郭一軍 周武 胡娟
摘 要 實驗教學(xué)是單片機(jī)教學(xué)的一個重要組成部分,對于提高學(xué)生動手能力,培養(yǎng)創(chuàng)新思維和科學(xué)探索精神具有非常重要的作用。本文針對單片機(jī)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀,提出一種軟硬結(jié)合的單片機(jī)實驗教學(xué)方法,以增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力,提高單片機(jī)課程實驗的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞 單片機(jī) 教學(xué)效果 仿真實驗
中圖分類號:G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ?DOI:10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.028
Abstract Experimental teaching is an important part of the single chip microcomputer teaching, which plays a significant role in improving students' practical ability, cultivating innovative thinking and scientific exploration spirit. Aimed at the present situation of single chip microcomputer experiment teaching, a teaching method combined the software and hardware is proposed in this paper, so as to enhance the students' system design ability and to improve the experimental teaching effect of single-chip microcomputer.
Keywords single chip microcomputer; teaching effect; simulation experiment
單片機(jī)是高等學(xué)校電類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程,具有較強(qiáng)的實踐性和工程性,對培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力、打造一批適應(yīng)國際分工與合作的單片機(jī)開發(fā)工程師有著十分重要的作用。[1,2]單片機(jī)的課程性質(zhì)及應(yīng)用屬性決定了單片機(jī)課程實驗教學(xué)的重要地位,通過實驗教學(xué)不僅可以加深學(xué)生對理論知識的理解和掌握,鞏固所學(xué)理論知識,提升他們分析問題和解決問題的能力,而且還有助于培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)潛能,增強(qiáng)學(xué)習(xí)的積極性和主動性。基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學(xué)直觀生動,不受時間場地的限制,沒有器材消耗,容易開展創(chuàng)新性實驗,并且學(xué)生在實驗之前可以自由設(shè)計,充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性及創(chuàng)新能力。[3-5]本文基于Proteus和Keil C51軟件,以無線遙控密碼鎖項目設(shè)計為例,研究了Proteus和Keil C51軟件在單片機(jī)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。
1 單片機(jī)實驗教學(xué)現(xiàn)狀
首先,多數(shù)高校的單片機(jī)實驗是在實驗箱上完成的,實驗箱面板提供了一些插口用于實現(xiàn)單片機(jī)與各外圍電路模塊的連接,同學(xué)做實驗時只要對照實驗指導(dǎo)書用導(dǎo)線連接相關(guān)插口,再用鍵盤輸入程序,即可完成實驗。這樣一種實驗方式注重的是結(jié)果,而不是過程,學(xué)生做完實驗后,僅僅是看到了實驗的結(jié)果,至于實驗背后的各芯片間是如何接口的、程序是如何設(shè)計的以及為了輸出這樣一個實驗結(jié)果軟硬件是如何調(diào)試的等問題,對于絕大多數(shù)同學(xué)來說是不清楚的。所以,在實驗箱上只能完成驗證性實驗的要求,整個實驗過程難以調(diào)動學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的積極性,學(xué)生參與度不高,不利于所學(xué)理論知識的消化吸收。
其次,實驗內(nèi)容安排極不合理,受到實驗課時或?qū)嶒炘O(shè)備等諸多因素的影響,單片機(jī)實驗幾乎都是驗證性實驗,沒有研究探索性或綜合性實驗,實驗內(nèi)容缺乏挑戰(zhàn)性。在實驗教學(xué)中,如果以驗證性實驗為主,就無法保證實驗的創(chuàng)新性,不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力就得不到提高,[6]也不利于學(xué)生綜合設(shè)計能力的提升。另外,實驗項目以驗證性實驗為主,實驗過程中學(xué)生并未獲得充分的實踐性與自主性,學(xué)生對于單片機(jī)的理解和認(rèn)識仍停留在表層,這樣使得單片機(jī)課程的教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)之間存在一定的差距。[7]
最后,實驗教學(xué)手段單一,所有學(xué)生在同一試驗箱上進(jìn)行同樣的實驗,且實驗流程基本固定,留給學(xué)生自主思考和設(shè)計的空間很小,從而限制了他們創(chuàng)造力的發(fā)揮,不利于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。
2 軟硬結(jié)合的單片機(jī)實驗教學(xué)方法
利用Proteus和Keil C51軟件學(xué)生可以在自己的電腦上構(gòu)建功能強(qiáng)大的虛擬仿真實驗室。在進(jìn)行實物驗證實驗之前,學(xué)生先用Proteus設(shè)計仿真電路,用Keil C51編寫實驗仿真程序,并將Keil C51編譯通過的程序下載到仿真電路的單片機(jī)中進(jìn)行仿真實驗,從而驗證自己設(shè)計的程序和電路是否存在問題。當(dāng)仿真通過以后,再到實驗室的硬件上進(jìn)行實物驗證實驗,可以避免直接實物驗證實驗中只注重實驗結(jié)果不注重實驗過程的缺陷,使學(xué)生對實驗有一個更深刻、更直接的認(rèn)識,顯著提高實驗效果。
