基于微型四軸飛行器的單片機(jī)教學(xué)設(shè)計(jì)

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 胡啟迪 何 婷

0 引言

單片機(jī)的教學(xué)側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用，且知識(shí)延展性強(qiáng)，在提升理論知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用能力，深入理解其它相關(guān)專業(yè)課知識(shí)以及激發(fā)創(chuàng)造力等方面都有很好的促進(jìn)作用。因此，對(duì)單片機(jī)類課程的改革研究具有深遠(yuǎn)意義，并得到了廣泛的重視。

1 存在的問題

MCU選型以及實(shí)例系統(tǒng)選擇是直接影響單片機(jī)類課程教學(xué)效果的兩大關(guān)鍵因素。目前在對(duì)單片機(jī)類課程的教學(xué)設(shè)計(jì)上存在的問題基本圍繞著兩個(gè)因素，具體包括MCU選型要么過于陳舊、教學(xué)方式生搬硬套、單片機(jī)課程體系缺乏系統(tǒng)性等幾個(gè)方面。

目前很多單片機(jī)教學(xué)設(shè)計(jì)上都能做到了對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的項(xiàng)目式覆蓋。但是整體看來，各項(xiàng)目之間關(guān)聯(lián)不大，形成不了一個(gè)實(shí)用的系統(tǒng)，從而降低其后期進(jìn)一步自學(xué)深入的興趣。

2 改善辦法

2.1 選擇適合的MCU作為課程樣本

目前市場(chǎng)STC15系列單片機(jī)性價(jià)比高，最高主頻和指令相率相都有很大的提升，其在單字節(jié)運(yùn)算效率上甚至可以與ARM內(nèi)核的32位單片機(jī)媲美，且寄存器結(jié)構(gòu)卻與傳統(tǒng)8051類似，相對(duì)簡(jiǎn)單，也有著很不錯(cuò)的市場(chǎng)前景。

2.2 選擇適合的系統(tǒng)

將一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)進(jìn)行拆分后形成項(xiàng)目可以避免項(xiàng)目設(shè)計(jì)上缺乏系統(tǒng)性、實(shí)用性、針對(duì)性等問題。微型四軸飛行器成本低，具有一定的復(fù)雜度，合理的設(shè)計(jì)下可以充分利用STC15系列單片機(jī)的資源，且可玩性及可擴(kuò)展性較高，是目前可選擇比較理想的系統(tǒng)之一。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

在實(shí)踐性課程教學(xué)設(shè)計(jì)上，需要了解到行業(yè)對(duì)所授MCU的具體需求，包括應(yīng)用領(lǐng)域，最常用片上外設(shè)以及擴(kuò)展外設(shè)等。由于選用微型四軸飛行器作為系統(tǒng)樣本，所以同時(shí)要對(duì)其原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，就可以開始對(duì)微型四軸飛行器進(jìn)行拆分。拆分好的項(xiàng)目通過獨(dú)立的電路設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)即可用于教學(xué)，一般按照由簡(jiǎn)到難由主到次的原則。各個(gè)項(xiàng)目的具體內(nèi)容以及教學(xué)次序，通過在教學(xué)過程中的效果反饋進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，教學(xué)設(shè)計(jì)的整體思路如圖1所示。

圖1 單片機(jī)教學(xué)設(shè)計(jì)思路

3.2 項(xiàng)目制定

通過對(duì)行業(yè)需求的深入了解，綜合知識(shí)點(diǎn)覆蓋、針對(duì)性及系統(tǒng)性的要求，項(xiàng)目制定及對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)如圖2所示。

對(duì)于學(xué)習(xí)者來說，通用IO的控制是最直觀、最簡(jiǎn)單，同時(shí)也是最靈活的知識(shí)點(diǎn)，因此將其排在第一個(gè)項(xiàng)目，并且安排兩種應(yīng)用場(chǎng)景，一種對(duì)應(yīng)最基本的高低電平控制，另一種則對(duì)應(yīng)相對(duì)復(fù)雜些的控制時(shí)序輸出控制。

定時(shí)器的應(yīng)用在嵌入式開發(fā)法中是最常用也是必須要掌握的，因此將其排在第二個(gè)項(xiàng)目，且配套的項(xiàng)目也是為了凸顯定時(shí)器最主要的應(yīng)用場(chǎng)景。

CCP是STC15系列新增的片上外設(shè)之一，簡(jiǎn)單理解起來就是一個(gè)高級(jí)定時(shí)器。其相較于傳統(tǒng)定時(shí)器來說增加了捕獲及低精度的PWM輸出功能，其中的捕獲功能是非常實(shí)用的。但是微型四軸飛行器本身并不是必須要用到此功能，為了覆蓋該知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)商品遙控信號(hào)接收的項(xiàng)目與之對(duì)應(yīng)。

圖2 基于微型四軸飛行器的項(xiàng)目拆分

SPI是一種高速的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，市面上符合此接口的設(shè)備有很多，其在用法上大同小異，關(guān)鍵點(diǎn)是對(duì)SPI通信協(xié)議的理解。這里用與NRF24L01通信作為項(xiàng)目。

ADC器件的應(yīng)用十分普遍，從STC12系列單片機(jī)開始就集成了該片上外設(shè)，這里結(jié)合微型四軸飛行器的結(jié)構(gòu)及行業(yè)應(yīng)用情況選擇搖桿偏幅檢測(cè)及電池電量檢測(cè)兩個(gè)內(nèi)容作為項(xiàng)目（見圖2）。

4 結(jié)語

通過對(duì)行業(yè)需求的把握，結(jié)合易學(xué)性、系統(tǒng)性、實(shí)用性以及趣味性等要求，以STC15系列單片機(jī)作為MCU選型，微型四軸飛行器作為應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)例，對(duì)單片機(jī)課程進(jìn)行了項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、系統(tǒng)開發(fā)能力以及競(jìng)賽水平等方面均有一定的效果。但其在項(xiàng)目?jī)?nèi)容細(xì)節(jié)以及順序編排上仍有不足，需要在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步完善。

[1]STC15系列單片機(jī)器件手冊(cè)[M].中國(guó):南通國(guó)芯微電子有限公司,2014.

[2]馬寶山,劉劍橋,金國(guó)華.單片機(jī)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2015,13(2):103-104.