優化單片機原理及應用課程設計教學，提升學生綜合能力

沙愛軍 郭麗紅

摘要：單片機原理及應用課程設計是一門重要的實踐課程，牽涉到學生多個能力的培養。在相關理論學時縮減的情況下，依然需要提升學生的理論聯系實踐能力，獨立查閱資料、分析問題、解決問題的能力以及語言表達和撰寫文檔等能力。為此，需要銜接好相關的理論課程、優選課程設計題目，做出精心的組織安排，并對考核、文檔撰寫等提出要求。結合我院通信工程專業的實際情況，對如何優化單片機原理及應用課程設計，以及在設計過程中培養學生上述各種能力進行了探索。

關鍵詞：單片機原理及應用課程設計;能力培養;教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0117-02

新時代，對工程技術人員的工程素養提出了較高的要求，單片機原理及應用課程設計是我院繼《單片機原理及應用B》課程之后開設的一門實踐性課程，學生綜合運用課程所學知識，通過對一個小型項目進行單片機軟件、硬件系統設計與調試，加深對單片機結構、工作原理的理解，掌握單片機小型項目的設計方法，從而增強學生的工程實踐能力、綜合應用知識的能力、分析解決問題的能力。在此過程中，還可培養學生查閱科技資料和撰寫科技報告的能力，訓練學生養成認真嚴謹的工作作風，為未來設計大中型系統，以及成為一個合格的工程復合人才打下良好的基礎。

1單片機原理及應用課程設計教學面臨的問題

本院通信專業單片機原理及應用課程的體系由相關支撐課程以及48學時的理論教學和課內實驗、1周課程設計以及大四時一個月的綜合性的軟硬結合的專業實訓組成。

在實際教學中，由于通信技術日新月異，為了納入一些新技術，對一些課程課時進行了調整，單片機原理及應用課程由原先的64學時壓縮為48學時（含8課時學時實驗），主要講解51單片機的基本原理，匯編語言編程，C語言編程，5l單片機的片內資源，以及51單片機的片外接口中的存儲器擴展、串并口擴展、鍵盤接口、數碼管接口，其目的主要是用有限的課時，讓學生掌握單片機系統開發的基本原理，以及基本的學習方法。而其他的如液晶顯示接口、模數轉換接口、數模轉換接口、單總線接口、12C接口、SPI接口等內容則留給學生自學或者在需要的時候自己去查閱相關資料。單片機原理及應用課程內容見圖1。

單片機原理及應用課程設計要達到增強學生的能力，為學生獨立設計大中型單片機系統打下良好的基礎，很顯然如果僅僅按照課堂上所講的內容來做課程設計，則所做題材的可選余地相對較少，也不利于拓展學生的綜合能力，為此，我們需要選擇合適的課程設計硬件平臺，同時優化課程設計內容及組織安排。

2優化單片機原理及應用課程設計內容及組織安排，提升學生多方面能力

2.1選擇合適的單片機原理及應用課程設計平臺

本課程設計平臺采用nKDE-51單片機實驗教學系統，該系統采用模塊化設計，以方便學生自由組合，設計實驗，可進行數十種實驗。整個實驗系統包括六個功能模塊，包含的主要資源有：單片機、1602字符點陣LCD顯示模塊、數碼管顯示模塊、鍵盤、紅外接收模塊、繼電器、蜂鳴器、實時鐘（RTC）芯片PCF8563、E2PROM存儲器芯片24C16、溫度傳感器芯片DSl8820、串行A/D變換芯片TLCl549、串行D/A變換芯片TLC5619、RS-232串行通信、以太網接口以及其它擴展的輸入輸出接口等。該系統能為課程設計提供較好的平臺。

2.2精心選擇課程設計內容，將重要內容涵蓋其中

為了讓學生能綜合運用各種知識，同時，也讓學生設計的系統豐富多彩，和實際聯系的更緊密一些，培養學生帶著解決實際問題去探索、查閱、解決新的問題的能力，我們適當將一些本來由學生自學的內容引入進來，以達到這方面的目的。

