葉優(yōu)良

摘要：?jiǎn)纹瑱C(jī)體積小功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制設(shè)備，已經(jīng)成為自動(dòng)化控制專業(yè)的必修課程。早期教學(xué)，或因?qū)嶒?yàn)條件不足，或因?qū)W習(xí)方法欠佳，導(dǎo)致很多學(xué)生覺得單片機(jī)是高大上，難以懂。作者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出一個(gè)教學(xué)思路：正確認(rèn)識(shí)單片機(jī)，采用C51編程語(yǔ)言，通過(guò)項(xiàng)目教學(xué)法，強(qiáng)調(diào)同步實(shí)驗(yàn)加深對(duì)課程知識(shí)的理解，逐步培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用能力，讓學(xué)生輕松學(xué)懂51單片機(jī)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 硬件電路 C51 程序 項(xiàng)目教學(xué)法

上世紀(jì)80年代誕生的單片機(jī)因其控制功能強(qiáng)大被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，隨即國(guó)內(nèi)外各大高校掀起了學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的熱潮。但早期課本是以芯片生產(chǎn)商提供的技術(shù)資料、微機(jī)接口技術(shù)和匯編語(yǔ)言作為主要內(nèi)容，可謂是深?yuàn)W難懂；加上當(dāng)年實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)不多，以及當(dāng)時(shí)教育模式是理論課程和實(shí)際操作課程分步進(jìn)行，導(dǎo)致大部分人對(duì)這門課程的感覺是霧里看花。今天，單片機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，已成為自動(dòng)控制領(lǐng)域的重要技術(shù)，職業(yè)院校的自動(dòng)控制專業(yè)把單片機(jī)控制技術(shù)作為主干課程，對(duì)單片機(jī)掌握程度直接影響學(xué)生專業(yè)技能水平的高低。因此，怎樣讓學(xué)生輕松學(xué)懂單片機(jī)，已經(jīng)成為授課教師苦思冥想的問(wèn)題，本文將逐步探討讓學(xué)生輕松學(xué)懂單片機(jī)的方法。

首先，正確認(rèn)識(shí)單片機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)的全稱是單片微型計(jì)算機(jī)，它是在一塊集成芯片上制作了計(jì)算機(jī)的主要組成部分，它根據(jù)存儲(chǔ)器中的程序（工作步驟表）的內(nèi)容控制其它電路工作。凡是應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)的電路都可以稱為單片機(jī)系統(tǒng)，控制環(huán)節(jié)的硬件電路包含最小系統(tǒng)和外圍拓展電路兩部分：最小系統(tǒng)為單片機(jī)提供最基本的工作條件（供電、時(shí)鐘和復(fù)位），外圍電路包含檢測(cè)外界狀況的輸入電路和控制電路實(shí)現(xiàn)各種操作的輸出電路。為了便于理解，現(xiàn)在用比喻的方法介紹單片機(jī)系統(tǒng)：沒有燒錄程序的單片機(jī)相當(dāng)空白的大腦（不會(huì)工作的），整個(gè)單片機(jī)硬件電路像是人體，最小系統(tǒng)像是軀干部位給這個(gè)大腦提供基本生存條件，輸入電路像是眼、耳、皮膚等視覺聽覺觸覺器官，輸出電路像是手、腳、嘴巴等運(yùn)動(dòng)器官；單片機(jī)這個(gè)大腦是按內(nèi)部燒錄的工作步驟表工作，所謂工作步驟表就是程序員所編寫的程序；單片機(jī)這個(gè)大腦通過(guò)I/O接口接收感覺器官送來(lái)的信號(hào)，同樣通過(guò)I/O接口發(fā)送信號(hào)控制行動(dòng)器官實(shí)施動(dòng)作。需要注意的是人的器官是健全的，而單片機(jī)系統(tǒng)的外圍電路是設(shè)計(jì)者根據(jù)需要來(lái)設(shè)置的，可多可少，甚至是沒有輸入只有輸出。比如單片機(jī)控制臨時(shí)紅綠燈，它從不看實(shí)際交通狀況，只是按事先設(shè)定的步驟表，交替亮起紅、黃、綠三色燈，也就是說(shuō)這個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)沒有輸入電路只有輸出電路。

