基于項目式教學法的單片機原理課程教學改革

趙翠芹+黃星壽

摘要：為解決“單片機原理及應用”課程內容多而課時少之間的矛盾，提出將項目式教學法引入到單片機課程教學中。在虛擬硬件平臺proteus和 Keil軟件平臺下，結合最小單片機系統、數碼管、矩陣按鍵和點陣制作了一個電梯控制綜合應用系統，最后通過KST-51開發板進行測試驗證。實踐證明，通過開發板實物的體驗和軟件虛擬平臺的擴展設計，能夠激發學生對單片機學習的創造性思維，在提高學生的知識水平、專業能力和專業素質方面具有明顯的優勢，符合應用型人才的培養要求。

關鍵詞：單片機原理及應用；keil；proteus；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0177-02

單片機早已融入尋常百姓的智能家電之中，單片機技術是計算機、自動化、通信等相關專業的一門軟硬件結合且操作性很強的課程[1][2]，也是后續zigbee協議棧、ARM Cortex-M3架構的STM32單片機開發、ARM Cortex-A8網關的嵌入式系統開發和FPGA設計等物聯網相關課程的基礎性課程[3]?！皢纹瑱C原理及應用”課程內容按功能來分可分為控制部分和通信部分[4]；控制部分主要包括流水燈、中斷、數碼管動態掃描、點陣LED、矩陣按鍵、步進電機、蜂鳴器和脈沖寬度調制（PMW）等；通信部分主要包括UART串口通信、1602液晶、I2C總線與E2PROM、實時時鐘DS1302、紅外通信與傳感器、模數A/D轉換與數模D/A轉換。由于課程內容多而繁雜、總課時量受限制，必須對課程內容進行整合處理，才能順利完成教學目標。在“Keil軟件+虛擬硬件平臺proteus+開發板實物測試”下，提出采用項目式教學教授單片機課程。以項目式為主線，將最小單片機系統、矩陣按鍵、數碼管和LED點陣動態顯示等知識融合起來，設計仿真了電梯數字滾動顯示的項目。該項目以點帶面，有效地改善了單片機軟硬件知識的學習效果，把理論教學和實踐操作緊密耦合起來，有效地提升了單片機的學習效率和綜合應用的能力，激發學生學習積極性，提高學生動手能力[5]。

1“單片機原理及應用”教學模式存在的問題

單片機的設計原則是以最少的硬件器件獲取最多的功能應用[4]，在以往的“單片機原理及應用”實驗教學中，通常是由學校統一購買試驗箱，試驗箱板子線路基本是集成封裝好的，學生做實驗時只需要根據硬件電路的連接形式進行相應軟件編程，把編寫運行好的二進制可執行hex文件下載到試驗箱進行驗證即可。其實這樣做有一個很大的缺陷，忽視了學生實驗設計能力的培養，也就是單片機硬件系統的設計能力沒有得到強有力的訓練，不利于培養學生的自主性和創造性。對于固定線路的試驗箱，如果需要修改所涉及的接口電路，就需要重新設計電路和制版，學生需要額外購買更多外部器件和儀表，無形中增加了教育投入和價格昂貴的實驗設備，而且實驗設備的更新速度也是很快的。因此學生學完了單片機課程后，想將其應用到實際的項目工程實踐中，其難度還是比較大的，繪制一個綜合性項目的電路圖都有問題，更別說是PCB電路板的制作[6]。

為了提升學生學習“單片機原理及應用”課程的自主能動性，豐富課程教學內容，提升課程教學質量，急需對“單片機原理及應用”課程進行教學改革研究，結合Proteus、Keil軟件和開發板進行項目式教學，鍛煉學生軟硬件綜合開發設計能力，升華“單片機原理及應用”課程的教學效果，為培養與時俱進的應用型專業人才而努力。

