基于能力驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

許梁，羅開(kāi)武

1.江西理工大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌，3300132；2.銅仁學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 銅仁，554300

0 引言

單片機(jī)課程前期的基礎(chǔ)課程主要有《模擬電路》、《數(shù)字電路》，傳統(tǒng)單片機(jī)課程課本知識(shí)教學(xué)側(cè)重單片機(jī)底層知識(shí)，如匯編指令，單片機(jī)架構(gòu)等知識(shí)的傳授，對(duì)于地方高校的學(xué)生，基礎(chǔ)稍微薄弱，從教學(xué)實(shí)踐情況來(lái)看，單片機(jī)課堂以課本講知識(shí)等教學(xué)方式，教學(xué)效果不是很理想。因此我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程融合《電子CAD線路》與《單片機(jī)技術(shù)及接口》兩門(mén)課，實(shí)現(xiàn)提出問(wèn)題，找出解決問(wèn)題方法，到電路的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，焊接與組裝、到嵌入式軟件設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)上傳終端等一系列技術(shù)的課堂傳授。課程設(shè)計(jì)了以解決實(shí)際問(wèn)題和應(yīng)用為主的課程教學(xué)場(chǎng)景，在一定程度上緩解了單片機(jī)傳統(tǒng)課程中指令教學(xué)枯燥、難記難懂的困鏡。學(xué)生學(xué)習(xí)完課程實(shí)例后能直接模仿將課堂中的單片機(jī)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)生活中，以興趣引領(lǐng)，基于能力驅(qū)動(dòng)的人才培養(yǎng)教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力得到明顯加強(qiáng)，課程改革以實(shí)例教學(xué)方式進(jìn)行，一個(gè)教學(xué)實(shí)例約10課時(shí)左右，其中硬件電路設(shè)計(jì)占4課時(shí)，單片機(jī)嵌入式軟件教學(xué)占6課時(shí)。現(xiàn)以單片機(jī)溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)例，詳細(xì)闡述單片機(jī)教學(xué)改革的實(shí)施開(kāi)展情況。

1 教學(xué)情景設(shè)計(jì)

溫濕度參數(shù)在智慧農(nóng)業(yè)、工控領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，以溫濕度數(shù)據(jù)采集為例，要求設(shè)備有：自選單片機(jī)與傳感器。實(shí)現(xiàn)功能有：①采集傳感器的溫濕度，顯示在液晶顯示屏上，沒(méi)有任何按鍵操作，若干時(shí)間后，液晶屏熄滅以省電；②單片機(jī)可以存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)以來(lái)的最值，如溫度的最大值和最小值，濕度的最大值和最小值；③通過(guò)按鍵可以設(shè)置溫濕度報(bào)警的閥值；④采集的數(shù)據(jù)可以上報(bào)計(jì)算機(jī)，以供后續(xù)更廣泛的控制，如向加濕器、空調(diào)等設(shè)備發(fā)送控制指令。

2 電路的教學(xué)設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)分析：課程教學(xué)所用的教學(xué)電路板在課堂上開(kāi)發(fā)完成，電路的基本組成由單片機(jī)、傳感器、按鍵、蜂鳴器、液晶屏組成；在單片機(jī)選型方面，傳統(tǒng)的單片機(jī)有宏晶STC、愛(ài)特梅爾ATMEL、德州儀器TI等，為了后續(xù)嵌入式軟件設(shè)計(jì)的方便性，在此選擇愛(ài)特梅爾ATMEL ATMEGA328P-PU，同時(shí)考慮到學(xué)生焊接的方便性，封裝選擇DIP；而溫濕度傳感器也有眾多選擇，如DHT11和BMP280，同樣，為了方便學(xué)生焊接，選擇DHT11；數(shù)據(jù)上報(bào)到計(jì)算機(jī)，則選用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340C。同時(shí)，為方便對(duì)嵌入式程序進(jìn)行調(diào)試與下載，設(shè)計(jì)中加入了自動(dòng)下載的電路，同時(shí)設(shè)計(jì)了單片機(jī)Bootloader引導(dǎo)燒錄接口[1]。

