張小鳴 萬(wàn)軍 何可人

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

基于帕累托法則的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)優(yōu)化

張小鳴 萬(wàn)軍 何可人

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

為了改變單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中普遍存在的學(xué)生動(dòng)手能力差、教學(xué)效果欠佳的局面，應(yīng)用帕累托法則，對(duì)課程設(shè)計(jì)課題的選題和實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行優(yōu)化配置，教師的指導(dǎo)精力集中關(guān)注少數(shù)骨干學(xué)生，通過(guò)課題小組的分工合作，把創(chuàng)新知識(shí)傳遞放大，使學(xué)生在有限的時(shí)空中，利用有限的教學(xué)資源，學(xué)到更多的知識(shí)。教學(xué)實(shí)踐表明，考慮單片機(jī)課程設(shè)計(jì)選題與工程應(yīng)用相結(jié)合、課題硬件設(shè)備成本與覆蓋課程知識(shí)面相結(jié)合、學(xué)生的精力投入與教師的精力投入相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化，可以得到帕累托最優(yōu)解，使學(xué)生單片機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用能力和團(tuán)隊(duì)合作能力都得到普遍的提高，并產(chǎn)生良好的教學(xué)效果，為培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才奠定了基礎(chǔ)。

單片機(jī);課程設(shè)計(jì);帕累托最優(yōu)解;優(yōu)化

0 前言

普通高校電子信息類本科專業(yè)一般都在大三開設(shè)“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程，并在該課程結(jié)束后的1～3周內(nèi)，繼續(xù)開設(shè)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，以加強(qiáng)學(xué)生的單片機(jī)綜合開發(fā)應(yīng)用能力。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的選題內(nèi)容一般都是由代課指導(dǎo)教師自行擬定，教學(xué)方法也因人因?qū)W校存在差異，但總的來(lái)說(shuō)，選題歸結(jié)為三類:第一類題源是從《無(wú)線電》、《電子報(bào)》和《電子制作》等專業(yè)期刊中提取，或從適于單片機(jī)初學(xué)者學(xué)習(xí)單片機(jī)制作等知識(shí)的單片機(jī)網(wǎng)站提取。[1]第二類題源來(lái)自單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)配套的綜合性實(shí)驗(yàn)程序，學(xué)生主要是在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)上編寫軟件，把實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)出即可，基本上不接觸硬件設(shè)計(jì)。這類題型缺乏軟硬件相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練，課程設(shè)計(jì)效果達(dá)不到使學(xué)生深入了解單片機(jī)作為微控制器在電子產(chǎn)品中發(fā)揮的檢測(cè)、控制、通信等核心作用。[2]第三類題源來(lái)自指導(dǎo)教師所完成科研項(xiàng)目的提煉，一般包括軟硬件相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)，這對(duì)提高課程設(shè)計(jì)效果大有益處，但指導(dǎo)教師的科研項(xiàng)目對(duì)題源的質(zhì)量影響很大。[3]無(wú)論題源如何，目前單片機(jī)課程設(shè)計(jì)存在的兩大突出問(wèn)題是:

1)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程涉及的理論內(nèi)容涵蓋模擬電路、數(shù)字電路、微機(jī)接口技術(shù)、匯編語(yǔ)言程序及C語(yǔ)言設(shè)計(jì)等，知識(shí)面廣、概念多，大部分學(xué)生學(xué)完該課程理論教學(xué)后感覺很茫然，難以在短時(shí)間內(nèi)形成完整的概念，獨(dú)立進(jìn)行單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，編寫代碼和硬件設(shè)計(jì)都非常困難，幾乎無(wú)從下手。[4]

2)學(xué)生抄襲現(xiàn)象較普遍，敷衍過(guò)關(guān)。[5]

為了改變這種狀況，國(guó)內(nèi)許多高校開展了單片機(jī)課程設(shè)計(jì)改革實(shí)踐，主要從以下三方面入手:

1)改革單片機(jī)課程設(shè)計(jì)選題與設(shè)計(jì)內(nèi)容，選題均為軟硬件綜合設(shè)計(jì)題型，設(shè)計(jì)中既包含硬件設(shè)計(jì)也有軟件設(shè)計(jì)，這樣讓學(xué)生參與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的整體開發(fā)過(guò)程，通過(guò)設(shè)計(jì)原理解讀、硬軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試等環(huán)節(jié)，提高學(xué)生主動(dòng)查閱資料、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的綜合能力。[6]

