單片機應用能力培養探索

李尚榮 丁力 楊龍興 葉霞

摘 要：針對單片機課程教學中存在的學生應用能力培養不足問題，提出了基于被控對象的單片機控制系統知識邏輯結構和典型訓練項目，簡要分析了典型訓練項目的實施步驟與訓練安排。

關鍵詞：單片機應用能力；知識邏輯結構； 被控對象

中圖分類號：G969：G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2017）02-0080-04

單片機課程是機電類專業一門重要的專業基礎課，單片機應用能力是該課程需要培養的重要目標。但在該課程結束后，大多數學生并沒有真正具備該能力，造成該問題的原因較多，目前就教學而言，存在的問題主要有：（1）偏重理論教學，課堂以教師講授為主，學生缺乏主動性，學習有畏難情緒；課堂教學內容太枯燥，理論知識缺少操作演示和工程應用實例。（2）實驗教學要求相對較低。基于實驗箱或開發板的實驗教學，只需要學生進行簡單的電路連線和程序驗證，學生真正動手練習的不多，對控制硬件電路制作和系統調試等訓練不足。（3）課程設計題目難度和深度不夠，設計內容單一、偏重于理論和軟件仿真，如：采用Proteus仿真、單片機實驗箱驗證，實踐訓練不足，難以充分調動學生的積極性和創造性，學生的單片機應用能力和創新精神難以得到有效培養[1-2]；學生學習方面也存在一些問題[3]：（1）部分學生的學習積極性不高，有畏難情緒；（2）學生的能力差別較大，大多缺少動手練習和調試訓練。另外，單片機型號和類型很多，如C51、AVR、DSP、ARM等；控制對象極其廣泛，輸入輸出接口器件非常豐富。這些無疑都增加了學生學習的難度，降低了教師的教學效果。

基于上述分析，筆者認為要提高學生的單片機應用能力，一方面需要學生在理論上對單片機涉及的各種信號以及控制的各種對象有深刻的理解；另一方面，在實踐上需要學生經過若干典型項目訓練，實際動手搭建和焊接電路、編寫程序代碼和系統調試，真正掌握各種信號和被控對象的控制需要的技能和知識。為此，本文首先提出了一種基于被控對象為目標的單片機控制系統知識邏輯構成，以區別于傳統的從單片機原理和接口兩個方面說明單片機知識結構。然后，從控制對象角度給出了單片機應用能力培養需要的典型訓練項目。最后介紹了項目訓練和實施要求。通過課程的理論教學、實驗教學、課程設計、畢業設計、學科競賽、開放實驗室或項目開發等多個環節，合理分配訓練項目和要求，強化訓練過程管理，注重實訓效果。

1 單片機控制系統知識邏輯結構

單片機是智能和自動化設備重要的控制器，廣泛應用于便攜式設備、家用電器、智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統和軍工等領域。在工業生產和制造領域，提供動力或狀態指示的對象主要有直流電機、步進電機、交流電機、氣壓缸、液壓缸、電磁鐵、指示燈和蜂鳴器等，這些執行器是控制系統主要的被控對象，單片機使用輸出口控制這些對象，為獲取這些被控對象的運行狀態，使用各種傳感器進行檢測，然后將信號送入單片機的輸入口，單片機運用各種控制算法，如PID，實施動態調控。單片機與各被控對象之間的關系、信號類型如圖1所示，該圖右側為單片機控制信號輸出部分，根據被控對象的不同，輸出信號類型主要有開關量、高速脈沖數字量和模擬量（D/A輸出）等。通常被控對象的功率較大，單片機難以直接驅動被控對象，一般需要功率放大等中間轉換電路。為獲知被控對象的狀態，需要狀態檢測，圖1左側為各種檢測信號的輸入，信號類型主要有模擬量和數字量（開關量、多位數字量）等。用來表征各種被控對象的狀態信息或用戶操作命令，其中矩陣式鍵盤、手動按鈕、各類接近開關等信號為開關量輸入信號。模擬信號傳感器，如溫度、位移、壓力等，用于檢測相應物理量的連續動態變化，這些模擬量信號一般需要放大、采樣/保持等信號調理，再經過A/D轉換，得到數字量輸入給單片機，作為閉環控制中的反饋檢測量。另外，用于檢測轉角的編碼器信號通過脈沖捕獲單元，實現高速數字量輸入。