我們精心選擇了一些題目，這些題目的基本內容在課堂上已經講過，但也會有一部分片外接口和芯片的內容是課堂上未講，要求學生自學。由于課程設計只有一周時間，既要注意拓展學生能力，同時，又要避免太難打擊學生積極性，需要控制題目難度：一方面，在每個題目中只增加一、兩個相關的未學的芯片，另一方面，將題目分為基本功能和擴展功能，學生可以在實現基本功能的基礎上擴展功能，學生還可主動思考添加更多的模塊并實現更多的擴展功能，提升能力和成績等級，這樣既兼顧了基本面，也有利于能力高同學的突破。

提供的部分題目列舉如下：

1）電子時鐘的設計。基本功能：有自動計時功能，能顯示計時時間（數碼管顯示或1602液晶模塊，有啟動鍵、停止鍵和清零鍵，整點報時，鬧鐘功能，當時間到時蜂鳴器提醒。擴展功能：通過按鍵/串口設定時間，利用模擬12C時序控制PCF8563時鐘芯片等來實現。

2）帶存儲播放功能的簡易電子琴設計

基本功能：利用單片機內部定時器、行列式鍵盤和數碼管，來控制并顯示和產生不同頻率的聲音。擴展功能：實現存儲和再播放的內容等。

3）數字電壓表設計

基本功能：通過單片機編程，完成通過IO端口模擬總線時序控制串行了LCl549進行A/D變換的程序，同時顯示實測電壓值（十進制電壓值）（在四位LED數碼管上或在1602上液晶模塊上顯示）。擴展功能：通過軟件設定閾值/通過按鍵設定閾值/通過串口設定報警閾值，超過規定電壓值，則報警（蜂鳴器、LED燈閃爍）。

4）DSl8820數字溫度計設計

基本功能：通過IO端口模擬單總線時序控制DSl8820，實現對溫度的測量，并顯示實測電壓值（十進制電壓值）（在四位LED數碼管上或在1602上液晶模塊顯示）。擴展功能：通過軟件設定閾值/通過按鍵設定閾值/通過串口設定報警閾值，超過規定溫度值，則報警（蜂鳴器、LED燈閃爍）。

其他的題目還包括：低頻信號源設計，編寫單片機通過10端口模擬總線時序控制了LC5615進行D/A變換，產生方波、三角波、鋸齒波、梯形波和正弦波的程序;IC卡讀寫器設計，編寫單片機通過IO端口模擬12C時序控制24C16讀寫的程序，通過鍵盤/串口對24C16E2PROM進行模擬充值，通過LED/LCD實時顯示卡內的實際金額等。

2.3優化組織，注重細節，在課程設計中提升工程素養

1）編寫好指導書，起到指導示范作用

配合所使用的課程設計硬件平臺，指導書中一方面要對涉及的相關芯片的原理、外圍引腳等做合適的介紹，同時，也可以提供相關的連線參考、操作步驟以及基本的例程供學生學習、模仿。但也不能面面俱到，要留下余地供學生自我探索、查閱資料。

2）提前做好選題工作，提升學生自我認知能力

在課程設計前的一周甚至更久，將題目和選題要求等發放給學生，進行選題，一人一題，要求學生預先了解相關課題的要求和所用到的知識點以及相關芯片。題目本身難度不同，學生自身能力也有差距，學生可以根據自己的能力和興趣，選擇不同的題目。同時，也要避免班級選擇同一個題目的人數過多，影響教學效果。學生也可以自己選擇相關的題目，難度應不低于上述課題，并得到指導教師批準。

