【摘要】本文闡述了單片機應(yīng)用課程平臺的硬件設(shè)計與軟件要求，分析了課程實踐中遇到的問題和解決方案。合理地設(shè)計單片機應(yīng)用課程平臺，嚴(yán)格要求學(xué)生完成硬件分析和軟件編程的任務(wù)，不僅可以提高學(xué)生單片機應(yīng)用能力，還可以激發(fā)學(xué)生對專業(yè)方向的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

【關(guān)鍵詞】單片機應(yīng)用 課程平臺 硬件分析 軟件編程

【中圖分類號】G712 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0239-02

1.引言

單片機具有體積小、集成度高、可靠性高、控制功能強、低功耗、易擴展等特點，在工業(yè)控制、儀器儀表、日常家電、電子通信、辦公自動化設(shè)備等方面都有廣泛應(yīng)用，單片機技術(shù)已成為控制系統(tǒng)中最普遍的應(yīng)用技術(shù)[1～6]。單片機是一門應(yīng)用設(shè)計類課，也是一門工程實踐性很強的課，所以如何做到理論與實踐相結(jié)合，讓學(xué)生能夠把抽象難懂的理論知識做到靈活運用、融會貫通是單片機實踐教學(xué)過程中要抓住的重點[7]。單片機實踐課程在目前教學(xué)過程中仍存在以下問題：（1）理論教學(xué)以單片機原理知識為核心，應(yīng)用技術(shù)講授較少，使學(xué)生感覺枯燥；（2）單片機硬件結(jié)構(gòu)和硬件資源與編程軟件講授分離，不宜形成系統(tǒng)概念；（3）實踐環(huán)節(jié)教學(xué)模式單一，不利于培養(yǎng)學(xué)生的的主動性和創(chuàng)造性[8]。

針對目前單片機實踐課程的教學(xué)現(xiàn)狀，開發(fā)了一套適用于學(xué)生設(shè)計和實踐的單片機應(yīng)用課程平臺，要求學(xué)生獨立完成平臺的硬件原理分析、硬件焊接與調(diào)試以及軟件編程的工作。通過此環(huán)節(jié)的訓(xùn)練既能鍛煉學(xué)生硬件分析能力和微處理器平臺上的軟件編程能力，又有助于培養(yǎng)學(xué)生對系統(tǒng)整體概念的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生對電子信息專業(yè)方向的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

2.課程平臺的硬件設(shè)計

課程平臺硬件以STC89C52作為核心處理芯片，外擴5個功能模塊：鍵盤和顯示模塊、溫度采集模塊、電機控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和串行通信模塊，實現(xiàn)溫度實時采集、工藝參數(shù)的設(shè)定與存儲、電機運行與調(diào)速、以及良好的人機交互等功能。硬件總體框圖如圖1所示。

硬件平臺中鍵盤顯示部分選擇工業(yè)上使用廣泛的串行HD7279A芯片。溫度采集部分選擇硬件電路簡易的“一線總線”接口溫度傳感器——DS18B20溫度采集模塊。系統(tǒng)可以控制一個直流風(fēng)機的運行及調(diào)速，并與溫度采集部分構(gòu)成一個簡易的閉環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊采用24C16 E2PROM芯片。此外，硬件部分還提供RS232串行數(shù)據(jù)通信接口，實現(xiàn)與上位PC機的數(shù)據(jù)通信。

3.課程平臺的軟件要求

課程設(shè)計要求在實踐平臺上完成溫度測量及電機調(diào)速軟件一套。系統(tǒng)上電后，軟件應(yīng)提供良好的人機交互功能，提示用戶選擇各級菜單。軟件能完成以下菜單功能：溫度檢測、直流風(fēng)機調(diào)速、恒溫控制、工藝參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)通信功能。

溫度檢測功能要求能實時采樣環(huán)境溫度，并顯示在LED數(shù)碼管上，顯示的溫度值需精確到小數(shù)點后2位。直流風(fēng)機調(diào)速功能使風(fēng)機按照用戶輸入的設(shè)定參數(shù)運轉(zhuǎn)，LED顯示器上顯示輸出給風(fēng)機的實際PWM波占空比。恒溫控制功能根據(jù)溫度傳感器實際采樣值和設(shè)定溫度值，調(diào)整風(fēng)機的轉(zhuǎn)動速度，達(dá)到溫度控制的目的?？刂品椒ú捎脭?shù)字PID算法。工藝參數(shù)設(shè)置功能設(shè)置風(fēng)機轉(zhuǎn)速和恒溫控制的設(shè)定溫度值，工藝參數(shù)設(shè)置功能支持設(shè)置多組工藝參數(shù)。數(shù)據(jù)通信功能通過RS232串行接口與上位PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實時接收上位機的各種命令，并將風(fēng)機運行參數(shù)值和實際采樣的溫度值發(fā)送至上位機進(jìn)行保存。

4.課程實踐過程中遇到的問題及解決方案

課程實踐過程中會遇到各種問題，如果置之不理將直接影響教學(xué)質(zhì)量，無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。因此，準(zhǔn)備好課程實施的預(yù)定方案并及時梳理和解決課程實際問題十分重要。

