王紅超

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，福建 廈門361100)

0 引 言

機(jī)器人是1 個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它綜合了機(jī)械設(shè)計(jì)、電工電子、傳感器、計(jì)算機(jī)/微控制器編程、控制系統(tǒng)和人工智能等學(xué)科的內(nèi)容［1］，是進(jìn)行工程訓(xùn)練、教學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究的理想的平臺［2］。教學(xué)中常用的機(jī)器人是輪式機(jī)器人，即智能小車，它的機(jī)構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便［3］、價(jià)格便宜，是初學(xué)者的首選，本文重點(diǎn)介紹這種機(jī)器人在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)是按單片機(jī)所包含的知識結(jié)構(gòu)為主線進(jìn)行設(shè)計(jì)的，一開始就涉及很多抽象的理論知識，如CPU、存儲器、特殊功能寄存器及位地址空間、指令系統(tǒng)、中斷、堆棧等等［4-13］。學(xué)生特別是高職院校的學(xué)生普遍感到難以理解［14］。講了很多理論之后再給學(xué)生一些簡單的程序到實(shí)驗(yàn)箱上去驗(yàn)證，以圖加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，但多數(shù)學(xué)生僅僅滿足于把老師給的程序代碼編譯后下載到單片機(jī)里運(yùn)行一下，根本不認(rèn)真研讀每條代碼的含義，更不用說自己嘗試編寫程序了。

2 機(jī)器人在單片機(jī)課程教學(xué)中的意義

為了激發(fā)學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生分析解決問題的能力，縮短學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)的知識和能力與企業(yè)要求之間的差距。筆者綜合幾個(gè)企業(yè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過3 年單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐，設(shè)計(jì)制作了1 套機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1 所示。學(xué)生可以利用這塊機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置上的電路，編寫小型的程序來控制機(jī)器人做出各種動作和反應(yīng)，如轉(zhuǎn)彎、尋線、夾取物件、顯示狀態(tài)等。通過10 幾個(gè)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)就可以讓大部分學(xué)生掌握單片機(jī)課程中常見的知識點(diǎn)。學(xué)有余力的學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)一些機(jī)構(gòu)并搭建相應(yīng)的電路，做一些創(chuàng)新性的項(xiàng)目，如搬運(yùn)機(jī)器人、迷宮機(jī)器人(見圖2)、尋線競速機(jī)器人等。通過這些項(xiàng)目的實(shí)施，可以提高學(xué)生的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

圖1 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 迷宮機(jī)器人

3 基于機(jī)器人的單片機(jī)教學(xué)方法簡介

在教學(xué)方式上打破傳統(tǒng)的以知識點(diǎn)為體系的課程結(jié)構(gòu)，嘗試用一個(gè)個(gè)具體的項(xiàng)目來導(dǎo)出單片機(jī)的知識點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，再啟發(fā)學(xué)生用所學(xué)的知識和技能來實(shí)施項(xiàng)目。教學(xué)中不強(qiáng)調(diào)單片機(jī)課程知識體系的系統(tǒng)性和完整性，現(xiàn)實(shí)中用得多的就讓學(xué)生多學(xué)多練，用得少的暫時(shí)不學(xué)。學(xué)生在大學(xué)里的時(shí)間畢竟只有3、4年，跟他們以后工作的時(shí)間相比是短暫的。筆者認(rèn)為學(xué)校教育的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生興趣，幫助學(xué)生樹立終身學(xué)習(xí)的觀念，教會學(xué)生一些專業(yè)課的入門知識和學(xué)習(xí)的方法，畢業(yè)后他們就具備進(jìn)一步學(xué)習(xí)的意愿和能力。

在教學(xué)內(nèi)容上從基本輸入輸出接口講起，將單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)(或單片機(jī)C 語言語法)等內(nèi)容分散到一個(gè)個(gè)小的項(xiàng)目中，涉及到哪些知識點(diǎn)再有選擇的講解。讓學(xué)生從一開始就看到自己的學(xué)習(xí)成果，感受到自己的進(jìn)步，這樣他們會更愿意繼續(xù)學(xué)下去?？紤]到學(xué)生的興趣特點(diǎn)和接受能力，按照由易到難的原則，筆者設(shè)計(jì)了20 幾個(gè)項(xiàng)目，如表1 所示。每1 個(gè)項(xiàng)目都有1 個(gè)示例程序，難度稍大的項(xiàng)目還有1 或2個(gè)引入程序。另外，每個(gè)項(xiàng)目都有1 ～3 個(gè)基于示例程序延伸的小課題，由學(xué)生在理解硬件結(jié)構(gòu)和示例程序的基礎(chǔ)上思考、討論、不斷嘗試去解決。在教學(xué)中先讓學(xué)生對每個(gè)項(xiàng)目有個(gè)感性的認(rèn)識，吸引住他們的注意，激發(fā)出他們的興趣，再引導(dǎo)他們學(xué)習(xí)理論知識，學(xué)完理論知識后再要求學(xué)生應(yīng)用它們?nèi)ソ鉀Q項(xiàng)目中的問題。

