基于微型開發板的單片機教學模式探索

張守峰

(淮安信息職業技術學院 電氣工程系，江蘇 淮安 223003)

0 引言

單片機芯片體積小、集成度高、環境適應強、功耗低、性價比高，涉及電子、通信、計算機和電氣等行業，廣泛應與于儀器儀表、工業控制、家用電器、智能設備、汽車電子和航空航天等人們生活的各個領域[1]63-66. 單片機的廣泛應用極大地提高了生產效率，改善了人們的生活質量，尤其是改變了控制系統的設計思想，從采用硬件電路到采用單片機程序的方法來實現控制功能.

1 單片機教學現狀

單片機是高校工科專業的一門核心課程，實踐性非常強，是自動控制、電子通信和機電一體化等許多專業的必修課. 隨著社會經濟高速發展，單片機課程不僅在高校設置，在很多中職學校也出現了單片機課程，每年都會有各種不同層次的單片機應用競賽. 目前，單片機教學以實踐教學為主，軟件和硬件緊密結合，教學模式不斷總結改進，從傳統課堂教學到項目化教學、模塊化教學、工作工程教學和理實一體化教學等. 目前的單片機教學模式，普遍存在以下問題：

1．1 高昂的單片機實驗室建設成本

單片機教學需要配置大批的硬件設備，實驗室建設成本較高. 目前高校的單片機實驗設備大都是統一成套的形式，按照50套實驗設備及相關附件，則成本平均在50萬元左右. 因此，許多院校實驗設備不足，不能保證學生每人1套實驗裝備.

1．2 單片機實驗室設備維護困難

單片機綜合實驗設備成本大，但維護性差，隨著時間推移造成設備老化，一旦出現主要零件損壞，則導致實驗模塊不能工作或整個實驗箱報廢. 更麻煩的是實驗設備往往因為接口多、接線多、連接復雜、驅動和軟件等原因，經常出現許多莫名的故障，學生實踐過程中斷，導致實驗效果很差. 而單片機實驗員既要有電子設備維修技術與經驗，還要熟悉單片機知識與技能，這樣的維修人員極其稀缺，按照目前高職院校實驗員待遇，引進如此技能人才是極其困難的[2]84-86.

1．3 單片機實驗室設備局限性

首先，成套實驗設備體積大，安裝連接極其復雜，不能攜帶. 其次，學生能力不同，完成實踐操作不能統一，而在實驗室的學習時間有限，學習目標不能真正達成，甚至很多實驗未能完成，錯過了分析解決實際問題的時機，降低了實驗的功能. 再次，大型單片機實驗設備跟不上單片機發展的需要，實驗內容往往比較滯后，而且很難進行二次開發，同時這些設備使用不太方便，學生不能很快進入學習環境. 還有，學生不能在單片機實驗設備上進行硬件設計，不利于擴展，同時，學生進行課余實踐活動時缺少相關實驗設備，不利于培養學生的自學能力.

2 單片機教學組合系統

2．1 微型單片機開發板

隨著我國科研能力不斷提高，出現了許多品牌單片機開發板，如靜慧電子HL-1型、光匯科技V3.27型、銳志單片機V2.8型和德飛萊mini80e型等入門級的單片機開發板，都能滿足單片機學習的基本需要.

2．2 Proteus軟件

Proteus是一款優秀的EDA工具軟件，由Labcenter electronics公司設計，不僅具有Protel等EDA軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件. 包含原理圖、PCB設計、代碼調試及單片機硬件電路仿真，支持8051、PIC、AVR、ARM和DSP系列處理器等. 這些軟件還能夠支持LCD字符及圖形、LED數碼管及點陣、鍵盤和電機等通用外設模型，能夠支持中斷、ADC和PSP等實時仿真，能夠支持單片機匯編語言的編譯與仿真，也可以與第三方集成編譯環境(如Keil)結合，進行高級語言的源碼級仿真和調試[3]106-107.

3 單片機教學

單片機開發板七八十元，價格低廉. 規格約10cm×15cm，容易操作，方便攜帶與保管；容易與筆記本電腦兼容；性能穩定，故障率低. 因此，還能夠以宿舍為單位購買與使用，進一步降低學習成本，可以有效解決單片機教學中實驗室建設成本高昂與維護麻煩的問題. 同時進行分工合作，充分利用單片機開發板實踐操作，提高學生自學能力，培養他們的團隊合作精神.