2.1 單片機(jī)基本電路設(shè)計(jì)與講解

單片機(jī)基本電路如圖1所示。其中U1為ATMEL ATMEGA328P-PU，X1為16Mhz的晶振，C1、C6為與之匹配的負(fù)載電容，J1為Bootloader燒錄接口，C3、C4、C5為單片機(jī)的濾波電容，為方便測(cè)試程序運(yùn)行，設(shè)計(jì)了狀態(tài)運(yùn)行燈LED1。

圖1 單片機(jī)基本電路

2.2 供電電路及數(shù)據(jù)上報(bào)電路設(shè)計(jì)與講解

設(shè)計(jì)的USB接口供電電路如圖2（a）所示，USB數(shù)據(jù)通訊電路如圖2（b）所示。供電直接采用USB供電，同時(shí)支持USB數(shù)據(jù)通訊，能將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。其中，LED2為電源供電指示燈；LED3、LED4為數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)燈，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，該燈會(huì)閃爍；C10、R5的設(shè)計(jì)是為了更新芯片程序時(shí)設(shè)計(jì)的自動(dòng)下載功能；C7為CH340芯片的濾波電容；X2為CH340的晶振；C11、C12為X2的負(fù)載電容，大小為22pF，大小的設(shè)計(jì)要點(diǎn)需要根據(jù)晶振的相關(guān)參數(shù)確定[2]。

圖2 USB 接口供電與USB 數(shù)據(jù)通訊電路設(shè)計(jì)

2.3 直流電路供電、溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)與講解

除了USB供電，亦可以采用9～35V的直流供電。設(shè)計(jì)的直流供電電路如圖3（a）所示，溫濕度傳感器電路如圖3（b）所示。其中U4為L(zhǎng)DO線性穩(wěn)壓芯片，支持的最高電壓為35V；Q3為供電切換MOS管，當(dāng)USB供電時(shí)，自動(dòng)切斷DC供電；D2是為了防止電流倒灌，設(shè)計(jì)要選電壓降低的二極管；U5則是為了保護(hù)USB口而設(shè)計(jì)的可恢復(fù)熔絲。溫濕度傳感器DHT11的電路中R12為數(shù)據(jù)線上拉電阻，C13為該傳感器的濾波電容。

圖3 直流供電設(shè)計(jì)與溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)

2.4 LCD顯示屏電路設(shè)計(jì)與與講解

液晶顯示屏電路和蜂鳴器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。其中，R1為液晶顯示屏的對(duì)比度調(diào)節(jié)電位計(jì)；Q1為背光控制偏置三極管，這是為了節(jié)能設(shè)計(jì)；Q2為蜂鳴器開(kāi)關(guān)控制偏置三極管；D1為Q2的保護(hù)二極管[4]。

圖4 液晶顯示屏電路設(shè)計(jì)與蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

2.5 按鍵電路設(shè)計(jì)

按鍵電路采用A D C 按鍵設(shè)計(jì)。其中當(dāng)SELECT鍵按下時(shí)，ADC電壓為5V，10位的ADC采樣值為最大值1023；當(dāng)DOWN按鍵按下時(shí)，電壓為3.968V，鍵電路設(shè)計(jì)如圖5（a）所示，其仿真圖如圖5（b）所示。ADC采樣值為811，當(dāng)UP鍵按下時(shí)，電壓值為1.976V；ADC采樣值為404，計(jì)算方法可以通過(guò)仿真軟件或做實(shí)驗(yàn)得出。上述電壓是基于5V的理論值仿真出來(lái)的電壓值，實(shí)際電壓會(huì)有所變化，但不會(huì)影響ADC值，電壓與ADC值的計(jì)算公式為。

