基于Arduino單片機(jī)項目的C語言程序設(shè)計教學(xué)

鄧云+朱海燕

【摘 要】本文提出結(jié)合電類專業(yè)的特點，引入Arduino單片機(jī)項目作為主線，開展C語言程序設(shè)計教學(xué)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)成效。

【關(guān)鍵詞】C語言 項目教學(xué) 單片機(jī)項目

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）05C-0158-03

一直以來，傳統(tǒng)C語言程序設(shè)計教學(xué)主要是以語法、語句和結(jié)構(gòu)為中心，以數(shù)據(jù)類型、變量、運(yùn)算符、數(shù)組、指針和函數(shù)等為基本知識點展開。這樣的教學(xué)模式雖然可以很好地按照教材逐一講授知識內(nèi)容，但是也容易使學(xué)生陷入知識細(xì)節(jié)，而忽視C語言程序的具體應(yīng)用。雖然學(xué)生通過不斷地學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識和練習(xí)經(jīng)典算法，能夠閱讀、修改、編寫簡單C語言程序，但是學(xué)生的抽象思維、自主創(chuàng)新意識、解決實際問題能力難以得到全面培養(yǎng)。另外，由于高職學(xué)生的計算機(jī)基礎(chǔ)、邏輯思維、英語基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)運(yùn)算等綜合能力都較為薄弱，這些因素也影響了學(xué)生學(xué)習(xí)C語言程序設(shè)計的興趣。

因此，為了提升學(xué)生閱讀、編寫和調(diào)試程序的能力，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)C語言程序設(shè)計的興趣，結(jié)合電類專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，提出以單片機(jī)項目為載體的C語言程序設(shè)計教學(xué)模式，通過實驗現(xiàn)象啟發(fā)學(xué)生思考目標(biāo)實現(xiàn)方法，在實驗過程中引入重點理論知識，讓學(xué)生帶著興趣和目標(biāo)進(jìn)行C語言單片機(jī)項目學(xué)習(xí)。

一、引入單片機(jī)項目驅(qū)動C語言程序設(shè)計教學(xué)

首先讓學(xué)生體驗C語言編程控制單片機(jī)樂趣，然后，通過不同的項目引入C語言程序的結(jié)構(gòu)、語法、語句等相關(guān)知識內(nèi)容。例如，通過典型的跑馬燈項目引入for循環(huán)語句，通過數(shù)碼管倒計時顯示引入一維數(shù)組，通過八路搶答器引入if、switch選擇語句。利用單片機(jī)項目直觀可控的特點，以實用、夠用為導(dǎo)向，構(gòu)建適合高職學(xué)生特點的C語言單片機(jī)項目框架，具體的教學(xué)項目框架如圖1所示。

（一）引入簡單易學(xué)的Arduino單片機(jī)實訓(xùn)平臺

由于51系列單片機(jī)價格低廉，且配套教學(xué)資源豐富，傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)一般都是采用51系列單片機(jī)，但是，51單片機(jī)最大的問題就是需要使用者掌握其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、寄存器、I/O設(shè)備等諸多底層硬件結(jié)構(gòu)，然后才能開展C語言程序設(shè)計教學(xué)，過多的底層硬件結(jié)構(gòu)會增加學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)編程的難度，而Arduino平臺則繞開了單片機(jī)底層硬件結(jié)構(gòu)，僅需少量指令即可開始程序設(shè)計，其自帶庫函數(shù)也已包含許多常用I/O設(shè)備驅(qū)動，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，很容易完成功能多樣的作品。

Arduino平臺的軟硬件完全開源，許多常用子函數(shù)已經(jīng)封裝成為庫函數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行程序編寫，可以大大縮短軟件開發(fā)周期，提升編程效率。

例如，編寫一個毫秒級的延時函數(shù)，使用51單片機(jī)編寫則需要多行代碼才可實現(xiàn)，具體延時函數(shù)如下：

void delay_ms（uchar t）

{ uchar i，k；

while（t--）

{ for（i=1；i<130；i++）

for（k=1；k<130；k++） ；}

}

但是，采用Arduino單片機(jī)只需調(diào)用一個毫秒級延時函數(shù)，即編寫以下一條代碼：

delay（n）； // 括號中的n表示延時長度，單位為ms。

一個同樣功能的延時函數(shù)，51單片機(jī)需要多行代碼，而Arduino單片機(jī)僅需一個函數(shù)調(diào)用，這種把過程集合化、函數(shù)化的過程省去了繁瑣的細(xì)節(jié)，既簡化了編程工作量，又讓學(xué)生更容易理解和接受。

