姜紹君 何英昊

大連理工大學城市學院 遼寧大連 116600

單片機實驗是一門綜合模電、數(shù)電、C語言、單片機原理等的實踐課程[1]，也是鍛煉動手實踐能力重要的途徑[2]，更是培養(yǎng)大學生就業(yè)非常重要的技能之一。簡單的單片機實驗還遠遠滿足不了用人單位的要求[3]。單片機實驗在培養(yǎng)學生實踐能力方面具有極其重要的意義。為了提高大學生單片機的實踐能力，本文主要研究了如何解決理論與實踐聯(lián)系、如何設(shè)計和調(diào)試實踐項目等問題。

1 單片機實驗教學的意義及現(xiàn)狀分析

在單片機原理的教學中，理論教學48學時，實驗教學24個學時，理論教學學時是實驗教學學時的二倍。教師和學生往往有一種慣性思維，認為實驗教學只是理論教學的驗證，導致很多教師和學生產(chǎn)生重理論、輕實驗的想法[4,5]。單片機原理是一門理論和實踐緊密聯(lián)系的課程，只有通過各種各樣的實驗內(nèi)容才能深入理解單片機外部引腳的作用、內(nèi)部各個模塊工作原理、C語言程序控制流程。單片機原理也是在工程實踐中被廣泛應(yīng)用的課程，通過單片機實驗可以鍛煉學生利用單片機解決實際工程問題。但是，通過用人單位和畢業(yè)學生的反饋，發(fā)現(xiàn)單片機實驗教學方面還有一些問題亟須改進[4]。

1.1 教學方法簡單

通常，在實驗課前，教師要求學生預習實驗內(nèi)容。在實驗課上，教師按照實驗指導書的內(nèi)容進行授課。首先，從實驗的電路原理圖開始講解，介紹每個電子元件的作用、各個部分的功能。然后，在硬件電路的基礎(chǔ)上，分析實驗程序代碼，講解每一條語句的作用以及對應(yīng)的特殊功能寄存器的功能。最后，學生按照實驗指導書的步驟，在實驗箱上進行簡單的連線[4]，在計算機上使用軟件開發(fā)環(huán)境編寫程序，下載和調(diào)試程序。

在這種簡單的教學方法中，學生關(guān)注實驗的結(jié)果是否能夠做出來，現(xiàn)象是否正確，忽略對硬件電路原理和程序流程的理解，很難做到對知識的靈活運用，達不到實驗教學的目的[4]。

1.2 理論和實踐脫節(jié)

在實驗課上，有些學生能夠認識電路原理圖的元件符號，對電子元器件實物卻搞不清楚。例如，不知道單片機芯片哪個引腳是第一引腳，色環(huán)電阻1 KΩ的電阻和10 KΩ的電阻辨別不清等，導致實物連接錯誤。在實驗箱上完成電路連線，下載程序，有時實驗結(jié)果做不出來。例如，LED發(fā)光二極管不能點亮，按鍵檢測次數(shù)編程出錯，8位數(shù)碼管不能實現(xiàn)動態(tài)顯示等。對于實踐中遇到的這些問題，學生首先想找教師幫助解決問題，而自己不去獨立思考。

1.3 自主設(shè)計實驗欠缺

對于單片機的實驗內(nèi)容，只需按照實驗指導書進行驗證，不需要從頭到尾孤立思考進行設(shè)計，軟件和硬件相結(jié)合的系統(tǒng)綜合設(shè)計能力得不到有效鍛煉。尤其是當學生面對單片機相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計課題時，往往不知道怎樣設(shè)計系統(tǒng)[6]。不知道怎樣設(shè)計單片機外接的硬件電路，不知道怎樣編寫程序流程圖，不知道怎樣整合各個模塊的聯(lián)系實現(xiàn)系統(tǒng)控制。

2 實驗教學的改進

2.1 加強理論和實踐的聯(lián)系

在某些情況下，通過軟件仿真很難發(fā)現(xiàn)實驗板上的電路問題，只有通過單片機實驗才能真正驗證理論的內(nèi)容。單片機系統(tǒng)是軟件和硬件互相配合、緊密聯(lián)系的一個整體，即使理論上編寫正確的程序也有可能無法準確控制硬件工作。單片機原理有一些較難理解的概念、專業(yè)術(shù)語、工作過程，只有通過實驗才能明白理解。因此，實驗課不僅要學習實驗的內(nèi)容，而且要強化理論和實踐的聯(lián)系。

