《單片機(jī)基礎(chǔ)及應(yīng)用》課程實(shí)踐模式探索*

馮惠秋 呂 寧

（江蘇省聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州技師分院 江蘇 常州213017）

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟、 硬件技術(shù)的飛速發(fā)展， 單片機(jī)技術(shù)在智能儀器儀表、智能傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理、家電、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)是在生產(chǎn)服務(wù)第一線工作的高層次實(shí)用人才。 培養(yǎng)掌握綜合運(yùn)用單片機(jī)的軟硬件實(shí)用技術(shù)，具有技術(shù)應(yīng)用能力、 創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)精神的高素質(zhì)人才，為工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等領(lǐng)域服務(wù)，是單片機(jī)課程教學(xué)面臨的新挑戰(zhàn)。

《單片機(jī)基礎(chǔ)及應(yīng)用》 是五年制高職自動(dòng)化、電子、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的一門專業(yè)課程，也是多年來(lái)公認(rèn)的“問(wèn)題課程”。 大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)都是第一次接觸到這種器件， 對(duì)其沒(méi)有任何感性的認(rèn)識(shí)。 因此，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)于許多新的概念無(wú)法產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)物映像，學(xué)習(xí)中存在非常大的困難。 傳統(tǒng)的教學(xué)方式是在教室內(nèi)由教師按照書(shū)本傳授系統(tǒng)的理論知識(shí)，然后通過(guò)若干驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行知識(shí)的鞏固加強(qiáng)。 這種方式易造成理論與實(shí)踐的分割，不利于學(xué)生接受新的概念。 在學(xué)習(xí)理論時(shí)，由于沒(méi)有實(shí)物概念，要接受許多抽象的概念是不容易的。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于驗(yàn)證性試驗(yàn)的軟件和硬件都是現(xiàn)成的， 學(xué)生不用進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，主觀能動(dòng)性得不到充分的發(fā)揮。 許多學(xué)生學(xué)完單片機(jī)課程后仍然不能掌握其基本應(yīng)用。 筆者結(jié)合多年的教學(xué)科研經(jīng)驗(yàn)，提出基于“任務(wù)驅(qū)動(dòng)法” 的單片機(jī)課程實(shí)踐模式，為單片機(jī)課程改革提供參考。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法是以工作任務(wù)為中心，組織、選擇、學(xué)習(xí)、應(yīng)用知識(shí)的一種課程模式。即在教學(xué)過(guò)程中，以客觀的、 貼近實(shí)際應(yīng)用的工作任務(wù)為中心，在任務(wù)完成的過(guò)程中，將相關(guān)理論知識(shí)的傳授與實(shí)踐動(dòng)手能力的提高有機(jī)地結(jié)合在一起， 寓理論于實(shí)踐中。 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法課程實(shí)踐的實(shí)施主要包括： 任務(wù)導(dǎo)入→任務(wù)剖析→任務(wù)分解→知識(shí)點(diǎn)導(dǎo)學(xué)→知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用→模塊搭建→模塊組合→任務(wù)完成。具體地講，任務(wù)導(dǎo)入即是發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用， 引導(dǎo)學(xué)生明確本次工作任務(wù)。 教師要努力創(chuàng)設(shè)當(dāng)前所學(xué)內(nèi)容與真實(shí)應(yīng)用環(huán)境相接近的工作任務(wù)， 充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用， 采用啟發(fā)式教學(xué)對(duì)任務(wù)功能進(jìn)行剖析， 并分解成為一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊。 學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)入當(dāng)前任務(wù)所需知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中逐步養(yǎng)成獨(dú)立思考、 自行理解和消化知識(shí)點(diǎn)、 學(xué)會(huì)查找和收集各類與任務(wù)有關(guān)的資料信息， 應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)將工作任務(wù)分解成的模塊搭建好， 再將各模塊按照邏輯關(guān)系組合起來(lái)， 形成工作任務(wù)完整的解決方案，最終實(shí)施完成工作任務(wù)。

為了改變傳統(tǒng)教學(xué)中照本宣科，教師教得費(fèi)力、學(xué)生學(xué)得辛苦的現(xiàn)象，我們?cè)凇秵纹瑱C(jī)基礎(chǔ)及應(yīng)用》課程中引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的課程實(shí)踐模式。 在課程實(shí)踐中，學(xué)生圍繞工作任務(wù)分成若干組， 邊學(xué)習(xí)、邊思考、邊動(dòng)手，通過(guò)教師的理論傳授和實(shí)踐示范，完成與工作任務(wù)相關(guān)的理論知識(shí)學(xué)習(xí)和提高動(dòng)手能力的課程實(shí)踐活動(dòng)， 使學(xué)生了解、熟悉、掌握單片機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展方向和實(shí)際應(yīng)用。