（二）單片機(jī)控制LED閃爍，學(xué)習(xí)while循環(huán)語句

單片機(jī)控制一個LED燈閃爍項目的程序和硬件電路都比較簡單，很適合作為C語言單片機(jī)教學(xué)的入門實驗，LED燈閃爍流程圖及主要對應(yīng)代碼如圖2所示。通過觀察LED燈閃爍實驗現(xiàn)象，啟發(fā)學(xué)生思考實現(xiàn)LED燈閃爍的分解步驟，結(jié)合C語言程序代碼，學(xué)生可以直觀了解C語言程序控制指令在LED燈上所呈現(xiàn)的對應(yīng)關(guān)系。

在此項目驅(qū)動之下，學(xué)生更加容易理解while循環(huán)語句的使用方法，同時，也能啟發(fā)學(xué)生思考項目中其它C語言程序的知識要點：

1.Arduino單片機(jī)C語言認(rèn)知。單片機(jī)C語言程序的結(jié)構(gòu)是由setup（）初始化函數(shù)和Loop（）主函數(shù)構(gòu)成，初始化函數(shù)主要完成單片機(jī)I/O口的功能設(shè)定，例如，pinMode（i，OUTPUT），表示第i個引腳為低阻抗輸出模式；Loop（）函數(shù)則是一個程序里面的主函數(shù)，編程者的所有想法可以通過C語言控制單片機(jī)具體實施。

2.變量及函數(shù)調(diào)用。通過觀察LED燈閃爍的快慢，深入學(xué)習(xí)延時函數(shù)delay（n）的使用方法，其中n為參數(shù)傳遞，控制延時長度，單位是毫秒，調(diào)整變量n即可改變LED的閃爍速度。

3.賦值及輸出控制。digitalWrite（ledpin，HIGH）語句表示ledpin引腳輸出高電平，單片機(jī)所有數(shù)字引腳有兩種狀態(tài)，分別為高電平HIGH和低電平LOW，其狀態(tài)的改變由關(guān)鍵詞digitalWrite進(jìn)行控制。

4.順序結(jié)構(gòu)及循環(huán)結(jié)構(gòu)。C語言程序一般默認(rèn)是按照順序結(jié)構(gòu)執(zhí)行代碼指令，但是，在執(zhí)行重復(fù)且有規(guī)律事件的時候需用循環(huán)控制結(jié)構(gòu)，LED燈閃爍就是一個不斷重復(fù)亮滅的過程，因此，while語句或for語句都可以實現(xiàn)循環(huán)控制功能。

（三）開關(guān)控制LED燈，學(xué)習(xí)if選擇語句

外部開關(guān)控制LED燈的亮滅，實驗現(xiàn)象為：閉合開關(guān)SW則LED燈亮，斷開開關(guān)SW則 LED燈熄滅。通過此項目可以引導(dǎo)學(xué)生掌握單片機(jī)I/O口狀態(tài)的讀取方法，以及重點使用if語句進(jìn)行邏輯狀態(tài)判別，程序關(guān)鍵代碼如下：

k=digitalRead（SW）； //讀取數(shù)字腳0口的狀態(tài)，需要digitalRead（ ）語句才能得到引腳的狀態(tài)。

if（k==0） //判斷開關(guān)的狀態(tài)，按下為0，放開為1。

digitalWrite（ledpin，HIGH）； //寫ledpin狀態(tài)，HIGH驅(qū)動燈亮。

else

digitalWrite（ledpin，LOW）； //寫ledpin狀態(tài)，LOW則燈滅。

在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行功能深入拓展，把一些實際生活經(jīng)驗引入程序設(shè)計。例如，當(dāng)開關(guān)斷開后，LED燈需要延時一段時間再熄滅，這樣的邏輯思維可以很好解決晚上關(guān)燈后不需要摸黑上床睡覺的問題，以此類推，啟發(fā)學(xué)生思考其它類型用到開關(guān)輸入量的地方，還有銀行ATM的按鍵、食堂刷卡機(jī)等生活實例，這樣就能很好激發(fā)學(xué)生的自主探索精神和學(xué)習(xí)熱情。

