改革单片机课程教学 提升学生的创新能力
杨为民
[摘 要]单片机原理及应用课程是测控技术及仪器专业本科生的必修课，是学生掌握智能仪器设计理论和技术的基础，具有很强的实践性。在单片机原理及应用课程教学中，教师可以通过加强以数字温控仪的设计过程为例的智能仪器设计实例的教学，启发学生从需求分析出发，发现问题、分析问题并解决问题，从而加深学生对课程知识的理解和掌握，培养学生对专业知识的综合应用能力，达到提升学生创新能力的目的。
[关键词]单片机原理及应用；智能仪器设计；PROTEUS
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）04-0042-02
单片机原理及应用课程是测控技术及仪器专业本科生的必修课，是学生掌握智能仪器设计理论和技术的基础，具有很强的实践性。但是目前该课程的教学中，教师普遍把重点放在单片机结构、组成、寻址方式、指令系统和接口技术等内容上，知识点比较分散，对于知识的综合应用方面重视不够。[1]单片机实验教学中也经常是通过现有的实验装置，进行一些独立的接口实验等，无法让学生掌握一个完整应用系统软硬件设计技术。因此，学生在课程的学习中，虽然能理解和掌握课堂上学习的知识，但是难以做到将这些知识灵活应用，创新能力不足。基于以上问题，本文提出在单片机原理与应用教学中，增加智能仪器设计实例的教学，引导学生从需求出发，通过分析和解决问题，完成智能仪器的硬件、软件设计。在这个过程中掌握单片机应用系统设计的方法和步骤，锻炼专业知识的综合应用能力，提高学生的技术创新能力。
一、课堂教学内容的调整
在单片机原理及应用课程中，部分教学内容比较陈旧，跟不上单片机极其应用技术的发展。[2]为了在课程总学时不增加的前提下加强智能仪器设计实例教学，并强调对单片机应用基本概念的学习，达到以MCS51单片机为基础，能够触类旁通的教学目的，笔者在课程中压缩了原来单片机原理与应用课程中一些已不常用的接口芯片（如8155、8253、8255、8279等芯片）和一些不易推广到其他单片机应用系统中的技术（如MCS-51单片机串口利用第9位数据的多机通信方式）的教学课时，增加了目前广泛应用的SPI、I2C接口及其应用等内容。同时增加了以数字温控仪为例的单片机应用系统设计内容，在智能仪器设计实例教学中，以产品需求分析出发，根据主要功能要求和技术指标分析需要解决的主要技术问题，进而确定智能仪器的技术方案，并在Proteus仿真环境下完成智能仪器的硬件设计和软件设计，以提高学生分析问題、解决问题的能力以及对知识的综合运用能力，从而提高学生的技术创新能力。
二、智能仪器设计实例的选取
智能仪器设计实例教学需要一个具体的以单片机为核心的仪器作为设计背景。该仪器应该与本专业密切相关，并且在设计方案中用到尽量多的专业知识，以便锻炼学生对本专业知识的综合运用能力，但是该仪器的设计方案不能过于复杂，以避免教学难度过大。经过认真筛选，本文选择了以电阻炉为被控对象的数字温控仪的设计作为智能仪器设计实例。温度控制系统如图1所示，温度检测范围为0～1300℃，采用K型热电偶测温，采用NTC热敏电阻测量冷端温度，通过软件对热电偶的冷端温度进行补偿；采用固态继电器控制加热电功率对电阻炉温度进行闭环控制。
数字温控仪的硬件结构如图2所示，它以单片机最小系统为核心，包括模拟量输入输出通道、数字量输入输出通道、显示可键盘接口电路、数据存储电路、通信接口电路和电源电路等模块，涵盖了单片机原理与应用课程的大部分知识点。
三、从需求分析出发的智能仪器设计理念
在传统的教学过程中，学生被动地学习了很多成熟的测控电子电路知识，比如放大器电路、开关量输入输出电路等。但是对于在不同应用背景下如何选择最合适的技术方案、电路中的参数如何确定、电路设计和应用中存在什么样的问题等理解并不到位。考试中也以对问题解答是否符合标准答案为评分依据，以至于当面对不同的应用场合时，学生不懂得如何灵活运用所学知识来解决新的问题。