智能車輛是一個(gè)集中地運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、通訊導(dǎo)航技術(shù)、人工智能及機(jī)器人學(xué)等高新技術(shù)的綜合體，我們?cè)O(shè)計(jì)的工作任務(wù)——制作一輛智能小車，就是這種綜合體的一種嘗試。 它主要包括系統(tǒng)的核心控制器 （MCU）——單片機(jī)， 運(yùn)動(dòng) 方式——機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)， 檢測(cè)方式——傳感器技術(shù)，控制方式——電機(jī)、舵機(jī)，通訊方式——串口通訊、無(wú)線通訊等方面的技術(shù)。 下面以智能小車為平臺(tái)，探索《單片機(jī)基礎(chǔ)及應(yīng)用》課程實(shí)踐模式，起到拋磚引玉的作用。

首先提出任務(wù)要求： 焊接、裝配、調(diào)試一輛由單片機(jī)控制的智能小車。 按照功能要求對(duì)智能小車進(jìn)行總體方案、小車模型的硬件方框圖、程序流程圖、控制策略的設(shè)計(jì)。要求利用傳感器， 在中斷管理、定時(shí)管理、時(shí)序管理的復(fù)合控制方式下，將軟件與硬件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能小車的自動(dòng)識(shí)別路線（尋跡）、判斷并躲避障礙（避障）、顯示運(yùn)行的路程、轉(zhuǎn)速等功能。

完成以上任務(wù)所需的理論基礎(chǔ)是掌握STC89C52 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、單片機(jī)的I/O 口設(shè)置、單片機(jī)的中斷/ 定時(shí)功能、紅外線傳感器知識(shí)、液晶顯示技術(shù)、光電碼盤技術(shù)、 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與PWM 調(diào)速原理。其中單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、I/O 口設(shè)置和單片機(jī)的中斷/ 定時(shí)功能的知識(shí)已經(jīng)在前面的教學(xué)中傳授給學(xué)生，并且進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的應(yīng)用與設(shè)計(jì)。 智能小車工作任務(wù)中需用到的理論知識(shí)是要重點(diǎn)剖析采用兩輪差分驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路與PWM 調(diào)速原理。 難點(diǎn)在于利用紅外線傳感器反射接收原理，檢測(cè)智能小車車輪的偏轉(zhuǎn)情況，然后輸出高低電平傳送給單片機(jī)，控制小車能夠?qū)ふ揖哂幸欢ê诎讓?duì)比度的黑線， 進(jìn)行沿直線或沿弧線快速行駛；當(dāng)小車探測(cè)到前方有障礙物時(shí)，要能自動(dòng)調(diào)整，躲避障礙物，從無(wú)障礙區(qū)通過(guò)；為了使智能小車具有良好的人機(jī)界面， 采用LCD1602 液晶屏作為顯示器，顯示當(dāng)前時(shí)間和小車行駛的路程及轉(zhuǎn)速。

需要配置的硬件平臺(tái)是：SX-108B 可編程器件產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作實(shí)訓(xùn)考核設(shè)備、THDPT-1 型單片機(jī)開(kāi)發(fā)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、RF-X1 單片機(jī)開(kāi)發(fā)板、帶串口轉(zhuǎn)接卡、內(nèi)存為1GB 的PC 機(jī)等。

軟件平臺(tái)為：Keil-uvision3 仿真 軟 件、Protel99SE、Rhinoceros4.0繪圖軟件、51 單片機(jī)匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、51 單片機(jī)C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等。

如果有的學(xué)生能夠輕松完成以上任務(wù)，還可以進(jìn)行以下能力擴(kuò)展：無(wú)線遙控/按鍵控制小車的啟動(dòng)/停止、能夠在光源（前方200W 燈泡）的引導(dǎo)下行駛，進(jìn)入指定位置（尋找光源）、檢測(cè)路面所放置的鐵片個(gè)數(shù)并聲光提示、 通過(guò)計(jì)算機(jī)終端遠(yuǎn)程遙控小車的運(yùn)行和小車上的無(wú)線攝像頭， 將小車運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)和拍攝的視頻、照片回傳到計(jì)算機(jī)終端。