（四）單片機(jī)控制LED流水燈，學(xué)習(xí)for循環(huán)語句

在第一個LED燈閃爍項目的基礎(chǔ)上，增加LED燈的數(shù)量，讓LED燈呈現(xiàn)流水效果，利用Arduino單片機(jī)的數(shù)字IO口D0至D7分別控制八個LED燈，LED流水燈的硬件電路如圖3所示，關(guān)鍵語句如下：

for（i=0；i<8；i++） //控制8個燈從左到右輪流亮滅，實現(xiàn)視覺流水效果。

結(jié)合實驗現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考for循環(huán)語句的用法，重點掌握語句中循環(huán)變量初值的設(shè)定、循環(huán)次數(shù)、結(jié)束條件，以及循環(huán)內(nèi)容的分解步驟。借助LED燈輪流點亮的過程，可以讓學(xué)生很好理解延時變量長度對應(yīng)控制LED流水速度，循環(huán)次數(shù)對應(yīng)控制參與循環(huán)LED個數(shù)，這種直接讓程序語句關(guān)聯(lián)實驗現(xiàn)象的教學(xué)方法，能更加直觀有效幫助學(xué)生掌握for語句的使用方法。在八路LED流水燈的基礎(chǔ)上，還可以引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)增加LED燈的數(shù)量，制作心形LED流水燈，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新思維，編寫更加豐富多彩的LED流水效果。

（五）控制數(shù)碼管顯示，學(xué)習(xí)一維數(shù)組

通過控制一個數(shù)碼管顯示一位數(shù)字，引入七段數(shù)碼管顯示驅(qū)動方式，然后進(jìn)一步學(xué)習(xí)顯示數(shù)字“0”到“9”的方法，并且把驅(qū)動數(shù)碼管顯示的編碼進(jìn)行歸納形成一個組，自然引入“一維數(shù)組”概念。驅(qū)動一位數(shù)碼管顯示的硬件電路如圖4所示，其中單片機(jī)的數(shù)字腳D0至D6分別接到七數(shù)碼管的a至g引腳。

數(shù)字“0”到“9”的一維數(shù)組編碼定義為：char table []={0x40，0xf9，0xa4，0x30，0x19，0x92，0x02，0xf8，0x00，0x10}，分別將數(shù)組中的編碼通過八位并行輸出方式驅(qū)動七段數(shù)碼管，即可顯示“0”至“9”之間的數(shù)字，C語言的輸出表達(dá)方式為：PORTD=table[i]；在顯示固定單個數(shù)字的基礎(chǔ)之上，還可以結(jié)合for循環(huán)語句和delay（n）延時函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)字“0”至“9”之間循環(huán)動態(tài)顯示。

在完成數(shù)碼顯示基本功能之后，繼續(xù)沿用該硬件電路，引導(dǎo)學(xué)生修改程序代碼，設(shè)計一個“九秒倒計時器”，并且使用定時器取代delay（）延時函數(shù)，讓學(xué)生在清楚項目要求和實驗結(jié)果的前提之下，運(yùn)用C語言編寫定時中斷函數(shù)。

結(jié)合實際生活，在原有硬件電路基礎(chǔ)之上，增加一定數(shù)量的按鍵開關(guān)，即可變成一個多路搶答器，啟發(fā)學(xué)生思考如何檢測鍵盤輸入、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示及鎖定，在完成邏輯分析之后，再具體引入端口狀態(tài)讀取函數(shù)digitalRead（）、是否有按鍵搶答判別語句if（）、結(jié)果顯示語句PORTD=table[i]、狀態(tài)鎖定使用循環(huán)語句while（）等關(guān)鍵C語言知識，通過搶答器項目的學(xué)習(xí)，能夠幫助學(xué)生直觀認(rèn)識C語言的更多用途，激發(fā)學(xué)生繼續(xù)深入C語言程序設(shè)計。

