成玲

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580）

“單片機(jī)原理與技術(shù)”是工科院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程實(shí)踐性強(qiáng)，要求理論與實(shí)踐相結(jié)合，重在應(yīng)用；通過(guò)實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)的深入理解，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高硬件設(shè)計(jì)和動(dòng)手實(shí)踐能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。由于以往單片機(jī)實(shí)驗(yàn)主要以實(shí)體實(shí)驗(yàn)為主，存在實(shí)驗(yàn)環(huán)境受空間和時(shí)間的限制、實(shí)驗(yàn)手段不夠先進(jìn)、學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的訓(xùn)練不足和能力欠缺等幾個(gè)方面的問(wèn)題，所以需要改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加單片機(jī)虛擬仿真探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，提高項(xiàng)目挑戰(zhàn)度，滿足學(xué)生個(gè)性化能力培養(yǎng)的要求。

1 單片機(jī)虛擬仿真探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)要求

要調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和積極性，首先要樹(shù)立以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，突出學(xué)生的主體地位。通過(guò)自主探究學(xué)習(xí)和自主完成實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和潛能。此外，探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)要結(jié)合學(xué)生的實(shí)際水平和需要，科學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確、恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，保證實(shí)驗(yàn)的可行性，體現(xiàn)綜合性和挑戰(zhàn)度。基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)新穎實(shí)用的單片機(jī)集成系統(tǒng)，學(xué)生不僅可以獨(dú)立設(shè)計(jì)功能模塊，還可以看到自己設(shè)計(jì)的模塊在整個(gè)系統(tǒng)中的運(yùn)行效果，這使得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容富有挑戰(zhàn)性，更體現(xiàn)了綜合性、工程性、探索性和創(chuàng)新性的項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)。

結(jié)合教學(xué)大綱，線下完成驗(yàn)證型基礎(chǔ)模塊實(shí)驗(yàn)，而綜合型、創(chuàng)新型、不易實(shí)施的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完成，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從知識(shí)學(xué)習(xí)到實(shí)驗(yàn)動(dòng)手的跨越，做到理論聯(lián)系實(shí)踐，加深對(duì)系統(tǒng)的閉合性的理解，同時(shí)使學(xué)生從應(yīng)用場(chǎng)景的倒推中感受應(yīng)用性和工程化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自我設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)備的部分自我選擇、實(shí)驗(yàn)流程的自我探究，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生關(guān)于單片機(jī)開(kāi)發(fā)的“實(shí)踐”“整合”和“創(chuàng)新”的思維。而小組合作完成項(xiàng)目，充分培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

2 單片機(jī)虛擬仿真探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

單片機(jī)虛擬仿真探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求利用Proteus仿真和Keil編譯調(diào)試完成環(huán)境構(gòu)建，借鑒模塊化設(shè)計(jì)思想整合實(shí)驗(yàn)?zāi)K，對(duì)涉及到的基礎(chǔ)模塊進(jìn)行選擇、搭建和驗(yàn)證，能夠涵蓋課程中至少三個(gè)知識(shí)點(diǎn)，配合外部接口電路，設(shè)計(jì)完成一個(gè)新穎實(shí)用的單片機(jī)控制系統(tǒng)。學(xué)生通過(guò)自由組合形成小組，自主查閱所使用的單片機(jī)相關(guān)資料和應(yīng)用案例，團(tuán)隊(duì)自主設(shè)定課題方案，指導(dǎo)教師審核由小組撰寫(xiě)提交的開(kāi)題表并進(jìn)行存檔，并作為考核內(nèi)容，開(kāi)題表包括題目、組長(zhǎng)、成員、簡(jiǎn)介、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、涉及技術(shù)和設(shè)備清單組成，通過(guò)這種方式保證課題不是“紙上談兵”，也加強(qiáng)了創(chuàng)新性和團(tuán)隊(duì)合作。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)不僅可以熟悉常用的微控制器，還可以將其很好地運(yùn)用在單片機(jī)系統(tǒng)中，更好地支撐課程指標(biāo)點(diǎn)。

2.1 項(xiàng)目需求功能分析

以接水果的經(jīng)典小游戲?qū)嶒?yàn)案例為例，來(lái)分析基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，這個(gè)游戲需要完成的主要任務(wù)可以分解為3步：①控制果籃的水平位置，努力接住每一個(gè)落下的蘋(píng)果，接住得分，漏掉則扣除一定分值；②達(dá)到一定分?jǐn)?shù)則關(guān)卡升級(jí)，關(guān)卡等級(jí)越高水果掉落速度越快，相應(yīng)游戲難度更大；③完成所有關(guān)卡則通關(guān)。接水果是一個(gè)使用Flash制作的圖形化游戲，我們需要利用單片機(jī)來(lái)模擬控制實(shí)現(xiàn)，這個(gè)游戲項(xiàng)目包含的單片機(jī)的原理知識(shí)主要有I/O口的輸入輸出、數(shù)碼管的顯示原理的控制、中斷系統(tǒng)及蜂鳴器等幾個(gè)方面。不僅需要對(duì)中斷系統(tǒng)各個(gè)功能寄存器進(jìn)行設(shè)置，也需要掌握鍵盤(pán)的相關(guān)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目既包括硬件電路設(shè)計(jì)，也包括軟件設(shè)計(jì)和仿真，是一個(gè)綜合程度很高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生隨著實(shí)驗(yàn)的深入將逐步接受并運(yùn)用相關(guān)的理論知識(shí)，提升硬件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和軟件編程的能力。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

