基于帕累托法则的单片机课程设计教学优化

张小鸣 万军 何可人

(常州大学信息科学与工程学院，江苏 常州 213164)

基于帕累托法则的单片机课程设计教学优化

张小鸣 万军 何可人

(常州大学信息科学与工程学院，江苏 常州 213164)

为了改变单片机课程设计中普遍存在的学生动手能力差、教学效果欠佳的局面，应用帕累托法则，对课程设计课题的选题和实验手段进行优化配置，教师的指导精力集中关注少数骨干学生，通过课题小组的分工合作，把创新知识传递放大，使学生在有限的时空中，利用有限的教学资源，学到更多的知识。教学实践表明，考虑单片机课程设计选题与工程应用相结合、课题硬件设备成本与覆盖课程知识面相结合、学生的精力投入与教师的精力投入相结合的多目标优化，可以得到帕累托最优解，使学生单片机技术的综合应用能力和团队合作能力都得到普遍的提高，并产生良好的教学效果，为培养工程应用型人才奠定了基础。

单片机;课程设计;帕累托最优解;优化

0 前言

普通高校电子信息类本科专业一般都在大三开设“单片机原理及应用”课程，并在该课程结束后的1～3周内，继续开设单片机课程设计，以加强学生的单片机综合开发应用能力。单片机课程设计的选题内容一般都是由代课指导教师自行拟定，教学方法也因人因学校存在差异，但总的来说，选题归结为三类:第一类题源是从《无线电》、《电子报》和《电子制作》等专业期刊中提取，或从适于单片机初学者学习单片机制作等知识的单片机网站提取。[1]第二类题源来自单片机实验系统平台配套的综合性实验程序，学生主要是在单片机实验系统平台上编写软件，把实验结果调出即可，基本上不接触硬件设计。这类题型缺乏软硬件相结合的综合设计训练，课程设计效果达不到使学生深入了解单片机作为微控制器在电子产品中发挥的检测、控制、通信等核心作用。[2]第三类题源来自指导教师所完成科研项目的提炼，一般包括软硬件相结合的综合设计，这对提高课程设计效果大有益处，但指导教师的科研项目对题源的质量影响很大。[3]无论题源如何，目前单片机课程设计存在的两大突出问题是:

1)单片机原理及应用课程涉及的理论内容涵盖模拟电路、数字电路、微机接口技术、汇编语言程序及C语言设计等，知识面广、概念多，大部分学生学完该课程理论教学后感觉很茫然，难以在短时间内形成完整的概念，独立进行单片机课程设计，编写代码和硬件设计都非常困难，几乎无从下手。[4]

2)学生抄袭现象较普遍，敷衍过关。[5]

为了改变这种状况，国内许多高校开展了单片机课程设计改革实践，主要从以下三方面入手:

1)改革单片机课程设计选题与设计内容，选题均为软硬件综合设计题型，设计中既包含硬件设计也有软件设计，这样让学生参与单片机应用系统的整体开发过程，通过设计原理解读、硬软件设计、调试和实验结果测试等环节，提高学生主动查阅资料、分析问题、解决问题的能力，培养硬件设计和软件设计的综合能力。[6]

2)针对单片机课程设计选题偏少、单一，不考虑学生的个体差异的问题，增大选题数量，分成几级典型题目，由易到难，满足不同学生的认知要求。[7]

3)采用先进的单片机仿真软件proteus，利用其设计周期短、仿真快捷逼真、不用担心误操作损坏硬件、电路原理设计与软件设计一气呵成等特点，提供基于proteus的单片机课程设计题目，激发学生对单片机课程设计的兴趣和热情，有利于提高单片机课程设计的教学效果。[8-10]经过多年的实践发现，在单片机课程设计中，应用帕累托法则，能够很好地解决单片机课程设计出现的问题。