2)針對(duì)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)選題偏少、單一，不考慮學(xué)生的個(gè)體差異的問(wèn)題，增大選題數(shù)量，分成幾級(jí)典型題目，由易到難，滿足不同學(xué)生的認(rèn)知要求。[7]

3)采用先進(jìn)的單片機(jī)仿真軟件proteus，利用其設(shè)計(jì)周期短、仿真快捷逼真、不用擔(dān)心誤操作損壞硬件、電路原理設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)一氣呵成等特點(diǎn)，提供基于proteus的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)題目，激發(fā)學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的興趣和熱情，有利于提高單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果。[8-10]經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中，應(yīng)用帕累托法則，能夠很好地解決單片機(jī)課程設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問(wèn)題。

19世紀(jì)意大利著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家和社會(huì)學(xué)家弗雷多·帕累托(Vilfredo Pareto)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)擁有一種微妙的不平衡關(guān)系，即20%的人口擁有80%的財(cái)富，帕累托的這一研究成果被后人稱為帕累托法則(Pareto Principle)，或稱為80/20法則。帕累托法則認(rèn)為:以小的誘因、投入或努力，可以產(chǎn)生大的結(jié)果、產(chǎn)出或酬勞。[11]在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中存在的帕累托法則現(xiàn)象是:課程設(shè)計(jì)的成果主要來(lái)自全班20%左右的學(xué)生努力，而80%的學(xué)生是在20%左右的學(xué)生帶動(dòng)下完成課程設(shè)計(jì)，通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，分享課程設(shè)計(jì)的成果，并從20%左右的學(xué)生身上學(xué)到課堂無(wú)法學(xué)到的軟硬件設(shè)計(jì)知識(shí)，體驗(yàn)課程設(shè)計(jì)帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)美、創(chuàng)造美。[12]用帕累托改進(jìn)原理提升教學(xué)效果的研究成果并不多，主要集中在以下方面:

1)優(yōu)化教學(xué)資源，用較少的教學(xué)資源，獲得較大的教學(xué)效率，包括課堂學(xué)時(shí)精簡(jiǎn)，課外學(xué)時(shí)增加。[13]課程內(nèi)容的民主決策等。[14]

2)優(yōu)化教學(xué)投入，包括把20%左右的精力花在精心備課環(huán)節(jié)上，能獲得80%左右的教學(xué)效果。[15]學(xué)生花20%的時(shí)間，學(xué)習(xí)20%的重點(diǎn)知識(shí)，就可以掌握80%甚至更多的知識(shí)，等等。[16]

為此，在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中教學(xué)中應(yīng)用了帕累托法則，其具體做法如下:主要采用科研項(xiàng)目提煉題源來(lái)強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)能力，指導(dǎo)教師集中精力輔導(dǎo)20%左右的學(xué)生骨干，使他們脫穎而出，這些學(xué)生表現(xiàn)出的非凡創(chuàng)新能力不僅使指導(dǎo)教師贊嘆不已，而且受到指導(dǎo)教師的不斷鼓勵(lì)和贊許后，再帶動(dòng)設(shè)計(jì)小組的其他學(xué)生順利完成單片機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，取得很好的教學(xué)效果。

1 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)

由于單片機(jī)課程設(shè)計(jì)涉及的因素較多，包括題源、組織形式、設(shè)計(jì)流程、指導(dǎo)方式、學(xué)生興趣、生源素質(zhì)等諸多方面，采用單一目標(biāo)優(yōu)化已不能真實(shí)反映優(yōu)化目標(biāo)的可信度和有效性。隨著單片機(jī)課程設(shè)計(jì)改革的不斷深入，對(duì)優(yōu)化目標(biāo)要求也越來(lái)越高，追求多個(gè)目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化已經(jīng)成為單片機(jī)課程設(shè)計(jì)改革突破的關(guān)鍵問(wèn)題。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)是以學(xué)生獲得最大知識(shí)與能力鍛煉為目標(biāo)，同時(shí)兼顧投入成本最少，包括設(shè)備成本、教師與學(xué)生所花時(shí)間與精力成本等。多目標(biāo)優(yōu)化始終存在著目標(biāo)之間的相互沖突和不可公度性，也存在決策者給予的各種主觀判斷和偏好信息，從眾多的帕累托最優(yōu)解中找到最終解，是解決單片機(jī)課程設(shè)計(jì)優(yōu)化的核心問(wèn)題。