然后，明白單片機(jī)系統(tǒng)是怎樣工作的，明白理解硬件電路是編程的前提條件。單片機(jī)是在程序的指導(dǎo)下工作，通過(guò)檢測(cè)I/O引腳電平的變化來(lái)感受外圍電路送來(lái)的信號(hào)，通過(guò)對(duì)I/O引腳的電平置1或置0控制外圍電路完成功能操作。輸入信號(hào)的檢測(cè)和控制信號(hào)的傳輸是單片機(jī)程序完成控制的決定性因素，而信號(hào)的檢測(cè)傳輸?shù)囊?guī)則由單片機(jī)I/O口結(jié)構(gòu)、拓展芯片的結(jié)構(gòu)等硬件決定，因此理解硬件電路是編程的前提條件。很多人學(xué)單片機(jī)，一頭扎在編程研究上，但到了實(shí)際項(xiàng)目編程時(shí)就束手無(wú)策，其原因是忽視了硬件的學(xué)習(xí)。只有看懂了硬件電路、單片機(jī)單元電路結(jié)構(gòu)方框圖、拓展芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖，才能理解各種芯片的功能表、控制引腳電平設(shè)置、工作時(shí)序圖，編程才能胸有成竹。

接著，選擇C51作為單片機(jī)編程語(yǔ)言。單片機(jī)系統(tǒng)的靈魂是存儲(chǔ)器里的工作步驟表，即程序員編寫的程序，編程必須使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。早期單片機(jī)編程主要使用匯編語(yǔ)言，是因?yàn)閰R編語(yǔ)言的指令與硬件緊密關(guān)聯(lián)，每條指令都有固定的機(jī)器周期，在時(shí)間上可以做到精確掌控，生成目標(biāo)代碼精簡(jiǎn)占用的存儲(chǔ)空間小，執(zhí)行時(shí)間短，非常適合當(dāng)時(shí)的單片機(jī)速度慢、存儲(chǔ)空間很小的狀況；加上匯編語(yǔ)言出現(xiàn)得早，當(dāng)時(shí)的程序設(shè)計(jì)人員對(duì)它是耳熟能詳，故廣泛應(yīng)用。但匯編語(yǔ)言指令的數(shù)量多、理解難度大、尋址方式復(fù)雜，編寫源程序的代碼較長(zhǎng)，令無(wú)數(shù)初學(xué)者頭痛。今天，單片機(jī)的存儲(chǔ)空間大、速度快，已經(jīng)不再苛求代碼數(shù)據(jù)量和程序執(zhí)行速度。單片機(jī)編程語(yǔ)言C51，雖然程序運(yùn)行時(shí)間不能精確控制，目標(biāo)代碼較多，但通俗易懂，容易掌握，程序移植性好，使得C51成為目前主流的單片機(jī)編程語(yǔ)言。也就是說(shuō)：C51編程語(yǔ)言最適合初學(xué)者，有利于提高學(xué)習(xí)效率，讓學(xué)習(xí)事半功倍。

重點(diǎn)：項(xiàng)目教學(xué)法是讓學(xué)生輕松學(xué)懂單片機(jī)的關(guān)鍵所在。掌握單片機(jī)開發(fā)技術(shù)，所需要的硬件和軟件方面的知識(shí)非常多。傳統(tǒng)教學(xué)法完成理論學(xué)習(xí)后再進(jìn)行實(shí)習(xí)，理論知識(shí)難度大且容易混淆，以至實(shí)驗(yàn)時(shí)頭腦混亂，不能做到理論指導(dǎo)實(shí)踐，導(dǎo)致難以學(xué)懂。項(xiàng)目教學(xué)法只學(xué)習(xí)即將用到的知識(shí)點(diǎn)，將實(shí)操與理論學(xué)習(xí)同步進(jìn)行，理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證理論，可謂是“學(xué)以致用，用以促學(xué)”，極大降低學(xué)習(xí)難度，大大提高學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)習(xí)變成輕松愉快。

