单片机原理及应用范文

导语：如何才能写好一篇单片机原理及应用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：单片机；教学；实践

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）24-0181-02

单片机具有体积小、控制功能强、可靠性高、性价比高等特点，得到越来越广泛的应用。目前，很多工科高校都开展了《单片机原理及应用》课程，并且在各相关专业中占有重要地位。《单片机原理及应用》是一门实践性、综合性很强的课程，可以综合学生所学的电路、数字电路、模拟电路、可编程逻辑器件、编程语言、控制系统设计、传感器等多门基础课和专业基础课的知识，主要培养学生进行智能化电子系统整体设计能力。《单片机原理及应用》必须加强实践教学才能取得好的效果。但是，目前在实践教学过程中所使用的教学设备主要是实验箱，其主要元件一般是目前已经淘汰的插接式器件，同时由于实验时间场地的限制，学生很难有足够的实践时间。为此，本文设计了单片机教学实践系统，主要元件均采用贴片元件，体积小、成本低，可直接使用计算机的USB接口供电和下载程序，并且采用了目前单片机应用领域最流行的多种总线技术，CPLD技术等，使学生可以从认识元件开始，到设计、加工、调试、设计较复杂测控系统，全面培养学生的设计、实践能力。

一、单片机实践教学系统组成

为使学生在学生使用过程中，尽可能学生更新的知识，并且与教学过程相匹配，同学又要留有足够的扩展空间供学有余力的学生有更多深入学习的机会，因此在设计过程中，既保留的目前教学课本中最经典的教学内容，同时，又引入了目前实际应用领域中广泛使用的新技术。系统主要组成如图1所示。

教学系统以AT89S52单片机为核心，设计了CPLD扩展电路、人机接口、模拟信号输入输出电路、数字量输入输出电路、存储器扩展电路及几种比较典型的应用电路。

二、单片机实践教学系统电路设计

1.CPU及CPLD扩展电路设计。CPU选择AT89S52作为主控CPU，可以在线编程，内部8K的Flash存储器，不需要扩展程序存储器，内带看门狗，最大工作频率33MHz。扩展8K数据存储器（62624），可以满足学习需要。数字量的输入、输出罗辑均由CPLD实现，CPLD采用EPM7128，它带有2500门，128个宏单元，8个逻辑阵列，可用输入输出引脚100个。CPLD输出实现数字量的输入、输出外，还实现单片机总线扩展的锁存器、译码器等需要的数字逻辑单元。为学生使用方便，为学生提供输入、输出接口、计数器、数值比较器等基本数字电路的程序示例及单片机控制程序示例，以保证没有学过CPLD的同学无障碍的学习使用单片机。

2.模拟信号输入输出电路设计。模拟信号输出采用目前教学过程中普遍采用的8位逐次逼近型A/D转换器ADC0809，带8个模拟通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器，启动方式为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约100微秒。模拟信号输出通道采用DAC0832，它由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器组成。模拟信号的参考电压均采用REF195设计，输出5V标准信号。地址译码及选通信号等逻辑信号均在CPLD中编程实现，可以使学生充分灵活的实现自己的接口设计。

3.人机接口电路。人机接口电路采用了单片机电路最常用的键盘、数码管管理器件HD7279作为核心电路，设计了3×4的小键盘及四位数码管，可以满足测控的基本需要，同时可以满足学生对于人机接口程序设计联系的需要。

4.USB下载电路及供电电路设计。单片机实践教学系统采用USB供电，即可以保证学生可以充分自由的使用教学系统，同时也保证使用安全。单片机程序下载采用USB下载，提供给学生上位机的下载程序，方便学生使用。下载电路采用AVR的单片机Atmeg8为核心，Atmeg8是一个简指令单片机，是一款功能强、可靠性高的工业级单片机，内带Flaseh、SRAM、EEPROM等典型存储器，A/D转换器等实用的单元。电路设计中除了将它用于程序下载外，还提供了一路数字量和一路模拟量的输入，以使学有余力的学生可以学习到一种新的单片机，扩展单片机知识。

5.典型应用电路设计。为保证学生不仅学到单片机的基础知识，还要兼顾目前流行的新技术，同时又要提高学生的学习效率，在尽可能短的时间内学习到更多的知识，选择了三种典型的新器件，既具有实用性，又具有代表性。其中DS18B20是基本于单总线的温度传感器，DS1302是基于SPI总线的日历时钟芯片，AT24C02是基于二线串行总线的EEPROM芯片，三种芯片采用了三种不同的总线，基本涵盖了单片机测控领域最常用的串行总线方式。

