基于單片機教學輔助系統的設計與研究

李小勇 貴州大學 王代強 貴州民族大學

單片機教學屬于是一門應用設計學科教學，具有一定應用性以及適用性特點。因此在單片機教學過程中不但要強化理論知識講授，同時也需要加大學生的動手操作能力培養。在單片機教學中應用教學輔助系統具有重要應用，能夠為廣大教師和學生在單片機教學及學習中提供一定便利。

1 單片機傳統教學模式的不足

在當前單片機課程教學過程中，不管是教學內容設置，還是教學順序安排，采用的都是傳統的先基礎后應用教學方式。也就是在教學中首先介紹單片機的硬件結構、指令系統和尋址方式，之后依照順序進行匯編語言程序設計、系統總線擴展以及接口技術等內容講解，教學的最后結合實例進行單片機系統設計分析。在以上教學安排過程中，課堂理論講解時間明顯高于實驗教學時間。比如在單片機原理與應用教學中，為32學時，但是在實驗教學中的學時通常只有4-6學時，并且是在“語言程序設計”教學之后才會進行實驗教學。傳統教學方式在單片機教學中應用存在的不足包括有：

首先，在課程教學一開始的原理性內容比較多，相對來講教學內容枯燥，導致學生在學習過程中難度比較大，直接對學生的學習熱情以及積極性產生了影響。

其次，在教學過程中注重原理知識講解，對于應用系統設計以及實驗教學存在一定的不足，對于學生的動手操作能力及實踐能力具有不良影響。

然后，因為受到課時的限制，導致在程序設計語言教學停步在匯編語言，經常使用的C51在教學中更是沒有涉及。

最后，在實驗教學過程中，系統功能過于固定，同時學時比較少，不便于進行具有一定復雜性的綜合性實驗設計，因此學生在單片機應用中系統化存在不足。

因為受到以上問題的影響，導致在單片機教學中質量的最大影響因素是學時不足，同時也受到實驗系統功能固定等因素的影響，導致學生在學習過程中不能夠進行綜合性的設計性實驗，無法實現相關知識的融會貫通。

2 單片機教學輔助系統的設計及應用

2.1 智能小車系統輔助教學應用

單片機屬于是硬件范疇，在課堂教學過程中只是進行單片機原理和結構教學，實驗教學大部分也是驗證性實驗，需要學生自主開發研究的實驗項目比較少， 因此在課程教學結束之后，部分學生對于單片機的認識依舊比較模糊，甚至部分學生都無法自主完成單片機相關畢業設計。智能小車系統則屬于是一種軟硬件結合體，之中組裝和應用了多個傳感器，在傳感器采集光線、磁場以及圖像等參數的應用下，能夠有效接收和應用各種數據，不但需要應用到單片機技術控制，同時也能夠在不同算法的應用下有效調整各項參數，對于學生來講不但要對單片機原理和結構有一定的了解，同時也必須要掌握一定的編程技巧，這樣才能夠確保智能小車行駛起來，在此過程中可以讓學生有效掌握單片機相關技術。

在單片機教學過程中，智能小車系統屬于是輔助系統，可以有效提高學生的學習積極性，同時也有助于深化學生對知識技能的認識及掌握。在智能小車系統輔助單片機教學過程中，可以將其分成三個階段，其中分別是準備階段、研發階段以及創新階段。在整個教學中是以教師為主導，以學生為主體，建立在智能小車載體上的教學模式。其中在不同階段的教學方式為：

首先，準備階段。教師首先需要對學生基本情況進行調查研究，在此基礎上制定相應的教學計劃，完成智能小車系統編程。學生在學習過程中，需要明確認識學習目標，并制定相應的學習計劃，在教師的積極指導下認識智能小車系統構造以及運行模式。

其次，研發階段。在已經初步編程的智能小車系統應用下，學生可以在此上進行學習、研究以及探索，以此有效掌握單片機編程方法和智能小車運行模式。在智能小車系統學習過程中，主要分成兩步：第一，學生 首先需要進行驗證性實驗，比如編寫出一個程序，以能夠對小車左轉、右轉、上坡以及轉圈等實施控制，在此操作過程中，能夠讓學生對單片機編程方式有一定的熟悉，同時也能夠有效掌握智能小車系統的操作步驟以及性能；第二，積極進行開發性實驗，基于驗證性實驗基礎，在智能小車系統運行中添加一些功能或提高性能，比如說轉圈，學生在之前進行的一系列驗證性實驗基礎上，可以對相關參數進行更改，也就能夠有效提高小車轉圈速度，也可以顯著提高小車的運行穩定性等。

最后，創新階段。這一階段學生已經整體性對智能小車系統有深入認識，并且也十分明確單片機控制思路，因此也就能夠實現智能小車系統的改造設計，對其程序自行實施添加、刪除以及修改等，另外也可以自行安裝、拆除傳感器，對單片機信號采集過程實施合理的調整，以能夠有效掌握單片機研發技能。