通過(guò)項(xiàng)目教學(xué)法，將數(shù)量龐大的硬件和軟件知識(shí)分解到每一個(gè)項(xiàng)目中，逐個(gè)掌握，逐項(xiàng)應(yīng)用，逐步提高學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)的能力。單片機(jī)開發(fā)人員需要掌握的軟硬件知識(shí)非常繁多，首先要理解全局硬件電路、單片機(jī)單元電路方框圖和芯片結(jié)構(gòu)方框圖；接著理解信號(hào)的傳輸途徑、拓展芯片的功能表和控制引腳電平設(shè)置、工作時(shí)序圖、控制寄存器的設(shè)置、定時(shí)器初始值設(shè)置等知識(shí)；還需掌握眾多軟件知識(shí)，如各種變量、數(shù)組、各種運(yùn)算符、語(yǔ)法規(guī)則、程序結(jié)構(gòu)、while、for 、if、switch指令，以及如何用位操作指令模擬時(shí)序的方法等。面對(duì)如此龐大的知識(shí)量，項(xiàng)目教學(xué)法成功的把這個(gè)“大饅頭”分成很多小塊，逐快吞咽。因?yàn)閱蝹€(gè)項(xiàng)目只學(xué)習(xí)即將用到的一兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，逐個(gè)學(xué)習(xí)單片機(jī)項(xiàng)目，就能逐項(xiàng)掌握相關(guān)軟硬件專業(yè)知識(shí)。

單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)法關(guān)鍵點(diǎn)是實(shí)踐。單片機(jī)是控制硬件電路的，非常注重實(shí)際效果，實(shí)驗(yàn)成為重要教學(xué)環(huán)節(jié)。硬件電路實(shí)驗(yàn)和軟件仿真實(shí)驗(yàn)，使單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)非?？尚?，保障實(shí)際操作跟理論學(xué)習(xí)同步進(jìn)行，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，快樂學(xué)習(xí)。硬件電路實(shí)驗(yàn)是指利用學(xué)校的實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先讀懂電路圖，然后參照給定的例程，在KEIL軟件上編寫自己的程序并編譯，最后通過(guò)燒錄軟件將目標(biāo)程序燒錄到單片機(jī)內(nèi)，通電實(shí)驗(yàn)。軟件仿真實(shí)驗(yàn)是指在電腦上利用PROTEUS軟件（需要和KEIL聯(lián)動(dòng)）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，它是一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，有很多種類的虛擬器件，不受實(shí)際條件限制的進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，我們只需在原理圖窗口繪制電路圖，程序代碼窗口編寫軟件，然后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。初學(xué)者每在書本上完成一個(gè)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，即刻實(shí)驗(yàn)觀看控制效果，加深對(duì)知識(shí)的理解，提升動(dòng)手能力。

項(xiàng)目教學(xué)法可以快速提高初學(xué)者的單片機(jī)開發(fā)能力。通過(guò)給學(xué)生布置設(shè)計(jì)課題，引導(dǎo)學(xué)生從分析設(shè)計(jì)意圖和項(xiàng)目功能開始，然后去設(shè)計(jì)硬件電路，研究硬件電路所用芯片，構(gòu)思程序的流程圖，設(shè)置控制寄存器，編寫程序代碼（用位操作指令模擬工作時(shí)序），進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，逐步實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能。通過(guò)項(xiàng)目開發(fā)練習(xí)，學(xué)生能夠把所學(xué)的知識(shí)及時(shí)應(yīng)用，提升電路設(shè)計(jì)和軟件編程能力，快速掌握單片機(jī)專業(yè)知識(shí)。

本文從正確認(rèn)識(shí)單片機(jī)系統(tǒng)及其工作過(guò)程開始，提出理解硬件電路是編程的前提條件的觀點(diǎn)，選擇C51作為編程語(yǔ)言，運(yùn)用項(xiàng)目教學(xué)法，將眾多軟硬件知識(shí)分解逐個(gè)掌握，通過(guò)實(shí)驗(yàn)逐漸培養(yǎng)單片機(jī)應(yīng)用能力，讓學(xué)生輕松學(xué)懂單片機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

趙興宇等 單片機(jī)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)（項(xiàng)目式教學(xué)）