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关键词：单片机；课程改革；课程探索

作者简介：许景辉（1978-），男，河北藁城人，西北农林科技大学水利与建筑工程学院，讲师；张成凤（1978-），女，山东安丘人，西北农林科技大学水利与建筑工程学院，讲师。（陕西 杨凌 712100）

基金项目：本文系西北农林科技大学本科优质课程建设项目（项目编号：2013-53）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）35-0074-02

“单片机原理及应用”是电气工程及其自动化专业的一门重要学科基础课，是专业建设方向中“强弱电结合、软硬件结合”的重要体现课程之一。该课程帮助学生理解嵌入式控制系统的原理、工作模式和常用芯片参数，是目前信息技术在电力系统中应用的入门级课程和基础课程。

“单片机原理及应用”经过多年的教学实践和改革，从教学方法和教学手段上进行了不断创新，教学效果日益提高。但在新科技时代背景下，随着现代科学技术的飞速发展，更多的技术和方法可应用到“单片机原理及应用”教学中，为课程改革的不断推进注入了活力。[1]2012年新的专业目录调整后，专业课程设置及学时要求发生了一定变化，这也为该课程的改革提出了新的要求。

一、单片机课程教学现状

单片机课程是目前高校电类专业的骨干课程，虽然从课程名字上有所不同，但教学内容基本为MCS-51单片机基本原理及其应用方法，故课程名字多为“单片机原理”、“单片机原理及应用”、“单片机原理与接口技术”等。根据教学任务要求及课程设置不同，单片机课程学时从32学时到64学时不等。结合现在专业培养方案变化，目前该课程以48学时居多，同时根据教学需要增设1～2周的课程设计。从教学形式上来看，各校基本延续课堂讲授和课程实验相结合的传统教学模式。由于多媒体的推广及实验设备价格的降低，学生知识掌握和实践动手能力都较过去有了很大进步。以单片机为主的应用电路设计一直是各个学校学生科技创新活动的主流，通过各类实践活动，学生在毕业时的理论和实践能力显著增强，为学生进入工作单位打下了坚实的基础，受到社会各个用人单位的青睐。

然而，目前单片机教学中也存在很多问题，需要不断进行教学研究，进一步提高该课程的教学效果。首先，该课程的教学内容需要适度更新，以适应当前社会对单片机技术人才的需求。在课程教学内容上，多年来该课程以MCS-51系列单片机为例，从单片机硬件结构、常用指令、编程方法和单片机硬件扩展等方面进行单片机的教学和实践锻炼。但实践中发现，单片机汇编语句部分应增加C51对照程序以加强学生实际应用开发的能力和水平。在单片机知识结构上，应对目前普遍使用的I2C、SPI、ICP和ISP等加以介绍，让学生了解目前广泛采用的单片机技术。除了MCS-51单片机外，还应对日常广泛采用的PIC和AVR系列单片机进行适当介绍，使学生不至于与实际脱节，降低课程教学效果。在实践环节中，很多学校仍采用传统的试验箱，这虽然在一定程度上方便了学生实验，但与学生进行单片机系统开发脱节，容易造成学生眼高手低的教学弊病。实践教学中，应将具有在线可编程功能的单片机引入到实验课程之中，让学生真正体验单片机开发的实际环境，更好地了解系统设计过程及调试过程。结合现代虚拟仿真技术，应将PROTEUS等仿真软件引入到教学和实践体系之中，让学生能够在理想的环境下进行软硬件调试，增强学习兴趣。

二、单片机课程教学改革实践

“单片机原理及应用”课程改革主要包括课程内容优化、实践教学创新、教学方法改革、考核体系完善及创新人才培养等几个部分，通过不同部分的教学改革实践，可优化教学内容体系，提高学生综合素质，培养学生具有“理论基础扎实、实践创新能力强”的创新型人才。

1.明确培养目标，优化教学内容

单片机课程是一门理论和实践性都比较强的课程。由于该课程较为抽象，需要学生用“有限硬件资源”的思想去考虑各类复杂的自动控制问题，这就要求课程的理论教学和实践教学内容合理，能通过相互补充的方式提高教学效果。目前，“重基础、宽口径、重应用、高素质”是电气专业培养的原则，在这个培养目标下，学生应该掌握坚实的课程基础，建立较为全面的课程知识结构，在实践教学环节的基础上，具有较强的动手实践和科技创新能力。但在新的专业培养大纲修订中，专业学时不断压缩，因此更需要认真考虑教学内容，满足现在培养目标的要求。

