基于微型开发板的单片机教学模式探索

张守峰

(淮安信息职业技术学院 电气工程系，江苏 淮安 223003)

0 引言

单片机芯片体积小、集成度高、环境适应强、功耗低、性价比高，涉及电子、通信、计算机和电气等行业，广泛应与于仪器仪表、工业控制、家用电器、智能设备、汽车电子和航空航天等人们生活的各个领域[1]63-66. 单片机的广泛应用极大地提高了生产效率，改善了人们的生活质量，尤其是改变了控制系统的设计思想，从采用硬件电路到采用单片机程序的方法来实现控制功能.

1 单片机教学现状

单片机是高校工科专业的一门核心课程，实践性非常强，是自动控制、电子通信和机电一体化等许多专业的必修课. 随着社会经济高速发展，单片机课程不仅在高校设置，在很多中职学校也出现了单片机课程，每年都会有各种不同层次的单片机应用竞赛. 目前，单片机教学以实践教学为主，软件和硬件紧密结合，教学模式不断总结改进，从传统课堂教学到项目化教学、模块化教学、工作工程教学和理实一体化教学等. 目前的单片机教学模式，普遍存在以下问题：

1．1 高昂的单片机实验室建设成本

单片机教学需要配置大批的硬件设备，实验室建设成本较高. 目前高校的单片机实验设备大都是统一成套的形式，按照50套实验设备及相关附件，则成本平均在50万元左右. 因此，许多院校实验设备不足，不能保证学生每人1套实验装备.

1．2 单片机实验室设备维护困难

单片机综合实验设备成本大，但维护性差，随着时间推移造成设备老化，一旦出现主要零件损坏，则导致实验模块不能工作或整个实验箱报废. 更麻烦的是实验设备往往因为接口多、接线多、连接复杂、驱动和软件等原因，经常出现许多莫名的故障，学生实践过程中断，导致实验效果很差. 而单片机实验员既要有电子设备维修技术与经验，还要熟悉单片机知识与技能，这样的维修人员极其稀缺，按照目前高职院校实验员待遇，引进如此技能人才是极其困难的[2]84-86.

1．3 单片机实验室设备局限性

首先，成套实验设备体积大，安装连接极其复杂，不能携带. 其次，学生能力不同，完成实践操作不能统一，而在实验室的学习时间有限，学习目标不能真正达成，甚至很多实验未能完成，错过了分析解决实际问题的时机，降低了实验的功能. 再次，大型单片机实验设备跟不上单片机发展的需要，实验内容往往比较滞后，而且很难进行二次开发，同时这些设备使用不太方便，学生不能很快进入学习环境. 还有，学生不能在单片机实验设备上进行硬件设计，不利于扩展，同时，学生进行课余实践活动时缺少相关实验设备，不利于培养学生的自学能力.

2 单片机教学组合系统

2．1 微型单片机开发板

随着我国科研能力不断提高，出现了许多品牌单片机开发板，如静慧电子HL-1型、光汇科技V3.27型、锐志单片机V2.8型和德飞莱mini80e型等入门级的单片机开发板，都能满足单片机学习的基本需要.

2．2 Proteus软件

Proteus是一款优秀的EDA工具软件，由Labcenter electronics公司设计，不仅具有Protel等EDA软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件. 包含原理图、PCB设计、代码调试及单片机硬件电路仿真，支持8051、PIC、AVR、ARM和DSP系列处理器等. 这些软件还能够支持LCD字符及图形、LED数码管及点阵、键盘和电机等通用外设模型，能够支持中断、ADC和PSP等实时仿真，能够支持单片机汇编语言的编译与仿真，也可以与第三方集成编译环境(如Keil)结合，进行高级语言的源码级仿真和调试[3]106-107.

3 单片机教学

单片机开发板七八十元，价格低廉. 规格约10cm×15cm，容易操作，方便携带与保管；容易与笔记本电脑兼容；性能稳定，故障率低. 因此，还能够以宿舍为单位购买与使用，进一步降低学习成本，可以有效解决单片机教学中实验室建设成本高昂与维护麻烦的问题. 同时进行分工合作，充分利用单片机开发板实践操作，提高学生自学能力，培养他们的团队合作精神.

