机械专业单片机课程教学改革

张艳荣 曹伟青 林发明

西南交通大学机械工程学院 四川成都 610031

机电一体化是工业生产、加工和制造的未来发展方向，单片机在机电控制系统中占据着极其重要的地位，小到智能玩具，大到自动化生产线，处处都有单片机的用武之地。因此，单片机课程一直都是机械专业学生的必修课。

与电类专业不同，机械类专业的单片机课程课时较少。一方面，机械专业的学生没有微机基础知识，课程要讲解的知识点很多，很难压缩理论学时；另一方面，单片机又是一门实践性很强的课程，没有足够的实践，很难达到较好的学习效果。为了突破这一瓶颈，越来越多的课程教学借助于仿真软件[1-4]和项目化教学[5,6]等手段来提高学生的学习效果。但通过实际教学发现，仿真软件有其缺陷，不能完全取代真实的实验平台。因此，本文将仿真软件与传统的理论教学和实验平台相结合，二者相辅相成，能够最大限度地激发学生的学习兴趣，提高学习效果，并培养学生的工程思维能力、动手能力和解决复杂问题的综合能力和高级思维。

1 现有授课模式的缺陷

1.1 传统教学的缺陷

传统的单片机教学过程以理论教学为主，实验教学为辅，二者之间没有更多的关联。由于学生此前没有计算机基础知识，课程需要从最基本的计算机数制开始，依次讲述单片机内部结构、汇编语言编程、单片机接口控制、定时器/计数器、串行通信到ADC和DAC控制以及内存和IO口扩充等内容，由于知识点众多，内容比较枯燥，学生实验的机会少，使得学生对本课程学习有畏难情绪，也很难把这些知识与实际实验联系起来，因而学习效果不佳。

传统的单片机实验需要在实验室完成。在传统实验教学中，教师首先讲解实验原理和实验内容，给出实验步骤，然后学生按照实验指导书的指导进行连线，输入实验程序，最后运行程序，检查实验结果是否正确。在这有限的时间中，学生很难做到自己分析任务和完成任务，更遑论独立解决实验中遇到的问题。因此，基于Proteus仿真软件的单片机辅助教学得到广泛重视和使用。

1.2 仿真软件的缺陷

仿真平台的使用，一方面使得理论教学变得生动，教师可以给学生边讲解边演示，从而加深学生对理论知识的理解；另一方面能使学生摆脱传统实验室场地和时间的限制，根据自己的实际情况自由安排学习进度和课程设计进度，在遇到问题时也能有更充裕的时间查找资料，寻找解决问题的办法，因此可以尽可能独立完成任务，提高学生的动手能力。但是，Proteus软件也有其局限性。

第一，仿真电路与实际电路存在较大差距，如果完全按照仿真电路搭建实际系统，则系统无法正常工作。例如，仿真软件无须绘制单片机的外接晶体振荡器电路，系统即可正常工作，但这在实际电路中却不可或缺。

第二，仿真软件的元件库不能涵盖全部的真实元件，因此它不能仿真任意电路系统。

第三，Proteus仿真电路只能对系统进行功能验证，而不能完成精确地控制。要实现精确控制，仍然需要搭建实际系统。例如，设计一个恒温控制器，需要根据当前温度，采用PID方法进行闭环控制。仿真软件可以验证控制信号的输出、AD芯片的采集，但系统的加温过程与周围环境温度密切相关，外部环境温度对系统性能的影响很难用Proteus仿真实现。因此，对于恒温控制器的加温效果，实物设计和测试验证仍然必不可少。

第四，很多复杂的通信接口难于仿真实现，如USB接口、CAN接口、网络接口等。

2 虚实结合的教学方法

2.1 教学方法

基于以上原因，在单片机课程教学过程中，将虚拟仿真和理论教学以及实际实验结合起来，三者相互关联，相辅相成，贯穿于整个课程的教学过程中。具体实施方法：首先确定设计任务，然后将设计项目采用自上向下的设计方法，把整个项目分解为小模块，每个小模块就是一个独立的小任务，它们分别对应相应的理论授课内容和基础验证型实验。首先，在理论授课过程中，子模块作为小练习，由学生使用Proteus仿真软件搭建并验证它们的功能；然后，学生在基础实验项目中搭建硬件平台，实现子模块功能；最后，在学期结束前两周，让学生搭建整个项目硬件系统，对子任务进行整合，设计综合程序，然后对系统进行实际调试，完成整个项目的实际训练，并提交设计报告。