單片機開發板配置有時鐘電路與AD轉換芯片，USB具有高速下載、通信與供電三種功能. 涵蓋了各專業所必需的基本功能模塊，如8個彩色發光二極管、6～8個數碼管、蜂鳴器、獨立鍵盤、直流電機驅動設計、步進電機驅動設計、繼電器模塊、LCD1602液晶顯示設計、LCD12864 2.4寸彩屏液晶顯示、DS18B20溫度檢測設計、紅外發射/接收模塊、光敏/熱敏檢測設計等，配套Keil c單片機開發軟件、單片機視頻學習課件、各種常見單片機應用設計程序設計與調試等[4]64-66.

單片機課程采用模塊化教學模式，理實一體化教學進程，根據對應專業而有所偏重，但基礎知識和模塊相同. 以機電一體化專業單片機教學為例，單片機開發板可以承載所有的單片機基本教學內容，如單片機最小應用系統學習，基于發光二極管的指示燈、閃爍燈和流水燈，基于數碼管的系統工作時間與工作狀態顯示，獨立鍵盤控制系統等. 專業模塊還可以學習單片機控制直流電機、步進電機和交流電機，繼電器控制系統，基于紅外發射與接收的位移檢測系統，基于光敏電阻的避障系統等. 無論是從基礎模塊學習，還是從專業模塊應用分析，單片機開發板可完全滿足高職教學的需要.

在單片機學習中，硬件設計是基礎，但由于條件制約，教師一般講解電路原理圖，很難直接展示硬件設計過程. 把Proteus軟件引入單片機教學，可以現場繪制電路圖，進行程序設計仿真，使教學變得直觀、生動，提高了教學效果和學生學習單片機的積極性. 雖然由于元器件參數的分散性、誤差和干擾等現象，軟件仿真不能達到與實際硬件完全一致，但這并不妨礙Proteus軟件的應用價值. 在仿真電路結合程序設計不斷調整與改善過程中，既鍛煉了學生的動手能力和分析解決問題能力，又留給學生很大的創新空間. 在掌握了單片機開發板基本模塊基礎上，學生可以通過Proteus構建個人實驗平臺，對單片機開發板進行二次開發，培養設計能力和工程素養[5]60-62.

以典型的數字鐘項目為例來分析開發板與Proteus軟件相結合的基礎模塊教學實施過程，項目包括了數碼管、外中斷、定時器和獨立鍵盤等內容. 首先采用理實一體化模式，在實訓室以60S程序設計為載體，通過編程、仿真和調試學習數碼管動態顯示和定時器相關寄存器設置；然后擴展到可調24 h時鐘設計，進一步學習外中斷和獨立鍵盤應用；最后，課余時間學生可以參考開發板電路，運用Proteus仿真軟件在筆記本電腦上編寫邏輯電路，應用揚聲器等外設實現開發板二次開發[6]108-111.

4 結語

針對單片機教學中存在的實驗設備采購、建設、使用和維護等問題,

通過近幾年的教學探索,采用單片機微型開發板，運用理實一體化教學模式，不僅有效解決了教學中出現的問題，而且提高了教學效率和學生的學習積極性，提高了學生的綜合職業能力，取得了良好的教學效果. 微型開發板電路采用固定的模塊，雖然提供了便利，但不利于學生進行創新性設計，因此，需要在單片機綜合性實訓中加強學生自主設計能力培養.

參考文獻：

[1] 王青葉.基于虛擬現實技術的單片機教學實踐探索[J]. 天津職業大學學報，2013(5).

[2] 曾維鵬. 基于“教學做合一”的單片機教學改革研究[J]. 蘇州市職業大學學報，2013(2).

[3] 陳渭力.系統仿真的單片機教學板設計[J].工業控制計算機，2013(3).

[4] 郭兆正.典型案例教學法在單片機教學中的應用探索[J]. 渤海大學學報，2013(1).

[5] 張宏偉.工程應用型自動化專業單片機教學改革與實踐[J]. 實驗室科學，2013(6).

[6] 史中權. 單片機綜合實踐教學中科研開發實例應用[J]. 電氣電子學報，2013(5).