基于项目式教学法的单片机原理课程教学改革

    赵翠芹+黄星寿

    

    

    摘要：为解决“单片机原理及应用”课程内容多而课时少之间的矛盾，提出将项目式教学法引入到单片机课程教学中。在虚拟硬件平台proteus和 Keil软件平台下，结合最小单片机系统、数码管、矩阵按键和点阵制作了一个电梯控制综合应用系统，最后通过KST-51开发板进行测试验证。实践证明，通过开发板实物的体验和软件虚拟平台的扩展设计，能够激发学生对单片机学习的创造性思维，在提高学生的知识水平、专业能力和专业素质方面具有明显的优势，符合应用型人才的培养要求。

    关键词：单片机原理及应用；keil；proteus；教学改革

    中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0177-02

    单片机早已融入寻常百姓的智能家电之中，单片机技术是计算机、自动化、通信等相关专业的一门软硬件结合且操作性很强的课程[1][2]，也是后续zigbee协议栈、ARM Cortex-M3架构的STM32单片机开发、ARM Cortex-A8网关的嵌入式系统开发和FPGA设计等物联网相关课程的基础性课程[3]。“单片机原理及应用”课程内容按功能来分可分为控制部分和通信部分[4]；控制部分主要包括流水灯、中断、数码管动态扫描、点阵LED、矩阵按键、步进电机、蜂鸣器和脉冲宽度调制（PMW）等；通信部分主要包括UART串口通信、1602液晶、I2C总线与E2PROM、实时时钟DS1302、红外通信与传感器、模数A/D转换与数模D/A转换。由于课程内容多而繁杂、总课时量受限制，必须对课程内容进行整合处理，才能顺利完成教学目标。在“Keil软件+虚拟硬件平台proteus+开发板实物测试”下，提出采用项目式教学教授单片机课程。以项目式为主线，将最小单片机系统、矩阵按键、数码管和LED点阵动态显示等知识融合起来，设计仿真了电梯数字滚动显示的项目。该项目以点带面，有效地改善了单片机软硬件知识的学习效果，把理论教学和实践操作紧密耦合起来，有效地提升了单片机的学习效率和综合应用的能力，激发学生学习积极性，提高学生动手能力[5]。

    1“单片机原理及应用”教学模式存在的问题

    单片机的设计原则是以最少的硬件器件获取最多的功能应用[4]，在以往的“单片机原理及应用”实验教学中，通常是由学校统一购买试验箱，试验箱板子线路基本是集成封装好的，学生做实验时只需要根据硬件电路的连接形式进行相应软件编程，把编写运行好的二进制可执行hex文件下载到试验箱进行验证即可。其实这样做有一个很大的缺陷，忽视了学生实验设计能力的培养，也就是单片机硬件系统的设计能力没有得到强有力的训练，不利于培养学生的自主性和创造性。对于固定线路的试验箱，如果需要修改所涉及的接口电路，就需要重新设计电路和制版，学生需要额外购买更多外部器件和仪表，无形中增加了教育投入和价格昂贵的实验设备，而且实验设备的更新速度也是很快的。因此学生学完了单片机课程后，想将其应用到实际的项目工程实践中，其难度还是比较大的，绘制一个综合性项目的电路图都有问题，更别说是PCB电路板的制作[6]。

    为了提升学生学习“单片机原理及应用”课程的自主能动性，丰富课程教学内容，提升课程教学质量，急需对“单片机原理及应用”课程进行教学改革研究，结合Proteus、Keil软件和开发板进行项目式教学，锻炼学生软硬件综合开发设计能力，升华“单片机原理及应用”课程的教学效果，为培养与时俱进的应用型专业人才而努力。