圖5 鍵電路設(shè)計(jì)與仿真圖

2.6 PCB布線與講解

該電路設(shè)計(jì)中，電源布線線寬度不少20mil，電源布線建議采用星型走線，USB D+D-要求差分對(duì)布線，晶振應(yīng)盡可能接近相應(yīng)的芯片，其它布線可采用5mil線寬，過(guò)孔采用12/24mil設(shè)計(jì)，布線及電路3D仿真如圖6所示。

圖6 電路布線與電路3D 仿真

3 單片機(jī)嵌入式軟件教學(xué)設(shè)計(jì)

任務(wù)分析：結(jié)合上述應(yīng)用場(chǎng)景，嵌入式軟件設(shè)計(jì)是處理多任務(wù)多事件的過(guò)程，在本次教學(xué)中，主要的嵌入式設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。①采集傳感器數(shù)據(jù)并作出相應(yīng)的響應(yīng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)處理溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)后，更新液晶顯示屏顯示內(nèi)容，用串口向計(jì)算機(jī)上報(bào)，同時(shí)要讀取EEPROM相關(guān)值，并與之比較，若高于最大值或低于最小值，則要更新EEPROM存儲(chǔ)并啟動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警響聲，當(dāng)下一次讀取傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，若在設(shè)置的范圍內(nèi)時(shí)，則需要關(guān)閉蜂鳴器。②響應(yīng)用戶(hù)按鍵事件：按鍵分別短按與長(zhǎng)按，現(xiàn)約定，當(dāng)短按下SELECT，UP，DOWN任意鍵時(shí)，屏幕亮起；當(dāng)長(zhǎng)按SELECT鍵時(shí)，進(jìn)入閥值設(shè)置，開(kāi)啟液晶顯示屏光標(biāo)閃爍以定位要設(shè)置的報(bào)警值（溫度最大值、溫度最小值；濕度最大值、濕度最小值），UP鍵增加，DOWN鍵減少。③蜂鳴器響應(yīng)事件：當(dāng)蜂鳴器被觸發(fā)時(shí)，采取響高電平（響）100毫秒，低電平（不響）3000毫秒，依次進(jìn)行的報(bào)警動(dòng)作。

基于上述電路的設(shè)置，各模塊與單片機(jī)的接口連線在軟件框架中對(duì)應(yīng)的序號(hào)如下。

傳感器 液晶屏 蜂鳴器 LED 按鍵DATA(PC0)PWR(PD6), EN(PB3),RS(PB4), RW(GND),DB0-4(GND), DB4(PD5),DB5(PD4), DB6(PD3),DB7(PD2)PD7 PB5 PC0 DATA(A1)PWR(D6), EN(D11),RS(D12), DB4(D5),DB5(DB4), D6(D3),DB7(D2);D7 D13 A0

3.1 單片機(jī)非阻塞技術(shù)講解

基于ATMEGA328P單片機(jī)和相應(yīng)軟件框架實(shí)現(xiàn)對(duì)DHT11的溫濕度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上報(bào)計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)在液晶顯示屏上，蜂鳴器的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，這些單個(gè)的實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)上已有眾多的教程與實(shí)例，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，這并不復(fù)雜。而嵌入式軟件重點(diǎn)設(shè)計(jì)在于如何實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行且不耦合，這也是單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)，以下重點(diǎn)向?qū)W生講述單片機(jī)應(yīng)用中的Ticker技術(shù)，與狀態(tài)機(jī)技術(shù)。

