基于流水燈的“微控制器應(yīng)用”課程項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

彭遠(yuǎn)芳，張靜，黃曉峰

摘 要：“微控制器應(yīng)用”課程是高職應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)核心課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題能力，以及創(chuàng)新能力都具有十分重要的作用。但由于課程邏輯性強(qiáng)，與其他課程的關(guān)聯(lián)度大，加之高職學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)較弱、主動(dòng)學(xué)習(xí)意愿不夠強(qiáng)烈，隨著課程內(nèi)容的逐步加深，許多學(xué)生會(huì)逐漸失去學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果不甚理想。如何讓多數(shù)學(xué)生掌握課程的主要內(nèi)容并保持學(xué)習(xí)的興趣與動(dòng)力，在項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重要性不容小覷。文章以流水燈控制為主線，以最大范圍涵蓋課程主要內(nèi)容為目的，設(shè)計(jì)了若干個(gè)基礎(chǔ)教學(xué)項(xiàng)目，項(xiàng)目功能簡(jiǎn)單具體、可操作性強(qiáng)，在課程教學(xué)實(shí)施中避免了學(xué)生的畏難情緒，滿足了學(xué)生對(duì)“微控制器應(yīng)用”課程的基礎(chǔ)要求，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：流水燈;微控制器應(yīng)用;基礎(chǔ)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G712

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2018-11-14

基金項(xiàng)目：上海工程技術(shù)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目“微控制器應(yīng)用課程建設(shè)”（k201716003）。

作者簡(jiǎn)介：彭遠(yuǎn)芳（1968—），女，重慶人，副教授，碩士，主要從事C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、微控制器應(yīng)用以及電子線路板設(shè)計(jì)等課程的教學(xué)工作。

一、高職“微控制器應(yīng)用”課程

高職“微控制器應(yīng)用”課程以電子電路的分析與實(shí)踐能力、電子線路板的設(shè)計(jì)能力為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)以單片機(jī)為微控制器的典型小系統(tǒng)調(diào)試與開發(fā)的全過程，該課程涉及模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、集成電路應(yīng)用、傳感器應(yīng)用技術(shù)以及C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，并為后續(xù)課程如CPLD/FPGA應(yīng)用技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，更為學(xué)生畢業(yè)后從事智能儀表、汽車電子及其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品的調(diào)試、設(shè)計(jì)與制造，以及繼續(xù)學(xué)習(xí)與職業(yè)能力的提升起支撐作用，因此該課程對(duì)應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的學(xué)生顯得尤為重要。

筆者提出通過項(xiàng)目教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，為此設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)、提高、拓展項(xiàng)目以適應(yīng)不同學(xué)習(xí)需求的學(xué)生，在教學(xué)實(shí)踐中，由于學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、接受能力、主觀能動(dòng)性迥異，加之課程內(nèi)容多學(xué)時(shí)少，之前設(shè)計(jì)的提高及拓展項(xiàng)目不能為多數(shù)學(xué)生所接受，為改變曲高和寡的處境？以流水燈控制為主線，以最大范圍涵蓋課程主要內(nèi)容為目的，設(shè)計(jì)了若干個(gè)基礎(chǔ)教學(xué)項(xiàng)目，在極少改變硬件組成的前提下，通過不同的控制方式將教學(xué)內(nèi)容蘊(yùn)涵于項(xiàng)目中，克服了學(xué)生在遭遇新知識(shí)點(diǎn)時(shí)的畏難情緒，使得多數(shù)學(xué)生能夠跟著教師的思路學(xué)習(xí)，在經(jīng)歷這樣一個(gè)慢熱的過程后，基本掌握了課程基礎(chǔ)內(nèi)容，學(xué)習(xí)興趣也由此被激發(fā)出來(lái)。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

圖1為典型流水燈硬件電路（晶振電路和復(fù)位電路略），其中P1口作為外接獨(dú)立式按鍵，P2口輸出低電平點(diǎn)亮發(fā)光二極管。以該電路為基礎(chǔ)，采用不同的控制方式，體現(xiàn)課程中最基礎(chǔ)最重要的內(nèi)容，具體設(shè)計(jì)如下。