為了順利地進(jìn)行課程實(shí)踐，建議采取以下步驟來(lái)實(shí)施：

第1 步： 在課程實(shí)踐期間，學(xué)校提供每個(gè)學(xué)生一套智能小車零件（基本配置為150 元/套）。

控制核心MCU 選用國(guó)內(nèi)教學(xué)使用最多的51 系列單片機(jī)中的改進(jìn)型STC89C52，有8K FalshROM，512 字節(jié)RAM，集成ISP（在系統(tǒng)可編程）/IPA（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用的編程器/仿真器， 可通過(guò)串行口直接下載用戶程序。 配置一個(gè)經(jīng)濟(jì)、小巧的底盤，使得小車比較精致，方便學(xué)生攜帶，降低場(chǎng)地大小的要求，更適合在教室、宿舍等狹小空間使用，不必費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢地準(zhǔn)備場(chǎng)地。 硬件設(shè)計(jì)便于擴(kuò)充結(jié)構(gòu)，方便學(xué)生因?yàn)樵黾庸δ芏砑觽鞲衅鳎?添加無(wú)線通訊芯片等，甚至可以替換MCU。 提供相關(guān)資料，讓學(xué)生了解智能小車的各類技術(shù)信息，安排一定的課時(shí)普及智能小車的知識(shí)以及軟件設(shè)計(jì)中所需的編程基礎(chǔ)和技巧。

第2 步： 要求學(xué)生安裝小車，然后將編制好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)芯片，進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)最基本的尋跡、避障與顯示功能。

第3 步：完成第2 步后，提出一些難度恰當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)項(xiàng)目，鼓勵(lì)有能力的學(xué)生在教師的指導(dǎo)下充分發(fā)揮潛力。

第4 步： 課程實(shí)踐結(jié)束時(shí)，每個(gè)學(xué)生對(duì)自己設(shè)計(jì)制作的小車現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，寫(xiě)出書(shū)面的智能小車技術(shù)報(bào)告，要求有功能分析、詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)、嚴(yán)格按照匯編語(yǔ)言或C 語(yǔ)言編寫(xiě)規(guī)范的源程序、調(diào)試步驟、測(cè)試報(bào)告等文檔，包括所需的圖片和視頻文件。

第5 步： 課程實(shí)踐結(jié)束后，每個(gè)學(xué)生繼續(xù)持有自己的智能小車作品（見(jiàn)圖1），并根據(jù)自己的設(shè)想，提出小車的升級(jí)功能，與教師一起進(jìn)行可行性分析之后，在業(yè)余學(xué)習(xí)中逐步去實(shí)施完成，為今后出色完成畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。

圖1 學(xué)生制作的“單片機(jī)智能小車”作品圖

如果能在多個(gè)班級(jí)實(shí)施智能小車課程實(shí)踐教學(xué)，那么當(dāng)智能小車擁有量超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，就可以開(kāi)展校內(nèi)的“智能小車競(jìng)賽”。 競(jìng)賽優(yōu)勝者還可以選送參加市、省乃至全國(guó)性的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽。 如果校內(nèi)的“智能小車競(jìng)賽”設(shè)計(jì)合理，就可以辦成常規(guī)性的賽事，如同校內(nèi)各種球類比賽那樣普及。 當(dāng)有這類有益的比賽填充學(xué)生的業(yè)余生活時(shí)，就會(huì)將部分學(xué)生的精力從電腦游戲中吸引過(guò)來(lái)，通過(guò)制作智能小車找到自己學(xué)習(xí)的目標(biāo)，把被動(dòng)學(xué)習(xí)變成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)。

另外，還可以不斷組織展示活動(dòng)，讓那些小車升級(jí)做得好的學(xué)生得以表現(xiàn)。 教師輔導(dǎo)他們完善相關(guān)資料，最后以此作為向用人單位自薦的作品。 當(dāng)用人單位對(duì)那些成績(jī)單、簡(jiǎn)歷將信將疑時(shí)，如果學(xué)生能夠交出一份凝結(jié)著自己知識(shí)結(jié)晶的智能小車作品，或許真能幫助其找到如意的工作。

通過(guò) 《單片機(jī)基礎(chǔ)及應(yīng)用》課程實(shí)踐的探索，我們期待學(xué)生初步學(xué)會(huì)解決單片機(jī)應(yīng)用實(shí)際問(wèn)題的思維方式、工作方法，具備基本的工藝意識(shí)，了解實(shí)際工作中的常用儀器設(shè)備、軟硬件平臺(tái)，知道現(xiàn)實(shí)中有許多約束條件， 學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，學(xué)會(huì)查閱資料，學(xué)會(huì)合理利用資源，學(xué)會(huì)求助、合作、交流，學(xué)會(huì)書(shū)寫(xiě)技術(shù)文檔，養(yǎng)成良好的工作素質(zhì)，為今后就業(yè)能很快適應(yīng)工作崗位奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]蔡朝洋.單片機(jī)控制實(shí)習(xí)與專題制作[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2]王宜懷，劉曉升.嵌入式應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]邵貝貝，等.單片機(jī)認(rèn)識(shí)與實(shí)踐[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]周堅(jiān).單片機(jī)C 語(yǔ)言輕松入門[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.