单片机原理及应用课程设计改革与实践

侯甲童　孙克伟　王玉龙

哈尔滨理工大学荣成学院　山东荣成　264300

单片机原理及应用课程设计改革与实践

侯甲童孙克伟王玉龙

哈尔滨理工大学荣成学院山东荣成264300

目前的单片机原理及应用课程设计中，各项安排过于陈旧。本文提出采用自制实验开发板作为实验设备，优化课程设计步骤与时间安排，注重课程设计验收，并改进考核方式。教学反馈结果显示，极大改善了教学效果。

单片机；课程设计；课程教学

在电类各专业实践环节中，单片机原理及应用课程设计是非常重要的一个环节，通常在单片机原理及应用课程进行完毕后进行。

在单片机原理及应用课程的理论课中，对于单片机的结构、组成以及单片机系统的实现都有讲解；实验课中，学生又通过动手来编写程序和搭建硬件电路或电路仿真来完成相应的实验。而紧跟其后的课程设计，在以上环节进行完毕后，通过给学生提出综合性的系统要求，在学生分析解决问题后最终完成系统实现。［1-3］

1　单片机课程设计教学目标与特点

单片机原理及应用课程设计环节是为了进一步巩固学生单片机原理及应用课程的理解，加深对微控制器的认识，在此基础之上，将所学基础知识，如模拟电子技术、数字电子技术、检测技术等课程进行综合，实现理论与实践结合，提高学生分析问题、查找资料、解决问题的能力。［4，5］

单片机原理及应用课程设计实践性强，同时注重理论与实践的结合。需要学生在理解课程教学内容的基础上，要完成对任务和指标进行分析，查找资料，方案设计，电路与软件设计，系统调试等工作。［6，7］

2　单片机课程设计的现状与分析

目前很多学校在这一环节，所采用的设备、教学内容、实施方式和手段等有以下特点。

2.1实验设备陈旧

很多学校的实验设备采用实验台或实验箱，这些实验箱或实验台是采购厂家的产品（如图1所示）。实验箱或实验台的优点是，集成了丰富的模块，包括常用I/O扩展模块、蜂鸣器驱动模块、RS232和RS485模块、8155、8255扩展模块、8253模块、128×64液晶点阵显示模块、16X16LED点阵显示模块、键盘LED控制器8279模块、4×4键盘模块、并行AD与并行DA模块、直流电机控制模块、步进电机控制模块、PWM脉宽调制输出接口模块、继电器模块等。可以开展较多的设计。

但使用实验箱或实验台来开展课程设计的缺点也很明显。

（1）实验箱体积大，不便于携带。学生们只能在实验室里使用，不便于学生带回进行调试。这样，学生在完成方案设计和软硬件设计后，只能扎堆来实验室，而实验箱的数量和实验室资源有限，学生往往要等待很久才能进行调试，浪费时间。

图1　单片机实验箱

（2）对于课程设计来说，在题目和任务确定的前提下，进行调试时，实验箱上的很多模块是冗余的，而这种冗余是相对的。如基于DS18B20的温度显示系统设计用到了DS18B20模块、显示模块等，但是闲置了步进电机、直流电机、红外通信等模块。而闲置的这些模块恰好是基于单片机的步进电机控制系统设计、基于单片机的直流电机控制系统设计、基于单片机的红外通信系统设计等课程设计所需要的。所以，资源得不到最大化地利用，造成资源浪费。

（3）电路连接采用导线插拔，不宜使学生建立硬件设计的思想。实验箱内已经集成了各模块，且各模块的电源供电，晶振模块等已经联结完毕。学生在使用时，只需几根信号导线即完成硬件上的连接。这样学生对硬件设计没有概念，很多学生在做完课程设计后，不知道整个系统包括哪几部分模块以及彼此之间如何联系。

2.2课程设计各步骤和时间安排不合理

在教学进程安排上，考虑到整个环节的综合性，单片机课程设计往往安排两周的时间。很多学校在实施时，往往按部就班地在两周的时间内进行以下步骤：题目下放，学生的资料查找，方案设计，硬件与软件设计，系统调试，验收与答辩等环节。其实两周的时间来完成课程设计时间上是足够的，但是在采用实验箱或实验台作为实验设备的前提下，系统调试的时间就大大缩短了。很多时候需要降低难度才能保证学生完成全部的步骤，这样课程设计的效果会大打折扣。

2.3课程设计验收要求过于简化

单片机原理及应用课程设计强调实践性，所以最终的系统实现是明确的要求。但仅仅要求整个系统调通，展示现象是不够的。

前文所述，提出单片机原理及应用课程设计这个实践环节的目的在于将各门相关课程的综合，实现理论与实践的结合。若仅要求搭建电路后编写程序，然后调试完毕后结束，达不到对于单片机课程和其他相关课程的加深，对于使用单片机来进行系统开发也没有良好的锻炼。

2.4考核方式过于表面化

在单片机课程设计成绩考核中，往往采用如下几个部分：考勤，实验室表现，系统验收，答辩等。这几个部分的分值可以相对灵活的调整，而后两部分的分值往往占到60%以上，比重最大。在系统验收和答辩这两个步骤，应该不仅仅的进行评分，更重要的也是让学生学习的环节。而目前的系统验收中，往往过多关注是否实现了功能。

