多軟件輔助單片機課程探究

朱鐵欣 顏丙學

摘?要：對于機械電子工程、機電一體化等電氣、電子類專業(yè)而言，“單片機原理與應用”課程是一門不可或缺的必修基礎課程；而對于計算機、材料及控制工程等其他工學類專業(yè)而言，“單片機原理與應用”課程也是一門選修基礎課程。但這門課程是一個需要理論聯(lián)系實際和動手操作的課程，它的實際應用是一個不可或缺的部分。目前，各級各類學校都對網(wǎng)絡線上教學進行了探索和實踐。在這門課程的授課過程當中，在線下教學時，采用理論講授配合軟件仿真的形式；在線上教學時，配合使用超星泛雅、騰訊會議等線上教學軟件，結(jié)合Keil軟件以及Proteus軟件進行仿真分析。這樣的教學形式使部分教學不會受到時間和空間的限制，學生的學習能夠達到一個比較理想的效果。本文以一堂單片機課為例，介紹了如何采用線上線下相結(jié)合的授課方式進行授課，并對整個課程結(jié)束后的學生線上教學的參與度、隨堂練習的完成情況等各項指標進行分析，并結(jié)合線下教學情況以及期末考試的結(jié)果，分析了整個課程授課效果，相較于傳統(tǒng)單一理論教學方式，其效果更加理想。

關鍵詞：線上教學；單片機實驗；超星泛雅；Keil；Proteus仿真

Exploration?of?Multi?Software?Assisted?Microcontroller?Course

Zhu?Tiexin1?Yan?Bingxue2

1.Zhongyuan?Institute?Of?Science?And?Technology?HenanXuchang?461000；

2.Xuji?Electric?Co.，Ltd.?HenanXuchang?461000

Abstract：For?electrical?and?electronic?majors?such?as?mechanical?and?electronic?engineering?and?mechatronics?integration，the?course?"Principles?and?Applications?of?Microcontrollers"?is?an?indispensable?compulsory?basic?course；For?other?engineering?majors?such?as?computer?science，materials?and?control?engineering，the?course?"Principles?and?Applications?of?Microcontrollers"?is?also?an?elective?basic?course.But?this?course?is?a?course?that?requires?combining?theory?with?practice?and?handson?operation，and?its?practical?application?is?an?indispensable?part.Since?the?COVID19?epidemic，schools?at?all?levels?and?in?all?types?have?explored?and?practiced?online?teaching.During?the?teaching?process?of?this?course，theoretical?teaching?combined?with?software?simulation?is?used?for?offline?teaching；When?teaching?online，use?online?teaching?software?such?as?Chaoxing?Fanya?and?Tencent?Meeting?in?conjunction?with?Keil?software?and?Proteus?software?for?simulation?analysis.This?teaching?form?ensures?that?some?teaching?is?not?limited?by?time?and?space，and?students'?learning?can?achieve?a?relatively?ideal?effect.This?article?takes?a?microcontroller?class?as?an?example?to?introduce?how?to?use?a?combination?of?online?and?offline?teaching?methods?for?teaching.It?analyzes?various?indicators?such?as?students'?participation?in?online?teaching?and?the?completion?of?classroom?exercises?after?the?entire?course?is?completed.Combined?with?the?offline?teaching?situation?and?the?results?of?the?final?exam，the?teaching?effect?of?the?entire?course?is?analyzed.Compared?to?traditional?single?theory?teaching?methods，the?effect?is?more?ideal.

Keywords：Online?teaching；Microcontroller?Experiment；Chaoxing；Keil；proteus?simulation

單片機是計算機技術、大規(guī)模集成電路技術和控制技術的綜合產(chǎn)物，經(jīng)過幾十年的發(fā)展歷程，其應用已經(jīng)十分廣泛和深入。“單片機原理與應用”是一門面向應用的、具有很強實踐性與綜合性的課程。通過本門課程的學習，能夠改善學生的知識結(jié)構(gòu)，使其獲得利用單片機解決某些工程技術問題所需的知識，為利用單片機實現(xiàn)電氣控制、過程控制、信息處理和管理等應用奠定必要的基礎，獲得相關領域內(nèi)應用單片機的初步能力。單片機課程主要包括其結(jié)構(gòu)和原理、指令系統(tǒng)、程序設計、人機接口技術、中斷系統(tǒng)及定時計數(shù)器以及串行口等內(nèi)容。這些內(nèi)容如果只是純理論的講解，對于學習者來說比較抽象，晦澀難懂，所以需要結(jié)合具體的實際應用加以理解。線下教學對于單片機課程線上教學的探索依舊具有十分重要的意義。本文所研究的多種軟件輔助教學的教學方法，無論對于線上教學還是線下教學，都有十分重要的意義。

