翟兆陽 曲雅靜 尹明虎 石坤

［摘 要］ “單片機原理及應用”是一門面向應用、具有很強實踐性和綜合性的課程，如何結(jié)合實際控制目標對“單片機原理及應用”課程教學進行創(chuàng)新改革值得深入思考。針對機械設計制造及其自動化、車輛工程等專業(yè)，可以結(jié)合機械設計相關專業(yè)基礎知識，將數(shù)控裝備的結(jié)構(gòu)設計及運動控制融入單片機教學當中，讓學生通過“單片機原理及應用”課程的學習，實現(xiàn)了與機械原理、機械設計等專業(yè)基礎課程的緊密銜接，參與教改班級學生的知識體系得到了進一步完善，綜合素質(zhì)水平得到了進一步提高，為培養(yǎng)兼具數(shù)控裝備結(jié)構(gòu)設計、自動化檢測及控制能力的復合型人才提供了有力的支撐。

［關鍵詞］ 單片機原理及應用；數(shù)控裝備；結(jié)構(gòu)設計；復合型人才

［基金項目］ 2021年度西安理工大學教育教學改革研究項目“‘兩性一度導向下《機械原理課程設計》貫通式教學改革與實踐研究”（xjy2117）

［作者簡介］ 翟兆陽（1985—），男，河南安陽人，工學博士，西安理工大學機械與精密儀器工程學院講師，主要從事機械設計與制造技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）10-0141-04［收稿日期］ 2022-05-27

“單片機原理及應用”是一門面向應用環(huán)節(jié)，具有很強實踐性和綜合性的課程，是為機械設計制造及其自動化、車輛工程等專業(yè)設置的專業(yè)基礎課［1-4］。該課程旨在使學生通過學習單片機的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)、程序設計、接口技術及擴展方法，掌握單片機在實際應用中軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)的設計思想以及設計方法和步驟，使學生具備分析、設計單片機的基本技能［5-7］。結(jié)合實驗課程教學，增強實踐動手能力，培養(yǎng)學生對單片機的分析、設計以及綜合開發(fā)應用能力，為今后解決相關工程技術問題奠定基礎［8］。

一、“單片機原理及應用”課程性質(zhì)及教學目的

“單片機原理及應用”通過課堂理論教學講授單片機組成及工作原理、單片機程序設計、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器、接口技術和單片機應用系統(tǒng)的分析設計方法，配合課程實驗教學和課外作業(yè)訓練，使學生掌握單片機的工作原理、應用程序編寫和單片機設計的基本方法，培養(yǎng)學生應用所學知識進行單片機系統(tǒng)分析和設計能力，以及綜合運用單片機系統(tǒng)軟硬件相關知識解決相關工程技術問題的能力［9-10］。

該課程分為課堂教學和實驗兩部分。課堂教學通過課堂教學使學生掌握單片機的組成與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、存儲器組織、指令系統(tǒng)與程序設計、中斷系統(tǒng)與定時器/計數(shù)器、串口通信、單片機接口技術、系統(tǒng)擴展方法等基本知識，初步掌握通過仿真軟件進行單片機系統(tǒng)程序編寫、硬件系統(tǒng)設計及綜合仿真調(diào)試的方法，培養(yǎng)學生單片機系統(tǒng)應用程序分析和編寫能力、硬件系統(tǒng)的設計能力，以及根據(jù)功能要求進行單片機系統(tǒng)軟硬件分析和設計開發(fā)能力［11］。實驗教學通過實驗環(huán)節(jié)，使學生熟悉單片機系統(tǒng)集成環(huán)境軟件的使用方法，掌握單片機中斷、定時、計數(shù)、輸入/輸出通道接口、串行通信等功能及其實現(xiàn)方法；實驗環(huán)節(jié)采用分組形式，要求學生能夠利用所學理論知識，根據(jù)要求構(gòu)建實驗系統(tǒng)并安全地進行實驗，能夠正確采集分析和解釋實驗數(shù)據(jù)，并得到合理的結(jié)論；培養(yǎng)學生利用所學知識分析問題、解決問題和方案設計的能力，以及團隊合作與交流溝通能力［12-13］。

二、融入的數(shù)控裝備結(jié)構(gòu)及功能

目前單片機系統(tǒng)的應用已經(jīng)遍布生活和工業(yè)各方面，全面實現(xiàn)了乘用車輛、家用電器、醫(yī)療儀器、工業(yè)設備的智能化檢測與控制?！皢纹瑱C原理及應用”是一門面向應用、具有很強實踐性和綜合性的課程。如何結(jié)合實際控制目標，對“單片機原理及應用”課程教學進行創(chuàng)新改革，值得我們深入思考。針對機械設計制造及其自動化、車輛工程等專業(yè)，可以結(jié)合機械設計相關專業(yè)基礎知識以及企業(yè)橫向課題，將數(shù)控裝備的結(jié)構(gòu)設計及運動控制融入單片機教學當中［14-16］。讓學生通過“單片機原理及應用”課程的學習，實現(xiàn)與機械原理、機械設計等專業(yè)基礎課程的緊密銜接，旨在培養(yǎng)兼具數(shù)控裝備結(jié)構(gòu)設計、自動化檢測及控制能力的復合型人才。下面結(jié)合全自動連接線加工機進行具體講解說明。

