郭一軍　周武　胡娟

摘 要 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是單片機(jī)教學(xué)的一個(gè)重要組成部分，對于提高學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和科學(xué)探索精神具有非常重要的作用。本文針對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，提出一種軟硬結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，提高單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 單片機(jī) 教學(xué)效果 仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.028

Abstract Experimental teaching is an important part of the single chip microcomputer teaching， which plays a significant role in improving students' practical ability， cultivating innovative thinking and scientific exploration spirit. Aimed at the present situation of single chip microcomputer experiment teaching， a teaching method combined the software and hardware is proposed in this paper， so as to enhance the students' system design ability and to improve the experimental teaching effect of single-chip microcomputer.

Keywords single chip microcomputer; teaching effect; simulation experiment

單片機(jī)是高等學(xué)校電類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，對培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力、打造一批適應(yīng)國際分工與合作的單片機(jī)開發(fā)工程師有著十分重要的作用。[1，2]單片機(jī)的課程性質(zhì)及應(yīng)用屬性決定了單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要地位，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以加深學(xué)生對理論知識(shí)的理解和掌握，鞏固所學(xué)理論知識(shí)，提升他們分析問題和解決問題的能力，而且還有助于培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)潛能，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性?；谔摂M仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)直觀生動(dòng)，不受時(shí)間場地的限制，沒有器材消耗，容易開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，并且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前可以自由設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性及創(chuàng)新能力。[3-5]本文基于Proteus和Keil C51軟件，以無線遙控密碼鎖項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，研究了Proteus和Keil C51軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

首先，多數(shù)高校的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)箱上完成的，實(shí)驗(yàn)箱面板提供了一些插口用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與各外圍電路模塊的連接，同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)只要對照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書用導(dǎo)線連接相關(guān)插口，再用鍵盤輸入程序，即可完成實(shí)驗(yàn)。這樣一種實(shí)驗(yàn)方式注重的是結(jié)果，而不是過程，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，僅僅是看到了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，至于實(shí)驗(yàn)背后的各芯片間是如何接口的、程序是如何設(shè)計(jì)的以及為了輸出這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果軟硬件是如何調(diào)試的等問題，對于絕大多數(shù)同學(xué)來說是不清楚的。所以，在實(shí)驗(yàn)箱上只能完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的要求，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程難以調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生參與度不高，不利于所學(xué)理論知識(shí)的消化吸收。

其次，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排極不合理，受到實(shí)驗(yàn)課時(shí)或?qū)嶒?yàn)設(shè)備等諸多因素的影響，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)幾乎都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，沒有研究探索性或綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏挑戰(zhàn)性。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如果以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，就無法保證實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力就得不到提高，[6]也不利于學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的提升。另外，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生并未獲得充分的實(shí)踐性與自主性，學(xué)生對于單片機(jī)的理解和認(rèn)識(shí)仍停留在表層，這樣使得單片機(jī)課程的教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)之間存在一定的差距。[7]

最后，實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一，所有學(xué)生在同一試驗(yàn)箱上進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)流程基本固定，留給學(xué)生自主思考和設(shè)計(jì)的空間很小，從而限制了他們創(chuàng)造力的發(fā)揮，不利于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

2 軟硬結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

利用Proteus和Keil C51軟件學(xué)生可以在自己的電腦上構(gòu)建功能強(qiáng)大的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。在進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生先用Proteus設(shè)計(jì)仿真電路，用Keil C51編寫實(shí)驗(yàn)仿真程序，并將Keil C51編譯通過的程序下載到仿真電路的單片機(jī)中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的程序和電路是否存在問題。當(dāng)仿真通過以后，再到實(shí)驗(yàn)室的硬件上進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，可以避免直接實(shí)物驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中只注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果不注重實(shí)驗(yàn)過程的缺陷，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)有一個(gè)更深刻、更直接的認(rèn)識(shí)，顯著提高實(shí)驗(yàn)效果。

在完成了實(shí)物驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)后，教師可以安排一定課時(shí)開展實(shí)物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)不僅要完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，還需要學(xué)生完成PCB板的制作、元器件焊接以及聯(lián)機(jī)調(diào)試等工作，是對學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)的一次綜合考察，能夠很好地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，更能夠體現(xiàn)教師的教學(xué)水平。在進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)時(shí)，教師可以給出一些設(shè)計(jì)項(xiàng)目供同學(xué)選擇，項(xiàng)目要求具有一定的難度，能夠體現(xiàn)學(xué)生對知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和設(shè)計(jì)水平。實(shí)物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)不同于實(shí)物驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的硬件電路不是現(xiàn)成的是需要學(xué)生自己設(shè)計(jì)的，如果硬件電路設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，那么需要重新制版焊接，增加元器件及芯片的消耗，延長設(shè)計(jì)周期。因此，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)不要急于搭建硬件電路，可以先查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，再利用仿真軟件設(shè)計(jì)項(xiàng)目的硬件和軟件并進(jìn)行仿真調(diào)試，待仿真調(diào)試通過后再進(jìn)行具體硬件電路的設(shè)計(jì)工作。這樣可以極大提高項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率，減少元器件及芯片的消耗。

3 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目硬件電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目硬件電路設(shè)計(jì)包括：紅外遙控器電路、紅外遙控接收電路、穩(wěn)壓電路、報(bào)警電路、液晶顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路、復(fù)位電路以及時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)。這里紅外遙控電路采用現(xiàn)成的紅外遙控器;紅外遙控接收電路由IR1308構(gòu)成;穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓集成電路LM7805和電容構(gòu)成;報(bào)警電路由無源蜂鳴器、P型MOS及10千歐的電阻構(gòu)成;液晶顯示電路采用1602液晶顯示器，用于顯示密碼輸入提示信息、密碼修改提示信息及密碼錯(cuò)誤信息等;驅(qū)動(dòng)電路為密碼鎖驅(qū)動(dòng)電路，由光耦、MOS管、電阻和電容構(gòu)成。

3.2 項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)

完成項(xiàng)目的硬件電路設(shè)計(jì)后，即可進(jìn)入項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)部分。編寫軟件時(shí)，要求學(xué)生首先設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)整體工作流程圖，按功能劃分模塊，設(shè)計(jì)出每個(gè)模塊的工作流程圖并編寫軟件程序，最后進(jìn)行軟件模塊集成。[8]軟件設(shè)計(jì)通過Keil C51完成，采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、紅外接收解碼子程序設(shè)計(jì)、密碼判斷子程序設(shè)計(jì)、報(bào)警子程序設(shè)計(jì)、密碼修改子程序設(shè)計(jì)、1602顯示子程序設(shè)計(jì)。

3.3 仿真調(diào)試

利用Proteus軟件設(shè)計(jì)好仿真原理圖以及由Keil C51軟件設(shè)計(jì)好系統(tǒng)程序后，即可進(jìn)入仿真調(diào)試階段。通過仿真調(diào)試學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中所存在的一些問題，從而鍛煉他們獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。

3.4 項(xiàng)目實(shí)物設(shè)計(jì)

項(xiàng)目通過仿真調(diào)試后，如果需要進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)，就可在Proteus軟件中將硬件電路仿真原理圖轉(zhuǎn)化為PCB圖，再由PCB圖制作印刷電路板，最后是完成電路的焊接組裝以及項(xiàng)目的軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試工作。

4 結(jié)束語

本文將基于Proteus和Keil C51軟件的仿真技術(shù)融入單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生參與度低、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排不合理以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一等問題。從而提升了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性，激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探索的興趣，為他們?nèi)嬲莆諉纹瑱C(jī)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)能力、將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)造了充分的條件。

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