《單片機原理》課程內容更新與教學模式改革

《單片機原理》課程內容更新與

教學模式改革

電氣工程及自動化學院張毅剛

zyg@12一、《單片機原理》課程特點與定位歷史：二十余年,年輕課程工科（理科）絕大多數涉電專業(yè)(一、二、三本科、職業(yè)技術學院、?？?均開設本課程。本科階段必須掌握的應用技術與技能。

就業(yè)、攻讀碩士學位的必備要求各種電子競賽以及畢業(yè)設計均涉及。全國大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目3課程性質：應用技術類課程。課程目標：培養(yǎng)學生的實踐動手能力，提高學生的綜合素質，掌握單片機應用系統(tǒng)設計的應用型人才。課程特點：與工程實際應用緊密結合實踐性強涉及面廣內容更新快《微型計算機組成技術》課程延伸，但又有其特殊性：（1）嵌入式形態(tài)的應用---控制器,涉及多學科知識（2）多學科與專業(yè)的平臺課（必修課）。測控技術自動化計算機應用電氣工程及其自動化通信工程、電子信息工程機電一體化等4屬于應用面廣的課程，凡是涉電專業(yè)都學習該課程，不僅僅是屬于計算機類課程。是一門涉及面廣、與實際應用緊密結合且對實踐性要求高的工程應用類課程。目標：培養(yǎng)工程應用型人才掌握單片機應用系統(tǒng)設計中涉及到的各種接口設計、抗干擾設計、掉電保護、低功耗系統(tǒng)設計

5二、課程體系結構建立、完善“以芯片為基礎，以接口設計為主線，以系統(tǒng)設計為目的”的課程體系和課程主要內容，如下圖示。接口設計部分應精心選擇內容。單片機集成度越來越高，有關系統(tǒng)擴展的部分應逐漸減少。例如，程序存儲器、ADC、DAC等被控對象的接口，應該增加。例如，各種電機接口、紅外接口等。67課程內容的重點（1）以芯片為基礎介紹何種芯片？51系列----主流系列。8051單片機內核的新型號不斷推出，兼容的衍生品種不斷問世，（統(tǒng)稱80C51系列）。芯片級別：民品級、工業(yè)級、汽車電子、軍品芯片引腳的外特性：尤其要注意4個并行I/O口P0-P3的內部結構，準雙向口與雙向口的概念。片內的各種功能部件8時鐘電路：內部時鐘，外部時鐘復位電路：多芯片的復位，不同極性的復位電平。采用74LS123(單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器)，外接的電容參數？指令系統(tǒng)：匯編語言指令系統(tǒng)（第3章）。常用程序設計：子程序的編寫，查表，排序，循環(huán)片內功能部件：中斷系統(tǒng)，定時器，串行口 中斷服務子程序的編寫 舉例的典型性

雙機串行通信程序9（2）以接口設計為主線

a.程序存儲器接口、數據存儲器接口地址空間的劃分：線選法、譯碼器法（74LS138、74LS139、74LS156、FPGA）地址鎖存器的選擇（74LS373、74LS573、8282）注意：選用大容量的存儲器芯片。

片內有閃存，擴展程序存儲器的工作略去。

讀、寫時間參數與單片機匹配即可。10b.I/O接口

擴展I/O接口的必要性（不僅是片內I/O不夠） I/O接口與I/O端口的區(qū)別 常用的I/O接口芯片（82C55、81C55） 利用74LSTTL芯片擴展的并行I/O接口、利用串口方式0 擴展的并行I/O接口。C.