眾多的帕累托最優(yōu)解(Pareto optimal)在工程技術(shù)中有許多求解方法，如，層次分析法(AHP)、模糊多準(zhǔn)則決策算法、啟發(fā)式算法等。[17-21]帕累托最優(yōu)解的概念常用于電力系統(tǒng)分布式配電線路的重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡優(yōu)化。[22]但在教學(xué)改革中應(yīng)用帕累托最優(yōu)解原理來(lái)提高教學(xué)效率，是教育界迄今尚未涉及的研究課題，有必要開展單片機(jī)課程設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)決策研究。

2 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

2.1 選題優(yōu)化方法

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的選題要從利用單片機(jī)的典型硬件資源(如，內(nèi)存、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、串口等)、外圍電路的使用成本、軟硬件知識(shí)覆蓋面廣等方面進(jìn)行優(yōu)化。

單片機(jī)的串口通信涉及到兩套單片機(jī)系統(tǒng)的串口導(dǎo)線連接和通信協(xié)議的制訂等復(fù)雜因素，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)小組每組只有一套單片機(jī)系統(tǒng)，要想通信就要兩組互連，連線空間受實(shí)驗(yàn)室空間的限制，不易實(shí)現(xiàn)。如果采用自發(fā)自收又體現(xiàn)不出串口通信的真實(shí)含義，因此，優(yōu)化51單片機(jī)的典型硬件資源應(yīng)為內(nèi)存、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)。

外圍電路的使用成本應(yīng)適中，調(diào)試方便。這就要求擴(kuò)展電路不能太復(fù)雜，調(diào)試設(shè)備可用性高。對(duì)于模擬信號(hào)的檢測(cè)有A/D轉(zhuǎn)換器連續(xù)檢測(cè)和模擬信號(hào)閾值的檢測(cè)，對(duì)于后者可以省去A/D轉(zhuǎn)換器，用比較電壓器替代。比較電壓器比A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格更低，而且比較電壓器是接口電路中應(yīng)用較為廣泛的一種模擬電路，學(xué)生可結(jié)合單片機(jī)接口電路來(lái)學(xué)習(xí)比較電壓器的應(yīng)用。因此，對(duì)于模擬信號(hào)閾值信號(hào)的檢測(cè)優(yōu)化為基于比較電壓器的檢測(cè)電路。外圍電路的調(diào)試手段一般分為顯示器顯示調(diào)試、示波器顯示調(diào)試和仿真器調(diào)試。擴(kuò)展顯示器接口，尤其是LCD接口，不僅成本高，而且調(diào)試周期長(zhǎng)，難度大，不適合短周期的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)使用。示波器顯示是可用性高的設(shè)備，通常單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室均配備通用示波器和數(shù)字示波器，只要單片機(jī)系統(tǒng)能輸出脈沖信號(hào)，示波器就能連續(xù)直觀地顯示。仿真器調(diào)試手段是學(xué)生使用仿真器調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用程序的主要工具，只要設(shè)置斷點(diǎn)和觀察窗口，就能觀察中斷是否發(fā)生，程序運(yùn)行結(jié)果是否正確等?？梢姡鈬娐返恼{(diào)試手段的優(yōu)化應(yīng)充分利用現(xiàn)有示波器和仿真器設(shè)備。

軟硬件知識(shí)覆蓋面應(yīng)充分考慮單片機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)是控制與檢測(cè)，選題應(yīng)盡量覆蓋控制與檢測(cè)電路的應(yīng)用范圍，而單片機(jī)的控制離不開中斷，因此，軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)化應(yīng)至少包含一個(gè)外設(shè)中斷請(qǐng)求的中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)，與主程序設(shè)計(jì)構(gòu)成完整的單片機(jī)前后臺(tái)應(yīng)用程序架構(gòu)。

