微控制器技術綜合設計和提高設計質量探討

艾 紅

（北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192）

北京信息科技大學自動化專業是北京市特色專業建設項目和國家級特色專業建設項目。單片機課程是電子信息類專業的重要專業基礎課，具有綜合性和實踐性的特點，為了幫助學生掌握程序設計的思想和方法，加強所學知識的應用，了解和掌握單片機應用系統的軟硬件設計過程和方法，學校在單片機課程學習之后，安排了一周半微控制器技術綜合設計，以培養學生的實踐能力，培養學生根據課題需要查閱文獻資料的能力，學會方案論證和比較，拓寬知識面，初步掌握工程設計的基本方法；讓學生學會軟、硬件設計和調試方法，培養學生綜合運用所學專業知識，增強分析問題和解決問題的能力[1－2]。

1 綜合設計主要內容和選題

主要內容與要求：（1）學生圍繞要解決的問題查閱相關的文獻資料，并進行分析、研究，確定技術路線和實施方案；（2）了解與課題相關的硬件元器件數據手冊，能夠按照綜合設計任務書的要求撰寫綜合設計報告，能正確反映綜合設計的成果；（3）要求綜合設計報告寫作規范，寫出自己的設計內容和思路，分析調試中遇到的問題以及解決方法；（4）用Microsoft Office Visio軟件畫流程圖和硬件連線圖，要求加注釋，說明程序構思，使程序可讀性好；（5）提交一篇完整的分析和綜合設計報告。通過綜合設計環節以及對綜合設計報告書寫的嚴格要求，培養學生嚴謹的學習態度，為畢業論文的撰寫做好準備。

綜合設計讓學生掌握單片機內部功能模塊的應用，增進對單片機的感性認識，如定時器／計數器、中斷、片內外存貯器、I／O口、串行口通信等，實現鍵盤顯示、電機控制應用等。認真準備綜合設計的選題，能吸引學生。選題既要難度適當，結合實驗設備具有可操作性，又要有一定的實用性，體現出設計的特點，而且要概括較多應用內容。為了使學生都有收獲，帶領學生先從基本內容入手，如：利用動態顯示方式實現在數碼管上穩定顯示123456；通過單片機的I／O口控制步進電機運轉實現正轉和反轉；利用單片機控制直流電機掌握脈寬調制直流調速的方法；通過調節脈沖寬度改變占空比，從而改變輸出，達到改變直流電機轉速的目的。通過綜合設計的基本內容使學生能夠看到數碼管的顯示和步進電機正傳與反轉、直流電機轉速改變，逐步提高學生學習興趣。在完成基本內容的基礎上，對不同班級設計了不同難度的選題，如基于單片機的作息時間控制鐘、基于單片機的交通燈控制、數據采集顯示系統設計、音樂播放系統設計、點陣LED廣告屏設計、字符型LCD顯示設計、比賽記分牌設計、電梯控制系統簡易模型設計、“叮咚”門鈴設計、數字電壓表設計、生產車間流水線自動控制模擬、停車場車位控制、自動售貨機設計、智力競賽搶答器、籃球比賽計分器、簡易秒表設計、具有鬧鐘功能的電子時鐘設計、按鍵控制選播音樂、溫度顯示系統設計等[3－5]。

2 接觸式IC卡讀寫設計

IC卡是一種簡單易用的存儲卡，在綜合設計中采用AT24C01存儲芯片的IC卡進行讀／寫操作。程序設計實現將數組中的內容寫入IC卡，再讀出放到單片機地址為30H開始的對應的存儲器空間中。查看存儲器中的數據，看與原始數據是否一致，驗證IC卡進行讀／寫操作功能，例如將學號存入IC卡中，讀出IC卡信息并送數碼管或者液晶屏顯示。如果讀出錯誤，則指示燈亮[6－7]。接觸式IC卡讀寫軟件流程圖如圖1所示。

接觸式IC卡與CPU采用I2C總線通信形式。I2C總線只用2條線，不需要片選線，SCL是時鐘線，SDA是數據線。I2C總線上傳送的每一個字節均為8位，并且高位在前。首先由起始信號啟動I2C總線，其后為尋址字節，尋址字節由高7位地址和最低一位方向位組成，方向位表明主控器的操作方式，為讀操作或寫操作，其后的數據傳輸字節數是沒有限制的。每傳送一個字節后都必須跟隨一個應答位或非應答位，在全部數據傳送結束后主控制器發送終止信號。I2C總線上每傳輸一個數據位，必須產生一個時鐘脈沖。SDA線上的數據必須在時鐘線SCL的高電平周期保持穩定，數據線的電平狀態只有在SCL線的時鐘信號是低電平時才能改變。

圖1 接觸式IC卡讀寫設計軟件流程圖

圖2中程序是將WData數組中的8個數據寫入到IC卡中，再從IC卡中讀出送到單片機內部數據，存儲器地址為30H～37H。圖2中表明寫入到IC卡中的數據與從IC卡讀出的數據一致。

