改革單片機課程教學 提升學生的創新能力

楊為民

[摘 要]單片機原理及應用課程是測控技術及儀器專業本科生的必修課，是學生掌握智能儀器設計理論和技術的基礎，具有很強的實踐性。在單片機原理及應用課程教學中，教師可以通過加強以數字溫控儀的設計過程為例的智能儀器設計實例的教學，啟發學生從需求分析出發，發現問題、分析問題并解決問題，從而加深學生對課程知識的理解和掌握，培養學生對專業知識的綜合應用能力，達到提升學生創新能力的目的。

[關鍵詞]單片機原理及應用；智能儀器設計；PROTEUS

[中圖分類號] G64 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）04-0042-02

單片機原理及應用課程是測控技術及儀器專業本科生的必修課，是學生掌握智能儀器設計理論和技術的基礎，具有很強的實踐性。但是目前該課程的教學中，教師普遍把重點放在單片機結構、組成、尋址方式、指令系統和接口技術等內容上，知識點比較分散，對于知識的綜合應用方面重視不夠。[1]單片機實驗教學中也經常是通過現有的實驗裝置，進行一些獨立的接口實驗等，無法讓學生掌握一個完整應用系統軟硬件設計技術。因此，學生在課程的學習中，雖然能理解和掌握課堂上學習的知識，但是難以做到將這些知識靈活應用，創新能力不足。基于以上問題，本文提出在單片機原理與應用教學中，增加智能儀器設計實例的教學，引導學生從需求出發，通過分析和解決問題，完成智能儀器的硬件、軟件設計。在這個過程中掌握單片機應用系統設計的方法和步驟，鍛煉專業知識的綜合應用能力，提高學生的技術創新能力。

一、課堂教學內容的調整

在單片機原理及應用課程中，部分教學內容比較陳舊，跟不上單片機極其應用技術的發展。[2]為了在課程總學時不增加的前提下加強智能儀器設計實例教學，并強調對單片機應用基本概念的學習，達到以MCS51單片機為基礎，能夠觸類旁通的教學目的，筆者在課程中壓縮了原來單片機原理與應用課程中一些已不常用的接口芯片（如8155、8253、8255、8279等芯片）和一些不易推廣到其他單片機應用系統中的技術（如MCS-51單片機串口利用第9位數據的多機通信方式）的教學課時，增加了目前廣泛應用的SPI、I2C接口及其應用等內容。同時增加了以數字溫控儀為例的單片機應用系統設計內容，在智能儀器設計實例教學中，以產品需求分析出發，根據主要功能要求和技術指標分析需要解決的主要技術問題，進而確定智能儀器的技術方案，并在Proteus仿真環境下完成智能儀器的硬件設計和軟件設計，以提高學生分析問題、解決問題的能力以及對知識的綜合運用能力，從而提高學生的技術創新能力。

二、智能儀器設計實例的選取

智能儀器設計實例教學需要一個具體的以單片機為核心的儀器作為設計背景。該儀器應該與本專業密切相關，并且在設計方案中用到盡量多的專業知識，以便鍛煉學生對本專業知識的綜合運用能力，但是該儀器的設計方案不能過于復雜，以避免教學難度過大。經過認真篩選，本文選擇了以電阻爐為被控對象的數字溫控儀的設計作為智能儀器設計實例。溫度控制系統如圖1所示，溫度檢測范圍為0～1300℃，采用K型熱電偶測溫，采用NTC熱敏電阻測量冷端溫度，通過軟件對熱電偶的冷端溫度進行補償；采用固態繼電器控制加熱電功率對電阻爐溫度進行閉環控制。

數字溫控儀的硬件結構如圖2所示，它以單片機最小系統為核心，包括模擬量輸入輸出通道、數字量輸入輸出通道、顯示可鍵盤接口電路、數據存儲電路、通信接口電路和電源電路等模塊，涵蓋了單片機原理與應用課程的大部分知識點。

三、從需求分析出發的智能儀器設計理念

在傳統的教學過程中，學生被動地學習了很多成熟的測控電子電路知識，比如放大器電路、開關量輸入輸出電路等。但是對于在不同應用背景下如何選擇最合適的技術方案、電路中的參數如何確定、電路設計和應用中存在什么樣的問題等理解并不到位。考試中也以對問題解答是否符合標準答案為評分依據，以至于當面對不同的應用場合時，學生不懂得如何靈活運用所學知識來解決新的問題。

