基于微型四轴飞行器的单片机教学设计

杨凌职业技术学院 胡启迪 何 婷

0 引言

单片机的教学侧重于实际应用，且知识延展性强，在提升理论知识的实际运用能力，深入理解其它相关专业课知识以及激发创造力等方面都有很好的促进作用。因此，对单片机类课程的改革研究具有深远意义，并得到了广泛的重视。

1 存在的问题

MCU选型以及实例系统选择是直接影响单片机类课程教学效果的两大关键因素。目前在对单片机类课程的教学设计上存在的问题基本围绕着两个因素，具体包括MCU选型要么过于陈旧、教学方式生搬硬套、单片机课程体系缺乏系统性等几个方面。

目前很多单片机教学设计上都能做到了对每个知识点的项目式覆盖。但是整体看来，各项目之间关联不大，形成不了一个实用的系统，从而降低其后期进一步自学深入的兴趣。

2 改善办法

2.1 选择适合的MCU作为课程样本

目前市场STC15系列单片机性价比高，最高主频和指令相率相都有很大的提升，其在单字节运算效率上甚至可以与ARM内核的32位单片机媲美，且寄存器结构却与传统8051类似，相对简单，也有着很不错的市场前景。

2.2 选择适合的系统

将一个实际应用的系统进行拆分后形成项目可以避免项目设计上缺乏系统性、实用性、针对性等问题。微型四轴飞行器成本低，具有一定的复杂度，合理的设计下可以充分利用STC15系列单片机的资源，且可玩性及可扩展性较高，是目前可选择比较理想的系统之一。

3 教学设计

3.1 教学设计思路

在实践性课程教学设计上，需要了解到行业对所授MCU的具体需求，包括应用领域，最常用片上外设以及扩展外设等。由于选用微型四轴飞行器作为系统样本，所以同时要对其原理和结构进行分析。在此基础上，就可以开始对微型四轴飞行器进行拆分。拆分好的项目通过独立的电路设计及程序设计即可用于教学，一般按照由简到难由主到次的原则。各个项目的具体内容以及教学次序，通过在教学过程中的效果反馈进行优化调整，教学设计的整体思路如图1所示。

图1 单片机教学设计思路

3.2 项目制定

通过对行业需求的深入了解，综合知识点覆盖、针对性及系统性的要求，项目制定及对应知识点如图2所示。

对于学习者来说，通用IO的控制是最直观、最简单，同时也是最灵活的知识点，因此将其排在第一个项目，并且安排两种应用场景，一种对应最基本的高低电平控制，另一种则对应相对复杂些的控制时序输出控制。

定时器的应用在嵌入式开发法中是最常用也是必须要掌握的，因此将其排在第二个项目，且配套的项目也是为了凸显定时器最主要的应用场景。

CCP是STC15系列新增的片上外设之一，简单理解起来就是一个高级定时器。其相较于传统定时器来说增加了捕获及低精度的PWM输出功能，其中的捕获功能是非常实用的。但是微型四轴飞行器本身并不是必须要用到此功能，为了覆盖该知识点，设计了一个商品遥控信号接收的项目与之对应。

图2 基于微型四轴飞行器的项目拆分

SPI是一种高速的串行通信接口标准，市面上符合此接口的设备有很多，其在用法上大同小异，关键点是对SPI通信协议的理解。这里用与NRF24L01通信作为项目。

ADC器件的应用十分普遍，从STC12系列单片机开始就集成了该片上外设，这里结合微型四轴飞行器的结构及行业应用情况选择摇杆偏幅检测及电池电量检测两个内容作为项目（见图2）。

4 结语

通过对行业需求的把握，结合易学性、系统性、实用性以及趣味性等要求，以STC15系列单片机作为MCU选型，微型四轴飞行器作为应用系统实例，对单片机课程进行了项目式教学设计。教学实践结果表明，该设计对提高学生学习兴趣、系统开发能力以及竞赛水平等方面均有一定的效果。但其在项目内容细节以及顺序编排上仍有不足，需要在教学实践中进一步完善。

[1]STC15系列单片机器件手册[M].中国:南通国芯微电子有限公司,2014.

[2]马宝山,刘剑桥,金国华.单片机应用课程设计教学改革探讨[J].实验科学与技术,2015,13(2):103-104.