单片机开发板配置有时钟电路与AD转换芯片，USB具有高速下载、通信与供电三种功能. 涵盖了各专业所必需的基本功能模块，如8个彩色发光二极管、6～8个数码管、蜂鸣器、独立键盘、直流电机驱动设计、步进电机驱动设计、继电器模块、LCD1602液晶显示设计、LCD12864 2.4寸彩屏液晶显示、DS18B20温度检测设计、红外发射/接收模块、光敏/热敏检测设计等，配套Keil c单片机开发软件、单片机视频学习课件、各种常见单片机应用设计程序设计与调试等[4]64-66.

单片机课程采用模块化教学模式，理实一体化教学进程，根据对应专业而有所偏重，但基础知识和模块相同. 以机电一体化专业单片机教学为例，单片机开发板可以承载所有的单片机基本教学内容，如单片机最小应用系统学习，基于发光二极管的指示灯、闪烁灯和流水灯，基于数码管的系统工作时间与工作状态显示，独立键盘控制系统等. 专业模块还可以学习单片机控制直流电机、步进电机和交流电机，继电器控制系统，基于红外发射与接收的位移检测系统，基于光敏电阻的避障系统等. 无论是从基础模块学习，还是从专业模块应用分析，单片机开发板可完全满足高职教学的需要.

在单片机学习中，硬件设计是基础，但由于条件制约，教师一般讲解电路原理图，很难直接展示硬件设计过程. 把Proteus软件引入单片机教学，可以现场绘制电路图，进行程序设计仿真，使教学变得直观、生动，提高了教学效果和学生学习单片机的积极性. 虽然由于元器件参数的分散性、误差和干扰等现象，软件仿真不能达到与实际硬件完全一致，但这并不妨碍Proteus软件的应用价值. 在仿真电路结合程序设计不断调整与改善过程中，既锻炼了学生的动手能力和分析解决问题能力，又留给学生很大的创新空间. 在掌握了单片机开发板基本模块基础上，学生可以通过Proteus构建个人实验平台，对单片机开发板进行二次开发，培养设计能力和工程素养[5]60-62.

以典型的数字钟项目为例来分析开发板与Proteus软件相结合的基础模块教学实施过程，项目包括了数码管、外中断、定时器和独立键盘等内容. 首先采用理实一体化模式，在实训室以60S程序设计为载体，通过编程、仿真和调试学习数码管动态显示和定时器相关寄存器设置；然后扩展到可调24 h时钟设计，进一步学习外中断和独立键盘应用；最后，课余时间学生可以参考开发板电路，运用Proteus仿真软件在笔记本电脑上编写逻辑电路，应用扬声器等外设实现开发板二次开发[6]108-111.

4 结语

针对单片机教学中存在的实验设备采购、建设、使用和维护等问题,

通过近几年的教学探索,采用单片机微型开发板，运用理实一体化教学模式，不仅有效解决了教学中出现的问题，而且提高了教学效率和学生的学习积极性，提高了学生的综合职业能力，取得了良好的教学效果. 微型开发板电路采用固定的模块，虽然提供了便利，但不利于学生进行创新性设计，因此，需要在单片机综合性实训中加强学生自主设计能力培养.

参考文献：

[1] 王青叶.基于虚拟现实技术的单片机教学实践探索[J]. 天津职业大学学报，2013(5).

[2] 曾维鹏. 基于“教学做合一”的单片机教学改革研究[J]. 苏州市职业大学学报，2013(2).

[3] 陈渭力.系统仿真的单片机教学板设计[J].工业控制计算机，2013(3).

[4] 郭兆正.典型案例教学法在单片机教学中的应用探索[J]. 渤海大学学报，2013(1).

[5] 张宏伟.工程应用型自动化专业单片机教学改革与实践[J]. 实验室科学，2013(6).

[6] 史中权. 单片机综合实践教学中科研开发实例应用[J]. 电气电子学报，2013(5).