单片机应用能力培养探索

李尚荣 丁力 杨龙兴 叶霞

摘 要：针对单片机课程教学中存在的学生应用能力培养不足问题，提出了基于被控对象的单片机控制系统知识逻辑结构和典型训练项目，简要分析了典型训练项目的实施步骤与训练安排。

关键词：单片机应用能力；知识逻辑结构； 被控对象

中图分类号：G969：G642.4 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2017）02-0080-04

单片机课程是机电类专业一门重要的专业基础课，单片机应用能力是該课程需要培养的重要目标。但在该课程结束后，大多数学生并没有真正具备该能力，造成该问题的原因较多，目前就教学而言，存在的问题主要有：（1）偏重理论教学，课堂以教师讲授为主，学生缺乏主动性，学习有畏难情绪；课堂教学内容太枯燥，理论知识缺少操作演示和工程应用实例。（2）实验教学要求相对较低。基于实验箱或开发板的实验教学，只需要学生进行简单的电路连线和程序验证，学生真正动手练习的不多，对控制硬件电路制作和系统调试等训练不足。（3）课程设计题目难度和深度不够，设计内容单一、偏重于理论和软件仿真，如：采用Proteus仿真、单片机实验箱验证，实践训练不足，难以充分调动学生的积极性和创造性，学生的单片机应用能力和创新精神难以得到有效培养[1-2]；学生学习方面也存在一些问题[3]：（1）部分学生的学习积极性不高，有畏难情绪；（2）学生的能力差别较大，大多缺少动手练习和调试训练。另外，单片机型号和类型很多，如C51、AVR、DSP、ARM等；控制对象极其广泛，输入输出接口器件非常丰富。这些无疑都增加了学生学习的难度，降低了教师的教学效果。

基于上述分析，笔者认为要提高学生的单片机应用能力，一方面需要学生在理论上对单片机涉及的各种信号以及控制的各种对象有深刻的理解；另一方面，在实践上需要学生经过若干典型项目训练，实际动手搭建和焊接电路、编写程序代码和系统调试，真正掌握各种信号和被控对象的控制需要的技能和知识。为此，本文首先提出了一种基于被控对象为目标的单片机控制系统知识逻辑构成，以区别于传统的从单片机原理和接口两个方面说明单片机知识结构。然后，从控制对象角度给出了单片机应用能力培养需要的典型训练项目。最后介绍了项目训练和实施要求。通过课程的理论教学、实验教学、课程设计、毕业设计、学科竞赛、开放实验室或项目开发等多个环节，合理分配训练项目和要求，强化训练过程管理，注重实训效果。

1 单片机控制系统知识逻辑结构

单片机是智能和自动化设备重要的控制器，广泛应用于便携式设备、家用电器、智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统和军工等领域。在工业生产和制造领域，提供动力或状态指示的对象主要有直流电机、步进电机、交流电机、气压缸、液压缸、电磁铁、指示灯和蜂鸣器等，这些执行器是控制系统主要的被控对象，单片机使用输出口控制这些对象，为获取这些被控对象的运行状态，使用各种传感器进行检测，然后将信号送入单片机的输入口，单片机运用各种控制算法，如PID，实施动态调控。单片机与各被控对象之间的关系、信号类型如图1所示，该图右侧为单片机控制信号输出部分，根据被控对象的不同，输出信号类型主要有开关量、高速脉冲数字量和模拟量（D/A输出）等。通常被控对象的功率较大，单片机难以直接驱动被控对象，一般需要功率放大等中间转换电路。为获知被控对象的状态，需要状态检测，图1左侧为各种检测信号的输入，信号类型主要有模拟量和数字量（开关量、多位数字量）等。用来表征各种被控对象的状态信息或用户操作命令，其中矩阵式键盘、手动按钮、各类接近开关等信号为开关量输入信号。模拟信号传感器，如温度、位移、压力等，用于检测相应物理量的连续动态变化，这些模拟量信号一般需要放大、采样/保持等信号调理，再经过A/D转换，得到数字量输入给单片机，作为闭环控制中的反馈检测量。另外，用于检测转角的编码器信号通过脉冲捕获单元，实现高速数字量输入。