一、單片機課程主要內(nèi)容

“單片機原理與應用”課程的目的，就是要通過對微控制技術（單片機技術）的學習，掌握常用單片機的工作原理，能夠設計簡單的接口電路，并結(jié)合已掌握的電子技術和控制技術等相關知識，學習微控制系統(tǒng)基本的分析、設計方法，使學生初步具備自動控制設計及解決問題的思想。在本門課程中，系統(tǒng)講述了單片機的發(fā)展過程、特點以及應用領域；經(jīng)典系列單片機80C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能以及單片機的最小系統(tǒng)。了解了單片機的基礎知識之后，在人機接口技術中，介紹了LED、數(shù)碼管、蜂鳴器、獨立按鍵、鍵盤以及LCD的接口技術；最后介紹了單片機的中斷系統(tǒng)以及定時/計數(shù)器的使用。通過對上述內(nèi)容的學習，學生可以自主完成難度適中的課程設計，同時為學生的畢業(yè)設計以及日后工作中的應用打下堅實的基礎。

二、多軟件輔助單片機教學

Proteus軟件是英國Lab?Center?Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是比較好的仿真單片機及外圍器件的工具，很多單片機愛好者和從事單片機教學的教師還有致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者都很青睞此軟件。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。單片機的大部分相關實驗都可以通過這一軟件來進行仿真分析。

以最簡單的流水燈實驗為例，在應用Proteus軟件完成實驗的情況。首先，根據(jù)所學的電路以及單片機等相關知識，設計實現(xiàn)流水燈的硬件原理圖。其次，根據(jù)原理圖繪制出仿真電路圖，然后根據(jù)實驗要求的流水燈的花樣效果要求，按照所學的計算機語言（如匯編語言）的語法規(guī)則，帶領學生完成對應程序的編寫。最后，將寫好的程序進行編譯查錯并進行程序加載，觀察實驗現(xiàn)象是否與預想一致，并將不一致的地方加以修改完善。繪制電路圖時，首先打開繪圖界面，在元器件庫里找到所需要的電源、地、電容、電阻、晶振、LED燈以及89C51單片機，然后布置好位置，連線并設置參數(shù)。這一繪圖過程不僅能幫助學生再次查驗最初設計的硬件電路有無錯誤，有無缺陷，還能夠幫助學生熟悉電氣元器件在電路圖當中的畫法，并鍛煉學生的實際操作能力。但Proteus軟件只支持使用匯編語言進行編程。在使用匯編語言進行編程時，先逐步地給學生演示及講解每一個語句的用法及注意事項，帶領學生完成程序的編寫，然后由學生按照自己的思路和想法，設計算法并完成程序的編寫。在運行過程中，除了直觀地從電路圖當中看到實驗現(xiàn)象以外，還可以使用Proteus的單步運行功能，調(diào)出相應窗口進行分析，可以清晰地看到每一步運行之后對應寄存器等內(nèi)容的變化，更有利于學生對于程序內(nèi)容的理解。仿真成功后，也可將程序加載到實物進行實驗。

現(xiàn)如今，在單片機的使用過程當中，用C語言進行編程的應用也是非常之多的。但由于上述提到的Proteus軟件只能使用匯編語言進行編程，那我們在沒有實物的情況下，如何直觀地看到實驗現(xiàn)象呢？這時可以采用Proteus軟件與Keil軟件相結(jié)合的形式。

μVision集成開發(fā)軟件是Keil公司的產(chǎn)品，它集編輯、編譯（或匯編）、仿真調(diào)試等功能于一體，具有當代典型嵌入式處理開發(fā)的典型界面。目前常用的版本是μVision4。它支持數(shù)百種嵌入式處理器（包括80C51系列、非80C51系列的多種單片機以及ARM處理器等芯片）開發(fā)，可以用匯編程序及C51語言編程。在完成應用程序?qū)嵺`時，需要先建立工程，用鼠標單擊Project菜單的下拉選項New?μVision?Project，在彈出的窗口中輸入準備建立的工程文件名。然后添加相應的程序。最后進行編譯及仿真調(diào)試。此時，若需要在電路圖中直觀地看到實驗現(xiàn)象，可以在編譯之后，生成后綴名為.HEX的可執(zhí)行文件，然后在Proteus軟件的電路圖中，通過單片機芯片直接添加此.HEX文件，然后運行，這樣就可以實現(xiàn)在僅支持匯編語言編程的Proteus軟件中導入使用Keil軟件用C語言所編寫的程序，看到實驗現(xiàn)象。