2.2 課程設(shè)計(jì)過(guò)程優(yōu)化

由于單片機(jī)課程設(shè)計(jì)學(xué)時(shí)短，一般為1～3周，指導(dǎo)教師一般只有1人，如果把每位學(xué)生都指導(dǎo)1遍，不僅時(shí)間不允許，即便時(shí)間允許，指導(dǎo)教師的體力支出也很大，效果并不好，因?yàn)?0%的學(xué)生對(duì)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的軟硬件設(shè)計(jì)很茫然，指導(dǎo)教師的三言兩語(yǔ)的個(gè)別指導(dǎo)很難使學(xué)生理解、接受并行動(dòng)。根據(jù)帕累托法則的思想，指導(dǎo)老師在指導(dǎo)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，只要集中精力輔導(dǎo)勤學(xué)好問(wèn)、主動(dòng)肯干的20%左右的學(xué)生，并使其帶動(dòng)其余80%的學(xué)生共同完成課程設(shè)計(jì)。

教師不需要親自指導(dǎo)每位學(xué)生，并不意味著每位學(xué)生都能自動(dòng)掌握單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。還必須對(duì)課程設(shè)計(jì)組織形式進(jìn)行優(yōu)化，讓20%左右的學(xué)生骨干去帶動(dòng)其余80%的學(xué)生。全班分成多組，3人1組，把每位學(xué)生都組織起來(lái)，明確組員分工，發(fā)揮學(xué)生骨干的帶頭作用，既能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，又能使80%的學(xué)生消除茫然感，學(xué)有所依，學(xué)有所榜。

為了避免抄襲成風(fēng)，蒙混過(guò)關(guān)的現(xiàn)象發(fā)生，在課程設(shè)計(jì)接近尾聲時(shí)，指導(dǎo)教師應(yīng)組織全班學(xué)生分組答辯，規(guī)定每組每位學(xué)生必須回答1～2個(gè)答辯問(wèn)題，答辯成績(jī)占課程設(shè)計(jì)總成績(jī)的30% ～40%，從而促使學(xué)生重視課程設(shè)計(jì)過(guò)程，防止在答辯中所答非問(wèn)，保證課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)學(xué)生獲取最大知識(shí)點(diǎn)的目標(biāo)。

3 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)例

3.1 選題方案

鑒于單片機(jī)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表、機(jī)電一體化、家用電器、實(shí)時(shí)過(guò)程控制、辦公自動(dòng)化設(shè)備、商業(yè)營(yíng)銷設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備、汽車電子、軍事航空等諸多領(lǐng)域，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)課題與工程應(yīng)用項(xiàng)目結(jié)合勢(shì)在必行，只有這樣，才能促使學(xué)生盡快了解單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)激發(fā)學(xué)生探索單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)方法的主觀能動(dòng)性?？紤]到課程設(shè)計(jì)時(shí)間較短，學(xué)生單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)能力有限，應(yīng)采用選題優(yōu)化方法與科研項(xiàng)目提煉相結(jié)合來(lái)確定選題方案，最終選擇一硬件投資較少、知識(shí)面覆蓋較廣、20%學(xué)生的知識(shí)夠用、教師不增加超額資源投入的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)優(yōu)化課題——“基于單片機(jī)89C2051的絕緣監(jiān)視器的設(shè)計(jì)”。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的一種高壓動(dòng)力鎧裝電纜，最外層是金屬網(wǎng)，中間是三相交流電絕緣導(dǎo)線，周圍是橡膠絕緣層，為了監(jiān)測(cè)橡膠絕緣的絕緣程度，在橡膠絕緣層中間加1根監(jiān)視線，如圖1所示。所謂絕緣電阻是指最外層金屬網(wǎng)和監(jiān)視線之間的等效電阻，正常應(yīng)在3～5 kΩ之間，當(dāng)其小于3 kΩ或大于5 kΩ時(shí)，都應(yīng)報(bào)警。當(dāng)絕緣電阻小于3 kΩ，表示監(jiān)視線與鎧裝層之間的絕緣橡膠老化，絕緣電阻下降;當(dāng)絕緣大于5 kΩ，表示監(jiān)視線斷線。

圖1 橡膠絕緣鎧裝與監(jiān)視線示意圖

圖2 絕緣監(jiān)視器工作原理框圖

轉(zhuǎn)換器來(lái)測(cè)量電阻值方案更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，其測(cè)量方案的比較如表1所示。