2 单片机应用能力训练项目

单片机课程知识主要由单片机内部原理和其外围接口两部分组成，系统硬件电路包括：单片机、时钟电路、复位电路、电源电路、外部中断电路、外部存储器扩展接口电路、程序下载接口、串行通信接口和各被控对象的输入输出电路[4]。系统软件编程涉及指令、编程软件、程序下载软件、辅助调试工具等。应用主要围绕系统的控制要求，进行方案设计。然后是电路设计和程序设计，电路设计包括：电路原理图设计、电子元件选型、PCB图设计与制作、元件焊接。程序设计包括源代码编写、调试与软件仿真。最后是软件和硬件相结合，进行系统调试。单片机应用能力可简单划分为基本应用能力和高级应用能力。基本应用能力一般要求掌握单片机最小应用系统构建、典型信号（如开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出等）的电路和程序设计，设置的训练项目及涉及的知识如表1所示。高级应用能力包括典型被控对象和典型应用系统的电路和程序设计，高级应用能力的训练项目如表2所示。

3 应用能力训练项目的实施

目前学生的单片机应用能力不足，究其原因，非常重要的一点是实践太少，没有将零散的实践经验上升到知识的理解层面。通过在学中“做”和做中“学”，自己动手制作电路、设计程序和调试，独立完成表1和表2所列的训练项目，将收获良好的训练效果，达到理解和掌握单片机应用所涉及的理论知识和实践技能[5-6]。

3.1 训练的要求

教学实训按照以下步骤逐步完成，并达到预定的要求。

（1）设计控制方案。分析任务要求，查阅资料，拟定最佳实现方案，并结合实际情况，确定控制方案，绘制系统控制框图；

（2）绘制电路图。在电路绘图软件，如Altium Designer，绘制电路原理、PCB图；

（3）设计控制程序源代码。在开发环境，如Keil C，编写程序代码，结合电路原理图，利用电路仿真软件（如Proteus）进行仿真，验证电路和程序。

（4）实际电路制作。初始，可使用面包板，搭建各个模块电路，测试通过后，再制作PCB板，焊接电子元器件，制作真正的PCB电路板。

（5）系统调试和运行。在硬件电路基础上，下载程序，进行系统联调，并改正存在的软硬件问题；

（6）答辩和成果展示。撰写设计技术文档或报告，进行项目训练的答辩和验收，并展示成果。

3.2 训练的安排

首先，根据单片机应用能力层次，划分学生人群，并将相关的训练项目分配到理论教学、实验教学、课程设计、毕业设计、自主学习和学科竞赛等相关教学环节。单片机基本应用能力是机械类相关专业需要培养目标，所有学生通过理论教学和实验教学环节，按照训练的要求，完成表1的所有训练项目。对于机械电子工程等对电控要求较高的专业，则需要通过单片机课程设计、专业课程设计或毕业设计等环节，进一步完成表2的训练项目，达到单片机高级应用能力要求。对少部分学生，还可以通过创客、学科竞赛以及企业实习等活动，将单片机应用能力提升到一个更高的层次。

参考文献：

[1] 王鑫国.本科生单片机应用能力培养模式改革与思考[J].甘肃联合大学学报（自然科学版），2010，24（6）：104-106.

[2] 金国华，腾君华，马宝山，等. 单片机课程设计中的应用能力的分层培养[J].中国现代教育装备，2015（21）：81-83.

[3] 杨健，喻晓莉，李亚利.对工科大学生单片机应用能力构建的思考[J].重庆科技学院学报（社会科学版）， 2011（14）：180-182.

[4] 郑锋，王巧芝，李英建.51单片机应用系统典型模块开发大全 [M]. 3版.北京：中国铁道出版社，2013.

[5] 曹建树，代峰燕，俞建荣，等.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， 31（3）：129-132.

[6] 张迎辉.任务驱动项目教学法在“单片机应用技术”教学中的运用[J].教育探索，2013（6）：43-44.