面向項目的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計改革探析

摘要：“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，針對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計在傳統(tǒng)教學(xué)中存在的突出問題，提出面向?qū)嶋H工程項目的課程設(shè)計體系改革方案，該方案以學(xué)生為主體，建立了課程設(shè)計項目庫，規(guī)范了課程設(shè)計的全過程，并充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，符合新形勢下培養(yǎng)高素質(zhì)自動化人才的需要。還對面向具體工程項目的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)研制過程、方法及技巧進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：工程項目；單片機(jī)原理及應(yīng)用；自主選題；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)；仿真技術(shù)

作者簡介：曲輝（1975-），女，山東蓬萊人，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，副教授；劉宇（1973-），男，錫伯族，遼寧鐵嶺人，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，實驗師。（內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

基金項目：本文系內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院實驗室建設(shè)項目（項目編號：JD201101）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0076-02

如今單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用遍及國民經(jīng)濟(jì)與生活的各個領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代微控制器技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨完善，掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)具有劃時代的意義。

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，要想學(xué)好這門課程，實驗與課程設(shè)計環(huán)節(jié)起著非常重要的作用。“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計環(huán)節(jié)，目的在于鞏固課堂所學(xué)的理論知識，理論緊密聯(lián)系，指導(dǎo)實踐。通過課程設(shè)計可以有效地使學(xué)生掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和研發(fā)的方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生獨立進(jìn)行嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計能力，提高學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力、分析能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，對于培養(yǎng)優(yōu)秀的自動化人才具有重要意義。

一、傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計在傳統(tǒng)教學(xué)中，存在的突出問題有以下四個：

問題一：“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程授課學(xué)時較少，授課內(nèi)容多，語言指令多，無公式可套，不易理解，而實踐性又較強(qiáng)。因此，上完這門課之后，部分學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容掌握不夠扎實，理解不夠透徹，不知道課程設(shè)計應(yīng)如何入手，主觀能動性與創(chuàng)造性較差。

問題二：“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計的要求、題目、進(jìn)度、考核方法等沒有規(guī)范化、系統(tǒng)化，無章可循，這樣會造成不同老師指導(dǎo)課程設(shè)計題目難易不等，設(shè)計過程無人監(jiān)管，成績評價尺度不一，部分學(xué)生會出現(xiàn)積極性不高，應(yīng)付了事的現(xiàn)象。

問題三：“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計與“數(shù)字電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“微機(jī)原理及應(yīng)用”、“程序設(shè)計語言”、“電子仿真技術(shù)”等課程相互交叉性、相關(guān)性、接續(xù)性強(qiáng)，“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計沒有和相關(guān)課程進(jìn)行教學(xué)資源的整合。

問題四：現(xiàn)在的學(xué)生普遍思維活躍，好奇心、求知欲強(qiáng)，傳統(tǒng)的課程設(shè)計方法很難完全吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

課程組教師根據(jù)專業(yè)特色及課程設(shè)計教學(xué)要求，依托現(xiàn)有教學(xué)資源，以實際工程項目的設(shè)計和實現(xiàn)的過程為主線，對“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計體系進(jìn)行了規(guī)范化、科學(xué)化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化的改革，使其滿足新形勢下高等學(xué)校實踐教學(xué)的要求，并充分體現(xiàn)專業(yè)特色。強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使課程設(shè)計的過程更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、生動，以培養(yǎng)出實踐能力強(qiáng)的優(yōu)秀自動化人才。

二、研究內(nèi)容與改革措施

1.精心選題，建立“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計項目庫。

課程設(shè)計選題從實際工程項目的實用性、難易程度、可操作性、工作量等因素考慮，兼顧科學(xué)性、新穎性、創(chuàng)造性，建立“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計項目庫。項目庫中部分題目可根據(jù)開課專業(yè)特點，面向解決專業(yè)研究方向的實際問題有針對性的設(shè)計選題。例如：在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我校”）農(nóng)電、電氣專業(yè)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計中設(shè)置部分選題專門解決其它專業(yè)課（如“機(jī)電一體化”、“傳感器技術(shù)”、“電機(jī)學(xué)”、“微機(jī)保護(hù)”等課程）中實際專業(yè)問題，經(jīng)過教學(xué)過程的檢驗，學(xué)生的專業(yè)興趣增強(qiáng)了，提高了學(xué)生系統(tǒng)分析、綜合應(yīng)用、解決實際專業(yè)問題的能力，并和相關(guān)課程進(jìn)行了教學(xué)資源的整合，帶動相關(guān)課程共同建設(shè)。項目庫中建立若干樣板項目，學(xué)生可以根據(jù)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計的一般步驟和要求完成，樣板項目主要面向于基礎(chǔ)較差的學(xué)生。