電容器連接線的加工是配套電容器生產(chǎn)的重要工序，連接線的質(zhì)量直接關系到電容器運行的可靠性和穩(wěn)定性。目前國內(nèi)電容器廠家的連接線加工方法主要是靠操作工手持刀具對電纜線進行裁斷，并剝離絕緣橡膠。此方式不僅對工人的操作水平要求較高，而且工人勞動強度大，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，加工效率也較低，是整個電容器生產(chǎn)鏈條的一個瓶頸。針對這種情況，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，全自動連接線加工機應運而生，該設備是用于剝離電纜線外層絕緣橡膠，并裁斷電纜線的自動化設備。

由于電容器連接線的種類較多，線徑、絕緣層厚度、連接線長度等加工要求都各不相同。目前國內(nèi)生產(chǎn)的電纜線加工設備由于加工范圍較小，自動化程度較低，無法滿足電容器生產(chǎn)廠家的需要。因此，全新研制的全自動連接線加工機填補了國內(nèi)全自動加工電容器連接線的空白，提高了電容器行業(yè)生產(chǎn)的自動化水平。全自動連接線加工機的研制成功，可完成配套電容器生產(chǎn)的重要工序，保證了連接線質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性；避免了工人因使用刀具不慎將手割破的情況，消除了存在的安全隱患；同時大幅提高了加工效率，突破了電容器生產(chǎn)鏈條的瓶頸。

由于連接線不僅用于電容器行業(yè)，同時也大量用于電力行業(yè)的其他領域，所以該設備在滿足電容器連接線加工的全自動化的基礎上，可以向相關行業(yè)繼續(xù)推廣［17］。設備大量采用氣動元件（氣缸、電磁閥、傳感器等），配合伺服電機完成動作?？刂葡到y(tǒng)由主控制箱、伺服控制器、變頻控制器等組成，自動化程度高，在提高生產(chǎn)效率的同時，可提升企業(yè)形象。整個設備主要由放線裝置、矯直組件、軸向切刀組件、傳送組件、導向組件、縱向切刀組件、收料組件等組成。放線裝置配有放線輥，設計載重量不小于200 Kg，放置時能夠成卷放置，且放線方式是從外圈向內(nèi)圈。上料時先將料輥從架子上取下，然后穿入線盤，最后放回料架；矯直組件由多套槽輪組成，上下兩排槽輪可調(diào)節(jié)軸間距，用于銅線電纜的導向與矯直，防止由于電纜線過于彎曲給剝線造成困難，槽輪材質(zhì)為45號鋼；軸向切刀組件由氣缸、導軌滑塊、導輪、軸向切刀組成。用于剝電纜線中部絕緣橡膠時切軸向直縫隙，軸向切刀進刀量可調(diào)，有效避免了刀片深度過淺絕緣橡膠剝離困難，以及刀片深度過深造成的電纜線銅芯損壞及刀片過度磨損等情況，切刀材質(zhì)為合金工具鋼；傳送組件由上下兩套對稱的帶輪組成，旋轉(zhuǎn)運動由伺服電機控制，可正反向精確地傳送電纜線。兩套帶輪的夾緊與松開靠氣缸及同步機構(gòu)控制，時刻保持電纜線的同軸性。由于使用了氣缸緩沖，使用時噪音低，震動小。氣缸壓力可調(diào)，防止壓力過大損壞電纜線，或者壓力過小傳送時打滑，導向輪材質(zhì)為45號鋼；導向組件由多套不同直徑的導向筒組成，根據(jù)不同電纜箱直徑更換相應導向筒，用于連接切刀組件與傳送組件；縱向切刀組件由上下兩個刀模組成，裝有縱向切刀與裁斷刀?？v向切刀負責給電纜線絕緣橡膠切縱向環(huán)縫隙，裁斷刀負責將電纜線裁成需要的長度。兩刀模上下運動由伺服電機控制，縱向切刀與裁斷刀可分別運動，進給精確效率高，切刀材質(zhì)為合金工具鋼；收料組件由不銹鋼收料槽組成，不銹鋼槽有支架支撐，方便收集加工完成的電纜線，收集區(qū)分為廢料收集與產(chǎn)品收集，產(chǎn)品收集不區(qū)分種類；控制組件由觸摸屏、按鈕開關、懸臂組成。用于控制參數(shù)的輸入及設備運轉(zhuǎn)的控制，操作簡單方便；機架組件由型鋼焊接而成，中間設有元件安裝板，用于安裝控制元件及氣動元件；設備外層采用鋼化玻璃防護罩，保證操作者和其他人員的人身安全。