2.2 構建單片機技術教室節能控制系統

在學校這個場所，教室是學生主要活動的地方，它是師生之間進行知識交流的地方，而且高校一般都是屬于開放式的時段管理模式，對于教室資源的使用與高中、初中是不一樣的，高校的治安維護、資源調配和衛生都是由相應的管理人員進行管理。自由調配的開放式教室雖然給學生的學習帶來了便利，但是因為缺乏科學的管理，造成教室能源浪費情況比較嚴重。在學生單片機技術教學過程中，積極引導學生在單片機技術的應用下進行教室節能控制系統設計，則有助于顯著提高學生的單片機知識掌握水平，并提高學生的應用能力。其中在教學過程中，使用單片機作為整個核心控制部分，來提高教室照明系統節能效率，以及資源的合理調配；另外，結合傳感器等設備，構建智能化控制系統，從而有效提高整個系統的運行效率。在整個硬件設計中，根據教室對照明系統的標準規范，建立一個有軟件支持的控制系統，軟件構成部分，是由傳感器來采集各種信號，以及相關硬件設備對信息進行處理和傳輸，從而實現自動化教室燈光資源的節能控制和調度。在具體設計過程中如下：

2.2.1 總體設計

由PIC18F458型號單片機構成的教室燈光節能設計控制系統，這種單片機屬于整個檢測系統的核心控制器，然后結合通訊線RS-485實現對同層教室能源使用進行控制，并與每個單元的1n進行連接，之后利用CAN總線將綜合調配計算機中央系統與單元1n進行連接，從而提高教室燈光資源的動態高校協調管理，具體實現邏輯可以見圖1所示。

圖1 自動化教室節能資源調配管理邏輯結構

根據圖1進行分析，該教室節能控制系統是由單片機PIC18F458作為核心控制系統，通過分析教室溫度和溫度、電氣運行情況、學生學習人數、光照強度等動態信息，之后在通過學校中央計算機King View6.5單元發布數字化、動態化、全中文、圖形化等教室信息到監控界面，讓管理人員能夠看到，從而實現資源的調配，為學校教學提供人性化的資源服務。

2.2.2 教室燈光節能控制器的設計

根據圖1可以看出，在整個教室節能控制系統中，教室控制檢測單元是整個節能管理系統中的核心部分，它不僅可以監控教室動態對象信息，對這些信息進行運算分析和保存，而且也能實現對每個樓層單元的信息通信和共享等。

2.2.2.1 選型硬件設計

首先，單片機選型。建立智能化教室資源節能控制系統，需要保證自動化集成的可靠性、高度集成性，以及低消耗，便于操作人員維護特點。所以，本次分析的單片機是PIC系統，是由Microchip公司開發的PIC18F458單片機設備。該設備具有哈弗通信總線結構、高速的運算分析、精簡指令（RISC）技術控制、驅動能力較強等優勢，可以實現對儀表儀器進行精度控制，也能使用在工業控制系統，以及家電器自動化控制領域中。

其次，紅外數據的采集與處理單元。在教室節能系統中是由紅外傳感器對整個教室內部動態信息進行收集，同結合處理子系統，采集人數信息，該系統的構成成本比較低，電路結構比較簡單。在教室節能控制系統中，人數信息收集是控制教室照明系統的重要數據，同時也是調整燈具運行狀態的依據，這樣才能實現合理調整教室內部資源。

最后，采集單元光照信號選型。根據多種光敏電阻、光禍合器、光電管等電能探測器的功能進行分析，與人視覺敏感區光波長比較接近的是光敏電阻產生的光譜峰值；如果外部環境的光照強度下降，這時光敏電阻響應產生的時間也會增多，這就是在控制教室燈光強度時，隨著光照強度其輸出狀態也會進行合理調整。所以，本次研究對于教室光照強度選擇光敏電阻進行數據采集和單元處理。

2.2.2.2 軟件編程設計

在整個教室節能控制系統中，主要是由信號采集、智能調節、信號傳輸等功能模塊構成，其中軟件編程模塊是必不可少的部分。上述有分析道，軟件部分主要是對紅外采集系統和光照強度電力采集系統收集到的數據進行處理和分析，從而實現電路的控制。

3 結束語

綜上所述，本文主要對單片機教學輔助系統設計展開分析，并結合具體的例子，以能夠積極引導學生迅速掌握單片機技術和原理，積極開發單片機系統。在教學過程中豐富的教學資源以及資源模塊化設計，均能夠進行組合從而出現新的實驗內容，因此教師要積極引導學生進行自主設計，開發創新，加大單片機技術的應用，同時也能夠顯著提高單片機教學質量。