表1 采用不同測(cè)試方案測(cè)量電阻閥值的比較

絕緣監(jiān)視器的輸入為絕緣電阻Rx，輸出為頻率。當(dāng)絕緣電阻Rx在[3～5 kΩ]之間時(shí)，89C2051利用P1.3引腳經(jīng)過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)輸出200 Hz方波，表示絕緣電阻正常。當(dāng)絕緣電阻Rx＜3 kΩ或Rx＞5 kΩ時(shí)，輸出1 000 Hz方波，表示絕緣電阻異常。該絕緣監(jiān)視器作為一種傳感器將絕緣電阻轉(zhuǎn)換為頻率供給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集處理，對(duì)橡膠電纜的絕緣電阻狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)動(dòng)力鎧裝電纜絕緣性能下降，就發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)更換電纜，防止因動(dòng)力鎧裝絕緣性能問(wèn)題造成電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障。

基于單片機(jī)89C2051的絕緣監(jiān)視器電路成本，按目前市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算約30元，但覆蓋的知識(shí)面較廣，包括模電、數(shù)電、光電耦合器、看門狗電路、單片機(jī)等，需要了解的主要知識(shí)點(diǎn)如下:

1)LM358運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器的工作特性，畫出輸入輸出特性曲線。

2)6N139光電耦合器在絕緣監(jiān)視器的作用。

3)看門狗電路MAX813在絕緣監(jiān)視器中的作用。

4)單片機(jī)89C2051產(chǎn)生方波頻率輸出的工作原理。

5)PNP型硅三極管9012構(gòu)成達(dá)林頓三極管驅(qū)動(dòng)器，對(duì)89C2051的P 1.3引腳輸出方波頻率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大的作用。

6)穩(wěn)壓二極管在絕緣監(jiān)視器中的作用。

3.2 設(shè)計(jì)與仿真

3.2.1 課程設(shè)計(jì)總體要求

根據(jù)任務(wù)書圖給出的絕緣監(jiān)視器原理圖紙，用Protel 99SE繪制PCB圖。在了解絕緣監(jiān)視器工作原理的基礎(chǔ)上，畫出單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖，包括初始化程序，主程序，INT0/與INT1/中斷服務(wù)程序。然后在Proteus仿真平臺(tái)上對(duì)絕緣監(jiān)視器原理圖增加虛擬示波器，建立與Keil C51的仿真連接，分別采用單片機(jī)匯編、C5l語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與仿真。最后在51硬仿真器上，對(duì)絕緣監(jiān)視器硬件樣機(jī)進(jìn)行硬仿真，改變電位器，模擬可變絕緣電阻，用數(shù)字示波器觀察絕緣監(jiān)視器輸出的頻率值。

3.2.2 課程設(shè)計(jì)過(guò)程

在指導(dǎo)學(xué)生繪制PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生繪制PCB圖時(shí)普遍存在與工程設(shè)計(jì)嚴(yán)重脫節(jié)問(wèn)題，具體如下:

第一，元器件的布局不是按照元器件互相之間的連接關(guān)系，利用“航空飛線”將互連關(guān)系密切的元器件互相就近布局，而是本能地把所有的電阻、電容、IC芯片分別排成隊(duì)列，更談不上51單片機(jī)的外接晶振和振蕩電容應(yīng)在51單片機(jī)晶振引腳附近就近布局的基本原則。

第二，絕緣監(jiān)視器的輸入/輸出插座不是放在PCB板的邊沿上，而是隨意放在PCB板中間，有些學(xué)生是按老師的要求把輸入/輸出插座放在PCB板的邊沿上，但接線口沒有朝外，導(dǎo)致PCB板一旦做出來(lái)，無(wú)法對(duì)外接線。

第三，輸入/輸出插座PCB封裝的焊盤尺寸若按Protel 99SE庫(kù)中缺省的封裝，焊盤內(nèi)外徑就太小，實(shí)際插座的引腳根本無(wú)法插入。通過(guò)精心指導(dǎo)，骨干學(xué)生很快掌握了PCB布局的基本原則，畫出的PCB圖不僅布局合理，而且PCB圖的布線實(shí)現(xiàn)了走線較短的優(yōu)化。