三、裝備設計理念融入課程教學

單片機的結(jié)構(gòu)及原理主要講授51系列單片機的硬件結(jié)構(gòu)，包括單片機的結(jié)構(gòu)、存儲器配置、單片機外部引腳及功能和并行輸入/輸出口。通過教學使學生了解單片機的結(jié)構(gòu)及工作原理，理解振蕩器、時鐘電路和時序，掌握存儲器的配置、可位尋址寄存器以及特殊功能寄存器的特點和用途、4個并行輸入/輸出口的使用、機器周期的定義及其與時鐘周期的關系、復位條件、復位電路和復位狀態(tài)，建立單片機軟硬件協(xié)同工作的基本思想，為硬件電路分析和設計打下必要的基礎。結(jié)合全自動連接線加工機結(jié)構(gòu)介紹單片機系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)輸入可以連接觸摸屏而不僅僅限于按鍵和開關，系統(tǒng)輸出連接的是氣動元件電磁閥及電機而不僅僅限于發(fā)光二極管。根據(jù)引腳、事件、信息的形式抽象地講授時序概念時，學生理解起來往往比較困難。按照全自動連接線加工機的工作原理，可以將時序理解為放線裝置、矯直組件、軸向切刀組件、傳送組件、導向組件、縱向切刀組件、收料組件的順序動作。

單片機的中斷系統(tǒng)主要講授中斷的基本概念、51單片機的中斷源、中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理、中斷響應過程、中斷的控制方法及中斷應用程序的編制。通過教學使學生了解中斷在單片機系統(tǒng)中的意義和作用，理解中斷響應過程，掌握與中斷相關的特殊功能寄存器的功能及其設置方法，以及中斷系統(tǒng)應用程序的設計方法，培養(yǎng)根據(jù)功能要求進行軟硬件方案分析設計的能力。在講授單片機中斷系統(tǒng)的概念時，按照課本中的看報紙、接電話、關煤氣等事件進行舉例難免讓學生理解不夠透徹。結(jié)合全自動連接線加工機的控制原理，可以將中斷理解為在設備正常運行過程中，若遇緊急或者突發(fā)情況，操作人員可以迅速按下急停開關暫停設備運行。待操作人員排除異常情況后，方可操作設備繼續(xù)正常運行。

單片機的定時器/計數(shù)器主要講授51系列單片機定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理、定時器/計數(shù)器的工作方式和控制方法、定時器/計數(shù)器的編程及應用。通過教學使學生了解單片機定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握定時器/計數(shù)器工作方式及應用、相關特殊功能寄存器的功能及其設置方法，以及定時器/計數(shù)器的應用程序編制方法，能利用定時器/計數(shù)器并結(jié)合中斷系統(tǒng)的知識解決單片機應用系統(tǒng)的實際問題。結(jié)合全自動連接線加工機結(jié)構(gòu)介紹單片機系統(tǒng)的定時器/計數(shù)器工作原理，設備的放線裝置、矯直組件、軸向切刀組件、傳送組件、導向組件、縱向切刀組件、收料組件按照編制的程序順序動作，每個組件都有各自獨立的啟動和停止時間，這個時間就是由定時器控制的。設備計劃及實際加工連接線數(shù)量的統(tǒng)計則是通過計數(shù)器來完成。以此類推，裝備設計理念可以融入單片機課程教學的例子非常多，這里就不再逐一介紹。

結(jié)語

“單片機原理及應用”課程實行教學改革以來，結(jié)合機械設計制造及其自動化、車輛工程等專業(yè)的相關基礎知識，將數(shù)控裝備的結(jié)構(gòu)設計及運動控制融入單片機教學當中。讓學生通過單片機原理及應用課程的學習，實現(xiàn)了與機械原理、機械設計等專業(yè)基礎課程的緊密銜接，參與教改班級學生的知識體系得到進一步完善，綜合素質(zhì)水平得到進一步提高，為培養(yǎng)兼具數(shù)控裝備結(jié)構(gòu)設計、自動化檢測及控制能力的復合型人才，提供了有力的支撐。

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Integration of Numerical Control Equipment Design Concept into the Course Teaching of Single

Chip Microcomputer

ZHAI Zhao-yang， QU Ya-jing， YIN Ming-hu， SHI Kun

（School of Mechanical and Precision Instrument Engineering， Xian University of Technology， Xian， Shaanxi 710048， China）

Abstract： The course of Principle and Application of Single Chip Microcomputer is an application-oriented， practical and comprehensive course. How to innovate the teaching of this course in combination with the actual control objectives deserves deep thinking. For the majors of mechanical design and manufacturing， automation and vehicle engineering， the structural design and motion control of numerical control equipment can be integrated into the teaching of single chip microcomputer， based on the basic knowledge of mechanical design. Through the study of single chip microcomputer principle and application， students can realize the connection with professional basic courses such as mechanical principle and mechanical design. The knowledge system of students participating in the teaching reform class and their comprehensive quality level have been further improved. The reform provides a strong support for cultivating compound talents with the ability of numerical control equipment structure design， and automatic detection and control.

Key words： Principle and Application of Single Chip Microcomputer; numerical control equipment; structural design; compound talents