綜合性實驗教學設計在單片機實驗教學中的研究

淮南師范學院 宇文珊

針對單片機實驗教學綜合應用能力不足，本文通過研究當前教學中發現的問題與不足，提出增加綜合性教學設計，讓學生在掌握基礎知識之余，能快速了解系統整體設計的思路、流程與方法，舉一反三，提高利用單片機知識解決實際問題的系統設計能力。

1 單片機理論及實驗教學的現狀

單片機作為一門實踐性很強的實驗課程，學生需要投入較大精力來學習這門課程，為了讓學生打好基礎，一般都是從單片機組成入手，按照單片機的硬件結構，c語言或匯編語言的程序設計、系統的接口電路等順序組織課堂教學，理論比較晦澀難懂，不結合相應的實例，理解起來會比較困難，所以課程的實驗教學又安排了相應的驗證實驗，例如流水燈實驗，讓學生了解IO口的基本作用，通過編程控制芯片IO口高低電平的輸出；數碼管實驗，在理解數碼管結構的基礎上，結合動靜兩種工作方式顯示數據；以及定時器實驗、中斷實驗等了解單片機的內部資源。雖然有助于學生理解知識點，但是遇到零散的知識點不知道如何將知識點串聯起來，而目前的單片機實驗設備，多以成品實驗板和實驗箱形式出現，集成化越高，反而阻礙學生動手能力，造成學習起來側重編程的學習，而前期的硬件設計參與度較低。但是單片機的系統設計無論在后期的競賽或者課程設計，畢業設計中都有不可或缺的作用，所以綜合性實踐性的實驗設計很有必要。

2 綜合性單片機項目的選擇

單片機的綜合性項目可結合當前智能化的發展方向，智能家居、智能醫療、智能控制等選擇項目題目，例如無線煙霧報警器、溫濕度檢測、wifi智能插座、電機的智能控制、水位檢測等，總之項目的選擇既能覆蓋主要知識點，又有實用價值，而且學有余力的同學可以綜合其它課程，進行上位機的設計或App的開發，使項目更具有智能性及實用價值。下面以無線煙霧報警器的設計為例，進行教學組織論述。

3 綜合性項目教學設計以無線煙霧報警器項目為例

3.1 系統框圖的設計

根據任務需求，確定系統功能，以智能家居中無線煙霧器為例，家庭中廚房里的燃氣泄漏危險源的產生地，如果能對氣體濃度，環境溫度等進行檢測，超過設定的閾值則進行報警，客廳可接收到相關數據信息，防患于未然。功能設定：主機對可燃氣體進行濃度檢測、溫濕度檢測以確定危險源，數據信息由NRF24L01無線模塊發射，從機接收并采用液晶顯示屏顯示溫濕度氣體濃度等數據，且可針對異常情況進行聲光報警，同時較遠距離信息傳送報警。

根據上面的分析，制定整體方案，如圖1、圖2所示。

圖1 無線煙霧報警系統發送端結構圖

圖2 無線煙霧報警系統發送端結構圖

3.2 教學過程知識點總結

在課堂教學組織過程中，改變以往教師主講模式，由學生分組圍繞問題進行討論，以設計目標位主線，完成相關知識點的復習，芯片資料的收集確定芯片選型，再根據芯片資料接口電路的搭建。教學部分覆蓋知識點如表1所示。

表1 教學部分覆蓋知識點

圖3 硬件電路實物圖

圖5 接收端軟件設計總體流程圖

3.3 項目硬件設計

（1）整體方案及芯片選型結束后，根據相關知識點及芯片資料完成硬件電路的搭建。例如主要芯片選STC89C52、無線收發選傳輸范圍可達150m-200m的NRF24L01，煙霧檢測選擇適合可燃氣體及煙霧檢測的MQ-2型，溫濕度檢測選擇工作環境在-20~+55℃的DH11芯片。

（2）芯片選擇好后，進行IO口分配。硬件電路的搭建可以選擇洞洞板、或課下結合pcb課程知識，制作pcb板并焊接完成硬件電路，課上進行程序設計與系統聯調工作。

3.4 程序設計及系統調試

（1）硬件制作完成后，小組成員進行軟件編程及調試，主要流程如圖4、圖5所示。發射端軟件設計：系統先初始化發送部分的一個循環的總體思路是這樣的先初始化，再進行數據讀取及處理后送至發送數據數字，初始化nRF24L01后，將數據發送出去。

圖4 發射端軟件設計總體流程圖

（2）接收端軟件設計：初始化nRF24L01，等待接收中斷，如有中斷則進行數據的讀取，顯示，判斷是否超限，超限則聲光報警。

3.5 項目驗收及考核

綜合性項目的特點應具有開放性、自主性、實踐性等特點，可根據系統功能的完善性，系統性能的可靠性，進行綜合評估成績。

4 綜合性項目設計總結

單片機課程是為解決實際問題的課程，重在實踐，通過綜合性設計，可以讓同學們更快的體驗到系統設計的流程，對學生分析問題，針對性的查找文獻，不僅僅停留在獨立知識點的學習上，通過一個綜合性的項目設計，將單片機的內部資料，外部接口知識，傳感器知識，芯片選型，查找文獻的方法，甚至融合其它課程完成硬件焊接。在今后的教學過程中，需要設計更多的簡便可行的綜合性項目，不斷提高學生的實踐水平。

基金項目：安徽省高等學校省級質量工程項目-精品線下開放課程（2019kfkc113）；淮南師范學院校級質量工程（2018hsjyxm60）。