19世纪意大利著名经济学家和社会学家弗雷多·帕累托(Vilfredo Pareto)研究发现，经济社会拥有一种微妙的不平衡关系，即20%的人口拥有80%的财富，帕累托的这一研究成果被后人称为帕累托法则(Pareto Principle)，或称为80/20法则。帕累托法则认为:以小的诱因、投入或努力，可以产生大的结果、产出或酬劳。[11]在单片机课程设计中存在的帕累托法则现象是:课程设计的成果主要来自全班20%左右的学生努力，而80%的学生是在20%左右的学生带动下完成课程设计，通过团队协作，分享课程设计的成果，并从20%左右的学生身上学到课堂无法学到的软硬件设计知识，体验课程设计带来的实验美、创造美。[12]用帕累托改进原理提升教学效果的研究成果并不多，主要集中在以下方面:

1)优化教学资源，用较少的教学资源，获得较大的教学效率，包括课堂学时精简，课外学时增加。[13]课程内容的民主决策等。[14]

2)优化教学投入，包括把20%左右的精力花在精心备课环节上，能获得80%左右的教学效果。[15]学生花20%的时间，学习20%的重点知识，就可以掌握80%甚至更多的知识，等等。[16]

为此，在单片机课程设计中教学中应用了帕累托法则，其具体做法如下:主要采用科研项目提炼题源来强化训练学生的单片机软硬件设计能力，指导教师集中精力辅导20%左右的学生骨干，使他们脱颖而出，这些学生表现出的非凡创新能力不仅使指导教师赞叹不已，而且受到指导教师的不断鼓励和赞许后，再带动设计小组的其他学生顺利完成单片机项目设计，取得很好的教学效果。

1 单片机课程设计的优化目标

由于单片机课程设计涉及的因素较多，包括题源、组织形式、设计流程、指导方式、学生兴趣、生源素质等诸多方面，采用单一目标优化已不能真实反映优化目标的可信度和有效性。随着单片机课程设计改革的不断深入，对优化目标要求也越来越高，追求多个目标同时优化已经成为单片机课程设计改革突破的关键问题。单片机课程设计的优化目标是以学生获得最大知识与能力锻炼为目标，同时兼顾投入成本最少，包括设备成本、教师与学生所花时间与精力成本等。多目标优化始终存在着目标之间的相互冲突和不可公度性，也存在决策者给予的各种主观判断和偏好信息，从众多的帕累托最优解中找到最终解，是解决单片机课程设计优化的核心问题。

众多的帕累托最优解(Pareto optimal)在工程技术中有许多求解方法，如，层次分析法(AHP)、模糊多准则决策算法、启发式算法等。[17-21]帕累托最优解的概念常用于电力系统分布式配电线路的重构，实现负荷平衡优化。[22]但在教学改革中应用帕累托最优解原理来提高教学效率，是教育界迄今尚未涉及的研究课题，有必要开展单片机课程设计优化目标决策研究。

2 单片机课程设计优化方法

2.1 选题优化方法

单片机课程设计的选题要从利用单片机的典型硬件资源(如，内存、定时器、中断系统、串口等)、外围电路的使用成本、软硬件知识覆盖面广等方面进行优化。

单片机的串口通信涉及到两套单片机系统的串口导线连接和通信协议的制订等复杂因素，单片机课程设计小组每组只有一套单片机系统，要想通信就要两组互连，连线空间受实验室空间的限制，不易实现。如果采用自发自收又体现不出串口通信的真实含义，因此，优化51单片机的典型硬件资源应为内存、定时器、中断系统。