單片機(jī)里經(jīng)常使用for或者while循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)delay延時(shí)函數(shù)，這是一種阻塞型的延時(shí)方法，適合于短時(shí)間（毫秒或微秒級(jí)別）的延時(shí)，但長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)不適合用這種方法，這樣會(huì)造成單片機(jī)任務(wù)阻塞，而Ticker技術(shù)利用時(shí)間切片的概念，可以在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)調(diào)用一個(gè)函數(shù)，因此使用它進(jìn)行延時(shí)是非阻塞的，以蜂鳴器任務(wù)來(lái)講解Ticker技術(shù)的任務(wù)，一般來(lái)說(shuō)，任務(wù)建議有兩個(gè)核心的部分：①任務(wù)的初始化，如void BeepInit(void)函數(shù)；②任務(wù)更新函數(shù)，如void beepUpdate(void)函數(shù)，此函數(shù)一般用在main函數(shù)中的for(;;)或while(1)中，用于刷新任務(wù)的Ticker，當(dāng)ticker運(yùn)行時(shí)，則運(yùn)行相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，否則等待下一次刷新，而對(duì)于外部調(diào)用，則只需關(guān)注beepOn()與beepOff()函數(shù)，整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程是非阻塞的。這種技術(shù)解決了多任務(wù)耦合問(wèn)題，如圖7所示。

圖7 用Ticker 技術(shù)實(shí)現(xiàn)蜂鳴器非阻塞不同頻率報(bào)警

3.2 按鍵處理技術(shù)講解

單片機(jī)的按鍵處理是嵌入式軟件設(shè)計(jì)中經(jīng)常要遇到的，按鍵分為短按與長(zhǎng)按，根據(jù)圖5的電路設(shè)計(jì)，當(dāng)SELECT、DOWN、UP鍵按下時(shí)，ADC采樣值為1023、811、404，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，ADC值可能會(huì)上下波動(dòng)1左右，單片機(jī)按鍵分為短按與長(zhǎng)按。現(xiàn)對(duì)按鍵進(jìn)行標(biāo)定，從按鍵到釋放，時(shí)間在500毫秒以?xún)?nèi)標(biāo)定為短按；按住不放，時(shí)間超過(guò)3000毫秒，則視為長(zhǎng)按。短按與長(zhǎng)按同樣可以使用Ticker技術(shù)檢測(cè)與實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)按鍵事件處理一般采用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)向?qū)W生講述如何用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。

單片機(jī)使用狀態(tài)機(jī)處理按鍵事件如圖8所示，根據(jù)任務(wù)需求，創(chuàng)建S1～S5五個(gè)狀態(tài)機(jī)。SELECT鍵長(zhǎng)按時(shí)進(jìn)入狀態(tài)機(jī)S1，進(jìn)入設(shè)置溫度最小值界面，液晶屏光標(biāo)跳轉(zhuǎn)到Tmin位置并閃爍，以告知使用者正在設(shè)置溫度的最小閥值，此時(shí)若檢測(cè)到UP或Down鍵按下，其閥值會(huì)相應(yīng)加1或減1；當(dāng)SELECT鍵再次短按下去時(shí)，狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至S2，進(jìn)入設(shè)置溫度最大值界面，依次類(lèi)推，直至設(shè)置結(jié)束后液晶屏進(jìn)入顯示實(shí)時(shí)溫濕度界面。狀態(tài)機(jī)在非設(shè)置狀態(tài)時(shí)，即非S1、S2、S3、S4，SELECT鍵短按時(shí)，液晶屏亮屏并實(shí)時(shí)顯示采集的溫濕度傳感器數(shù)據(jù)；當(dāng)UP或DOWN短按時(shí)，液晶屏亮屏并顯示已采集數(shù)據(jù)的最值，相應(yīng)時(shí)間后，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面。

圖8 單片機(jī)使用狀態(tài)機(jī)處理按鍵事件

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將電子CAD線路與單片機(jī)課程融合，以溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，從市場(chǎng)技術(shù)需求出發(fā)，從電路設(shè)計(jì)到開(kāi)始焊接，從電路驗(yàn)證到嵌入式軟件的設(shè)計(jì)，這是一個(gè)完整的從想法到產(chǎn)品的過(guò)程，以能力培養(yǎng)為目的、產(chǎn)出為導(dǎo)向的課程改革。從實(shí)踐情況來(lái)看，課堂取得了非常好的教學(xué)效果，值得推廣。