PCB設(shè)計(jì)完成之后，指導(dǎo)學(xué)生繪制單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖。絕緣監(jiān)視器的51單片機(jī)初始化程序和主程序流程圖如圖3所示。圖4為絕緣監(jiān)視器的51單片機(jī)T0溢出中斷服務(wù)程序和INT0/INT1中斷服務(wù)程序流程圖。

圖3 絕緣監(jiān)視器51單片機(jī)初始化程序和主程序流程圖

圖4 絕緣監(jiān)視器51單片機(jī)T0和INT0/INT1中斷服務(wù)程序流程圖

圖3、圖4中的R0、R1是51單片機(jī)的片內(nèi)工作寄存器，用于暫存絕緣監(jiān)視器方波頻率對(duì)應(yīng)半個(gè)周期的16位計(jì)數(shù)值。每當(dāng)單片機(jī)在主程序或INT0/INT1中斷服務(wù)程序中檢測(cè)到絕緣電阻發(fā)生閾值變化(3 kΩ，5 kΩ)時(shí)，就將絕緣監(jiān)視器方波頻率對(duì)應(yīng)半個(gè)周期的計(jì)數(shù)更新值存入R0、R1。一旦T0溢出中斷發(fā)生時(shí)，在T0中斷服務(wù)程序中，用R0值裝載T0的低8位計(jì)數(shù)寄存器TL0T0，用R10值裝載T0的高8位的計(jì)數(shù)寄存器TH0。

3.2.3 仿真分析

用Proteus仿真實(shí)現(xiàn)絕緣監(jiān)視器輸出頻率就更加簡(jiǎn)便，調(diào)試更加直觀。調(diào)用一個(gè)虛擬示波器接在達(dá)林頓三極管輸出端，Proteus運(yùn)行按照流程圖圖3、圖4編寫的絕緣監(jiān)視器51應(yīng)用程序，虛擬示波器就可以直觀顯示絕緣監(jiān)視器輸出頻率。圖5、圖6分別為絕緣監(jiān)視器監(jiān)視絕緣電阻為5 kΩ(10 kΩ電位器調(diào)在短路50%的電阻位置，絕緣電阻正常)輸出200 Hz方波的仿真界面和絕緣電阻為5.1 kΩ(10 kΩ電位器調(diào)在短路50%的電阻位置，絕緣電阻異常)輸出1 000 Hz方波的仿真界面。

圖5 絕緣電阻為5 kΩ時(shí)輸出200 Hz方波仿真界面

圖6 絕緣電阻為5.1 kΩ時(shí)輸出1 000 Hz方波仿真界面

最后在Medwin V3單片機(jī)開發(fā)環(huán)境下，用Insight硬仿真器真實(shí)仿真絕緣監(jiān)視器樣機(jī)電路板，仿真運(yùn)行基于89C2051的絕緣監(jiān)視器應(yīng)用源程序，絕緣監(jiān)視器樣機(jī)電路板的頻率輸出接真實(shí)示波器。旋轉(zhuǎn)模擬絕緣電阻的電位器，使絕緣電阻在[3 kΩ，5 kΩ]之間變化，觀察示波器屏幕頻率波形的變化，當(dāng)絕緣電阻為5 kΩ時(shí)，輸出波形為200 Hz方波;絕緣電阻值小于3 kΩ或大于5 kΩ時(shí)，輸出方波為1 000 Hz方波。

4 結(jié)語(yǔ)

利用帕累托法則對(duì)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的選題、硬件資源配置、重點(diǎn)指導(dǎo)對(duì)象，調(diào)試手段等進(jìn)行優(yōu)化教學(xué)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)用較少的教學(xué)資源，獲得較大的教學(xué)效果。教學(xué)實(shí)踐證明，只要調(diào)動(dòng)全班20%骨干學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，把他們指導(dǎo)到位，就能帶動(dòng)其他80%的學(xué)生一起進(jìn)步，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，順利完成單片機(jī)課程設(shè)計(jì)的既定目標(biāo)。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)選題與工程應(yīng)用相結(jié)合，使學(xué)生深入了解了單片機(jī)系統(tǒng)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值，外圍設(shè)備選型應(yīng)考慮性價(jià)比因素，解決什么問(wèn)題需要采取什么最佳應(yīng)對(duì)策略等等。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)采用Proteus設(shè)計(jì)與仿真，有助于優(yōu)化資源，合理應(yīng)用，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，節(jié)約硬件開發(fā)成本。單片機(jī)課程設(shè)計(jì)采用硬仿真器對(duì)單片機(jī)樣機(jī)板仿真，設(shè)置斷點(diǎn)觀察中斷請(qǐng)求發(fā)生，有助于提高學(xué)生對(duì)單片機(jī)程序運(yùn)行方式的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

[1]馬金祥，陳倫瓊.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革探討[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，24(1):77 -79.