若是用實物完成上述實驗，一般需要CPU芯片、LED燈、連接線、七段數(shù)碼管以及洞洞板等實驗設備。在設計好電路之后，需要按照設計圖對元器件進行布局以及焊接，焊接之后，如若硬件電路沒有問題，可將編寫好的程序，通過燒錄軟件，燒錄到單片機中，并運行觀察結(jié)果，根據(jù)結(jié)果修改程序。這一過程若采用線下教學，首先，教師演示時可能會有部分同學觀察不清楚的情況。其次，整個焊接過程元器件較多，注意事項較多，學生僅觀摩學習一次，可能會出現(xiàn)遺忘和遺漏知識點的問題。

若采用線上教學，可通過拍攝視頻或者在線直播的方式使用實物進行教學。同時可以配合使用騰訊會議、超星泛雅及EV錄屏等多種軟件保證授課過程的順利有效進行充分地將一堂實驗課優(yōu)質(zhì)地完成。

騰訊會議軟件提供實時共享屏幕、支持在線文檔協(xié)作。學習通是一款集移動教學、移動學習、移動閱讀、移動社交為一體的免費應用程序［1］。EV錄屏軟件是一款非常好用的桌面視頻錄制軟件，這款軟件可以幫助用戶輕松地錄制電腦屏幕，并且功能全免費無水印，是一款非常好用的桌面視頻錄制軟件。以上三種軟件都是近些年各大學校線上教學過程中的常用軟件。

線上教學過程主要分為直播和錄播兩種形式［2］，為了達到良好的線上授課效果，每節(jié)課課前，教師可先將本節(jié)課所需理論知識的word文本、PPT、網(wǎng)絡視頻等相關資料通過超星泛雅（學習通）課程站點，加入對應位置，并告知學生查看位置及方法，請同學提前預習。在課程站點中，提前將學生班級建好，并將所有學生加入班級。在上課開始時，通過簽到功能，代替線下課程的課程點名，已了解學生的出勤情況，未按時出勤的同學，通過微信或電話等方式及時了解情況。這一過程能夠縮短了解學生情況所需要的時間，并能夠使每一位學生再次注意到已經(jīng)開始上課。授課過程使用直播功能進行知識講授，并在授課過程中，與學生在線互動，增加學生的課堂參與度。在每個小知識點講解之后，還可以使用超星泛雅的隨堂練習等功能，檢查每位同學的學習情況［35］。學生也可以在上課及時對課程當中遇到的問題進行提問和反饋，教師可以根據(jù)學生反饋以及隨堂練習的情況，及時調(diào)整授課內(nèi)容。課程講授完畢之后，開放課程回放功能，使學生可以在課下重新觀看上課時未了解清晰或遺忘的內(nèi)容。授課結(jié)束后，使用EV錄屏，將本小節(jié)的重點知識，以及授課過程當中發(fā)現(xiàn)的一些學生理解起來相對較難的知識點，進行更加細致的講解，并進行屏幕錄制，將重點知識的視頻送給學生，以便學生更加詳盡地進行學習。最后通過超星泛雅發(fā)布課后作業(yè)，對于選擇或判斷等客觀題目，系統(tǒng)可以自動進行批改，對于簡答或程序設計題目，學生可以以word或圖片等各種方式提交答案。在完成課程教學之后，可以使用直播的功能，對整個教學過程中學生的參與情況以及學習效果進行統(tǒng)計和分析，例如，每個學生對任務點的學習次數(shù)以及學習時長，隨堂測驗完成及得分情況，課堂討論的參與程度以及作業(yè)的提交情況等。下圖為單片機課程超星學習通互動內(nèi)容，根據(jù)對各部分內(nèi)容的統(tǒng)計和分析，可以清晰地查看學生的學習狀況，各部分章節(jié)的學習進度，各個知識點的掌握情況等，通過對這些內(nèi)容以及數(shù)據(jù)的直觀分析，可以根據(jù)分析結(jié)果，適當?shù)貙虒W內(nèi)容、教學方法以及教學進度等進行更加合理的優(yōu)化和調(diào)整。

結(jié)語

隨著科學技術的發(fā)展，各個學科課程都涌現(xiàn)出各種各樣的相關教學輔助軟件，線上線下相結(jié)合的教學方式也已經(jīng)成為常見的一種教學手段。實踐證明，對于單片機課程而言，使用多種軟件輔助的教學方式，可以取得更加理想的教學效果。不僅能夠提高教學效率優(yōu)化教學效果，多元化的教學方式還能夠提高學生學習的興趣，使更多的學生能夠積極主動地進行學習，使課程能夠在有限的時間內(nèi)發(fā)揮最大的作用。

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［6］Zhu?Tiexin，Yan?Bingxue.Analysis?on?Online?Teaching?of?Microcontroller?Experiment?Course［J］.Adult?and?Higher?Education，Volume?5，Issue?13.2023.

作者簡介：朱鐵欣（1990—?），女，漢族，黑龍江人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：電氣；顏丙學（1989—?），男，漢族，黑龍江人，本科，中級工程師。