而实际的智能仪器设计过程是从需求出发，设计方案来满足需求的过程。比如数字温控仪需求分析由于应用的对象不同，其控温范围、控制精度、系统可靠性和成本等指标也不相同。采用的传感器、控制元件和控制系统方案也有很大的差别。所以，为了进行数字温控仪方案的设计，必须明确其应用的场合，进而确定其各项性能指标要求。在需求分析的基础上提出需要解决的关键技术问题，选择解决问题的技术方案，进而完成温控仪的设计。
在教学中，强调智能仪器的设计过程要从需求分析出发，设计方案要满足需求的各项指标，明确所采用的技术方案的意义。从讲解电子电路原理与功能的传统教学模式转变为依据需求设计电子电路的创新思维模式；建立同样的问题可以有不同的技术解决方案，各种技术方案都有各自的优缺点，没有唯一正确的标准答案这一重要概念；从而将知识的被动接受过程变为主动思考过程，加深学生对知识点的理解，激发学生的创新思维。
四、分析问题和解决问题的能力培养
在需求分析的基础上，提出为了满足需求必须解决的问题。例如：在模拟量输入通道的设计上，根据检测温度范围合理选择传感器，根据所选的传感器类型以及AD转换器的量程提出对信号调理电路的功能及技术指标要求，再设计能满足要求的信号调理电路，确定电路中元件和参数；在AD转换器的选取上，考虑测量精度的要求，并综合考虑产品的硬件结构、单片机IO口资源分配等问题，根据分辨率、AD转换速度、数字接口方式等指标选择合适的AD转换器芯片；在显示电路设计上，根据不同的产品定位要求及工作环境要求，可以选择点阵LCD显示屏、LED数码管显示等技术方案。
解决同一问题的技术方案可以有多个，要求学生能够分析各种技术方案的特点，比较不同方案的优缺点。从需求分析出发，提出需要解决的问题以及需要达到的技术指标，并确定合理的技术方案。这一过程符合实际智能仪器产品研发的规律，使学生对所学知识有更深入的理解的同时，进一步培养其提出问题、分析问题和解决问题的能力。
五、智能仪器设计实例教学方法
智能仪器设计实例的教学，由于涉及基础知识范围较广，对学生电子技术、自动检测和自动控制技术的理解能力要求较高，仅靠教师在课堂上讲解，学生学习的难度较大，所以要采用一定的EDA工具软件，通过课堂讲解和课后练习，使学生在学习的过程中使用EDA软件完成智能仪器的软硬件设计和运行，这样才能使学生真正体会到设计过程中的各种问题并对技术方案有更深的理解。
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司开发的EDA软件，是目前较先进的电子应用系统设计和实时交互仿真、PCB设计的平台。它真正实现了在计算机上完成從电路原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB制板图的完整仿真设计过程。[3]在教学过程中，要求学生应用Proteus软件按照课堂教学的进度同步完成硬件原理图的设计和软件的编程，并进行仿真运行。同时鼓励学生根据不同的需求，对课堂上教师讲授的硬件电路和软件模块进行修改，以完成不同的功能，从而提高学生对课题知识的综合运用能力。
六、结语
在单片机原理与应用课程教学中，教师可引入智能仪器设计实例教学，培养学生从需求分析出发，发现关键技术问题，并综合应用所学知识解决问题的科研方法，做到理论联系实际，加深学生对所学基础知识的理解和掌握。在教学中采用Proteus软件，将课堂教学与硬件、软件设计实践相结合，可以提高学生对课程知识的综合运用能力，达到提高学生创新能力的目的。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 曹建树，代峰燕，俞建荣，李明利.应用型工科院校单片机课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2012（3）.
[2] 李雪，袁新芳，蒋荣，熊建桥.《单片机原理及应用》课程的教学改革探索[J].科技视界，2015（36）.
[3] 袁锋伟，赵立宏，朱慧玲，张莹.基于Proteus的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007（12）.
