基于小項目理論的單片機實驗板設計＊

王文成

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，“單片機技術”作為自動化、測控技術與儀器、電子信息工程等專業(yè)的一門核心課程越來越受到重視，我校其他工科專業(yè)如機械自動化、電子科學與技術、計算機科學與技術等專業(yè)也相繼開設了該門課程，對從事機電控制相關行業(yè)人才的培養(yǎng)起到了重要作用。該門課程實踐性強、涵蓋的知識面廣，它的教學目的是以電子技術為基礎進一步引入微處理器的概念，使學生初步掌握單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)技能，達到對電子技術的自如運用。然而，近幾年由于大學生擴招所帶來的就業(yè)壓力，傳統(tǒng)的教學方式已經(jīng)不能滿足工科專業(yè)“工程應用”性人才培養(yǎng)的需求。特別是課程結(jié)束后，許多學生對系統(tǒng)設計、芯片選擇及軟硬件綜合調(diào)試等內(nèi)容仍不能深入理解和靈活運用。因此，不斷改進單片機實踐教學的內(nèi)容和方法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力，是當前教學改革的重要內(nèi)容之一。

1 傳統(tǒng)實驗教學存在的問題

目前大部分高校的“單片機技術”課程實驗方面主要采用“計算機＋仿真器＋實驗箱＋示波器”的教學模式［1］。這種實驗箱將各種單元電路合理地組合在一塊大印刷電路板上，構成一個有機的整體，技術成熟，學生使用方便，但不可避免地存在著如下局限性［2］。

（1）實驗效率較差。實驗箱中電路連接線和短路線多，學生不能提前了解電路，只能在實驗課上根據(jù)實驗指導書完成電路連接，這不但容易接錯，而且每次實驗有很多的時間要花在接線上，電路的設計規(guī)模受到限制；

（2）實驗設備更新慢。電子技術的高速發(fā)展導致實驗設備更新?lián)Q代較快，以程序代碼的下載為例，僅幾年的時間，已經(jīng)實現(xiàn)由編程器→并口下載線→USB口下載的演化。而實驗箱升級慢直接導致了學生在學校學習的內(nèi)容跟社會應用的脫離，不利于為企業(yè)輸送直接應用型人才；

（3）實驗模塊分散。傳統(tǒng)的實驗教學主要是以單片機理論教學內(nèi)容為目的而安排的，一般情況下，先做單片機硬件結(jié)構的認識實驗，然后是指令和軟件編程的驗證實驗，最后是一個應用實例的驗證實驗，這往往會導致學生做到最后一個實驗才明白系統(tǒng)設計的原理，前期實驗效果不好。

（4）靈活性和擴展性差。實驗箱中的實驗主要以驗證性實驗為主，只能按照實驗指導書上的接線圖和參考程序做簡單的硬件連線和代碼輸入，在學生動腦和動手能力的訓練上顯得很薄弱，編寫程序上能發(fā)揮的余度較少，學生不用做實驗就能知道實驗結(jié)果，因此降低了學生學習的興趣，并使抄襲和缺勤現(xiàn)象屢禁不止；

（5）實驗設備應用范圍受限。在進行綜合性設計性實驗、課程設計和指導學生電子設計時，學生的設計思想受到限制，有些甚至根本無法實現(xiàn)。這種重復、被動的實驗教學模式束縛了學生的手腳，不利于提高學生的綜合設計能力和工程應用能力，達不到良好的實驗效果，不利于學生綜合實驗能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

2 小項目理論

小項目理論的主導思想是將相對獨立的模塊整合為一個整體，為學習者提供了清晰、概括的指導，使學習者能夠清晰地掌握學習的脈絡。且在一段教學時間內(nèi)，只把某一個項目或工作過程作為主體的學習內(nèi)容，從理論到實踐反復認識的主體只有這一個，使學生縮小了注意目標，可以較短時間內(nèi)在大腦中形成對項目的完整認識［3］。而在試驗中的小項目就是學生通過實施一個完整的項目工作而進行的實踐活動，在這里，項目指以生產(chǎn)一件具體的具有實際應用價值的產(chǎn)品為目的，它應滿足以下條件［4］：

（1）該項目應該包含豐富的教學知識點，工作過程用于學習一定的教學內(nèi)容；

（2）能將單片機課程中某一教學課題的理論知識和實際技能有機結(jié)合起來，并具有一定的趣味性。

（3）小項目應該具有一定的應用背景，來源于人民生產(chǎn)生活，也應該能夠應用到人民生產(chǎn)生活中，與實際企業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)過程或商業(yè)經(jīng)營活動有直接的關系；

（4）小項目的實施能夠擺脫學校實驗室環(huán)境的限制，學生有獨立制定計劃并實施的機會，在一定時間范圍內(nèi)可以自行組織、安排自己的學習行為；

（5）小項目的制定需要完善的任務和評分標準，有明確而具體的成果展示；

（6）教師充當指導教師的作用，要求學生通過資料查閱和集體討論等方式克服、處理在項目工作中出現(xiàn)的困難和難題；

（7）項目的實施可以采用小組合作方式進行組織，把學生分成若干個小組，組內(nèi)成員根據(jù)個人能力合作共同完成一個學習項目；

（8）項目工作具有一定的難度，要求學生運用新學習的知識、技能，解決過去從未遇到的實際問題；（9）學習結(jié)束時，各小組產(chǎn)品進行展示交流，師生共同評價工作成果。