2 Proteus與Keil引入“單片機原理及應用”課程中

2.1 Proteus在單片機教學中的應用

Proteus軟件是在傳統的虛擬硬件平臺中添加了嵌入式系統的仿真，可以實現51系列、AVR、PIC和ARM等常用的微處理器的仿真調試。Proteus提供了LED小燈、LED點陣、矩陣按鍵、數碼管、開關及步進電機等多種豐富的元器件，有模擬器件也有數字器件。它還提供了示波器、邏輯分析儀、計數/定時、SPI調試器等多種虛擬儀器，借助這些虛擬儀器可以進行相應的分析。這些器件的參數設置靈活，可以根據需要進行修改，彌補了硬件實物的不足。課堂教學中利用這些元器件在Proteus中進行硬件的設計、編譯調試代碼，活靈活現的展示電路運行過程與結果，改善課堂的氣氛和學生學習熱情。

2.2 Keil軟件在單片機教學中的應用

Keil c51和Keil mdk都是Keil公司的單片機集成開發環境，c51針對的是51系列的單片機開發，Keil mdk對應的是ARM系列的開發。Keil軟件是一款簡單易用的集成開發環境，帶有強大的在線調試仿真工具，入門門檻低，只要有c語言或匯編語言基礎就可以進行相應的開發，常常會有事半功倍的效果。

3 課程項目設計與教學案例

將項目式驅動教學法引入到“單片機原理及應用”教學中，巧妙的設計了一個電梯控制系統項目。項目包括最小單片機系統、矩陣按鍵、數碼管和LED點陣的理論知識和實踐技能。項目使用到的元器件有8位單片機AT89C52、7段數碼管7SEG-COM-AN-GRN、4X4的矩陣按鍵BUTTON、電容CAP、電解電容CAP-ELEC，晶振CRYSTAL， 8X8的點陣MATRIX-GREEN和上拉電阻RESPACK-8。教師對每一個器件用途進行由淺入深的詳細講解，例如電路中的電容和晶振是用于構造單片機最小系統的，AT89C52的第18和第19引腳接了一個11.0592MHz的晶振，外加幫助起振并維持振蕩信號穩定功能的電容。在確定了項目所需要的元器件之后用Proteus軟件畫出硬件電路設計原理圖，如圖1所示。根據實際任務的需求畫出程序流程圖，如圖2所示，再用Keil C51軟件根據流程圖編寫源程序，并進行編譯，產生一個可執行的二進制hex文件，然后把該執行文件下載到AT89C52單片機中去進行調試，調試沒有出現問題之后，把hex文件下載到KST-51開發板進行真實環境的測試。把項目任務巧妙的進行模塊分解，然后分配給學生，讓學生在規定的時間內動手完成每一個模塊的編程與調試，所有模塊完成后，最后整合成一個電梯控制系統，從而增強學生的理論知識和實際操作能力。

4 結語

采用以點帶面的項目式教學方法在單片機教學中具有實用性，通過軟硬件動手實踐，它能讓學生輕松地實現最小單片機系統、矩陣按鍵的掃描、數碼管的動態掃描和LED點陣動態顯示，學生也能了解到定時器、中斷以及外圍電路的硬件知識，并根據需要在Proteus軟件中動態的修改電路元器件參數；學生在理解了硬件的基礎上，理解C語言的程序流程和功能實現，并可以在Keil軟件中動態的修改指令。

參考文獻：

[1] 丁保華，張有忠，陳軍，等.單片機原理與接口技術實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2010，27（1）：117-119.

[2] 朱敏杰，羅珩，余亞東.改革單片機教學培養應用型人才[J].實驗室研究與探索，2012，31（2）：144-147.

[3] 趙月靜，陳繼榮，張永弟.單片機原理及應用課程創新實踐教學改革[J].實驗技術與管理，2013，30（1）：176-179.

[4] 宋雪松，李冬明，崔長勝.手把手教你學51單片機（C語言版）[M].清華大學出版社，2014.4.

[5] 許超，吳新杰，張丹.基于Proteus和Keil的單片機課程教學改革[J]，遼寧大學學報自然科學版，2011，38（1）.

[6] 顧菊芬，楊國華.“開發板+Proteus仿真”雙平臺單片機教學改革實踐[J].教學改革，2015（3）.