（一）I/O口的基本應(yīng)用

1.項(xiàng)目1-無(wú)鍵控制的流水燈

暫不考慮按鍵控制，I/O口的輸出從1位發(fā)光二極管（如D0）的閃爍→（D0～D7）左移流水/右移流水→花樣流水燈圖案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在項(xiàng)目功能實(shí)現(xiàn)的過程中，先要理解“閃爍”“流水”的原理，分別掌握利用左移/右移運(yùn)算符、字符串循環(huán)左移/右移函數(shù)實(shí)現(xiàn)左右移流水的方法;對(duì)于花樣流水燈，如設(shè)置從八路LED閃爍→左移流水→右移流水→兩個(gè)亮點(diǎn)從中間向兩側(cè)舒展→兩個(gè)亮點(diǎn)從兩側(cè)向中間收縮→八路LED閃爍為1次循環(huán)，掌握采用子函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)花樣流水效果，以及利用一維數(shù)組存儲(chǔ)和輸出花樣流水圖形數(shù)據(jù)表這兩種方法。

2.項(xiàng)目2-通用I/0口鍵控流水燈

（1）單鍵控制的流水燈。為方便起見（如K0），KO未動(dòng)作記為KO+0，按下/釋放n次記為KO+n動(dòng)作，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中可設(shè)置K0+0為八路LED閃爍，K0+1左移流水，K0+2右移流水，K0+3兩個(gè)亮點(diǎn)從中間向兩側(cè)舒展，K0+4兩個(gè)亮點(diǎn)從兩側(cè)向中間收縮，K0+5隔路左移流水，K0+6隔路右移流水，K0+7左四路和右四路交替亮滅，K0+8則回到K0+0。

程序設(shè)計(jì)中，通過引入一次鍵動(dòng)作的判斷（包括按下/釋放及鍵抖動(dòng)處理）、按鍵動(dòng)作次數(shù)的計(jì)數(shù)，掌握用兩種分支結(jié)構(gòu)（if-else if語(yǔ)句和switch-case語(yǔ)句）對(duì)按鍵動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并比較這兩種分支結(jié)構(gòu)的異同。

（2）多鍵控制的流水燈。依據(jù)圖1，在功能設(shè)計(jì)上由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，如基本功能可設(shè)計(jì)為Ki鍵動(dòng)作（i=1～8），發(fā)光二極管Di被點(diǎn)亮;進(jìn)一步可將上述花樣流水圖案進(jìn)行分解，設(shè)計(jì)為Ki鍵動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)圖案中的第i個(gè)流水動(dòng)作（動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)可自定義）。

通過項(xiàng)目1-2，學(xué)生掌握了通用I/O口的輸入輸出特性、程序基本結(jié)構(gòu)和編程方法。

（二）外中斷及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷的應(yīng)用

中斷系統(tǒng)是單片機(jī)最重要的資源，包括外部中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷以及串行口中斷。中斷系統(tǒng)的應(yīng)用是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，通過單片機(jī)外中斷及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷控制流水燈的運(yùn)行。如圖2，保留K2-K5并分別與INT0/INT1、T0/T1接口，項(xiàng)目具體內(nèi)容如下。

1.項(xiàng)目3-利用外部中斷控制流水燈

先引入INT0/INT1（K2/K3作為中斷源），暫不考慮K4/K5，如設(shè)置無(wú)鍵按下為左移流水→右移流水的循環(huán)，K2動(dòng)作則8路閃爍持續(xù)5S報(bào)警，K3動(dòng)作則完成上述項(xiàng)目2中單鍵控制的花樣流水燈功能（持續(xù)10S），INT0/INT1選用邊沿觸發(fā)。

該項(xiàng)目功能雖簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)過程中涉及的知識(shí)點(diǎn)卻很多也相當(dāng)重要。如通用I/O口外接按鍵的軟件去抖動(dòng)和INT0/INT1外接按鍵的軟件去抖動(dòng)有何異同？如何實(shí)現(xiàn)？采用中斷方式為何多選用邊沿觸發(fā)而不是電平觸發(fā)？為何中斷函數(shù)一般要求盡可能短？INT0中斷函數(shù)如何設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)8路閃爍報(bào)警持續(xù)5s（INT1亦如此即完成花樣流水燈持續(xù)10s的功能），需知多數(shù)學(xué)生均會(huì)將5s或10s延時(shí)放在中斷服務(wù)函數(shù)中，這顯然是不合理的，啟發(fā)學(xué)生可以為INT0/INT1各設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位flag0/flag1，以及增設(shè)兩個(gè)計(jì)數(shù)變量C0/C1，通過調(diào)用1s延時(shí)函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)5s/10s延時(shí)，在此基礎(chǔ)上將項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)的功能通過邏輯關(guān)系加以詳細(xì)描述，再利用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)無(wú)比奇妙的過程。