（六）控制LED點陣顯示，學(xué)習(xí)二維數(shù)組

類比日常生活，點陣顯示廣告屏在街上隨處可見，深入分析點陣屏顯示原理，可以把大型屏幕可以分解成多個16×16或8×8的小模塊，結(jié)合點陣顯示現(xiàn)象引入“二維數(shù)組”，讓學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象聯(lián)系C語言程序運(yùn)用場合，這樣的項目導(dǎo)入方式能夠有效提高學(xué)習(xí)針對性。通過進(jìn)一步分析點陣顯示過程，可以明確點陣顯示需要行列同步配合、延時長度合適才能正常工作，該項目重點訓(xùn)練了如何從二維數(shù)組里調(diào)取行和列的信息，以及合理控制延時函數(shù)的方法，結(jié)合C語言程序綜合運(yùn)用了逐行動態(tài)掃描技術(shù)。經(jīng)過點陣顯示控制項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握C語言控制一個靜態(tài)字的顯示方法，同時，引導(dǎo)學(xué)生思考如何實現(xiàn)動態(tài)顯示多個文字，讓學(xué)生自主思考C語言程序更豐富的應(yīng)用范圍。

（七）設(shè)計簡易數(shù)字溫度計，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理及函數(shù)調(diào)用

溫度是日常生活中經(jīng)常接觸的一個物理對象，冰箱、空調(diào)和電磁爐等家電都需用到溫度測量與控制，因此，利用單片機(jī)設(shè)計一個簡易數(shù)字溫度計能夠接近實際生活，比較容易吸引學(xué)生參與項目設(shè)計與制作。

由于溫度為連續(xù)變化的模擬量，需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后才能送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而Arduino單片機(jī)集成有十位模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，即溫度模擬量對應(yīng)0～1023之間的數(shù)字量。因此，簡易的數(shù)字溫度計的設(shè)計思路是：首先進(jìn)行溫度模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，然后將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行換算處理，最后將處理后的實際溫度值送入LCD液晶顯示。

簡易數(shù)字溫度計的設(shè)計流程圖及其主要程序代碼如圖5所示，通過簡易數(shù)字溫度計項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握參數(shù)傳遞、返回值、函數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)運(yùn)算等C語言相關(guān)知識。

（八）設(shè)計無弦電子琴，綜合運(yùn)用C語言程序設(shè)計

電子琴已然成為了人們喜愛的一種演奏樂器，通過單片機(jī)也可以設(shè)計一種無弦電子琴，一段樂曲是由許多不同的音階構(gòu)成，每一個音階對應(yīng)著一個獨有的頻率點，因此，只需要將不同的頻率點進(jìn)行有規(guī)律的組合，就可以譜寫一段有趣的音樂。利用單片機(jī)定時器產(chǎn)生不同頻率的方波是一件非常容易實現(xiàn)的事，前提是需要把某一首歌曲的音階所對應(yīng)的頻率點弄清楚即可，電子琴的按鍵將由光電傳感器替代，即光電管感應(yīng)器輸出高低電平作為音符的按鍵，每一個按鍵對應(yīng)一個音階，單片機(jī)只需檢測I/O口的高低電平即可判斷是否有鍵按下，然后，輸出特定頻率的方波驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出對應(yīng)的音階。

現(xiàn)以八度中音音符為例，音符與頻率關(guān)系的相關(guān)計算數(shù)值如表1所示，單片機(jī)定時器TIMER產(chǎn)生各中音的定時長度根據(jù)表1數(shù)據(jù)即可完成設(shè)定，將全部中音音符建立成一個表格，單片機(jī)通過查表方式可以快速獲取與音符頻率相對應(yīng)的定時值。

電子琴項目具有較強(qiáng)的互動性，學(xué)生通過體驗無弦彈奏的樂趣，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生設(shè)計、制作單片機(jī)電子琴的興趣，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用C語言程序控制硬件電路的能力。

二、結(jié)束語

本文針對C語言程序設(shè)計在應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)中所存在的問題，提出了以單片機(jī)為載體的項目式教學(xué)法，把C語言程序設(shè)計的重點知識融入相關(guān)子項目，讓學(xué)生帶著興趣和目標(biāo)進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，通過項目設(shè)計與制作提高學(xué)生編寫、調(diào)試C程序的能力，經(jīng)過兩個學(xué)期的實踐教學(xué)，學(xué)生編程技能得到有效提高，教學(xué)效果有了明顯改善，基本實現(xiàn)預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。

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【作者簡介】鄧 云（1983— ），男，廣西全州人，碩士，廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：電子技術(shù)。

（責(zé)編 丁 夢）