圖2 IC卡讀寫程序顯示結果

3 應用Proteus提高綜合設計質量

為了提高綜合設計質量，在無需單片機硬件的條件下，用Proteus仿真軟件搭建系統簡單易行，避免了在實際中用硬件搭建系統的一些缺點，而且成本低廉。將Proteus仿真軟件引入綜合設計，可以改變傳統的綜合設計模式，節省了設計時間和經費，可以實現軟硬件聯調，提高了綜合設計效率，而且設計結果也很逼真[8－9]，提高學生完成綜合設計內容的興趣和主動性，培養學生的創新性和實踐能力。

簡易電梯系統的設計用5個鍵（或開關）代表1～5層，點陣顯示器顯示當前層數。例如電梯停在2層時，按下開關5，點陣顯示器滑動顯示3、4、5，并保持顯示5，再按下開關1，點陣顯示器依次滑動顯示4、3、2、1，并保持顯示1，電梯系統設計如圖3所示。數字電壓表設計實現了A／D采集電壓值在數碼管上的顯示。當調節電位器時，數碼管上顯示1～5V電壓，數字電壓表設計顯示如圖4所示。

圖3 簡易電梯系統設計

圖4 數字電壓表設計

4 學生潛能挖掘和綜合設計成果

綜合設計環節既是對課堂教學的檢驗，也是學生提升自己能力的關鍵環節。通過綜合設計，縮短了從理論知識到實際應用的過程。學生看到自己設計的作品能夠完成一定功能，如定時時間準時，燈在閃爍，數碼管能夠顯示正確數字，并不斷變化數值，按鍵立刻有響應，體會出中斷與查詢工作方式的區別；有的學生看到燈在每隔一定時間從左向右移動，會認真地看很長時間，由此體會到自己聯調軟硬件有正確結果后的快樂。合理有效的綜合設計方法與設備環境，有助于提高學生學習的主動性，鍛煉學生的動手能力，增加成就感[10]。綜合設計LCD顯示和LED點陣顯示如圖5和圖6所示。圖5中顯示了學生的學號，圖6中顯示漢字。綜合設計中還要求學生實現漢字從上到下移動顯示，從左到右移動顯示。漢字內容和字數可以隨意選擇設計。LCD顯示和LED點陣顯示的2個綜合設計題目受到學生的普遍歡迎，經過調試成功后的漢字點陣顯示結果的演示，學生對日常生活中的點陣顯示有了深刻的理解，更加喜歡自己的專業。

圖5 LCD液晶顯示

圖6 點陣LED顯示設計

5 具有鬧鐘功能的電子時鐘設計

綜合設計有基本內容和提高內容。提高內容中的有一個題目是具有鬧鐘功能的電子時鐘設計。設計要求是：時、分、秒的初始狀態是零，隨即開始走時。按“A”鍵1次，小時加“1”，按“B”鍵1次，分鐘加“1”，按“C”鍵1次，秒加“1”。每逢1：00、2：00、3：00、……時通過音響報時，1：00響一聲，2：00響二聲，3：00響三聲。按下“K”鍵后，鬧鐘標志燈亮，表示此時正在設置鬧鐘；設置完畢再次按下“K”鍵，恢復正常顯示；當定時鬧鐘到點時，指示燈亮，蜂鳴器響。

學生綜合設計報告中描述了電子時鐘設計的實現過程。通過中斷保證走時準確，通過狀態控制變量dd控制時鐘狀態和鬧鐘狀態的切換，每次按K鍵后dd取反，dd＝1時是時鐘狀態，dd＝0時是鬧鐘狀態，分別用6個鍵對時、分、秒進行操作。整點時間到后通過蜂鳴器進行報時。學生做這些程序設計需要很大的耐心，不可能一步將題目要求功能都調試出來，只能根據要求先實現基本功能。例如根據具有鬧鐘功能的電子時鐘功能要求，將其分為4個小的題目來做，第一步先實現時鐘的功能；第二步在第一步基礎上加入鍵盤調節，使其通過按鍵來控制顯示；第三步加入定時響；第四步完成鬧鐘功能。通過這個過程，一步一步深入，可以很快發現每一步中出現的錯誤，并及時修改，避免當程序長了以后無從找錯的困難。微控制器技術綜合設計中的題目涉及面多，與平時做的實驗內容相比，在難度上有很大地提高。提高內容就是學生自己在一步步調試程序了。

6 結束語

微控制器技術綜合設計使學生可以熟練地運用Keil軟件編寫并調試程序，用Proteus軟件畫原理圖，實現軟件仿真，可以成功實現鍵盤和顯示功能。學生在綜合設計的體會中這樣寫到：通過綜合設計這段時間的鍛煉，可以明顯感覺到對于程序的理解和編程方面的提高；每當一個自己編寫的程序實現要求時，成就感油然而生，對單片機產生了更加濃厚的興趣；當調試遇到問題時經過教師的幫助及自己的堅持不懈，最終完成了題目的要求，自己也十分開心，自信倍增。總之，通過綜合應用Proteus軟件以及應用硬件電路LCD顯示和LED點陣顯示等，精心設計題目，可以提高微控制器技術綜合設計的質量，使學生受益匪淺[11－12]。

（References）

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