[责任编辑：刘凤华]
[摘 要]单片机原理及应用课程是测控技术及仪器专业本科生的必修课，是学生掌握智能仪器设计理论和技术的基础，具有很强的实践性。在单片机原理及应用课程教学中，教师可以通过加强以数字温控仪的设计过程为例的智能仪器设计实例的教学，启发学生从需求分析出发，发现问题、分析问题并解决问题，从而加深学生对课程知识的理解和掌握，培养学生对专业知识的综合应用能力，达到提升学生创新能力的目的。
[关键词]单片机原理及应用；智能仪器设计；PROTEUS
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）04-0042-02
单片机原理及应用课程是测控技术及仪器专业本科生的必修课，是学生掌握智能仪器设计理论和技术的基础，具有很强的实践性。但是目前该课程的教学中，教师普遍把重点放在单片机结构、组成、寻址方式、指令系统和接口技术等内容上，知识点比较分散，对于知识的综合应用方面重视不够。[1]单片机实验教学中也经常是通过现有的实验装置，进行一些独立的接口实验等，无法让学生掌握一个完整应用系统软硬件设计技术。因此，学生在课程的学习中，虽然能理解和掌握课堂上学习的知识，但是难以做到将这些知识灵活应用，创新能力不足。基于以上问题，本文提出在单片机原理与应用教学中，增加智能仪器设计实例的教学，引导学生从需求出发，通过分析和解决问题，完成智能仪器的硬件、软件设计。在这个过程中掌握单片机应用系统设计的方法和步骤，锻炼专业知识的综合应用能力，提高学生的技术创新能力。
一、课堂教学内容的调整
在单片机原理及应用课程中，部分教学内容比较陈旧，跟不上单片机极其应用技术的发展。[2]为了在课程总学时不增加的前提下加强智能仪器设计实例教学，并强调对单片机应用基本概念的学习，达到以MCS51单片机为基础，能够触类旁通的教学目的，笔者在课程中压缩了原来单片机原理与应用课程中一些已不常用的接口芯片（如8155、8253、8255、8279等芯片）和一些不易推广到其他单片机应用系统中的技术（如MCS-51单片机串口利用第9位数据的多机通信方式）的教学课时，增加了目前广泛应用的SPI、I2C接口及其应用等内容。同时增加了以数字温控仪为例的单片机应用系统设计内容，在智能仪器设计实例教学中，以产品需求分析出发，根据主要功能要求和技术指标分析需要解决的主要技术问题，进而确定智能仪器的技术方案，并在Proteus仿真环境下完成智能仪器的硬件设计和软件设计，以提高学生分析问題、解决问题的能力以及对知识的综合运用能力，从而提高学生的技术创新能力。
二、智能仪器设计实例的选取
智能仪器设计实例教学需要一个具体的以单片机为核心的仪器作为设计背景。该仪器应该与本专业密切相关，并且在设计方案中用到尽量多的专业知识，以便锻炼学生对本专业知识的综合运用能力，但是该仪器的设计方案不能过于复杂，以避免教学难度过大。经过认真筛选，本文选择了以电阻炉为被控对象的数字温控仪的设计作为智能仪器设计实例。温度控制系统如图1所示，温度检测范围为0～1300℃，采用K型热电偶测温，采用NTC热敏电阻测量冷端温度，通过软件对热电偶的冷端温度进行补偿；采用固态继电器控制加热电功率对电阻炉温度进行闭环控制。
数字温控仪的硬件结构如图2所示，它以单片机最小系统为核心，包括模拟量输入输出通道、数字量输入输出通道、显示可键盘接口电路、数据存储电路、通信接口电路和电源电路等模块，涵盖了单片机原理与应用课程的大部分知识点。
三、从需求分析出发的智能仪器设计理念
在传统的教学过程中，学生被动地学习了很多成熟的测控电子电路知识，比如放大器电路、开关量输入输出电路等。但是对于在不同应用背景下如何选择最合适的技术方案、电路中的参数如何确定、电路设计和应用中存在什么样的问题等理解并不到位。考试中也以对问题解答是否符合标准答案为评分依据，以至于当面对不同的应用场合时，学生不懂得如何灵活运用所学知识来解决新的问题。
