位二進制代碼的形式顯示4×4矩陣式鍵盤的鍵號，從實際應用出發，有關人機接口應用的項目選用顯示器主要是LED數碼管、點陣電子顯示屏、LCD1602液晶顯示器等。

教學實踐表明：將課程主要內容蘊含于簡單項目中，在課程教學中項目的硬件組成只有些許改動，更多的是通過更改控制方式，將課程內容有機地嵌入其中，采取靈活多變的方式激發學生的學習興趣，同時增強了教學內容的系統性，使多數學生能夠掌握課程的基礎內容。

當然，對課程的深入學習是一定要通過深入研究具體、實用的典型單片機小系統而獲得的，但不可否認課程基礎知識的學習和掌握是提高與拓展的第一步。

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