单片机教材多种多样，但在教学内容上基本相似。单片机课程内容主要有数字电路基础、MCS-51单片机硬件结构、单片机指令系统、汇编语言程序设计、单片机中断及定时/计数器、单片机存储器及扩展、单片机串行通信、单片机接口技术、D/A和A/D转换电路设计、单片机系统设计方法、单片机应用及开发举例等内容。从内容上来看，单片机硬件结构、指令系统及汇编程序设计、中断及定时/计数器、单片机存储器及扩展和单片机串行通信等是该课程基础知识，应通过各种教学手段进行重点讲授。不论学时如何压缩，这些基本内容应该保留并保证教学的实际效果。D/A和A/D转换理论在数字电路课程中有所介绍，因此可以结合单片机应用及开发举例等内容进行讲授，结合实践教学要求，还可将其放入到实践环节之中。单片机汇编语言部分教学内容应补充C51编程方法及实例，但汇编语言不应省略，因为它是锻炼学生软硬件编程思维的重要内容，不应过分追求与社会接轨而让学生建立空中楼阁式的课程知识结构。在串口通信教学中，可对RS-232接口及单片机串口工作方式进行简要介绍，但应增加I2C、SPI等串口总线教学内容以适应现在硬件接口设计的时代需要。[2]PIC和AVR单片机作为现在单片机应用的主流，在课堂中应对其特点加以介绍。

2.加强实践教学，提高学生创新能力

单片机课程实践性非常强，只有通过理论和实践相结合，学生才能真正掌握单片机的使用方法和应用技巧。单片机课程实践教学分教学实验、课程设计两个部分。两部分应结合课堂教学内容，相互补充，相互呼应。

在教学试验中，首先应采用切近实际生产的教学设备。目前很多高校仍采用传统的实验仿真箱，这种设备让学生关注于程序设计，单片机硬件部分只需插线即可完成。从目前教学效果来看，采用这种设备进行教学，学生对软硬件知识的掌握程度不尽理想。现在广泛采用的单片机均有ISP（在线可编程）功能，其单片机ROM多采用可擦写的flash芯片，因此延续过去烧写器时代的仿真实验箱将给学生造成错觉，让其在实际硬件开发中有种无所适从的感觉。单片机实践教学要求学生能够掌握单片机基本指令和使用方法，掌握单片机系统的开发流程及操作技巧，因此需要学生在软硬件上均应进行实践锻炼，这就要求启动新型实验教学仪器的应用。目前，单片机开发板功能日益完善，其价格越来越低，因此可以通过单片机开发板，让学生进入单片机系统开发的实战环境，真正让学生对系统硬件结构和软件指令有一深入的了解和掌握。在实践教学中，采用了积木式单片机硬件系统，单片机建立最小系统后，其设备均通过经典电路制作成模块，学生在实验中要对其电源、总线等设计，需要通过引线组件不同功能电路，这充分锻炼了学生的动手能力和系统设计能力。

在单片机实践教学中，PROTEUS软件是取代传统实验仿真箱的另一利器。PROTEUS软件是英国Labcenter electronics公司开发的EDA软件，是目前唯一能够进行单片机软硬件仿真的计算机辅助软件。[3]该软件有丰富的元器件模型库，能以较为形象的方式进行51系列、PIC系列、AVR系列和ARM7等软硬件仿真。[3]该软件注重于器件的关键引脚连线，能结合Keil等编程环境，对单片机系统进行主要功能检验和输出结果仿真，这有效提高了单片机学习和开发的效率。PROTEUS软件在软件环境中集成了各类检测仪表，学生只需一台计算机即可进行相关知识的学习和功能开发，其应用范围越来越广。[4]西北农林科技大学（以下简称“我校”）根据教学中常用电路及实验仿真箱等经典电路开发了“基于PROTEUS的单片机实验平台”，通过模块化的方式排列了教学和实践中常用电路模块，学生需要通过硬件连线和软件编程完成相应控制功能，对学生软硬件设计能力提高起到很大促进作用。

3.采用多种教学手段，不断提高教学效果

近年来，随着国家教育改革的不断深入，“强基础、宽口径”已是目前高校专业教学目标的主流，与之呼应的专业培养方案修订使得专业课程学时不断压缩，但教学大纲中对课程内容要求并未减少，这就势必造成教学效果的下降。为了适应这种状况，教学中必须采用新式教学方式，以提高教学效率。