2 單片機應用能力訓練項目

單片機課程知識主要由單片機內部原理和其外圍接口兩部分組成，系統硬件電路包括：單片機、時鐘電路、復位電路、電源電路、外部中斷電路、外部存儲器擴展接口電路、程序下載接口、串行通信接口和各被控對象的輸入輸出電路[4]。系統軟件編程涉及指令、編程軟件、程序下載軟件、輔助調試工具等。應用主要圍繞系統的控制要求，進行方案設計。然后是電路設計和程序設計，電路設計包括：電路原理圖設計、電子元件選型、PCB圖設計與制作、元件焊接。程序設計包括源代碼編寫、調試與軟件仿真。最后是軟件和硬件相結合，進行系統調試。單片機應用能力可簡單劃分為基本應用能力和高級應用能力。基本應用能力一般要求掌握單片機最小應用系統構建、典型信號（如開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸入、數字量輸出等）的電路和程序設計，設置的訓練項目及涉及的知識如表1所示。高級應用能力包括典型被控對象和典型應用系統的電路和程序設計，高級應用能力的訓練項目如表2所示。

3 應用能力訓練項目的實施

目前學生的單片機應用能力不足，究其原因，非常重要的一點是實踐太少，沒有將零散的實踐經驗上升到知識的理解層面。通過在學中“做”和做中“學”，自己動手制作電路、設計程序和調試，獨立完成表1和表2所列的訓練項目，將收獲良好的訓練效果，達到理解和掌握單片機應用所涉及的理論知識和實踐技能[5-6]。

3.1 訓練的要求

教學實訓按照以下步驟逐步完成，并達到預定的要求。

（1）設計控制方案。分析任務要求，查閱資料，擬定最佳實現方案，并結合實際情況，確定控制方案，繪制系統控制框圖；

（2）繪制電路圖。在電路繪圖軟件，如Altium Designer，繪制電路原理、PCB圖；

（3）設計控制程序源代碼。在開發環境，如Keil C，編寫程序代碼，結合電路原理圖，利用電路仿真軟件（如Proteus）進行仿真，驗證電路和程序。

（4）實際電路制作。初始，可使用面包板，搭建各個模塊電路，測試通過后，再制作PCB板，焊接電子元器件，制作真正的PCB電路板。

（5）系統調試和運行。在硬件電路基礎上，下載程序，進行系統聯調，并改正存在的軟硬件問題；

（6）答辯和成果展示。撰寫設計技術文檔或報告，進行項目訓練的答辯和驗收，并展示成果。

3.2 訓練的安排

首先，根據單片機應用能力層次，劃分學生人群，并將相關的訓練項目分配到理論教學、實驗教學、課程設計、畢業設計、自主學習和學科競賽等相關教學環節。單片機基本應用能力是機械類相關專業需要培養目標，所有學生通過理論教學和實驗教學環節，按照訓練的要求，完成表1的所有訓練項目。對于機械電子工程等對電控要求較高的專業，則需要通過單片機課程設計、專業課程設計或畢業設計等環節，進一步完成表2的訓練項目，達到單片機高級應用能力要求。對少部分學生，還可以通過創客、學科競賽以及企業實習等活動，將單片機應用能力提升到一個更高的層次。

參考文獻：

[1] 王鑫國.本科生單片機應用能力培養模式改革與思考[J].甘肅聯合大學學報（自然科學版），2010，24（6）：104-106.

[2] 金國華，騰君華，馬寶山，等. 單片機課程設計中的應用能力的分層培養[J].中國現代教育裝備，2015（21）：81-83.

[3] 楊健，喻曉莉，李亞利.對工科大學生單片機應用能力構建的思考[J].重慶科技學院學報（社會科學版）， 2011（14）：180-182.

[4] 鄭鋒，王巧芝，李英建.51單片機應用系統典型模塊開發大全 [M]. 3版.北京：中國鐵道出版社，2013.

[5] 曹建樹，代峰燕，俞建榮，等.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， 31（3）：129-132.

[6] 張迎輝.任務驅動項目教學法在“單片機應用技術”教學中的運用[J].教育探索，2013（6）：43-44.