鍵盤/顯示器（包括液晶顯示器）、微型打印機、BCD撥盤接口11LED顯示器接口原理（靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示）鍵盤接口原理（鍵少-直接判斷行線、線翻轉法，鍵多-矩陣鍵盤）鍵盤/顯示器接口設計方案（串口方式0、專用鍵盤顯示器接口芯片）LCD顯示器（介紹常用模塊）微型打印機（圣特尼克接口）典型的微打TP-μPBCD撥盤d.ADC、DAC接口DAC技術參數：分辨率、穩(wěn)定時間輸出形式、結構：電流、電壓；單緩沖與雙緩沖。12還有時鐘日歷接口、報警音響接口、各種標準串行接口等。大功率接口。其他的各種接口（3）“以應用設計為目的”-----課程的最終目的。主要包括：最基本的小系統(tǒng)設計、復雜系統(tǒng)設計、系統(tǒng)調試（軟件調試與硬件調試）以及開發(fā)工具（新的開發(fā)手段、EDA仿真軟件）?？煽啃栽O計（硬件設計與軟件設計）。其他單片機的介紹：

抗干擾性強、集成度高,片內資源豐富，幾乎不外擴。1314三、課程內容更新與教材建設1.結合教材建設進行課程內容的更新應能及時反映新的技術進展；涵蓋應用設計中的基本概念及主要內容；

元器件應為市場常見；每部分內容要有與應用緊密結合的相應設計實例；為鞏固知識點每章后應有較大量的思考題、習題；增加一些便于學生自學內容。國家級“十一五”規(guī)劃教材《單片機原理及應用》及配套的多媒體課件，已于2010年5月（高教社）出版。15

普通高等教育國家級“十一五”規(guī)劃教材（高等教育出版社）16國家級“十一五”規(guī)劃教材配套的多媒體課件17多媒體課件光盤的主要內容如下：全部電子課件（鏈接）；歷年參考試題；各章習題參考答案；大作業(yè)題目或課程設計題目（Proteus調試通過）；基礎實驗（10個，提供匯編語言源程序，可讓學生編寫相應的C51程序）；課程簡介與教學大綱。18在2004年1月由高等教育出版社出版的普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材《單片機原理及應用》的基礎上進行了內容更新?！笆濉眹壹壱?guī)劃教材，已印刷23次計14萬冊。1920普通高等教育國家級“十五”規(guī)劃教材《單片機原理及應用》內容更新各院校多以介紹51系列為主。本教材介紹市場流行的AT89S51。AT89C51已經不再生產。依據：2008年《電子產品世界》雜志對有關嵌入式處理器使用問題的276名工程師問卷調查，結果如下：8051內核的單片機用的最多，依次ARM,飛思卡爾，PIC、AVR等。但PIC單片機大有后來之上之勢，給予足夠的重視。例如：PIC16系列，PIC18F45221為開闊學生眼界，增加了各種單片機以及嵌入式處理器家族（單片機、DSP、嵌入式微處理器）的簡介（見第1章）。增加低功耗節(jié)電方式介紹，也是PIC的欠缺，還有看門狗的介紹（見第2章）。簡要介紹“C51”編程，并對涉及各種接口的C51程序設計舉例介紹。并給出與各種具體應用的例程。（見第14章）。編程語言的選擇，爭議較大，需深入探討。學生用C51編程，不愿用匯編。是否介紹匯編語言編程？刪去有關數據轉換和數據處理的程序，因為C51編寫很簡單易讀（見第4章）。22已編寫介紹單片機硬件+接口設計+C51編程的教材：《單片機原理及接口技術》（名家系列），張毅剛編著，人民郵電出版社，2011年5月出版。23人民郵電出版社，名家系列，張毅剛編著，51匯編語言編程24鍵盤顯示器接口中的8279刪去，以及利用通用并行I/O口的鍵盤/顯示器接口設計也刪去。增加介紹CH451和HD7279的內容。首推CH451，因CH451對LED數碼管的驅動功能較完善。但不能處理多鍵同時按下，需另加硬件電路（見第10章）。串行擴展，1（單總線）、2（I2C）、3（SPI）總線，重點I2C總線（見第13章）?？傊?，對“十五”國家規(guī)劃教材中落后、過時的器件與內容刪去。使教材跟上教學改革的步伐。2526四、實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與教學理念