现代教学手段中，多媒体授课形式已经不是新的创意，但多媒体课件如何设计却是一个常说常新的话题。目前，对于如何进行多媒体课件制作的论文已经很多，[5，6]但如何设计课件内容及如何设计内容展示方式的论文却不多。多媒体教学中，对于抽象的内容需要用POWER POINT中动画功能予以演示，如单片机工作方式内容讲解时，学生很难想象单片机取指令、编译指令和取数据的过程，而通过动画显示的方式，学生就很容易理解PC指针的工作方式以及CPU进行取、解译和执行指令的过程。现在网上资料非常多，在进行单片机硬件扩展内容讲解时，可将学生分成几组，分别对常用的电容、晶振、液晶显示器、数码管等进行型号和图片的搜集和整理，然后利用课堂5分钟进行各组的讲解和展示，这不但拓展了学生的视野，而且锻炼了学生的能力，起到了教学相长的目的。

除了多媒体教学外，还应充分利用各种资源，为学生进行立体式教学环境布置。应充分利用板书、多媒体、网络等手段，扬长避短，充分发挥各自优势。教师通过板书给学生以思考的时间，利于学生进行理论知识的课堂消化。网络是目前知识学习的宝库，丰富的网络资源为课程难点解答提供了多种版本的解释，为学生正确理解知识点提供了帮助。比如说单片机型号多样，课本讲解是有限的，学生就可查阅论坛和精品课程网站来了解新知识，各类国家、省级优秀精品课程网站为学生学习提供了良好的平台。

4.建立多样考查方式，注重学生学习效果考核

各种教学方式改革，目的是为了给学生提供一个良好的学习环境，因此学生学习效果还需通过多种考核方式进行评测，为学生质量鉴定提供一个标尺。单片机课程应用性较强，死记硬背式的学习方式不能适应现代社会对人才的需求。因此从课程考核方式上应将作业、出勤、实验报告、课堂测试、大作业及期末考试结合起来，通过教学过程中的引导，调动学生学习积极性。随着社会思潮对大学校园的冲击，每一届学生的学习特点各有不同，因此需灵活确定各类考核比例，引导学生加强某个教学环节的学习和锻炼。比如说，某届学生实验积极性不高，那这届考核中的实验出勤和实验报告比例就要加大，而且其考核比例要及早通知学生，这样才能引导学生重视实践教学环节。在不同考核方式中，也应该注重考核形式。如课堂点名时，很多教师拿点名册进行点名，由于缺课情况无法展示给学生，容易让不爱上课的学生懈怠。而通过大屏幕式Excell点名，情况就不一样了。这不仅利于学生出勤情况的统计，还可以让全体同学掌握各自出勤情况，利于彼此的监督和提醒。

三、积累教学经验，不断加强教学创新

不同教学方式的改革都是围绕创新性人才这个培养目标进行的。已有的教学经验利于当时的教学，但随着时代的变化，其教学方式就需要不断创新。

教学方式改革的主导者是教师，只有加强师资队伍建设才能形成良好的教学和学风，才能不断创新教学形式，提高教学水平和效果。在师资队伍建设中，应通过教案编写、课程讲授、专题研讨和学术交流的形式不断加强教师素质，提高教学水平。应鼓励和支持教师参加各类单片机产品会和学术团体会议；通过科研活动、全国性技能竞赛和学生科技创新活动，积累理论和实践经验，为教学工作积累丰富的教学素材；应积极创造教师进修和考察机会，开拓眼界，丰富经验，为树立其正确的教学理念创造条件。

学生创新型教育是时代赋予高等教育的目标和使命，是促进国家发展和生产力提高的重要保障。在教学中，应积极引导学生发挥创新性思维用单片机的思维解决生活中的自动控制问题。同时应在作业、课程设计选题及综合性、设计性实验项目中积极贯彻创新型人才培养思路，让学生多动脑、多动手。结合目前实验室开放和PROTEUS平台，让学生多进行创新性思考和科技创新活动。学生素质的进步既是高等教育创新的成果，也是教学创新的动力。

教学创新是课程生命力的动力和源泉，教学改革实践是课程永葆青春的法宝。教师只有不断创新，才能让学生由浅入深、由易到难地进行单片机概念、原理、使用方法的学习，才能通过丰富多样的实践创新活动掌握单片机控制系统设计、制造方法，才能培养出一批又一批的高素质创新型人才。

参考文献：

[1]吴允平.单片机教学改革与学生工程素质和创新意识的培养[J].福建师范大学学报（自然科学版），2004，20（1）：111-113.