在完成了實物驗證實驗后,教師可以安排一定課時開展實物設(shè)計實驗。實物設(shè)計實驗不僅要完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計,還需要學(xué)生完成PCB板的制作、元器件焊接以及聯(lián)機(jī)調(diào)試等工作,是對學(xué)生所學(xué)理論知識的一次綜合考察,能夠很好地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力,更能夠體現(xiàn)教師的教學(xué)水平。在進(jìn)行實物設(shè)計時,教師可以給出一些設(shè)計項目供同學(xué)選擇,項目要求具有一定的難度,能夠體現(xiàn)學(xué)生對知識的綜合運(yùn)用能力和設(shè)計水平。實物設(shè)計實驗不同于實物驗證實驗,實物設(shè)計實驗的硬件電路不是現(xiàn)成的是需要學(xué)生自己設(shè)計的,如果硬件電路設(shè)計出現(xiàn)問題,那么需要重新制版焊接,增加元器件及芯片的消耗,延長設(shè)計周期。因此,學(xué)生在進(jìn)行實物設(shè)計實驗時不要急于搭建硬件電路,可以先查閱相關(guān)文獻(xiàn),確定項目的設(shè)計方案,再利用仿真軟件設(shè)計項目的硬件和軟件并進(jìn)行仿真調(diào)試,待仿真調(diào)試通過后再進(jìn)行具體硬件電路的設(shè)計工作。這樣可以極大提高項目的設(shè)計效率,減少元器件及芯片的消耗。
3 單片機(jī)實驗教學(xué)案例設(shè)計
3.1 項目硬件電路設(shè)計
項目硬件電路設(shè)計包括:紅外遙控器電路、紅外遙控接收電路、穩(wěn)壓電路、報警電路、液晶顯示電路、驅(qū)動電路、復(fù)位電路以及時鐘電路的設(shè)計。這里紅外遙控電路采用現(xiàn)成的紅外遙控器;紅外遙控接收電路由IR1308構(gòu)成;穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓集成電路LM7805和電容構(gòu)成;報警電路由無源蜂鳴器、P型MOS及10千歐的電阻構(gòu)成;液晶顯示電路采用1602液晶顯示器,用于顯示密碼輸入提示信息、密碼修改提示信息及密碼錯誤信息等;驅(qū)動電路為密碼鎖驅(qū)動電路,由光耦、MOS管、電阻和電容構(gòu)成。
3.2 項目軟件設(shè)計
完成項目的硬件電路設(shè)計后,即可進(jìn)入項目的軟件設(shè)計部分。編寫軟件時,要求學(xué)生首先設(shè)計軟件系統(tǒng)整體工作流程圖,按功能劃分模塊,設(shè)計出每個模塊的工作流程圖并編寫軟件程序,最后進(jìn)行軟件模塊集成。[8]軟件設(shè)計通過Keil C51完成,采用模塊化設(shè)計,主要包括主程序設(shè)計、紅外接收解碼子程序設(shè)計、密碼判斷子程序設(shè)計、報警子程序設(shè)計、密碼修改子程序設(shè)計、1602顯示子程序設(shè)計。
3.3 仿真調(diào)試
利用Proteus軟件設(shè)計好仿真原理圖以及由Keil C51軟件設(shè)計好系統(tǒng)程序后,即可進(jìn)入仿真調(diào)試階段。通過仿真調(diào)試學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)項目硬件設(shè)計和軟件設(shè)計中所存在的一些問題,從而鍛煉他們獨立分析問題和解決問題的能力。
3.4 項目實物設(shè)計
項目通過仿真調(diào)試后,如果需要進(jìn)行實物設(shè)計,就可在Proteus軟件中將硬件電路仿真原理圖轉(zhuǎn)化為PCB圖,再由PCB圖制作印刷電路板,最后是完成電路的焊接組裝以及項目的軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試工作。
4 結(jié)束語
本文將基于Proteus和Keil C51軟件的仿真技術(shù)融入單片機(jī)實驗教學(xué),以解決現(xiàn)有實驗教學(xué)學(xué)生參與度低、實驗內(nèi)容安排不合理以及實驗教學(xué)手段單一等問題。從而提升了單片機(jī)實驗教學(xué)的靈活性,激發(fā)了學(xué)生實驗探索的興趣,為他們?nèi)嬲莆諉纹瑱C(jī)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計能力、將所學(xué)理論知識應(yīng)用于實踐創(chuàng)新創(chuàng)造了充分的條件。
參考文獻(xiàn)
[1] 張承暢,吳孟林,張華譽(yù).面向?qū)W生工程能力達(dá)成的單片機(jī)技術(shù)實驗案例設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2018,35(05):178-182.
[2] 張飛,錢金法.基于單片機(jī)和虛擬儀器的粉塵濃度檢測裝置[J].實驗室研究與探索,2017,36(4):137-140.
[3] 王清樹,劉成剛.校企聯(lián)合實踐的能源應(yīng)用專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].教育教學(xué)論壇,2016(39):25-27.
[4] 陳麗霞,李敏.虛擬仿真技術(shù)在電氣類實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2018(07):49-50.
[5] 金國華,翟朝霞,周麗娜,張大力.Proteus和Keil軟件在單片機(jī)理論與實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2017(03):43-45.
[6] 曾繁政.單片機(jī)技術(shù)實驗教學(xué)的優(yōu)化思路與實踐[J].電子世界,2020(01):47-48.
[7] 李佳佳,賀偉,劉曉芳,樊曉虹.新工科背景下單片機(jī)課程教學(xué)的研究與探索[J].教育現(xiàn)代化,2019,6(24):80-81.
[8] 譚筠梅,李玉龍,王履程.基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真實驗案例設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2018,35(05):122-125.