3　单片机课程设计的改进措施

针对刚才所述，单片机课程设计中存在的不足，做出以下改进措施。

3.1采用实验开发板作为实验设备

采用的实验开发板如图2所示，为自制的实验设备。在制作本实验开发板时，PCB板尺寸为67 mm×95 mm，板厚1.6 mm，双面板。器件布局尽量紧凑，节省空间，便于携带，学生可以带回宿舍调试程序。

除了最小系统部分外，包含如下模块：独立式按键模块，蜂鸣器模块，发光二管模块，四位一体数码管模块，显示屏接口模块，步进电机驱动模块，AD与DA模块，EEPROM模块等。使用本实验开发板，将各部分功能部件配齐，可以完成如下实验：流水灯实验，按键实验，数码管显示实验，定时/计数器实验，LCD显示实验，AD转换实验，DA转换实验，电子琴实验，EEPROM存储实验，步进电机驱动实验等。

若要做一些其他实验或项目，而本实验板上没有相应的功能模块，则将相应的电源和接口使用杜邦线引出，接到外围模块的相应引脚即可。

图2　实验开发板

3.2 课程设计各步骤和时间安排的改进

课程设计采用的步骤如图3所示。相较于以往的课程设计步骤，增加了仿真调试和仿真验收环节。仿真软件采用Proteus和Keil相结合的方式进行。通过仿真调试环节，使学生加深硬件设计的思想，并在仿真的过程中，对出现的问题进行排查，可以将各门相关课程进行综合。

图3　课程设计步骤

单片机原理及应用课程设计的时间安排采用较灵活的方式，在单片机原理及应用课程授课之处就将课程设计题目下发。在课程的进行中，学生查找资料并进行方案设计，并逐步地进行硬件设计和软件设计。最终，完成仿真和实物调试后验收通过，撰写报告和答辩。这样的时间安排相当于将课程设计的有效时间延长，有利于学生更好地完成课程设计，提高实践能力。

3.3课程设计要求更全面

在课程设计的步骤中，加入了仿真调试和验收。针对这一项，在题目下发之初，就明确要求仿真调试应全部通过。并且最终系统的硬件实现，要求在最小系统板之外焊接电路板，来构成总体系统电路。这样有仿真有实物，学生对于课程设计的题目，以及各门课程有更深刻的理解，加强理论与实践的结合。

3.4考核方式的改进

对于考勤和实验室表现的考核，参考一般做法即可，重点对于后两个步骤的考核，即验收和答辩。

在仿真验收和实物验收阶段，由每个学生独立操作。对于仿真验收，学生将完整的流程，包括建立工程，添加项目文件，编辑文件，编译文件，仿真调试等步骤全部演示。对于实物验收，学生将自己焊接的外围电路模块连接到最小系统板上进行操作演示，并说明自己的方案设计及思路。教师根据仿真演示和实物演示的情况，以及学生的讲解情况给出成绩。

在答辩环节，学生上交报告并自述，简要说明自己硬件设计和软件设计的各模块功能，以及设计和调试中发现的问题和解决方法。最后由教师提问，根据提问结果，结合报告和自述给出这一部分成绩。

4　结束语

单片机原理及应用课程设计中，实验设备的选择，课程设计步骤与时间安排，课程设计要求以及考核方式起着重要的作用，它关乎课程设计是否能够达到预定的教学效果。在本课题组2013～2014两个学年的单片机原理及应用课程设计中采用上述的改进措施，根据教学效果和学生反馈，均较以往有很大改进。

［1］ 葛浩，林其斌.单片机课程设计教学改革与实践［J］.实验技术与管理，2011（10）:138-140.

［2］ 翟子楠，赵志敏.项目管理模式在单片机原理课程设计中的应用［J］.中国电力教育，2008（9）:51-52.

［3］ 郑梁，胡冀，徐平原.单片机课程设计的创新教育模式研究与实践［J］.电气电子教学学报，2009（S1）:99-101.?

［4］ 谢斌，谭彧，杨柳.单片机原理与应用课程设计评价标准的研究与实践［J］.高教论坛，2009（11）:43-44.

［5］ 曲辉，刘宇.面向项目的“单片机原理及应用”课程设计改革探析［J］.中国电力教育，2013（35）:76-77.

［6］ 李全利.单片机原理及应用（C51编程）［M］.北京:高等教育出版社，2012.

［7］ 李全利.单片机原理及应用［M］.第2版.北京:清华大学出版社，2014.

The Reform and Practice of Principle and Application of MCU Curriculum Design

Hou Jiatong， Sun Kewei， WangYulong
Harbin University of Science and Technology， Rongcheng， 264300， China

In the current Principles and Applications of MCU curriculum design， the arrangements are too old. The homemade experimental development board is used as laboratory equipment in this paper is proposed， the steps and timing of curriculum design are improved.Then，the acceptance of curriculum design is emphasized， and the assessment method is improved. Teaching feedback showed that it improved the effectiveness of teaching greatly.

MCU； curriculum design；curriculum teaching

2014-12-27

侯甲童，硕士，讲师。孙克伟，硕士，助教。王玉龙，硕士，讲师。

哈尔滨理工大学教育教学研究项目（编号：320140021。