單片機原理與應用課程實驗教學設計

饒蕾　劉文紅

摘 要： 《單片機原理與應用》是電子信息工程專業學生必修的一門專業基礎課程。作者針對我系《單片機原理與應用》課程在教學中存在的理論性太強的問題，以實驗教學設計理論為指導思想，設計了八個軟件和硬件實驗項目，鞏固學生在課堂上所學的理論知識，從而對課程體系結構進行補充和完善。

關鍵詞： 單片機 實驗設計 實驗教學

一

《單片機原理與應用》是電子信息工程專業的專業基礎必修課程，要求以C語言和MCS-51系列單片機為基礎，使學生從應用角度出發，熟練掌握單片機基本結構、指令系統、工作原理、接口技術、C語言程序設計與應用方法、單片機內部資源和外部擴展資源的C51語言編程方法及Keil μVision4集成開發環境的使用方法。為從事電子信息產業及相關領域實際工作打下堅實的基礎，該課程屬于應用型課程[1]。單片機原理與應用課程在實際理論教學中存在教學方法單一，理論性太強，學生對理論知識的學習興趣不強和動手能力差的問題，因此有必要引入后續單獨的單片機原理與應用實驗課程形成完整的教學體系，使學生理論聯系實際，進一步鞏固單片機原理的理論知識，掌握單片機開發技術和C51語言編程方法。

為解決單片機課程教學中存在的老師難教、學生難學的問題，采用“任務驅動法”，為該課程設計若干個任務，每個任務包括若干個知識點，讓學生在完成任務的過程中學習，進而掌握知識點。結果表明，利用本方法教學，提高學生的學習積極性和學習效率，培養學生的實踐精神和創造精神。由淺入深、循序漸進，從提高學生興趣出發，以實際項目為驅動，激勵學生自主學習相關理論知識，解決完成項目中碰到的各種問題，將項目驅動法引入單片機教學，結合科研項目，把要講授的各項理論知識和實踐技能按由淺入深、現學現用的原則分解到一個個具有應用目標的任務中，讓學生在規定時間內依次完成這些任務。在實驗教學過程中，項目驅動法要求以完成一個個具體實驗任務為線索，把單片機理論教學內容巧妙地隱含在每個實驗任務中。引導學生掌握提出問題、分析問題和解決問題的方法，最終讓學生通過自己的努力和教師的指導完成任務。

二

從實驗出發，讓學生循序漸進地掌握書本上的知識，聯系實際應用。“單片機原理及應用實驗”是通信工程專業“單片機原理及應用”專業課單獨開設的實驗課程。通過本實驗課程教學，學生理論聯系實際，進一步鞏固單片機原理理論知識，掌握基本單片機開發技術和C語言編程方法，為后續單片機原理及應用課程設計課程打下堅實的基礎。

我們首先采用Keil C51和Proteus這兩款軟件，設計了4個軟件實驗。KeilC51是德國Keil software公司開發的用于51單片機的C51語言開發軟件，在兼容標準C的基礎上增加了很多與51單片機硬件相關的編譯特性，使得在51系列單片機上開發應用程序更為方便和快捷[1]。Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司開發的電路分析與實物仿真軟件。可仿真、分析多種模擬器件和集成電路，實現單片機和電路仿真的結合，具有模擬電路仿真、數字電路仿真和仿真單片機及外圍電路組成的系統仿真[2]。

學生使用Keil C51進行匯編語言和C語言源程序的編寫、調試、編譯和執行，可以掌握單片機的硬件結構和內部資源。進一步地，學生使用Proteus對單片機及外圍電路組成的系統進行整機仿真，可以更直觀地進行單片機整機系統設計，為合理應用單片機進行項目設計與產品開發打下基礎。具體四個軟件實驗項目如下：

1.Keil軟件認識實驗。讓學生采用Keil建立工程和調試工程，對匯編語言源程序進行編譯、調試及執行。在程序單步執行過程中，觀察包括程序存儲器ROM、內部數據存儲器RAM和外部數據存儲器RAM在內的各內存單元中的數據變化情況。通過該實驗，學生對單片機內部硬件和軟件資源及Keil軟件有直觀印象，熟悉Keil編譯環境。

2.數據排序實驗。將內部數據存儲器RAM中50H～5AH單元放入大小不等的數，采用經典的冒泡排序算法編寫匯編語言源程序，將數據按由小到大的次序重新排列，并依次放入內部數據存儲器RAM中60H～6AH單元。采用Keil軟件編譯、調試和執行。通過該實驗，學生掌握匯編語言程序設計和調試方法。