總之，在設計項目時，要仔細推敲各個知識點的相互聯(lián)系，統(tǒng)籌兼顧，為學生設計出一系列典型的操作性較強的項目，引導學生去探索知識，獲取知識，運用知識，從設計簡單產(chǎn)品為切入口，熟悉單片機產(chǎn)品的開發(fā)流程，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性思維，把學生領進專業(yè)知識的大門。

3 實驗板總體設計

基于以上所述，我們結(jié)合本課程特點和各實踐環(huán)節(jié)的需求，自行研制開發(fā)并不斷改進了一套單片機實驗裝置。單片機實驗系統(tǒng)上有豐富的實驗電路和靈活的組成方法［5－6］。它包含了51系列單片機的基本系統(tǒng)、串行A／D轉(zhuǎn)換、RS232／485接口、LED顯示、鍵盤控制、功率驅(qū)動、隔離電路和端口擴展等功能模塊。并且實驗板具有在線編程的能力，使用者能比較迅速地掌握編程技巧，通過ISP下載線可以方便地進行下載。另外，實驗板還可以脫機運行的功能，能滿足教學所要求的實驗教學、課程設計和畢業(yè)設計，及科研開發(fā)的仿真實驗。其結(jié)構框圖如圖1所示。

圖1 單片機實驗板原理框圖

其中MCU模塊選用ATMEL公司51系列單片機；電源模塊，采用7805三端穩(wěn)壓模塊與變壓器組合；AD轉(zhuǎn)換模塊選用8路模擬量輸入芯片ADC0809；直流電機調(diào)速模塊，設計了H橋電路，并可選擇利用ULN2003A芯片增加驅(qū)動能力；顯示模塊，在設計時選用CD451芯片和晶體管組合驅(qū)動方式；溫度檢測模塊，選用Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS1820作為溫度檢測器件；音頻電路，采用三極管放大加揚聲器的組合方式；串行通信模塊，采用RS232的通信標準進行設計；此外，端口接線區(qū)域可以根據(jù)需求自主接線。

4 小項目實例

根據(jù)實驗板的電路設計，可以開展的小項目包括：溫度檢測、自動報警、音樂播放、電機控制、數(shù)據(jù)顯示等。在此基礎上，同學們也可以根據(jù)自己的設想進行功能擴展。以下以電子音樂盒為例分析小項目的設計。

4.1 小項目設計的目的

（1）熟悉51系列單片機的使用；

（2）熟悉匯編語言或C語言的程序設計方法，了解基于Protel系列工具的電路板設計流程；

（3）掌握單片機的內(nèi)部功能模塊的應用，如定時器／計數(shù)器、中斷、I／O口、串行口通訊等功能；

（4）掌握單片機應用系統(tǒng)的軟硬件設計過程、方法及實現(xiàn)。

4.2 小項目設計的任務

該小項目設計的基本任務為完成一個電子音樂盒的功能。

基本要求：當某按鍵按下，音樂盒開始播放音樂，并且流水燈依次閃爍，再次按下按鍵，播放暫停。

擴展功能：結(jié)合個人能力和電路板的現(xiàn)有硬件，增加其他功能。如音樂播放時，計數(shù)器開始計時等。

4.3 小項目設計的流程

（1）學習用Protel99se設計原理圖和PCB板圖；

（2）查找資料，分析電路并編寫程序；

（3）焊接電路并用Keil uVision3編譯程序；

（4）下載程序并進行調(diào)試驗證；

（5）編寫整理文檔；

4.4 硬件設計

本小項目的設計以AT89S51單片機為核心，利用單片機的定時器產(chǎn)生一定長度的方波，方波脈沖驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。當鍵盤有鍵按下時，判斷鍵值，啟動計數(shù)器T0，產(chǎn)生一定頻率的脈沖，驅(qū)動蜂鳴器，放出樂曲。同時在LED顯示歌曲序號和流水燈依次閃爍。其原理框圖如圖2所示。

圖2 電子音樂盒原理框圖

4.5 軟件設計

基于上述電路，電子音樂盒功能程序部分主要包括音樂盒功能主程序、音頻節(jié)拍讀取子程序、T0中斷服務子程序和節(jié)拍延時子程序等。其中，主程序如圖3所示。

5 結(jié)束語

基于小項目理論的單片機實驗板，不僅能為以單片機為核心的系統(tǒng)前期探索研究提供一種方便的實驗裝置，而且能在遠離工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境中模擬解決實際問題。通過基于小項目的開發(fā)鍛煉，不僅提高了學生的學習興趣、動手能力、綜合應用能力和創(chuàng)新能力，更重要的是能了解更多的有關產(chǎn)品和市場的概念，提高了學生的就業(yè)競爭力，為將來走向社會打下了良好的基礎。

圖3 主程序流程圖

［1］胡敬朋，王聰.單片機項目教學研究及實踐［J］.電氣電子教學學報，2009，31（5）：82－84.

［2］唐述宏，王文成，季濤，等.單片機通用實驗板的研制［J］.濰坊學院學報，2009，9（4）：13－15.

［3］曲衛(wèi)冬，王亞青.單片機課程理實一體項目式教學的探討［J］.中國電力教育，2010，（10）：56－57.

［4］樓然苗.單片機綜合性實驗項目的設計［J］.浙江海洋學院學報：自然科學版，2007，26（1）：87－90.

［5］WANG Wen－cheng.A teaching method of single chip machine based on small project［C］／／2011International Conference on Communication Software and Networks（ICCSN2011）：25－27.

［6］彭遠芳，陸勤，胡寧，等.基于“項目驅(qū)動法”的單片機課程一體化教學的探索與實踐［J］.計算機教育，2010，（6）：78－81.