2.項(xiàng)目4-利用計(jì)數(shù)器控制流水燈

忽略K2-K4，為方便起見，K5未動(dòng)作記為K5+0，按下/釋放m次記為K5+m。項(xiàng)目設(shè)計(jì)為在K5按下m次完成花樣流水燈的第m個(gè)動(dòng)作（m=1～8），且持續(xù)ms（通過定時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)）。

為此T1為8位自動(dòng)重裝初值的計(jì)數(shù)器，初值設(shè)置為0XFF，工作于查詢方式;T0為定時(shí)器方式1，工作于中斷控制方式（50ms溢出一次），另設(shè)置兩個(gè)計(jì)數(shù)變量C0/C1，其中C0用以對(duì)K5動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，C1對(duì)T0溢出次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)1s-8s的延時(shí)。在程序結(jié)構(gòu)上，選用switch-case結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)花樣流水動(dòng)作的分解與延時(shí)時(shí)長(zhǎng)的配合。

（三）串口典型應(yīng)用

串口是單片機(jī)最重要的資源之一，也是學(xué)生比較難以理解的內(nèi)容。通過串口資源來(lái)控制流水燈，項(xiàng)目?jī)?nèi)容簡(jiǎn)單直觀，學(xué)生易于理解。具體設(shè)計(jì)如下。

1.項(xiàng)目5-通過串口方式0控制流水燈

圖3給出了利用串口方式0控制流水燈的電路，可以設(shè)計(jì)為Ki鍵按下發(fā)光二極管Di閃爍（閃爍間隔1s由T0或采用調(diào)用延時(shí)子函數(shù)實(shí)現(xiàn)）。此時(shí)串口用作同步移位寄存器，單片機(jī)的P1口每讀入一組按鍵信息，RXD端作為數(shù)據(jù)移位的出口（設(shè)置為查詢工作方式），在TXD所提供移位脈沖的控制下，低位在前、高位在后將按鍵信息逐位移出。

需要著重強(qiáng)調(diào)的是74LS164的輸出QA～QH應(yīng)與發(fā)光二極管Q7～Q0依此相連，以避免數(shù)據(jù)傳輸完成后出現(xiàn)“頭朝地”的現(xiàn)象，并通過流水燈運(yùn)行效果加以印證。

2.項(xiàng)目6-雙機(jī)通信控制流水燈

圖4則給出了利用串行通信控制流水燈（閃爍間隔1s仍需由T0或采用調(diào)用延時(shí)子函數(shù)實(shí)現(xiàn)）?？梢钥吹剑@是一個(gè)簡(jiǎn)單的雙機(jī)通信系統(tǒng)，甲機(jī)向乙機(jī)發(fā)送8位數(shù)據(jù)，乙機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)在其連接的數(shù)碼管上顯示。

串口的工作方式可以設(shè)置為方式1～方式3中的任意一種（設(shè)置為中斷工作方式）。由于是雙機(jī)通信，因此對(duì)甲乙兩個(gè)單片機(jī)均需進(jìn)行編程，通過這個(gè)簡(jiǎn)單的項(xiàng)目，學(xué)生更加容易理解串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的典型流程，何時(shí)可增加奇偶校驗(yàn)位，何時(shí)可修改波特率以改變傳輸速度，并通過流水燈加以驗(yàn)證。

三、結(jié)語(yǔ)

以上通過流水燈涵蓋了I/O端口典型應(yīng)用、外部中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行口應(yīng)用，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中也可將流水燈用于人機(jī)接口及其程序設(shè)計(jì)，如通過4只發(fā)光二極管、以四位二進(jìn)制代碼的形式顯示4×4矩陣式鍵盤的鍵號(hào)，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，有關(guān)人機(jī)接口應(yīng)用的項(xiàng)目選用顯示器主要是LED數(shù)碼管、點(diǎn)陣電子顯示屏、LCD1602液晶顯示器等。

教學(xué)實(shí)踐表明：將課程主要內(nèi)容蘊(yùn)含于簡(jiǎn)單項(xiàng)目中，在課程教學(xué)中項(xiàng)目的硬件組成只有些許改動(dòng)，更多的是通過更改控制方式，將課程內(nèi)容有機(jī)地嵌入其中，采取靈活多變的方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)增強(qiáng)了教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性，使多數(shù)學(xué)生能夠掌握課程的基礎(chǔ)內(nèi)容。

當(dāng)然，對(duì)課程的深入學(xué)習(xí)是一定要通過深入研究具體、實(shí)用的典型單片機(jī)小系統(tǒng)而獲得的，但不可否認(rèn)課程基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握是提高與拓展的第一步。

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