課程首當(dāng)其沖的問題是必須端正學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度，要求學(xué)生必須親歷親為完成整個實踐。以往的實踐課程通常是兩人一組完成一個項目的制作，而且一般以交書面報告或作品的形式來評分，實踐過程中時常會有一些學(xué)生濫竽充數(shù)，抄襲他人作品程序和報告的現(xiàn)象屢有發(fā)生。為了端正學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度，杜絕上述現(xiàn)象發(fā)生，必須從規(guī)范實踐課程的考核要求入手。首先，實踐過程是一人一組，讓每個學(xué)生都親自動手完成硬件焊接和軟件編程；其次，實驗報告改為開卷考試的形式，任課教師根據(jù)實踐內(nèi)容出題，全面考察學(xué)生知識的掌握情況；最后，在作品檢查時必須增設(shè)答辯環(huán)節(jié)，教師可根據(jù)作品完成情況提出一些硬件設(shè)計和軟件編程的相關(guān)問題。

在實踐過程中，不少學(xué)生暴露出硬件焊接水平較弱的問題。所以在實踐開始時，教師應(yīng)該重新講述焊接要領(lǐng)，并給予示范，對焊接有問題的學(xué)生應(yīng)逐一輔導(dǎo)。此外，一些學(xué)生可能會出現(xiàn)焊錯、焊壞的現(xiàn)象，為了方便元器件的拆卸或返工，所設(shè)計的PCB板的焊盤和焊孔的尺寸都應(yīng)該適當(dāng)放寬。

軟件編程是實踐過程的重頭戲。學(xué)生在KeilC51環(huán)境下編程，實現(xiàn)課程要求的各種功能。教師在指導(dǎo)學(xué)生軟件編程時，沒有必要手把手為學(xué)生檢查程序。指導(dǎo)過程應(yīng)以軟件調(diào)試方法為主，告訴同學(xué)在面對程序編譯出錯或程序邏輯出錯時，應(yīng)該用什么方法查找原因、排除軟件錯誤。只有這樣才能讓學(xué)生在這個過程中得到更多的軟件調(diào)試方面的鍛煉。由于學(xué)生的編程能力參差不齊，在布置任務(wù)時可以分層布置，一些程序功能可以作為加分的選做項，學(xué)有余力的同學(xué)可以嘗試完成更多功能，獲得更好的成績。

5.小結(jié)

一個好的實踐課程，首先要有好的構(gòu)思和想法，所以，設(shè)計符合學(xué)生學(xué)習(xí)要求的課程硬件平臺，并布置相應(yīng)的軟件編程任務(wù)是課程順利開展的基石。此外，在課程實踐過程中，必須嚴(yán)格實施預(yù)定的考核方案，有了嚴(yán)格的考核機制作保障，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度會更加端正，從而獲得更好的教學(xué)效果。不少學(xué)生在心得體會中感慨：從來沒有這樣認(rèn)真、投入地去完成一次課程實踐，雖然過程很累，但是收獲卻很多。一些同學(xué)還自發(fā)地組成研究小組，在整個過程中互相討論、互相學(xué)習(xí)、互相幫助，增進(jìn)了團隊合作精神。

筆者在課程實踐過程中，嚴(yán)格按照課程要求和考核方案進(jìn)行教學(xué)，收到了良好的教學(xué)效果。文章闡述的課程教學(xué)內(nèi)容和考核方法值得同類實踐課程借鑒和推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]翟國芳，畢越凱. 用于本科教學(xué)的單片機最小系統(tǒng)實驗平臺的設(shè)計[J].實驗室科學(xué). 2010，13（5）：69-72.

[2]工君，裴喜平. “單片機原理及應(yīng)用”教學(xué)實驗裝置的研發(fā)[J]. 實驗技術(shù)與管理. 2008，25（1）：52-53.

[3]賈玉瑛，陳波. 單片機實驗教學(xué)改革與探索[J]. 實驗室科學(xué). 2008（6）：26-27.

[4]賈萍，別文群. 單片機原理及應(yīng)用[M]. 廣州：廣東高等教育出版社. 2007.

[5]丁向榮. STC系列增強型8051單片機原理與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社. 2009：22-38.

[6]賈萍，丁向榮，胡美蘭. “教、學(xué)、做”一體化單片機教學(xué)實驗平臺的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理. 2012，29（6）：139-142.

[7]胡瑞強，張毅剛，李成偉. 單片機課程設(shè)計教學(xué)改革探討[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù). 2010，8（3）：46-48，78.

[8]趙延明，周少武，謝道文. 面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的《單片機原理及應(yīng)用》的教改研究[J]. 當(dāng)代教育理論與實踐. 2012，4（5）：116-117.

作者簡介：

萬永菁，女，1975年生，江西南昌人，博士，華東理工大學(xué)信息學(xué)院副教授，主要研究方向：信號處理、工業(yè)檢測與自動化。

張淑艷，女，1977年生，黑龍江黑河人，博士，華東理工大學(xué)信息學(xué)院高級實驗師，主要研究方向：微處理器及其應(yīng)用技術(shù)、電機控制。