[2]曹暉，徐春輝，易結(jié)，等.采用Proteus提高單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)效果[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，(23):83 -85.

[3]陳倫瓊，范立旻.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革的探討[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，21(1):94 -96.

[4]胡瑞強(qiáng)，張毅剛，李成偉.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8(3):46 -48，78.

[5]葛浩.Proteus在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].科技信息導(dǎo)報(bào)，2009(13):135.

[6]葛浩，林其斌.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28(10):138 -140，143.

[7]王妍瑋，張艷麗，蘇曉宇.等.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)[J].科技資訊，2010(1):178-179.

[8]羅志會(huì)，劉一農(nóng).Proteus在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2009(6):76 -78，88.

[9]李雪蓮，時(shí)謙.基于軟件仿真和硬件電路聯(lián)調(diào)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電力教育，2011(26):83-84.

[10]曾燕，賈振國(guó).Proteus仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(1):132-133.

[11]莊云強(qiáng)，曾慶霞，鮑健梅.帕累托法則與圖書館管理[J].情報(bào)探索，2011(6):126 -127.

[12]李紅梅，許鳳，王海君.在醫(yī)學(xué)化學(xué)教學(xué)中貫穿美學(xué)教育理念培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才[J].西北醫(yī)學(xué)教育，2008，16(2):271-273.

[13]李吉續(xù).帕累托改進(jìn)原理在高校教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].運(yùn)城學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，28(4):67 -68.

[14]王英杰.用“帕累托最優(yōu)”看課程資源開發(fā)中的教學(xué)民主[J].群文天地，2011(10):245.

[15]高玉潔.教學(xué)中的二八定律[J].江蘇教育，2010(10):59.

[16]于愛紅.80/20法則在高職學(xué)生培養(yǎng)中的應(yīng)用[J].商業(yè)經(jīng)濟(jì)，2010(8):120-121.

[17]黃茂生，楊春暉.基于帕累托法則的軟件測(cè)試策略優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(24):89-92.

[18]林俊，王釔，蘇迪.改進(jìn)的模糊層次分析法在配電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2008，34(6):1161 -1167.

[19]許昌林，魏立力.多準(zhǔn)則模糊決策的Vague集方法[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2010，30(11):2019 -2025.

[20]許永平，朱延廣，楊峰，等.基于ANP和模糊積分的多準(zhǔn)則決策方法及其應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2010，30(6):1099-1105.

[21]徐小來(lái)，雷英杰，戴文義.基于改進(jìn)PSO的加權(quán)直覺模糊多目標(biāo)規(guī)劃[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(11):3280 -3282.

[22]Taher Niknam.An Efficient Multi-objective HBMO Algorithm for Distribution Feeder Reconfiguration[J]，Expert Systems with Applications，2011，38:2878 -2887.

Teaching Optimization of Single Chip Microcontroller Curriculum Design Based on Pareto Principle

ZHANG Xiao-ming WAN Jun HE Ke-ren

(Information Science and Engineering College of Changzhou University，Changzhou 213164)

In order to improve the student's operating capability and the teaching effect in single chip microcontroller(SCM)curriculum design，the selection of curricular topics and laboratory facilities is optimized to enable the teacher to concentrate their attention on some key students and the limited teaching resources and teaching effect to be optimized in the given period.It is shown in the teaching practice that the pareto optimal solution can be obtained by optimizing the combination of SCM curricular topics and engineering application，the balance of hardware equipment costs and curricular knowledge so covered，and the efforts made by students and the teacher，thereby improving the student's capability of utilizing SCM technology and the teaching effect.

single chip microcontroller;curriculum design;Pareto optimal solution;optimization

G642

B

1671-0436(2012)06-0080-07

2012-10-22

張小鳴(1958— )，男，博士，教授。

責(zé)任編輯:張秀蘭