[2]翟玉文.单片机课程教学改革探究 [J].吉林化工学院学报，2013，30（4）：34-37.

[3]张靖武，周灵彬.单片机系统的 PROTEUS 设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4]袁锋伟，赵立宏，朱慧玲.基于 Proteus 的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007，26（12）：75-78.

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关键词:单片机原理及应用技术教学现状改革方案

单片机以其较高的性价比和可靠性,在计算机控制领域占据了非常重要的地位,已广泛应用于工业、军事、航空航天、医药、农业及生活的各个领域。拥有良好的单片机技术知识,已经成为当今电子类及其他相关专业学生就业的一个基本条件。目前,高校许多专业都开设了“单片机原理及应用技术”或相关课程,但是单片机是一门实践性非常强的课程,又是一门非常抽象的课程。由于传统的教学环境和教学方式相对落后,教学理念陈旧,对于这样一门课程,教师在课堂教学过程中采用传统的授课模式,往往存在许多问题。

一、单片机教学现状的不足

首先,高职教育是有别于普通高等教育的另外一种类型,普通高等教育培养的是研究型人才,其课程内容的选择和组织要求理论性和学科性较强,而高职教育培养的是应用型人才,其教学内容的选择应侧重能力的培养和技能的训练,对理论的学课性、系统性要求不高,理论教学以够用为度,不必面面俱到。

其次,单片机概念多、内容抽象,经常出现教师难教、学生难学的状态。而且单片机技术实践性强,如果缺乏实践操作经验,学生很难建立起直观的感受,无法实现知识的灵活应用。因此,教师要改变教学观念,强化学生“在做中学”的观念,激发学生的学习热情,变“要我学”为“我要学”。

二、单片机课程教学改革方案

结合职业院校学生的特点,本文对单片机课程教学改革进行了探讨。

1、实施教学做一体化教学模式,做中学、学中做

以培养单片机技术综合应用能力为目标,选择能代表专业特色的单片机综合应用训练项目,将需要具备的综合能力分解成各项基本能力,围绕基本能力训练项目,依照认知规律构建训练模块。确立以能力培养需求为依据决定教什么、学什么、做什么的设计思想。教师依据实训项目中的能力训练需求,确定哪些是学生应必备的基础知识,依此选择理论教学内容,既内容的取舍完全取决能力训练的需要。学生依据项目训练过程中掌握基本应用技能的需要,明白应学习哪些基本认知内容,进行有目的有选择地学习。教师依据专业能力需要,首先选择具有代表性的单片机综合应用项目,该项目基本涵盖单片机应用的能力要素。再将这一综合性较强的单片机应用系统设计与制作项目分解成不同阶段、不同层次和不同能力训练要求的单元能力实训模块,每个模块中对能力训练都有所侧重。选择实训项目构建能力训练模块时,考虑了相邻模块间的进阶关系,通过逐一模块的能力训练,让学生全面了解各项基本技能综合运用的方法,进一步提高单片机应用系统的综合应用能力。

2、设立虚拟仿真实验室

Proteus 仿真软件不仅可以作为学校单片机教学,也可用于学生实验。由于是纯软件,学生可以自己绘制电路原理图,自己编制程序,在仿真软件里进行调试。特别是学生在综合实训和毕业设计中需要设计制作一些实际应用电路时,可先采用仿真软件进行模拟,调试通过后再制作,这样可以避免硬件电路制作的盲目性,少走弯路,提高制作的成功率。由于不涉及硬件,没有任何危险,可以避免由于设计上的错误所造成的硬件投入上的浪费。另外,Proteus是纯软件系统,只要有电脑的地方就可以建立实验室,学生甚至可以在宿舍、在家中建立自己的实验室,学生可以利用个人配置的计算机来完成实验,实验所选择的方案可以相互不同。锻炼解决实际工程设计的能力。

