單片機定時器功能實驗課程的教學設計

章彧

摘要：定時器功能在日常生活、生產中應用非常普遍，是單片機的一個重要應用功能。定時器功能實驗是定時/計數器學習中一個重要的實踐環節。作者結合多年的教學與實踐經驗，對定時器功能實驗的教學要求和過程管理做了分析和教學設計，以期完善教學效果。

關鍵詞：單片機；定時器；教學設計；實驗教學

定時/計數器是MCS51單片機的一個重要內置部件，在應用時，可根據任務要求的不同，把它用作定時器功能或計數器功能。定時器功能，就像一個鬧鐘，要求定時/計數器部件每隔一定的時間間隔，向單片機發出信號，使單片機實現定時處理的能力。比如，在用交流采樣方式對電網的電壓、電流信號測量時，要在正弦信號的一個周期中均勻采樣N個點，再利用采樣值，按照均方根算法、兩點乘積算法等算法，計算出電壓、電流的有效值。為保證測量的準確性，就要求產生一個TS=T/N的定時控制。再比如，在電力電子器件的觸發角、逆變角的控制時，也是要應用的定時器功能的。除此之外，其實還有很多要用到定時控制的場合，可見，定時器功能應用的普遍性和重要性。

在《單片機原理及應用》課程中，已經對定時/計數器的結構原理、控制寄存器、工作方式等做了講解，并通過相關應用舉例，分析闡述了定時/計數器的設計方法。定時/計數器環節是單片機課程教學的重要環節，也是單片機實際應用時經常會涉及的問題，因此，除了在課堂上的講解、分析外，還專門開設了4個學時的實踐教學內容，分為定時器功能實驗和計數器功能實驗兩個，以期進一步提高學生的感性認識，熟練掌握定時/計數器的應用，進一步培養和提高學生分析問題、解決問題的能力。

一、 實驗教學目標

1. 知識目標：（1）進一步深刻理解定時/計數器的功能，了解定時/計數器的結構；（2）進一步熟練掌握定時/計數器的相關控制寄存器；（3）進一步掌握定時/計數器的4種工作方式；（4）掌握定時/計數器應用設計的方法。

2. 能力目標：（1）根據定時時間要求，合理選擇定時/計數器的工作方式，正確設置工作方式寄存器TMOD；（2）根據定時時間和工作方式，正確計算計數初值，正確設置計數初值；（3）正確完成與定時/計數器相關的中斷設置，正確設計中斷服務程序；（4）繼續熟練Keil、Proteus設計仿真軟件，掌握調試方法，學會示波器的使用；（5）進一步培養和提高分析問題、解決問題的能力。

二、 實驗教學重點和難點分析

1. 教學重點：（1）定時/計數器相關控制寄存器；（2）定時/計數器的工作方式；（3）中斷的應用。

2. 教學難點：（1）計數初值的計算；（2）中斷服務程序的設計；（3）不同工作方式實現功能時的不同之處；（4）計數器位數的軟件擴展方法。

三、 實驗教學過程及策略

實驗教學過程總體分為三個環節。

1. 實驗前的預習準備。

提前把“編寫一個定時1s的程序。要求利用定時/計數器的四種工作方式中的一種，設計1s的定時程序，通過模擬示波器觀察波形，通過一個指示燈閃爍反映出來。”的實驗任務布置下去，要求學生根據課堂教學中對定時/計數器的掌握，模仿課堂上講解的例題，先分析實驗任務要求，選擇確定定時/計數器功能和工作方式，計算計數初值，設計硬件電路原理圖，確定程序設計思路，繪制軟件流程圖，編寫功能程序，完成實驗預習報告，為實驗做好充分的準備。這一環節是在實驗課程前完成的，有足夠的時間讓學生鞏固定時/計數器的相關知識點，對實驗任務要求進行充分分析和思考，是培養和訓練學生分析、解決問題的關鍵，也是督促和激發學生主觀能動性的機會。實驗效果能否真正達到，這一環節至關重要。

2. 實驗設計、調試。

首先，實驗指導老師會結合定時/計數器原理和實驗任務要求，對項目進行分析，引導學生注意幾個問題。①這是一個定時器功能還是計數器功能的問題？②1s的定時靠本身的計數器位數夠不夠，怎么解決？③單片機內部的兩個定時/計數器是不是可以隨便用哪一個，確定后如何設置？④中斷服務程序的入口要注意什么？中斷服務程序里面要注意什么？⑤如何在Proteus中放置示波器，示波器怎么看？學生結合老師的分析和引導，結合自己事先的思路和準備，完善實驗設計。接著，學生利用Proteus完成硬件電路原理圖的設計，利用Keil完成程序的設計錄入和編譯，通過Proteus的仿真運行，觀察發光二極管的閃爍頻率和示波器的輸出波形，觀察實驗結果，如結果有問題，觀察現象，分析原因，修改調試，最終完成實驗任務要求。

3. 實驗拓展。

實驗任務達成后，可繼續改變設計方案，用不同的工作方式、查詢方式去實現功能要求，對比各種方案區別，最后總結實驗經驗，完成實驗報告中的數據記錄和分析。

參考文獻：

[1]曹天漢.單片機原理與接口技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2]董勻芬.《染色體變異》教學設計[J].考試周刊，2015，66.