机械类本科单片机实验教学案例研究
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摘要：针对工科机械类本科专业的单片机原理与应用课程实验教学现状的不足，本文提出了基于工程项目为导向的单元案例和综合案例相结合的课程实验教学方法，探讨了实验案例项目、综合考核等单片机实验教学改革实施方案，取得了明显的教学效果。
关键词：单片机；实验教学；改革；机械
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）43-0246-02
单片机已经在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化等领域得到了广泛应用，极大地提高了这些领域的技术水平，各大高校都将单片机原理与应用课程作为工科类重要的专业基础课。随着学科的交叉融合，机械类本科专业不仅要求具备一般的机械设计与制造的能力，还必须具备电子、控制的基本知识，因为目前的机械装备已不再是单纯的机械集合体，而是集机构、驱动、检测、控制等为一体的机电一体化装置。机械装备的设计也不再仅专注于机构与简单驱动的应用，而是集伺服驱动、高精度检测、PLC/单片机等控制为一体的复杂闭环系统设计。单片机课程综合了硬件电路设计和软件编程等技术。单片机原理也是应用型人才培养的需要，现工科院校和高职院校都开设了相关课程。但是，单片机技术日新月异，而大部分高校的单片机课程教学模式却一直延续至今，没有针对技术发展、社会需求做出相应调整，使学生处于被动接受而不是主动求知；传统教学过程中未引入工程实践设计，导致学生缺乏整体设计能力，动手能力普遍较差。因此，单片机课程改革势在必行。
单片机实验教学中，课堂教学主要以案例为主，通过案例来分析与讲解单片机原理、应用特点与方法。下面通过单元案例与综合案例来详细说明。
1.单元案例。单元案例就是结合单片机的应用特点，对单片机中常用的功能单元进行案例研究及讲解，目的是使得学生尽快认识和掌握单片机的各个功能单元。（1）最小系统，最小系统是单片机运行工作起来，所必需的最基本电路组成。在接触单片机之前，需反复强调最小系统的各部分组成，对于8051单片机来说，即电源、晶振、复位、片内片外存储器选择的EA引脚。首先在Proteus里搭建最小系统电路，这有利于学生接触Proteus仿真环境，熟悉基本元器件的选取和参数定义。然后在最小电路的基础上，进行单片机控制一盏灯的简单实验，这部分内容可结合51单片机的IO口同时讲解。再次，在51单片机开发板上，让学生认识单片机及最小系统，对一些元器件有基本认识。（2）流水灯，在做流水灯实例时，要考虑LED点亮的时间，亮的时间太长会影响整个过程的速度，亮的时间过短，我们无法观测到。因此，让学生认识到点亮LED的时间是关键，逐步引申到延时的概念，详细讲解程序延时及定时中断延时这两种延时方法及各自的优缺点。程序延时的概念学生较容易接受，定时中断的学习要结合定时/计数器及中断的知识点，重点讲解定时器工作原理、定时中断方法以及程序等。（3）按键和LED数码管显示，按键和LED数码管显示是51单片机常见的输入输出设备。首先，Proteus仿真环境里构建的是独立式按键，利用按键来控制发光二极管的点亮或熄灭；然后，构建4*4的矩阵式键盘，并分析比较独立式按键和矩阵式按键；再次，介绍七段式LED的组成原理，分为共阴和共阳两种，让学生来分析显示不同字符时的代码指令；最后，将4*4矩阵键盘和LED显示结合起来，实现按下键盘中的某个按键时，LED上将显示该键的键值（0-F）。（4）LCD显示，无论是单个LED（发光二极管）还是LED数码管，都不能显示字符及更为复杂的图形信息，这是因为它们没有足够的信息显示单元。很自然地引申出LCD来，转而介绍常见的字符型LCD 1602。首先，在Proteus里构建1602固定显示的实例，可以显示学校名称、课程名称等等；然后，演示动态显示效果，让字符自右向左滚动显示；在演示的基础上，讲解1602显示的原理，固定显示和滚动显示的方法，然后让学生自己实践。（5）AD和DA，在单片机应用系统中，只要涉及到测试与控制，都离不开传感器的检测。而大部分传感器是模拟传感器，检测信号为模拟信号，在送入单片机处理之前需要利用AD转换器将模拟信号转换为数字信号。此时，如果传感器输出的信号为大信号的模拟电压，直接满足转换要求，则可直接送入AD转换器，否则要将信号进行处理，一般是将信号进行放大。让学生回顾理想集成电路的放大原理，构建检测信号的放大电路。可以采用温度检测的实例，在Proteus里构建模拟温度传感器检测温度的模型，利用51单片机常用的ADC0809进行模数转换。DA转换与AD刚好相反，是将数字量转换成相应的模拟量，单片机输出的数字信号必须经过DA转换器转换为模拟信号后，才能对一些控制对象进行控制。对于DA转换器的实验案例，采用基于DA方式的波形发生器，通过按键控制，可输出方波、锯齿波、三角波、正弦波等波形，并在Proteus里利用模拟示波器进行观测。（6）串口通信，在数据处理和过程控制领域，通常需要一台PC机，由它来管理一台或多台以单片机为核心的智能测量控制仪表。这时要使每个单片机应用系统实时的检测数据能在PC机上显示出来，或者通过PC机来调整这些测量仪表的工作状态，就必须实现PC机与单片机之间的通信。串口通信是单片机中常见的通信方式，以串口通信为例向学生讲解通信的基本概念，包括并行通信、串行通信以及常见的串行通信方式。在Proteus里构建PC机与单片机之间串口通信的实例，进行数据的发送与回传接收。
2.综合案例。在学生基本掌握单片机的上述单元案例后，结合机械类专业的特点，设计两个综合案例，分别为：（1）温湿度监测系统。利用温湿度传感器定时检测环境的温度和湿度，将检测信号AD转换后输入到单片机，一方面进行1602 LCD的实时显示，另一方面将检测温湿度数据通过串口发送至上位PC机。这个综合案例考察到了定时器、AD转换、LCD显示、串口通信等知识点。（2）PWM控制电机调速。要求产生脉冲频率为1Hz，占空比0-100%可调。这个综合案例考察到了PWM波形生成方法、步进电机调速等。
二、单片机实验教学的考核方式
由于单片机课程的教学方式基本以案例和实践为主，也须对原有的考核主要以考试为主进行改革。采取的考核方式主要为综合实践，即2-3名同学组成一组的形式，自定一个综合实践题目，就题目展开分析和讨论，并展开单片机硬件系统设计和程序设计，然后确定并绘制单片机综合实践系统的硬件图（在Proteus中完成），并编写单片机综合实践系统的软件。最后每个项目组指派一位同学，在课堂上通过ppt方式阐述设计理念及具体的设计流程，并接受老师及台下同学的提问。本次综合实践占单片机原理课程总成绩的50%，对于设计选题及设计、答辩完成得较好的项目组，给予期末成绩加分的奖励。
三、实验教学效果
通过单元案例和综合案例相结合的实验教学方法，以模块化、系统化的结构进行单片机原理课程的授课，能够让理工科学生特别是机械类学生在认识到单片机应用特点时，能够综合运用所学知识，实际开发一些单片机应用系统。以上具体方案，经过三年的教学实践及效果反馈，效果良好。
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基金项目：杭州电子科技大学高等教育研究项目实验专项项目资助