3）科學安排好課程設計周的任務，因材施教，鼓勵學生動手，提升學生實際能力。

課程設計的一周里，是學生能力提升的重要階段。在這一周里，首先要科學安排好時間。

教師用0.5天首先講解相關的原理以及要求，然后學生用1天完成課題初步設計，確定總體結構和硬、軟件框圖，搭建硬件電路泡括對新接觸模塊加強學習和實驗），優化設計方案系統，再用1.5天完成基本功能的編程和調試，用1.5天完成系統擴展功能的編程和調試以及0.5天進行答辯驗收。

在每個時間節點中，指導教師每天保證足夠的時間來指導學生，回答學生提出的問題。要鼓勵學生將理論和實踐結合起來。對于能力強的同學，要啟發其思考，要求其進一步加以鉆研，加以創新、改進、優化、提升系統功能，例如，如何用串口助手來控制單片機上的多個設備，以及如何將單片機上的多個數據發給單片機，再如，若實現多點溫度測量該如何修改設計方案等等。對于能力一般的同學，則要求其不能滿足于模仿接線和改寫指導書上的例程，要求其掌握基本的原理，腳踏實地地弄懂硬件連線的原理，進行程序的編寫以及弄懂軟硬件協同工作的過程，避免其濫竽充數，使得每個學生工程能力在其自己的基礎上都有所提升。在答辯驗收階段，則讓學生利用有限的幾分鐘時間，由學生自我介紹和提問相結合，鍛煉其口頭表達能力。此外還要加強每個階段的考核。考核成績由考勤占10%，設計與調試占30%，答辯占30%，設計報告占30%等組成，成績按分優秀、良好、中等、及格和不及格五檔。

3認真撰寫報告，提高學生文檔撰寫以及表達能力

在完成課程設計的軟硬件系統后，還應該撰寫課程設計報告，報告撰寫能力是一個本科大學生所必備的基本的能力，可以完整描述課程設計的整個過程，也是課程設計的總結和升華，但一些理工科學生報告書寫卻不夠如人意。一方面是部分同學重視不夠，態度不端正造成的，部分同學認為課程設計的主體任務已經完成，相關內容已經掌握，不愿浪費較多時間來撰寫報告，導致報告內容粗制濫造，格式混亂，錯別字較多，語句不通順，甚至將別的地方類似的內容直接復制到自己的報告中，還有些同學則是語言表達能力欠缺：比如詳略不當，重點不突出。為了讓學生的報告撰寫能力在課程設計階段得到訓練，我們規定了設計報告內容應包括的內容：課題名稱及要求;系統總體設計方案（畫出系統框圖、方案的論證與比較等內容）;系統分析與設計（畫出系統的硬件電路接線圖、軟件流程圖）;編程與調試（源程序及解釋、調試步驟、遇到的問題及解決方法）;功能展示;設計總結等。其中，要求對原理、方案和所實現的過程、特色創新部分要加以重點書寫。同時還制定了一個word模板，從摘要、目錄、頁碼、標題、正文的字體和段落、圖表、參考文獻、附錄等角度給出了一個較為規范的參考，讓學生能模仿、訓練、提高，為未來畢業論文的撰寫以及走上工作崗位撰寫相關文檔打下良好的基礎，同時，培養其嚴謹認真的工作作風。

4結論

單片機原理及應用課程設計是一門重要的實踐課，通過一個星期的實踐訓練，達到了如下目的：（1）將理論和實踐、軟硬件設計和調試結合起來，使學生學會了如何去設計一個小型的單片機系統，提高了理論聯系實際、分析問題，解決問題的能力，也為未來的更復雜的系統設計打下了較好的基礎;（2）進行了研究性和自主性的學習，設計中課題可能涉及部分未學的知識，需要學生有選擇性地學會搜集相關的材料，吃透其中的關鍵，并運用到自己的課題中，極大地提升了學生們的自主學習能力，提高了他們的積極性和成就感;（3）鍛煉了學生表達能力和撰寫報告的能力。驗收階段的答辯和撰寫相應的總結報告，分別從口頭表達和文字表達角度鍛煉了學生的表達能力，從而提升了學生的整體工程素養。