2.2 项目示例

本项目是设计一个温度控制器，它用于给半导体激光器(LD)提供恒定温度，以保证激光输出的稳定性。主要任务如下。

(1)系统能够在6 min的时间内达到设定温度。

(2)温度达到稳态时，控制精度为±0.1 ℃。

(3)温度控制范围为40～200 ℃。

(4)控制器通过串口与电脑通信，接收来自电脑的启动/停止指令，并把当前温度发送给电脑。

2.2.1 系统硬件组成

系统硬件框图如图1所示。其中，陶瓷加热片和Pt100(热敏电阻)被封闭在隔热夹具内，以尽量减小系统与环境的热交换，从而提高LD温度控制的准确性。

图1 恒温控制器硬件组成框图

系统工作过程如下：陶瓷加热片用于给LD加温，加热方法采用基于PID的PWM波控制法。系统温度由Pt100检测，经R-V变换和AD变换后，温度数据送入单片机，由单片机进行采集和处理：一方面通过串口转发给电脑，从电脑上实时监测当前温度；另一方面送入PID算法模块，计算出新的PWM波占空比，从而控制加热速度。

通过分析，恒温控制器可以被划分为4个子模块：PWM波输出模块、温度采集模块、串行通信模块以及PID控制模块。

PWM模块和串行通信模块可以分别使用单片机内部的定时器/计数器和串行口实现。PID控制属于软件设计部分。

温度采集模块需要外接R-V变换电路和ADC芯片，R-V变换有两线制、三线制和四线制[7]，为了提高测量精度，本系统采用四线制，如图2所示。根据200 ℃的最大温度要求和0.1 ℃的识别精度要求，ADC芯片的位宽至少为12 bit，本项目选择的是TCL2543数据转换器。

图2 R-V变换模块

2.2.2 软件设计

图3所示为主程序流程图，其中系统初始化包括定时器/计数器初始化，串口初始化和ADC初始化。初始化完成后，系统进入无限循环状态。此时，若接收到温度设置命令，则设置系统目标温度；若接收到启动命令，则启动PID控制，控制系统加热到目标温度并保持稳定。在系统工作期间，如果收到停止命令，则停止PID控制，返回待机状态；否则，一直进行PID控制。在PID控制过程中，单片机同时将当前实际温度上报给PC机。

图3 主程序流程图

图4所示为恒温控制器的控制结果，该图由PC机软件绘制，考虑到设计难度，PC机程序由教师编写。图中预设温度为80℃，从图中可以看出，系统工作良好，达到了实验要求。

图4 温度控制结果

2.2.3 授课安排

根据上述划分，在授课时把三大硬件模块和PID控制算法模块分别穿插到定时器/计数器、串口通信、ADC控制以及控制算法的授课环节中，分别设计相应的基础验证型实验：PWM波产生实验，串行通信实验以及TCL2543控制实验。对应这3个基础实验，布置相应的仿真作业。由于仿真实验没有时间和空间的限制，学生可以有充裕的时间进行设计和调试，在遇到困难时能够与教师进行充分的交流和讨论，从而在实际测试时能在短时间内顺利完成实验，并获得较大的学习收益。在完成这些基本实验后，学生着手设计整个项目的硬件和软件，完成整个系统的设计和调试。

2.2.4 实施效果

图5所示为课程教改实施后的学习效果调查图，从调查结果看，新的教学方法对提高学生的学习积极性有很大帮助，同时，绝大多数学生对课程的体系架构有了更清晰的认识，也能将知识用于实践设计中。但从教学满意度看，这种方法并不能让每名学生都满意，对于学习较吃力的学生，需要在后续改革过程中，给予更多的关注，注意学生学习的个性化，做到因材施教，并在综合项目的难度上进行梯度设计，使不同能力的学生都能有所收获，让每名学生都获得成就感。

图5 课程教学效果调查

3 结语

本文针对目前机械专业学生单片机课程课时较少，但教学内容难于压缩，并且工程实践能力要求较高的矛盾，将Proteus仿真平台和传统的理论和实验教学相结合，三者相辅相成，把较大型项目拆分为小模块，融入平时的课程教学中。通过仿真平台、理论教学和实际系统的配合训练，可以培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。

通过两年的教学实践，学生普遍反映较好，认为对工程能力的提高有很大帮助，实现了教和学的良性互动。对学生的后续实践项目，如个性化实验、大学生实训项目、创新设计大赛、机器人大赛等，也有很大帮助。