3、采用开卷考试与设计性实验相结合的考核方式

单片机课程的考核一般采用闭卷考试和实验成绩相结合的方式。闭卷考试由于时间一定,且答案唯一,因此只能在一定程度上考查学生对某些知识点的记忆能力,而无法灵活地考查学生的分析问题与解决问题的能力。实验中难免存在学生抄袭现象,造成成绩的评定困难和不合理。鉴于考核中存在的问题,建议采用开卷考试与设计性实验相结合的方式。开卷考试好处在于可以从一定程度上将学生从不必要的死记硬背中解放出来,使学生在认真复习的过程中锻炼总结概括知识点的能力。设计性实验则是两人一组,以开放式实验板为平台,由教师拟定若干题目,学生自行选择,然后根据选择的题目进行设计。验收方式为设计报告和参考程序,同时要有5分钟的答辩,避免部分学生抄袭别人的成果,影响成绩评定的公正性。

三、结束语

单片机技术教学是灵活多样的,教学方法也是非常之多。只要不断改进教学方法、丰富教学手段,加强实践能力的培养,注重理论联系实际,就能激发学生的学习兴趣,能有效提高单片机教学的质量,并且与不断改革创新以适应时展的计算机相关知识配合,我相信单片机教学工作将不再是枯燥乏味、难教难学的老大难课程了。

参考文献

[1] 李刚等.新概念单片机教程[M].天津:天津大学出版社,2005.

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关键词：单片机；Proteus Keil；仿真实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）23-0056-02

一、单片机教学的整改措施

《单片机原理及应用》课程是我院建设的精品课。目前有7个专业开设了该门课程。其中机械设计制造及其自动化、测控技术与仪器专业及机电一体化专业因为其课程相关基础知识较薄弱，使得学生对该门课程的学习效果较差。近年来为了提高教学效果采取了以下措施：（1）选取优秀教材，结合前沿技术讲授。（2）CAI与板书相结合。（3）不断培养学生自主学习能力，激励学生课前预习，加强师生课下交流。在课余时间开放实验室给学生。（4）加强实践环节建设，加强学生动手能力培训。实验内容不断更新，兼顾基本训练和创新能力的培养。不定期举办电子设计大赛。

以上各个措施各有可取之处，但是从教学效果来看，并不是最理想的方式。因为理论和实践的结合不能够完全同步进行，而建立课堂虚拟实验室，把理论课放到实验室里进行，则可以解决以上措施存在的教学效果不理想的现象。在进行理论学习时，在实验平台上及时动手操作，那么就可以让学生从理论、视觉和触觉都同时接触到单片机，可以帮助他们理论结合实际地理解单片机。这样理论知识会更加形象，便于理解和记忆，也能让学生及时发现自己对知识的掌握程度。因此将理论知识讲授和实践融合到一起同时进行才是最佳的教学安排。依据单片机实践性很强的特点，本文介绍通过将仿真软件Proteus和Keil相结合以仿真的形式把实验搬进课堂，可以直观地看到教学理论结果，从而最大可能地激发学生的学习积极性、主动性。

二、Proteus和Keil搭建仿真实验的优势

采用Proteus仿真软件和Keil搭建单片机虚拟实验室，不仅可以仿真和观察单片机内部资源的变化，还能够在程序调试过程中观察单片机电路的变化情况，使得硬件电路和软件程序互动起来，真正实现了软硬件协同仿真。并且采用Proteus仿真软件进行实验教学，克服了用单片机实验教学中硬件电路固定、学生不能更改、实验内容固定等方面的局限性，可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣。

实验能力和实验设计能力的培养，是工科学生解决实际工程问题能力中较为重要的。传统的实验教学中，忽视了学生解决实际问题的培养，对于设计能力的培养，则很少涉及到。如果采用传统的实验教学方法，则学生需要购置的设备比较多，增加了他们学习和研究的投入。采用仿真软件后，学习的投入变得比较小，而实际工程问题的研究，也可以先在软件环境中模拟通过，再进行硬件的投入，这样处理，可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费，锻炼学生解决实际工程问题的能力，还可以在进行课程设计或进行大实验的时候，具体地在Proteus中做一个工程项目，并将其最后移植到一个具体的硬件电路中，让学生了解将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来，利于学生对工程实践过程的了解和学习。

三、虚拟实验室在教学中的应用

1.教学的验证性。该阶段主要用于教学演示，教师通过将Proteus和Keil建立的虚拟实验平台搬到课堂上，将实践教学与理论教学融为一体，从而改进教学效果。另外也让学生熟悉Proteus与Keil软件环境，使学生对单片机实验仿真有感性认识。比如在讲授单片机课程时，学生总是不太理解数码管的动态显示时当刷新频率过高或过低时，会回导致怎样的实验现象。但在课堂上使用Protues和Keil联调建立的实验平台后，单片机教学中许多抽象的概念都可以以直观的方式介绍给学生，这有助于学生对各种理论概念的消化吸收。多片数码管动态显示效果如图1所示。