外围电路的使用成本应适中，调试方便。这就要求扩展电路不能太复杂，调试设备可用性高。对于模拟信号的检测有A/D转换器连续检测和模拟信号阈值的检测，对于后者可以省去A/D转换器，用比较电压器替代。比较电压器比A/D转换器价格更低，而且比较电压器是接口电路中应用较为广泛的一种模拟电路，学生可结合单片机接口电路来学习比较电压器的应用。因此，对于模拟信号阈值信号的检测优化为基于比较电压器的检测电路。外围电路的调试手段一般分为显示器显示调试、示波器显示调试和仿真器调试。扩展显示器接口，尤其是LCD接口，不仅成本高，而且调试周期长，难度大，不适合短周期的单片机课程设计使用。示波器显示是可用性高的设备，通常单片机实验室均配备通用示波器和数字示波器，只要单片机系统能输出脉冲信号，示波器就能连续直观地显示。仿真器调试手段是学生使用仿真器调试单片机应用程序的主要工具，只要设置断点和观察窗口，就能观察中断是否发生，程序运行结果是否正确等。可见，外围电路的调试手段的优化应充分利用现有示波器和仿真器设备。

软硬件知识覆盖面应充分考虑单片机应用的特点是控制与检测，选题应尽量覆盖控制与检测电路的应用范围，而单片机的控制离不开中断，因此，软件设计的优化应至少包含一个外设中断请求的中断服务程序设计，与主程序设计构成完整的单片机前后台应用程序架构。

2.2 课程设计过程优化

由于单片机课程设计学时短，一般为1～3周，指导教师一般只有1人，如果把每位学生都指导1遍，不仅时间不允许，即便时间允许，指导教师的体力支出也很大，效果并不好，因为80%的学生对单片机课程设计的软硬件设计很茫然，指导教师的三言两语的个别指导很难使学生理解、接受并行动。根据帕累托法则的思想，指导老师在指导单片机课程设计的过程中，只要集中精力辅导勤学好问、主动肯干的20%左右的学生，并使其带动其余80%的学生共同完成课程设计。

教师不需要亲自指导每位学生，并不意味着每位学生都能自动掌握单片机课程设计的内容。还必须对课程设计组织形式进行优化，让20%左右的学生骨干去带动其余80%的学生。全班分成多组，3人1组，把每位学生都组织起来，明确组员分工，发挥学生骨干的带头作用，既能培养学生的团队合作精神，又能使80%的学生消除茫然感，学有所依，学有所榜。

为了避免抄袭成风，蒙混过关的现象发生，在课程设计接近尾声时，指导教师应组织全班学生分组答辩，规定每组每位学生必须回答1～2个答辩问题，答辩成绩占课程设计总成绩的30% ～40%，从而促使学生重视课程设计过程，防止在答辩中所答非问，保证课程设计实现绝大多数学生获取最大知识点的目标。

3 单片机课程设计优化实例

3.1 选题方案

鉴于单片机控制技术已广泛应用于智能仪器仪表、机电一体化、家用电器、实时过程控制、办公自动化设备、商业营销设备、计算机网络和通信、医用设备、汽车电子、军事航空等诸多领域，单片机课程设计课题与工程应用项目结合势在必行，只有这样，才能促使学生尽快了解单片机课程设计的实用价值，同时激发学生探索单片机软硬件设计方法的主观能动性。考虑到课程设计时间较短，学生单片机软硬件设计能力有限，应采用选题优化方法与科研项目提炼相结合来确定选题方案，最终选择一硬件投资较少、知识面覆盖较广、20%学生的知识够用、教师不增加超额资源投入的单片机课程设计优化课题——“基于单片机89C2051的绝缘监视器的设计”。工业现场使用的一种高压动力铠装电缆，最外层是金属网，中间是三相交流电绝缘导线，周围是橡胶绝缘层，为了监测橡胶绝缘的绝缘程度，在橡胶绝缘层中间加1根监视线，如图1所示。所谓绝缘电阻是指最外层金属网和监视线之间的等效电阻，正常应在3～5 kΩ之间，当其小于3 kΩ或大于5 kΩ时，都应报警。当绝缘电阻小于3 kΩ，表示监视线与铠装层之间的绝缘橡胶老化，绝缘电阻下降;当绝缘大于5 kΩ，表示监视线断线。