而实际的智能仪器设计过程是从需求出发，设计方案来满足需求的过程。比如数字温控仪需求分析由于应用的对象不同，其控温范围、控制精度、系统可靠性和成本等指标也不相同。采用的传感器、控制元件和控制系统方案也有很大的差别。所以，为了进行数字温控仪方案的设计，必须明确其应用的场合，进而确定其各项性能指标要求。在需求分析的基础上提出需要解决的关键技术问题，选择解决问题的技术方案，进而完成温控仪的设计。
在教学中，强调智能仪器的设计过程要从需求分析出发，设计方案要满足需求的各项指标，明确所采用的技术方案的意义。从讲解电子电路原理与功能的传统教学模式转变为依据需求设计电子电路的创新思维模式；建立同样的问题可以有不同的技术解决方案，各种技术方案都有各自的优缺点，没有唯一正确的标准答案这一重要概念；从而将知识的被动接受过程变为主动思考过程，加深学生对知识点的理解，激发学生的创新思维。
四、分析问题和解决问题的能力培养
在需求分析的基础上，提出为了满足需求必须解决的问题。例如：在模拟量输入通道的设计上，根据检测温度范围合理选择传感器，根据所选的传感器类型以及AD转换器的量程提出对信号调理电路的功能及技术指标要求，再设计能满足要求的信号调理电路，确定电路中元件和参数；在AD转换器的选取上，考虑测量精度的要求，并综合考虑产品的硬件结构、单片机IO口资源分配等问题，根据分辨率、AD转换速度、数字接口方式等指标选择合适的AD转换器芯片；在显示电路设计上，根据不同的产品定位要求及工作环境要求，可以选择点阵LCD显示屏、LED数码管显示等技术方案。
解决同一问题的技术方案可以有多个，要求学生能够分析各种技术方案的特点，比较不同方案的优缺点。从需求分析出发，提出需要解决的问题以及需要达到的技术指标，并确定合理的技术方案。这一过程符合实际智能仪器产品研发的规律，使学生对所学知识有更深入的理解的同时，进一步培养其提出问题、分析问题和解决问题的能力。
五、智能仪器设计实例教学方法
智能仪器设计实例的教学，由于涉及基础知识范围较广，对学生电子技术、自动检测和自动控制技术的理解能力要求较高，仅靠教师在课堂上讲解，学生学习的难度较大，所以要采用一定的EDA工具软件，通过课堂讲解和课后练习，使学生在学习的过程中使用EDA软件完成智能仪器的软硬件设计和运行，这样才能使学生真正体会到设计过程中的各种问题并对技术方案有更深的理解。
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司开发的EDA软件，是目前较先进的电子应用系统设计和实时交互仿真、PCB设计的平台。它真正实现了在计算机上完成從电路原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB制板图的完整仿真设计过程。[3]在教学过程中，要求学生应用Proteus软件按照课堂教学的进度同步完成硬件原理图的设计和软件的编程，并进行仿真运行。同时鼓励学生根据不同的需求，对课堂上教师讲授的硬件电路和软件模块进行修改，以完成不同的功能，从而提高学生对课题知识的综合运用能力。
六、结语
在单片机原理与应用课程教学中，教师可引入智能仪器设计实例教学，培养学生从需求分析出发，发现关键技术问题，并综合应用所学知识解决问题的科研方法，做到理论联系实际，加深学生对所学基础知识的理解和掌握。在教学中采用Proteus软件，将课堂教学与硬件、软件设计实践相结合，可以提高学生对课程知识的综合运用能力，达到提高学生创新能力的目的。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 曹建树，代峰燕，俞建荣，李明利.应用型工科院校单片机课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2012（3）.
[2] 李雪，袁新芳，蒋荣，熊建桥.《单片机原理及应用》课程的教学改革探索[J].科技视界，2015（36）.
[3] 袁锋伟，赵立宏，朱慧玲，张莹.基于Proteus的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007（12）.
[责任编辑：刘凤华]