2.1.1 單片機最小系統(tǒng)演示實驗

在理論課上，學生已經(jīng)掌握單片機最小系統(tǒng)的組成以及各個部分的作用。但是，在實驗課上，按照單片機最小系統(tǒng)電路原理圖，在面包板上連接電子元件實物，會出現(xiàn)各種各樣的問題。例如，連錯導線，電子元件引腳方向錯誤；由于時鐘電路的晶振、電容與單片機引腳的連線較長，導致晶振時鐘電路不能振蕩，單片機系統(tǒng)不能工作等。只有通過實際操作，才能發(fā)現(xiàn)這些實踐中的問題。

2.1.2 I/O口實驗

單片機系統(tǒng)最基本的功能是LED亮滅的控制、按鍵開關(guān)的檢測。在理論課上，對于按鍵按下一次的檢測，單片機的程序很容易實現(xiàn)。但是，在實驗課上，使用簡單的程序檢測按鍵按下的次數(shù)，很容易出錯。

當按下一次按鍵時，按鍵接口的電平忽高忽低直至最終變成低電平，這種干擾信號持續(xù)時間約數(shù)毫秒左右。如果采用簡單的低電平檢測方法，就很容易造成多次誤判。在程序設(shè)計時，每次間隔時間數(shù)毫秒，連續(xù)多次檢測到低電平，能夠避開干擾信號區(qū)域，正確判斷按鍵被按下的次數(shù)。通過實驗發(fā)現(xiàn)簡單編程方法會出錯。

2.1.3 LED數(shù)碼管動態(tài)顯示實驗

多位數(shù)碼管動態(tài)顯示的應(yīng)用十分廣泛，也是單片機實驗的重要內(nèi)容。雖然數(shù)碼管的動態(tài)顯示原理比較簡單，但是程序?qū)崿F(xiàn)比較困難。如果各個數(shù)碼管獨自顯示延遲時間設(shè)置不當，就會出現(xiàn)數(shù)碼管一個一個單獨顯示、多個數(shù)碼管都不能同時點亮的現(xiàn)象。對于這樣的問題，可以提醒學生適當調(diào)整各個數(shù)碼管獨自顯示延遲時間t=2 000 ms，1 000 ms，100 ms，10 ms等，學生會觀察到不同的顯示效果。對于數(shù)碼管的“延時余輝”、人眼的“視覺暫留”等理論上難以理解的概念[7]，通過觀察實驗現(xiàn)象，學生才能夠充分理解。

2.2 實驗項目的設(shè)計和調(diào)試

按照實驗指導書連接電子元件、編譯運行程序，學生只是初步了解單片機系統(tǒng)控制過程，但是沒有掌握單片機系統(tǒng)各部分的有機聯(lián)系，大多數(shù)學生不會設(shè)計完整的單片機系統(tǒng)。尤其是在一個比較復雜的實驗項目中，如果實驗結(jié)果做不出來，那么學生不會從系統(tǒng)的角度分析問題，浪費大量時間也沒有解決問題。因此，在單片機實驗中要培養(yǎng)學生設(shè)計和調(diào)試實驗項目的能力[8]。

2.2.1 設(shè)計實驗項目

通常，一個綜合的單片機實驗項目包含組合邏輯設(shè)計和時序邏輯設(shè)計。尤其是在設(shè)計時序邏輯電路時，單片機與其他模塊相互協(xié)調(diào)工作，學生理解時序邏輯比較困難，自主設(shè)計難度較大，甚至出現(xiàn)無從下手設(shè)計的狀況。因此，在項目設(shè)計階段，指導學生在理解單片機與其他模塊之間工作原理的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計電路原理圖和軟件流程圖，使學生在腦海中有一個完整的控制流程。

2.2.2 調(diào)試實驗項目

在單片機實驗中，理論設(shè)計的硬件電路和軟件程序常常會出一些問題，各種各樣的原因?qū)е抡_的結(jié)果沒有做出來，學生想找出原因解決問題也比較困難。因此，在項目調(diào)試階段，培養(yǎng)學生解決問題的綜合邏輯分析能力。

當單片機實驗結(jié)果有問題時，指導學生從硬件和軟件兩方面進行調(diào)試。在硬件方面，檢查電路連線、信號電平高低是否正確。在軟件方面，單片機輸入和輸出信號的時序問題比較復雜。為了能夠迅速準確地找出原因，根據(jù)軟件設(shè)計的控制流程，指導學生利用示波器或者邏輯分析儀等工具逐步診斷各個控制信號的電平高低和控制時序，使學生找到解決問題的方法。

3 結(jié)語

在單片機實驗教學過程中，發(fā)現(xiàn)學生在動手實驗中遇到的一些問題。本文重點研究了如何提高學生解決實踐問題的能力。經(jīng)過多年的教學實踐證明，這種教學方法能夠有效提高學生的實踐能力，初步培養(yǎng)學生的工程實踐能力。