由于本課程的特點，需在提高學生的實踐與創(chuàng)新能力上下功夫，應對傳統(tǒng)的教學模式進行深入改革。課程的學習方式：1.課堂講授+基礎實驗+課程設計（傳統(tǒng)教學模式）2.自學+布置題目+學生完成+教師總結（充分發(fā)揮學生的主觀能動性，硬件實現）

3.案例教學（教師講授案例，與應用實例相結合，利用Proteus仿真軟件進行仿真）想辦法把“讓我學”變成“我要學”。大作業(yè)：注重設計能力的培養(yǎng)。針對各章內容，分階段布置給學生應用設計的大作業(yè),即緊密結合已學內容的一個小系統(tǒng)設計，要求在Proteus環(huán)境下仿真調試通過。已收到較好的效果。27設立一個郵箱，以文件的形式提交大作業(yè)。要求教師要精心設計出相應的大作業(yè)題目。數量要多，題目不重復，學生獨立完成。2829軟硬件結合單片機技術特點是軟件控制硬件。不僅要介紹接口硬件和外圍電路設計，特別注重介紹接口驅動程序的編寫，避免軟、硬件脫節(jié)。培養(yǎng)學生的市場、成本和性/價比觀念比較多種設計方案，注重設計的可行性、性/價比；把科研開發(fā)中的經驗進行總結，多看最新的期刊雜志；關注元器件市場，了解最新的元器件及價格。

30課程考核的改革對考核方式進行改革，重點考核學生的實際能力，成績由以下幾部分組成：期末試卷占50％（知識點），平時占50％，其中：基礎實驗25％（要求學生用C51編程，并調試通過）

其中：必做---20分，選作---5分。EDA仿真大作業(yè)20％（每人題目不同，需用proteus仿真調試通過，題目的數量根據實際情況來定）出席+課后作業(yè)5％

（主要考察知識點的掌握）31五、培養(yǎng)提高實踐能力的舉措指導思想——“加強實踐環(huán)節(jié)的訓練，注重學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)”。主要由基礎性實驗、課程設計、科技創(chuàng)新組成。1.基礎實驗本環(huán)節(jié)，掌握仿真開發(fā)工具的仿真調試手段，基本的匯編語言源程序的編寫與調試，常用接口的設計與調試。鼓勵能力強的同學用C51編寫。共10個必做+5個選作的實驗題目：32基礎實驗10個（課程教學計劃內，必做）實驗1 I/O輸出實驗--LED流水燈實驗實驗2 單個外部中斷實驗實驗3 定時器實驗實驗4 雙單片機通信實驗實驗5 單片機與PC機間串行通信實驗實驗6 8255并行I/O擴展實驗實驗7 鍵盤矩陣掃描實驗實驗8 1602液晶顯示的控制實驗9 A/D轉換實驗實驗10 D/A轉換實驗基礎實驗選作5個：實驗1 溫度傳感器DS18b20實驗實驗2 直流電機控制實驗實驗3 步進電機控制實驗實驗4 直流電機測速實驗實驗5 繼電器控制實驗33對于規(guī)定的基礎實驗，要求學生把相應的實驗題目用匯編語言、C51編寫程序，并在proteus下仿真通過,再在廣州風標電子公司的實驗板上真正通過。為“學有余力”“有興趣”的學生提供選做的5個題目。克服傳統(tǒng)的“實驗箱”的不足，提倡鼓勵課程教學計劃之外的學習，學生自愿。具體做法如下：教師引導，提供資料和思路。鼓勵學生課余時間，自己制作各種實驗板，作各種小實驗。也可購買套件，自行學習。34352.課程設計（教學計劃內）兩周，該環(huán)節(jié)很好的綜合了單片機課程所學的內容，培養(yǎng)學生獨立設計開發(fā)單片機應用系統(tǒng)的能力。目前采用機器人套件，學生自己焊板、編程并調試通過?？刂破鞑捎?1或PIC、AVR。也可擬定數十個題目，供學生選擇，在proteus下仿真通過，再在配套的實驗板（廣州風標電子公司提供）上實際調試通過。典型題目如下。（見“十一五”國家級規(guī)劃教材光盤）36（1）LED電子鐘的制作以89C51單片機為核心，制作一個LED顯示的智能電子鐘設計要求：