2.教学的可操作性。该阶段主要是通过实验和作业教学环节，培养学生用Proteus绘制系统原理图及用Keil进行源程序设计的能力。实验指导书给出实验任务与要求、实验原理图。学生可以根据实验原理图，在任何时间、任何地点用Proteus绘制硬件电路图，按照实验要求设计程序进行实验仿真，这样有助于学生及时理解课上所学内容。

3.教学的创造性。主要激发学生学习单片机的兴趣及学习主观能动性，提高学生科研能力及创新能力。该阶段主要与实训或课程设计教学环节相结合。学生根据设计任务及要求设计硬件电路，包括CPU型号的选择、元器件型号的选择、各参数的设置、各部分电路的设计及连接等，并绘制Proteus硬件原理图；根据硬件功能模块进行软件设计，包括系统总体设计框图、各子模块程序流程图及源代码编写等。软硬件设计完成后，充分利用Proteus与Keil的联合仿真功能，及时发现并改正硬件电路或程序源码的错误。系统仿真成功后，再制作实物，并比较两者的异同。比如设计题目为“步进电机速度控制”，学生可以用Proteus设计出如图2所示的原理图，在Keil软件编写程序后，在Proteus环境仿真运行，很直观地看到控制效果。

四、合理的考核方式

传统采用闭卷考试的方式，对考核学生对知识的理解和记忆具有一定的效果，但是不利于激发学生的创造性和探索新知识的主动性。因此，探索合理的考核方式对提高学生学习积极性和主动性起着非常重要的作用。为此，采取了笔试与实践相结合，并能够体现学生平时学习中表现出来的状态的多元化的考核方式，以其能够更加公平、真实地反映学生的学习水平。笔试考核成绩占50%与实践考核成绩各占40%，平时成绩占10%。笔试考核重点考查学生对相关知识的理解和记忆能力。实践考核既可以选择仿真实验也可以选择实际电路实验，以考查学生的创造性和动手能力。实践证明，通过这种多元化的考核方式，能加强教学过程控制，提高教学质量。学生反映良好，教学效果很好。

五、结束语

《单片机原理及应用》是电类相关专业一门应用面较广、综合性实践性较强的专业课，起着培养学生控制系统设计能力和初步工程经验的作用。文中提出在教学过程引入Proteus仿真软件和Keil构建的虚拟实验室，将实验环节带入了学生平时的学习，不仅解决了理论教学过程中进行课堂演示实验难的问题，而且使学生能够摆脱单片机硬件实验室，在课余时间有一个动手的平台进行单片机系统的软硬件设计，有效地提高了教学效率，扩展了教学时间和空间。考核方式的改革实现了理论与动手能力的真正结合。

参考文献：

[1]伍冯洁，谢斌.基于Proteus与Keil的单片机实验教学改革[J].实验室研究与探索，2009，（28）.

[2]王法杰.基于Proteus和Keil仿真实验平台在单片机教学中的应用[J].大众科技，2008，（6）.

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关键词 单片机；Proteus；仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）20-0052-03

Abstract The simulation experiment is done during the class consi-dering present status and problems in the teaching of the Principle and application of single chip microcomputer major. The demonstra-tion of Proteus simulation experiment can make the students further understand and master the contents they learned from the class. Themethod putting the teaching theories into practice， it is proved throughpractice that effects of teaching can be improved by this means.

Key words MCU； Proteus； simulation

1 前言

单片机原理及应用是电气工程类、电信类和机电类等专业开设的一门非常重要的专业基础课，也是学生参加大学生电子竞赛和进行科技创新活动必须熟练掌握的一门课程。单片机课程具有理论知识体系严谨，抽象和逻辑性强、应用性强等特点，单片机的学习需要硬件和软件相结合进行。多年的教学实践使笔者深感单片机原理及应用既难教又难学，教学效果一直不太理想，主要有以下几项原因。

1）教学模式采用传统的先基础后应用模式，学理论时学生感觉枯燥无味，学习积极性不高，同时有畏难情绪。

2）单片机的学习需要理论和实践相结合，而目前兰州工业学院的单片机教学则是实践环节和理论教学环节相脱节。兰州工业学院的单片机原理及应用这门课程的教学主要包括课堂理论教学环节、课外实验环节、课程设计环节和实训环节。理论教学主要介绍单片机硬件结构、软件指令编程、硬件资源的使用以及和接口芯片的应用等，实验是在实验室利用实验箱所提供的硬件资源来设计能完成一定功能的程序或验证一些程序的运行结果，课程设计和实训等环节又在课程结束后进行。由于学生在理论教学时只听到教师在讲解每段程序，不能及时观察到程序运行的结果，很难理解和掌握；而做实验时，只是按部就班，也谈不上灵活应用，致使学生容易对该课程学习缺乏兴趣。