2.學(xué)生自主選題

課程組在每學(xué)年“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計前兩周將本次代課程設(shè)計教師的簡歷、聯(lián)系方式、每位教師所代項目題目及設(shè)計要求公布出來。根據(jù)項目的難易程度及工作量的大小，學(xué)生可以一人或兩人一題。學(xué)生可以根據(jù)自己的專業(yè)特點、興趣、愛好和自身學(xué)習(xí)情況，自主選擇老師，自主選擇題目。如果學(xué)生感覺備選題目不適合自己，學(xué)生可以與指導(dǎo)老師協(xié)商討論后自擬題目。

3.課程設(shè)計教學(xué)組織過程規(guī)范化

課程組對課程設(shè)計的過程進(jìn)行規(guī)范化的要求，制訂課程設(shè)計進(jìn)程計劃，闡述單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一般設(shè)計步驟及方法，介紹單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用接口電路設(shè)計方法。教師向?qū)W生下發(fā)課程設(shè)計任務(wù)書。教師下達(dá)課程設(shè)計任務(wù)的時候，要講解必要的電路原理和程序設(shè)計思路，必要時可進(jìn)行參觀和調(diào)研，使學(xué)生充分理解、明確設(shè)計任務(wù)及要求。學(xué)生查閱資料，確定設(shè)計方案，經(jīng)指導(dǎo)老師審核后，學(xué)生可以到實驗室進(jìn)行硬件的連接和軟件調(diào)試。學(xué)生整理設(shè)計資料寫出課程設(shè)計報告，并給出硬件原理框圖、系統(tǒng)電路原理圖、軟件流程圖、編寫的程序、調(diào)試的方法、調(diào)試過程中數(shù)據(jù)的測量方法及參數(shù)等。

學(xué)生完成課程設(shè)計后，要進(jìn)行答辯，答辯包括學(xué)生自述、現(xiàn)場調(diào)試、教師提問、答辯成績評定等環(huán)節(jié)。通過答辯，老師可以對學(xué)生相關(guān)理論知識掌握情況、課程設(shè)計完成情況及獨立設(shè)計創(chuàng)新能力，進(jìn)行綜合評價，對設(shè)計內(nèi)容不完善的給出進(jìn)一步修改完善的建議，并給與學(xué)生創(chuàng)新提高的啟迪與空間。

4.成績評定科學(xué)化

課程組建立健全成績評定方法，學(xué)生課程設(shè)計的總成績主要包括課程設(shè)計報告及圖紙完成情況、系統(tǒng)調(diào)試及性能分析、答辯情況，每部分均制訂具體的考核要求及考核細(xì)則，形成科學(xué)、公平、合理、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某煽冊u價體系。

加入學(xué)生自評環(huán)節(jié)，通過學(xué)生自評能夠讓他們進(jìn)一步正確認(rèn)識自己在課程設(shè)計中的所得與不足，對其提高自身能力和正確認(rèn)識自我是一個幫助。

5.規(guī)范“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程實驗室管理，建立工作日志制度

在課程設(shè)計期間，專門面對課程設(shè)計學(xué)生開放實驗室，學(xué)生可以在值班教師或課程設(shè)計指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。值班教師要對每天實驗室使用情況、學(xué)生的工作進(jìn)度、存在的困難、對后續(xù)工作的提示進(jìn)行必要的記錄。

6.精心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)，開展遠(yuǎn)程交互反饋學(xué)習(xí)

課程組將“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計的相關(guān)文字教學(xué)資料（如教學(xué)大綱、教學(xué)進(jìn)度表、教案、教學(xué)課件、參考書目等）上傳學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。建立“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計網(wǎng)絡(luò)項目庫，并支持師生向項目庫加題，經(jīng)管理員按課程設(shè)計要求審核，批準(zhǔn)后可納入項目庫。建立網(wǎng)上“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計教學(xué)素材庫，主要包括典型電路圖例及動作過程、芯片管腳圖、常用接口電路軟、硬件設(shè)計方法等。

建立網(wǎng)上交互反饋教學(xué)模塊，教師、學(xué)生進(jìn)行交流的方式主要是通過BBS、討論模塊及電子郵件的方式進(jìn)行。同學(xué)們通過討論區(qū)相互探討，交流經(jīng)驗，取長補(bǔ)短，合作學(xué)習(xí)；教師實時或定期上網(wǎng)了解學(xué)生的設(shè)計進(jìn)程，解答學(xué)生設(shè)計過程中的疑難問題。

三、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程

以單片機(jī)為核心的產(chǎn)品或項目，雖然單片機(jī)的選型不盡相同，軟件編寫也千差萬別，但系統(tǒng)研制步驟和方法是基本一致的，一般都分為總體功能設(shè)計、硬件電路原理設(shè)計、軟件的編制和系統(tǒng)的仿真調(diào)試幾個階段，[1]具體單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一般流程如圖1所示。

1.確定系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)