图1 橡胶绝缘铠装与监视线示意图

图2 绝缘监视器工作原理框图

转换器来测量电阻值方案更经济实用，其测量方案的比较如表1所示。

表1 采用不同测试方案测量电阻阀值的比较

绝缘监视器的输入为绝缘电阻Rx，输出为频率。当绝缘电阻Rx在[3～5 kΩ]之间时，89C2051利用P1.3引脚经过三极管驱动输出200 Hz方波，表示绝缘电阻正常。当绝缘电阻Rx＜3 kΩ或Rx＞5 kΩ时，输出1 000 Hz方波，表示绝缘电阻异常。该绝缘监视器作为一种传感器将绝缘电阻转换为频率供给数据采集系统采集处理，对橡胶电缆的绝缘电阻状态进行实时检测，一旦发现动力铠装电缆绝缘性能下降，就发出故障报警信号，提醒现场工作人员及时更换电缆，防止因动力铠装绝缘性能问题造成电力系统发生短路故障。

基于单片机89C2051的绝缘监视器电路成本，按目前市场价格计算约30元，但覆盖的知识面较广，包括模电、数电、光电耦合器、看门狗电路、单片机等，需要了解的主要知识点如下:

1)LM358运放构成的电压比较器的工作特性，画出输入输出特性曲线。

2)6N139光电耦合器在绝缘监视器的作用。

3)看门狗电路MAX813在绝缘监视器中的作用。

4)单片机89C2051产生方波频率输出的工作原理。

5)PNP型硅三极管9012构成达林顿三极管驱动器，对89C2051的P 1.3引脚输出方波频率进行驱动放大的作用。

6)稳压二极管在绝缘监视器中的作用。

3.2 设计与仿真

3.2.1 课程设计总体要求

根据任务书图给出的绝缘监视器原理图纸，用Protel 99SE绘制PCB图。在了解绝缘监视器工作原理的基础上，画出单片机程序设计流程图，包括初始化程序，主程序，INT0/与INT1/中断服务程序。然后在Proteus仿真平台上对绝缘监视器原理图增加虚拟示波器，建立与Keil C51的仿真连接，分别采用单片机汇编、C5l语言来进行软件设计与仿真。最后在51硬仿真器上，对绝缘监视器硬件样机进行硬仿真，改变电位器，模拟可变绝缘电阻，用数字示波器观察绝缘监视器输出的频率值。

3.2.2 课程设计过程

在指导学生绘制PCB设计过程中发现，学生绘制PCB图时普遍存在与工程设计严重脱节问题，具体如下:

第一，元器件的布局不是按照元器件互相之间的连接关系，利用“航空飞线”将互连关系密切的元器件互相就近布局，而是本能地把所有的电阻、电容、IC芯片分别排成队列，更谈不上51单片机的外接晶振和振荡电容应在51单片机晶振引脚附近就近布局的基本原则。

第二，绝缘监视器的输入/输出插座不是放在PCB板的边沿上，而是随意放在PCB板中间，有些学生是按老师的要求把输入/输出插座放在PCB板的边沿上，但接线口没有朝外，导致PCB板一旦做出来，无法对外接线。

第三，输入/输出插座PCB封装的焊盘尺寸若按Protel 99SE库中缺省的封装，焊盘内外径就太小，实际插座的引脚根本无法插入。通过精心指导，骨干学生很快掌握了PCB布局的基本原则，画出的PCB图不仅布局合理，而且PCB图的布线实现了走线较短的优化。

PCB设计完成之后，指导学生绘制单片机程序设计流程图。绝缘监视器的51单片机初始化程序和主程序流程图如图3所示。图4为绝缘监视器的51单片机T0溢出中断服务程序和INT0/INT1中断服务程序流程图。