計時：秒、分、時、天、周、月、年； 閏年自動判別； 五路定時輸出，可任意關斷(最大可到16路)； 時間、月、日交替顯示； 自定任意時刻自動開/關屏； 計時精度：誤差≤1秒/月(具有微調設置)。 鍵盤采用動態(tài)掃描方式查詢。所有的查詢、設置功能均由K1、K2完成。

37（2）單片機控制的LCD時鐘

51單片機控制的時鐘，在LCD顯示器上顯示即時時間。設計要求： 使用文字型LCD顯示器來顯示現在的時間。 顯示格式為“時時：分分：秒秒”。

4個操作鍵K1-K4，功能如下： 操作鍵K1：進入設置現在的時間； 操作鍵K2：設置小時； 操作鍵K3：設置分鐘； 操作鍵K4：確認完成設置。38程序執(zhí)行后工作指示燈LED閃動，表示程序開始執(zhí)行，LCD顯示“00：00：00”，然后開始計時，擴充功能：增加鬧鈴功能，時間到則產生音樂聲；增加鬧鈴功能，時間到則啟動繼電器控制家電；增加萬年歷顯示“年月日”；結合濕度傳感器來顯示現在的濕度。（3）秒表系統(tǒng)設計（4）帶有LCD顯示的定時鬧鐘（5）帶有LCD顯示的音樂倒數計數器39（6）數字溫度計設計1利用溫度傳感器DS18B20測量溫度信號，計算后在LED數碼管上顯示相應的溫度值。溫度測量范圍為-55～125°，精確到0.5°。

（7）數字溫度計設計2使用熱敏電阻之類的溫度傳感器件，將被測溫度變化的電壓或電流采集下來，進行A/D轉換后，就可以用單片機中進行數據的處理，在顯示器上將被測溫度顯示出來。

40（8）十字路口交通燈控制1設計要求：模擬東西方向的十字路口交通信號控制情況。東西向通行80秒，南北向通行60秒，緩沖時間3秒。用單片機控制的LED燈模擬指示。（9）十字路口交通燈控制2設計要求：利用單片機的定時器產生秒信號，控制十字路口的紅綠黃燈交替點亮和熄滅，并且用4只LED數碼管顯示十字路口兩個方向的剩余時間。要求能用按鍵設置兩個方向的通行時間（綠燈點亮的時間）和暫緩通行時間（黃燈點亮的時間）。系統(tǒng)的工作應符合一般交通燈控制的要求。41（10）產生各種波形的波形發(fā)生器（11）電容、電阻參數單片機測試系統(tǒng)的設計（12）用單片機控制直流電動機并測量轉速（13）步進電機單片機控制系統(tǒng)的設計（14）小直流電機調速控制系統(tǒng)（15）單片機控制步進電機（16）以單片機為核心的頻率計（17）可編程作息時間控制器程序設計（18）單詞記憶測試器程序設計（19）搶答器控制模擬程序設計（20）單片機節(jié)日彩燈控制器設計42（21）單片機數字電壓表設計（22）兩個單片機之間的串行通信接口設計（23）簡易電子琴設計……433.科技創(chuàng)新包括：（1）參加全國和省大學生電子競賽（2）大學生創(chuàng)新性實驗項目。大學生創(chuàng)新性實驗項目的部分題目：（1）基于單片機的大型公共教室節(jié)能設計與實現研究（國家級）（2）駕駛員眼保健儀的研制（校級）（3）基于單片機的出租車黑匣子安全系統(tǒng)設計（校級）。444.Proteus軟件的應用英國LabCenterElectronics公司開發(fā)的軟件Proteus是目前世界上最先進、最完整的對多種型號單片機系統(tǒng)的設計與仿真平臺。把先進的EDA仿真開發(fā)工具Proteus應用到課程教學中，對提高學生的設計與實踐能力大有益處。