    2 Proteus与Keil引入“单片机原理及应用”课程中

    2.1 Proteus在单片机教学中的应用

    Proteus软件是在传统的虚拟硬件平台中添加了嵌入式系统的仿真，可以实现51系列、AVR、PIC和ARM等常用的微处理器的仿真调试。Proteus提供了LED小灯、LED点阵、矩阵按键、数码管、开关及步进电机等多种丰富的元器件，有模拟器件也有数字器件。它还提供了示波器、逻辑分析仪、计数/定时、SPI调试器等多种虚拟仪器，借助这些虚拟仪器可以进行相应的分析。这些器件的参数设置灵活，可以根据需要进行修改，弥补了硬件实物的不足。课堂教学中利用这些元器件在Proteus中进行硬件的设计、编译调试代码，活灵活现的展示电路运行过程与结果，改善课堂的气氛和学生学习热情。

    2.2 Keil软件在单片机教学中的应用

    Keil c51和Keil mdk都是Keil公司的单片机集成开发环境，c51针对的是51系列的单片机开发，Keil mdk对应的是ARM系列的开发。Keil软件是一款简单易用的集成开发环境，带有强大的在线调试仿真工具，入门门槛低，只要有c语言或汇编语言基础就可以进行相应的开发，常常会有事半功倍的效果。

    3 课程项目设计与教学案例

    将项目式驱动教学法引入到“单片机原理及应用”教学中，巧妙的设计了一个电梯控制系统项目。项目包括最小单片机系统、矩阵按键、数码管和LED点阵的理论知识和实践技能。项目使用到的元器件有8位单片机AT89C52、7段数码管7SEG-COM-AN-GRN、4X4的矩阵按键BUTTON、电容CAP、电解电容CAP-ELEC，晶振CRYSTAL， 8X8的点阵MATRIX-GREEN和上拉电阻RESPACK-8。教师对每一个器件用途进行由浅入深的详细讲解，例如电路中的电容和晶振是用于构造单片机最小系统的，AT89C52的第18和第19引脚接了一个11.0592MHz的晶振，外加帮助起振并维持振荡信号稳定功能的电容。在确定了项目所需要的元器件之后用Proteus软件画出硬件电路设计原理图，如图1所示。根据实际任务的需求画出程序流程图，如图2所示，再用Keil C51软件根据流程图编写源程序，并进行编译，产生一个可执行的二进制hex文件，然后把该执行文件下载到AT89C52单片机中去进行调试，调试没有出现问题之后，把hex文件下载到KST-51开发板进行真实环境的测试。把项目任务巧妙的进行模块分解，然后分配给学生，让学生在规定的时间内动手完成每一个模块的编程与调试，所有模块完成后，最后整合成一个电梯控制系统，从而增强学生的理论知识和实际操作能力。

    4 结语

    采用以点带面的项目式教学方法在单片机教学中具有实用性，通过软硬件动手实践，它能让学生轻松地实现最小单片机系统、矩阵按键的扫描、数码管的动态扫描和LED点阵动态显示，学生也能了解到定时器、中断以及外围电路的硬件知识，并根据需要在Proteus软件中动态的修改电路元器件参数；学生在理解了硬件的基础上，理解C语言的程序流程和功能实现，并可以在Keil软件中动态的修改指令。

    参考文献：

    [1] 丁保华，张有忠，陈军，等.单片机原理与接口技术实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2010，27（1）：117-119.

    [2] 朱敏杰，罗珩，余亚东.改革单片机教学培养应用型人才[J].实验室研究与探索，2012，31（2）：144-147.

    [3] 赵月静，陈继荣，张永弟.单片机原理及应用课程创新实践教学改革[J].实验技术与管理，2013，30（1）：176-179.

    [4] 宋雪松，李冬明，崔长胜.手把手教你学51单片机（C语言版）[M].清华大学出版社，2014.4.

    [5] 许超，吴新杰，张丹.基于Proteus和Keil的单片机课程教学改革[J]，辽宁大学学报自然科学版，2011，38（1）.

    [6] 顾菊芬，杨国华.“开发板+Proteus仿真”双平台单片机教学改革实践[J].教学改革，2015（3）.