图3 绝缘监视器51单片机初始化程序和主程序流程图

图4 绝缘监视器51单片机T0和INT0/INT1中断服务程序流程图

图3、图4中的R0、R1是51单片机的片内工作寄存器，用于暂存绝缘监视器方波频率对应半个周期的16位计数值。每当单片机在主程序或INT0/INT1中断服务程序中检测到绝缘电阻发生阈值变化(3 kΩ，5 kΩ)时，就将绝缘监视器方波频率对应半个周期的计数更新值存入R0、R1。一旦T0溢出中断发生时，在T0中断服务程序中，用R0值装载T0的低8位计数寄存器TL0T0，用R10值装载T0的高8位的计数寄存器TH0。

3.2.3 仿真分析

用Proteus仿真实现绝缘监视器输出频率就更加简便，调试更加直观。调用一个虚拟示波器接在达林顿三极管输出端，Proteus运行按照流程图图3、图4编写的绝缘监视器51应用程序，虚拟示波器就可以直观显示绝缘监视器输出频率。图5、图6分别为绝缘监视器监视绝缘电阻为5 kΩ(10 kΩ电位器调在短路50%的电阻位置，绝缘电阻正常)输出200 Hz方波的仿真界面和绝缘电阻为5.1 kΩ(10 kΩ电位器调在短路50%的电阻位置，绝缘电阻异常)输出1 000 Hz方波的仿真界面。

图5 绝缘电阻为5 kΩ时输出200 Hz方波仿真界面

图6 绝缘电阻为5.1 kΩ时输出1 000 Hz方波仿真界面

最后在Medwin V3单片机开发环境下，用Insight硬仿真器真实仿真绝缘监视器样机电路板，仿真运行基于89C2051的绝缘监视器应用源程序，绝缘监视器样机电路板的频率输出接真实示波器。旋转模拟绝缘电阻的电位器，使绝缘电阻在[3 kΩ，5 kΩ]之间变化，观察示波器屏幕频率波形的变化，当绝缘电阻为5 kΩ时，输出波形为200 Hz方波;绝缘电阻值小于3 kΩ或大于5 kΩ时，输出方波为1 000 Hz方波。

4 结语

利用帕累托法则对单片机课程设计的选题、硬件资源配置、重点指导对象，调试手段等进行优化教学实践，实现用较少的教学资源，获得较大的教学效果。教学实践证明，只要调动全班20%骨干学生的积极性和创造性，把他们指导到位，就能带动其他80%的学生一起进步，培养学生理论联系实际和解决工程实际问题的能力，顺利完成单片机课程设计的既定目标。单片机课程设计选题与工程应用相结合，使学生深入了解了单片机系统在工程实践中的应用价值，外围设备选型应考虑性价比因素，解决什么问题需要采取什么最佳应对策略等等。单片机课程设计采用Proteus设计与仿真，有助于优化资源，合理应用，加快设计进度，节约硬件开发成本。单片机课程设计采用硬仿真器对单片机样机板仿真，设置断点观察中断请求发生，有助于提高学生对单片机程序运行方式的认识，培养学生的创新精神。

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Teaching Optimization of Single Chip Microcontroller Curriculum Design Based on Pareto Principle

ZHANG Xiao-ming WAN Jun HE Ke-ren

(Information Science and Engineering College of Changzhou University，Changzhou 213164)

In order to improve the student's operating capability and the teaching effect in single chip microcontroller(SCM)curriculum design，the selection of curricular topics and laboratory facilities is optimized to enable the teacher to concentrate their attention on some key students and the limited teaching resources and teaching effect to be optimized in the given period.It is shown in the teaching practice that the pareto optimal solution can be obtained by optimizing the combination of SCM curricular topics and engineering application，the balance of hardware equipment costs and curricular knowledge so covered，and the efforts made by students and the teacher，thereby improving the student's capability of utilizing SCM technology and the teaching effect.

single chip microcontroller;curriculum design;Pareto optimal solution;optimization

G642

B

1671-0436(2012)06-0080-07

2012-10-22

张小鸣(1958— )，男，博士，教授。

责任编辑:张秀兰