不論是過程控制系統(tǒng)還是智能儀器儀表的設(shè)計，都必須先分析和明確項目的總體任務(wù)及要求、輸入信號的類型和數(shù)量、輸出信號的控制對象及數(shù)量、輔助外設(shè)種類及要求、工作環(huán)境及電源要求、可靠性要求、系統(tǒng)抗干擾措施、產(chǎn)品的性價比等因素，通過對各種需求信息進(jìn)行綜合考量與分析，明確系統(tǒng)性能指標(biāo)，制訂出可行的系統(tǒng)設(shè)計方案。

2.單片機(jī)的選型

單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)隨其用途不同，硬件和軟件均不相同。在面對一個具體工程項目設(shè)計的時候，單片機(jī)最初的選型很重要，主要考慮單片機(jī)的性能參數(shù)是否全部滿足系統(tǒng)的功能要求，[2]例如：控制速度、精度、控制端口的數(shù)量、定時/計數(shù)器、中斷源的數(shù)目、驅(qū)動外設(shè)的能力、存儲容量的大小、軟件編寫的難易程度、開發(fā)工具的支持程度等。

3.硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)總體設(shè)計中確立的系統(tǒng)功能特性要求，確定單片機(jī)的型號、所需外圍擴(kuò)展芯片、存儲器、I/O接口電路、驅(qū)動電路，可能還有A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路及其他模擬電路，設(shè)計出應(yīng)用系統(tǒng)的電路原理圖，并制作出實現(xiàn)系統(tǒng)功能的電路板。

4.軟件的編寫

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，硬件和軟件具有一定的互換性，有些功能既可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件編程完成。多利用硬件可以縮短研發(fā)周期，減少編寫軟件的工作量，但這樣會增加成本。如果以軟件代替硬件完成一些功能，可以降低成本，提高可靠性，缺點是增加了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜性，軟件編寫工作量大，研發(fā)周期長，系統(tǒng)運行的速度可能也會降低。[1]因此，必須綜合分析，根據(jù)具體設(shè)計任務(wù)量體裁衣，合理地制訂硬件和軟件的功能、比例。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計，任務(wù)可能很多，程序量可能很大，采用合理的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法尤為重要，即從代表目標(biāo)系統(tǒng)整體功能的單個處理著手，自頂向下，將復(fù)雜系統(tǒng)按功能分解為若干模塊進(jìn)行分析與設(shè)計，[3]這樣可以分階段地對單個模塊進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試，然后再將它們有機(jī)地聯(lián)系起來，構(gòu)成完整的控制程序，并進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試即可。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計具有程序組成結(jié)構(gòu)化、功能模塊化、運行流程化的特點，有利于編寫出合理、緊湊、高效的程序。

5.系統(tǒng)調(diào)試

硬件調(diào)試可分靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試兩步進(jìn)行。軟件調(diào)試的一般方法是先獨立后聯(lián)機(jī)、先分塊后組合、先單步后連續(xù)。系統(tǒng)脫機(jī)運行過程中，可能會有很多系統(tǒng)缺陷被發(fā)現(xiàn)，如軟、硬件的配合問題，程序各段落的過渡與銜接問題，事先沒有考慮到的問題等，對此要反復(fù)修改，精益求精，不斷完善設(shè)計內(nèi)容。

四、基于Proteus的單片機(jī)仿真技術(shù)

利用Proteus虛擬仿真技術(shù)可以在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計過程中，以軟件方式模擬整個系統(tǒng)，即通過PC繪制原理圖，并直接在原理圖上編寫調(diào)試應(yīng)用程序，配合各種虛擬儀表來展現(xiàn)整個單片機(jī)系統(tǒng)的運行過程，能看到程序運行后的輸入/輸出效果。[4]

在單片機(jī)課程設(shè)計教學(xué)過程中，課程組要求學(xué)生利用Proteus軟件成功進(jìn)行虛擬仿真并獲得期望結(jié)果之后，再制作實際硬件進(jìn)行在線調(diào)試，這樣可以獲得事半功倍的效果。學(xué)生普遍反映，利用Proteus軟件作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計和仿真平臺，實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件同步仿真調(diào)試，使學(xué)習(xí)過程變得直觀形象，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計變得簡單、容易、有趣。

五、結(jié)束語

課題組根據(jù)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計的教學(xué)需求，依托現(xiàn)有教學(xué)資源，注重與相關(guān)專業(yè)課程的共建，充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段及虛擬仿真技術(shù)，提出了一種科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、生動可行的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程設(shè)計的方法。在教學(xué)中，使學(xué)生真正成為認(rèn)知的主體，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造性，提高學(xué)生解決實際工程問題的能力，符合高等學(xué)校實踐教學(xué)改革的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張齊，朱寧西.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)——基于C51的Proteus仿真[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]劉煥成.工程背景下的單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3]曲輝，李海軍，吳利斌，等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法與實現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，3（1）：158-161.

[4]姜韜，江國學(xué).基于仿真軟件的單片機(jī)虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2010，（11）：201-203.

（責(zé)任編輯：王意琴）