3.Proteus認識實驗。讓學生采用Proteus建立工程和調試工程。首先在Proteus的ISIS模塊中，建立以單片機為核心，動態LED模塊為外部設備的整機仿真電路。然后在Proteus的Source code模塊中，采用C51語言編寫單片機驅動LED燈進行閃爍的實驗程序并采用Keilfor8051編譯器對C51語言源程序進行編譯，最后在ISIS中進行整機仿真，觀察LED燈閃爍情況。通過該實驗，學生熟悉Proteus仿真環境。

4.外中斷應用實驗。讓學生采用Proteus建立工程和調試工程。首先在Proteus的ISIS模塊中，建立以單片機為核心，單刀單擲開關和動態LED模塊為外部設備的整機仿真電路。然后在Proteus的Sourcecode模塊中，采用C51語言編寫單片機外部中斷0（P3.2位口）接收開關狀態并驅動LED燈進行循環閃爍的實驗程序并采用Keilfor8051編譯器對C51語言源程序進行編譯，最后在ISIS中進行整機仿真，觀察LED燈閃爍情況。通過該實驗，學生掌握中斷控制的編程及實現方法。

三

在學生學習掌握相關軟件知識和程序編程調試技能之后，就可以開始進行軟硬件結合的綜合實驗學習。我們基于深圳市學林電子有限公司生產的XL2000單片機實驗儀，編寫四個單片機硬件實驗項目。XL2000單片機綜合試驗儀由XL2000開發板和51tracer（追蹤者）仿真器組成，集常用的單片機外圍硬件、ISP下載線、單片機試驗板、編程器、獨立仿真器功能于一身[1]。具體四個硬件實驗項目如下：

1.小喇叭警報器實驗。采用C51語言編寫程序實現單片機內部定時/計數器執行定時操作，P3.3位口輸出1KHz和2KHz的變頻信號，采用Keil軟件編譯、調試并生成后綴名為.hex的文件。將.hex文件加載到XLISP軟件中通過計算機USB口輸入至實驗箱的AT89S51單片機內。在實驗箱上采用1PIN數據線連接P3.3位口和小喇叭的輸入端口。由于P3.3位口輸出1KHz和2KHz的變頻信號，則喇叭里發出滴答一長一短的報警聲音。通過該實驗，學生掌握定時/計數器定時的編程及實現方法。

2.按鍵識別數碼管顯示實驗。采用C51語言編寫程序實現單片機P3的8位端口讀取8位按鍵狀態，P0的8位端口送出字段碼控制8段式LED數據管顯示不同數字。采用Keil軟件編譯、調試并生成后綴名為.hex的文件。將.hex文件加載到XLISP軟件中通過計算機USB口輸入至實驗箱的AT89S51單片機內。采用8PIN數據排線連接P3端口和按鍵模塊，用8PIN數據排線連接P0端口和數碼管模塊。按鍵模塊由8個輕觸按鍵組成，一端接地，按下某個按鍵時，相應P3端口的某位口接收到低電平信號。通過該實驗，學生掌握按鍵識別及數碼管顯示的實現方法。

3.DAC0832轉換實驗。采用C51語言編寫程序實現單片機輸出數字信號控制DAC0832輸出鋸齒波模擬信號。采用Keil軟件編譯、調試并生成后綴名為.hex的文件。將.hex文件加載到XLISP軟件中通過計算機USB口輸入至實驗箱的AT89S51單片機內。采用1PIN數據線連接P3.6位口和DAC0832的WR端口，采用1PIN數據線連接P2.7位口和DAC0832的CS端口，采用8PIN數據排線連接P0端口與DAC0832的數據輸入端口，采用示波器觀察DAC0832輸出的鋸齒波模擬信號。通過該實驗，學生掌握DA轉換編程及實現方法。

4.期末考查綜合實驗。要求學生在2個小時以內，采用C51語言編程、Keil編譯，仿真完成單片機接口電路的一個綜合實驗。使用定時器/計數器T0，采用方式2定時，實現P1.0位口輸出周期為400us占空比為1：9的矩形脈沖（設晶振振蕩周期fosc=12MHz）。采用Keil中的LogicAnalyzer窗口觀察P1.0位口的電平輸出。通過該實驗考查學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力。

通過這8次實驗課，由淺入深地使學生掌握單片機原理與應用這門課的重要知識點，鍛煉他們的動手能力，充分體現“在做中學、在學中會、在會中懂”的教學理念和教學方式。一年來的教學實踐證明，我系電子信息工程專業《單片機原理與應用》教學極大地促進全體學生的學習興趣，全面增強教學效果，由此證明該實驗項目的可行性和有效性。

參考文獻：

[1]王浩全，李晉華，張敏娟，等.單片機原理與應用（C語言版）.人民郵電出版社，2013.

[2]深圳市學林電子有限公司，http：//www.8951.com/.

[3]Keil Software，Inchttp：//www.keil.com/.

[4]Labcenter Electronics Ltd，http：//www.labcenter.com/.