我們以“因材施教”的思想，根據(jù)不同專業(yè)、不同課時(shí)，有選擇地進(jìn)行基本項(xiàng)目和拓展項(xiàng)目的訓(xùn)練。同一個(gè)班級學(xué)生的興趣和基礎(chǔ)差異也比較大，對他們也提出了不同的要求。普通學(xué)生只要能掌握基本的知識，理解示例程序即可;成績較好的要求他們完成基于示例程序延伸的小課題。在課外我們還成立了機(jī)器人興趣小組，綜合項(xiàng)目由小組成員合作完成。除了利用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行教學(xué)外，我們要求興趣小組的學(xué)生自己焊接單片機(jī)最小系統(tǒng)板(如圖3 所示)、無線收發(fā)模塊、各種機(jī)器人傳感器模塊、74HC595 演示板、LED 點(diǎn)陣屏等多種獨(dú)立的硬件模塊，模塊和模塊之間用杜邦線連接。親手制作模塊的學(xué)生對單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路掌握得更好，也會編寫模塊的控制程序，就業(yè)以后可以開始單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)工作了。

表1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目表

圖3 手工焊接的單片機(jī)最小系統(tǒng)板正反面

4 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案

為了配合教學(xué)，我們建設(shè)了2 個(gè)實(shí)驗(yàn)室:單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室和機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，2 個(gè)實(shí)驗(yàn)室的主要設(shè)備如表2 所示。其中單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室可以與其它實(shí)驗(yàn)室合用(比如CAD 實(shí)驗(yàn)室、EDA 實(shí)驗(yàn)室、軟件實(shí)驗(yàn)室等)，以提高實(shí)驗(yàn)室的使用率。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室所用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置可以上網(wǎng)采購，價(jià)格約500 元左右［15-16］。當(dāng)然最好是自制，多數(shù)學(xué)校的工科專業(yè)在單片機(jī)課程之前會有1 門電子線路板設(shè)計(jì)與制作的課程，老師可以用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置控制電路板的原理圖和PCB 圖繪制來組織這門課的教學(xué)。課程結(jié)束時(shí)實(shí)驗(yàn)板的PCB 圖也畫好了，挑選1 個(gè)繪制比較好的學(xué)生的作品寄給PCB廠家生產(chǎn)。然后在焊接的實(shí)訓(xùn)課上組織學(xué)生把實(shí)驗(yàn)板焊接完成，以便在單片機(jī)課程中使用。學(xué)生對他們自己制作的實(shí)驗(yàn)板比較有成就感，也比較有感情，更樂意使用它繼續(xù)學(xué)習(xí)。而機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室主要是機(jī)器人興趣小組活動的場所，所需的工具、設(shè)備和元器件可以根據(jù)實(shí)際需要逐步添加。

表2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室和機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室主要設(shè)備

5 結(jié) 語

采用機(jī)器人平臺進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。以項(xiàng)目實(shí)踐為主，理論知識講授為輔的教學(xué)方式保證了學(xué)生興趣的持續(xù)性。由淺入深的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，可以使大部分學(xué)生跟得上教學(xué)進(jìn)度。當(dāng)然，我們在教學(xué)中也碰到了一些問題，比如有些項(xiàng)目用到了后面才學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)，我們的處理方法是先讓學(xué)生不要管理論，照做就可以了。希望今后通過不斷的優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)來逐漸解決這個(gè)問題。

［1］ 肖曉萍，廖 青. 基于機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的研制［J］. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，21(4):19-21.

［2］ 王振士，陳富林. 基于AT89S52 單片機(jī)的教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22(6):19-20.

［3］ 朱磊磊，陳 軍. 輪式移動機(jī)器人研究綜述［J］. 機(jī)床與液壓，2009，37(8):242-246.

［4］ 張迎新. 單片機(jī)初級教程［M］. 2 版. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［5］ 胡 輝. 單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］. 北京:中國水利水電出版社，2007.

［6］ 張毅剛. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)(C51 編程)［M］. 北京:人民郵電出版社，2011.

［7］ 張迎新. 單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］. 2 版. 北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［8］ 李廣弟，朱月秀. 單片機(jī)基礎(chǔ)［M］. 3 版. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［9］ 謝維成. 單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51 程序設(shè)計(jì)［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［10］ 楊天怡. 單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2010.

［11］ 束 慧，陳衛(wèi)兵. 單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)［M］. 北京:人民郵電出版社，2010.

［12］ 張大明. 單片微機(jī)控制應(yīng)用技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［13］ 黃 健. 單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［14］ 張素琴. 基于寶貝車機(jī)器人平臺的單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐［J］.黑龍江科技信息，2009(36):84-84.

［15］ 天賜電子. 51 單片機(jī)開發(fā)板C51 單片機(jī)學(xué)習(xí)板C51 智能小車R2 機(jī) 器 人［EB/OL］. http://item. taobao. com/item. htm?id =4322611899. 2011-11-3/2011-11-5.

［16］ 智能小車店. 51 單片機(jī)智能小車51 開發(fā)板51 實(shí)驗(yàn)板 避障小車 尋跡小車［EB/OL］. http://item.taobao.com/item.htm?id =13010507854. 2011-11-3/2011-11-5.