已在全球廣泛使用。包括斯坦福、劍橋、牛津等的世界幾千所高校將Proteus作為電子工程學位的教學和實驗平臺。國內多所大學把Proteus的應用作為申報大學計劃的一部分，并把其應用在單片機課程的教學中。45對傳統(tǒng)的單片機實驗教學進行改革，建立一個新型的基于EDA軟件的實踐教學的課程體系。使用Proteus，可大大減少硬件設備的采購，降低硬件設備維護的工作量。大量的設計與仿真工作是在軟件環(huán)境中實現，不受實驗室和硬件的限制。購買了Proteus在中國總代理---廣州風標電子公司銷售的網絡版Proteus，100節(jié)點。再配以相應的實驗板。已經在綜合性大作業(yè)中以及課程設計中采用。收到了好的教學效果。積累了較多的設計資料，有關的Proteus教材預計2011年底出版。46借助Proteus的強大的仿真功能來進行課程的教學尤其是實踐教學環(huán)節(jié)，以及學生實踐能力的提高方面，益處多多。(1)仿真各種單片機：51系列、AVR、PIC、ARM等。(2)仿真各種外圍電路,,如LCD、LED數碼管RAM、ROM、矩陣式鍵盤、馬達、A/D、D/A,部分SPI、I2C器件、總線驅動器、可編程外圍定時器、并行接口、實時時鐘芯片以及多種D/A和A/D轉換器等。47(3)仿真各種虛擬儀器儀表及工具如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、計數器、電壓源、電流源、電壓表、電流表、虛擬終端等。Proteus還提供了圖形顯示功能,可以將線路上變化的信號以圖形的方式實時顯示出來,作用與示波器相似,但功能更多。通過軟、硬件結合的系統(tǒng)仿真,為學生更清晰地講解程序和電路設計調試中的細節(jié),讓學生更容易發(fā)現程序和電路設計過程中遇到的問題,更容易地掌握解決這些問題的思路和方法。48目前，世界上許多開發(fā)單片機系統(tǒng)的工程師都在使用該軟件。引入PAEE認證PAEE(proteusapplicationelectronicsengineer)認證是2008年由廣州風標電子公司引進,英國Labcent公司授權的電子工程師認證系統(tǒng)。主要利用Proteus這個良好的教學平臺，提高學生學習興趣。是單片機課程教學模式的改進，培養(yǎng)創(chuàng)新型、復合型電子人才的一個舉措。目的培養(yǎng)學生的動手能力，提高創(chuàng)新能力。對電子類學生硬件和軟件水平進行核定，成為企業(yè)電子人才選定的參考標準之一。特點（1）企業(yè)認可度高，大多數港資、外資企業(yè)已在使用Proteus做為開發(fā)平臺。（2）容易使學生盡快地具有系統(tǒng)的概念，尤其是單片機應用系統(tǒng)的EDA仿真。49（3）以市場應用為導向的考題。考試嚴格，軟硬結合綜合測試。益處（1）PAEE認證考試能提高學生實際水平和動手能力。（2）企業(yè)對PAEE認證的認可度高，電子企業(yè)可直接按級別使用經過Proteus培養(yǎng)的人才。（3）結合實際提高老師的教學與科研水平，并充分利用Proteus虛擬實驗室資源，促進實驗室的自我提高。50PAEE的社會認可PAEE認證體系現在已經被：艾默生系統(tǒng)企業(yè)，夏普，德昌機電，偉創(chuàng)力，博世，Motorola，Volvo，Panasonic，Philips，Sony，MicrochipSGSThompson，NaturalResourcesCanada，富士施樂，A.O史密斯，北京博暉創(chuàng)新，浙江亞特，金川集團，ABB（中國），蘇州巴羅，夏普，西門子（中國），菲尼克斯（中國），GE（中國）德昌電機………等世界知名企業(yè)認可。也即將成為Microchip公司認可證書之一。51PAEE培訓系統(tǒng)中國PAEE考證中心：清華大學培