而實際的智能儀器設計過程是從需求出發，設計方案來滿足需求的過程。比如數字溫控儀需求分析由于應用的對象不同，其控溫范圍、控制精度、系統可靠性和成本等指標也不相同。采用的傳感器、控制元件和控制系統方案也有很大的差別。所以，為了進行數字溫控儀方案的設計，必須明確其應用的場合，進而確定其各項性能指標要求。在需求分析的基礎上提出需要解決的關鍵技術問題，選擇解決問題的技術方案，進而完成溫控儀的設計。

在教學中，強調智能儀器的設計過程要從需求分析出發，設計方案要滿足需求的各項指標，明確所采用的技術方案的意義。從講解電子電路原理與功能的傳統教學模式轉變為依據需求設計電子電路的創新思維模式；建立同樣的問題可以有不同的技術解決方案，各種技術方案都有各自的優缺點，沒有唯一正確的標準答案這一重要概念；從而將知識的被動接受過程變為主動思考過程，加深學生對知識點的理解，激發學生的創新思維。

四、分析問題和解決問題的能力培養

在需求分析的基礎上，提出為了滿足需求必須解決的問題。例如：在模擬量輸入通道的設計上，根據檢測溫度范圍合理選擇傳感器，根據所選的傳感器類型以及AD轉換器的量程提出對信號調理電路的功能及技術指標要求，再設計能滿足要求的信號調理電路，確定電路中元件和參數；在AD轉換器的選取上，考慮測量精度的要求，并綜合考慮產品的硬件結構、單片機IO口資源分配等問題，根據分辨率、AD轉換速度、數字接口方式等指標選擇合適的AD轉換器芯片；在顯示電路設計上，根據不同的產品定位要求及工作環境要求，可以選擇點陣LCD顯示屏、LED數碼管顯示等技術方案。

解決同一問題的技術方案可以有多個，要求學生能夠分析各種技術方案的特點，比較不同方案的優缺點。從需求分析出發，提出需要解決的問題以及需要達到的技術指標，并確定合理的技術方案。這一過程符合實際智能儀器產品研發的規律，使學生對所學知識有更深入的理解的同時，進一步培養其提出問題、分析問題和解決問題的能力。

五、智能儀器設計實例教學方法

智能儀器設計實例的教學，由于涉及基礎知識范圍較廣，對學生電子技術、自動檢測和自動控制技術的理解能力要求較高，僅靠教師在課堂上講解，學生學習的難度較大，所以要采用一定的EDA工具軟件，通過課堂講解和課后練習，使學生在學習的過程中使用EDA軟件完成智能儀器的軟硬件設計和運行，這樣才能使學生真正體會到設計過程中的各種問題并對技術方案有更深的理解。

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司開發的EDA軟件，是目前較先進的電子應用系統設計和實時交互仿真、PCB設計的平臺。它真正實現了在計算機上完成從電路原理圖設計、電路分析與仿真、單片機代碼級調試與仿真、系統測試與功能驗證到形成PCB制板圖的完整仿真設計過程。[3]在教學過程中，要求學生應用Proteus軟件按照課堂教學的進度同步完成硬件原理圖的設計和軟件的編程，并進行仿真運行。同時鼓勵學生根據不同的需求，對課堂上教師講授的硬件電路和軟件模塊進行修改，以完成不同的功能，從而提高學生對課題知識的綜合運用能力。

六、結語

在單片機原理與應用課程教學中，教師可引入智能儀器設計實例教學，培養學生從需求分析出發，發現關鍵技術問題，并綜合應用所學知識解決問題的科研方法，做到理論聯系實際，加深學生對所學基礎知識的理解和掌握。在教學中采用Proteus軟件，將課堂教學與硬件、軟件設計實踐相結合，可以提高學生對課程知識的綜合運用能力，達到提高學生創新能力的目的。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 曹建樹，代峰燕，俞建榮，李明利.應用型工科院校單片機課程教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2012（3）.

[2] 李雪，袁新芳，蔣榮，熊建橋.《單片機原理及應用》課程的教學改革探索[J].科技視界，2015（36）.

[3] 袁鋒偉，趙立宏，朱慧玲，張瑩.基于Proteus的單片機課程教學與實驗改革[J].實驗室研究與探索，2007（12）.

[責任編輯：劉鳳華]