通用的MCS-51單片機(jī)的4個(gè)8位并行雙向I/O口，可為項(xiàng)目提供游戲操作的輸入和控制接口，3列4行12個(gè)發(fā)光二極管顯示游戲過(guò)程，數(shù)碼管顯示游戲分?jǐn)?shù)、游戲局?jǐn)?shù)等。每列4個(gè)LED燈為一組，亮起的燈表示正在下落的水果，每個(gè)水平位置同時(shí)最多只有一個(gè)水果正在下落；這樣每一組燈在有亮起時(shí)共有4種狀態(tài)，而3組所有LED燈共有43種也就是26種狀態(tài)，利用P1口P1.0到P1.5六個(gè)引腳控制12個(gè)發(fā)光二極管，用于顯示游戲內(nèi)容；在3列LED燈下添加3個(gè)按鍵，來(lái)模擬控制游戲中接水果的果籃，按下某個(gè)按鈕代表將果籃移動(dòng)到該水平位置，果籃不能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)位置，所以不能同時(shí)按下兩個(gè)按鈕。3個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)3種輸入狀態(tài)，用P1.6和P1.7兩個(gè)引腳作為游戲操作的輸入端，按鈕的響應(yīng)采用中斷；游戲的得分等狀態(tài)信息利用四位的數(shù)碼管來(lái)顯示；另外，電路中的蜂鳴器可以為玩家在游戲過(guò)程中增加更多的體驗(yàn)反饋。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)，按照系統(tǒng)的功能畫(huà)出軟件程序流程圖。對(duì)按鈕的響應(yīng)，采用中斷服務(wù)子程序處理，有源蜂鳴器只有一種聲音頻率，通過(guò)向蜂鳴器輸出周期不同的高頻方波信號(hào)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生高低音。按下任何一個(gè)按鈕開(kāi)始游戲，按鈕點(diǎn)擊錯(cuò)誤，評(píng)價(jià)顯示F（Fail），同時(shí)蜂鳴器低頻震響；成功在某列水果落到第4行時(shí)點(diǎn)擊按鈕，評(píng)價(jià)顯示P（Perfect），同時(shí)蜂鳴器高頻震響。3次失誤后，游戲失敗，2 s后進(jìn)入初始界面。基于Proteus的單片機(jī)控制接水果游戲?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目圖如圖1所示。

圖1 基于Proteus的單片機(jī)控制接水果游戲?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目圖

3 單片機(jī)虛擬仿真探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施

探究性實(shí)驗(yàn)打破以往以教師講授為主、學(xué)生被動(dòng)接收、實(shí)驗(yàn)依據(jù)指導(dǎo)書(shū)按部就班完成的模式，采用多種教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合，具體的實(shí)驗(yàn)組織方案采用分組制，每個(gè)人需要提前生成身份碼，每組設(shè)定一個(gè)組長(zhǎng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分工，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考、團(tuán)結(jié)協(xié)作、敢于創(chuàng)新，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目當(dāng)作開(kāi)發(fā)“作品”一樣完成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程不受空間及時(shí)間的限制，構(gòu)建以過(guò)程評(píng)價(jià)與能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的多元化、全方位考核評(píng)價(jià)體系，增加了創(chuàng)新評(píng)價(jià)和協(xié)作能力評(píng)價(jià)兩部分分值。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收可以在線進(jìn)行，其中一組學(xué)生進(jìn)行作品的介紹和演示時(shí)，其他學(xué)生全都作為評(píng)委參與該組作品的評(píng)價(jià)、交流和探討中。演示要求系統(tǒng)整體模型運(yùn)行無(wú)誤，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作品演示和答辯。最后提交報(bào)告、開(kāi)發(fā)文檔、用戶使用說(shuō)明書(shū)、源代碼、執(zhí)行程序、演示視頻和答辯PPT。

對(duì)案例進(jìn)行分析、歸類，標(biāo)注清楚其技術(shù)應(yīng)用、適用范圍和服務(wù)功能，構(gòu)建“總—分—總”的優(yōu)質(zhì)單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目案例庫(kù)。讓學(xué)生有更多的選擇和啟發(fā)，學(xué)生參考案例能夠清楚自選課題所需的技術(shù)、設(shè)備和實(shí)現(xiàn)的功能。保持案例庫(kù)的先進(jìn)性和保證案例庫(kù)的利用率，加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和綜合實(shí)踐的能力，讓創(chuàng)新人才脫穎而出，學(xué)生培養(yǎng)由原來(lái)的以知識(shí)為導(dǎo)向轉(zhuǎn)向以能力為導(dǎo)向，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)科專業(yè)認(rèn)證的目標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)引入基于Proteus的單片機(jī)虛擬仿真探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將“課內(nèi)與課外”“虛擬與實(shí)踐”“線上與線下”密切結(jié)合，更易于進(jìn)行設(shè)計(jì)型、綜合型、探索型實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用的技術(shù)方法不受實(shí)驗(yàn)硬件約束，不受時(shí)間場(chǎng)所限制，學(xué)生可以選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目自行設(shè)計(jì)，拓展學(xué)習(xí)空間，促進(jìn)差異化、個(gè)性化培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)線上仿真與線下實(shí)踐同步互補(bǔ)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)與課外科技活動(dòng)同步互補(bǔ)等，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分讓學(xué)生“動(dòng)起來(lái)、忙起來(lái)”，提升了學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。