3）由于受到硬件资源的限制，学生动手训练太少。单片机的课程设计和实训等环节是对所学知识的一次系统综合应用，但是由于受硬件资源的限制，学生在课程设计时所设计的硬件电路有些不能在实训环节实现，设计的程序不能观察到运行的结果，学生容易失去继续学习的兴趣。

为增强单片机课程的教学效果，在单片机课程教学中，结合重点、难点，适当将Proteus仿真技术引入课堂。Proteus仿真技术可动态实时模拟程序在硬件元器件（如显示、按键、电机等）运行的状态和结果，有利于形象化教学，吸引学生的学习兴趣，增强教学效果；有利于开阔学生的视野，让学生了解单片机的发展和新技术的应用；有利于培养学生的编程能力和仿真实验能力，建立科学的分析设计理念；有利于提高学生的科学探索能力和自主创新能力。同时，以往在实验室进行的单片机的实践环节，如单片机实验、课程设计和实训，都可以在Proteus软件中进行仿真。Proteus就相当于一个可以移动的、功能非常强大的单片机实验室，给学生提供了自主学习和创新的平台。

2 Proteus简介及特点

Proteus软件是由英国Labcenter公司开发的世界上著名的EDA工具（仿真软件）。Proteus从原理图分布、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现从概念到产品的完整设计，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台[1]。它运行于Windows操作系统上，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其电路组成的系统的仿真等功能，目前支持的单片机类型有MCS-51系列、DSP

系列、Arm系列等[2]。Proteus软件有以下特点。

1）具有强大的原理图绘制功能：Proteus自带35 000多种电子元器件，并且提供总线器件和总线布线，方便使用者绘图。

2）具有完善的电路仿真功能：Proteus可提供常见的激励源，如直流信号、脉冲信号、正弦信号、分段线性脉冲、音频等，并可以设定和改变性能参数；可提供多种仪器仪表的仿真，在虚拟面板上进行参数调节，如交直流电压/电流表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

3）单片机协同仿真功能：Proteus支持主流单片机系统的仿真，包括68000系列、8051系列、AVR系列、PIC系列、ARM系列等；支持字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键等通用外设模型[3]。

4）提供软件调试功能：Proteus软件可对8051、PIC、AVR等单片机进行汇编语言调试，同时支持Keil等第三方的软件编译和调试。

5）强大的PCB设计平台：Proteus具有PCB的自动布局/布线功能和原理图到PCB的自动转换，为电路的硬件实现提供方便，并支持多种输出格式。

3 Proteus仿真在单片机原理及应用课程教学中的应用

在单片机原理及应用课程教学中，LED数码管的动态显示技术在课堂讲授时，因为学生没有感性认识，教师的各种理论分析使学生感到烦躁，失去兴趣。如果利用仿真电路来展示程序在单步执行和全速执行时LED数码管所显示的状态，将有助于激发学生的兴趣并加深理解。下面以LED数码管的动态显示技术为例，说明Proteus仿真技术在课堂教学中的应用。

运行Proteus的ISIS程序，进入仿真软件的主界面，点击Library选择Pick Device/Symbol以打开元件库，将电路所需的元件添加到对象选择器窗口，在图形编辑窗口将各个元器件按设计原理图放置并连线。利用Keil编译器或文本文档编写相应程序，生成.ASM文件，在主菜单栏点击source菜单，选择Add，添加源程序.ASM文件，再选择Builled All进行编译，编译无误后生成.hex文件，并加载到51芯片中。最后点击菜单DebugExecute或按Play键进行电路仿真。LED数码管的动态显示原理图及仿真结果如图1所示[4]。

在本例中，将要显示的数据的显示码从P0口送出，位选信号从P2.0―P2.3送出，教学中先让学生观察全速执行和单步执行时的显示结果，再结合程序进行单步演示，并引导学生实时观察P0寄存器（80H）和P2寄存器（A0H）的值，如图2所示。此时P0寄存器或P0寄存器物理地址80H的值均为2的共阴极字形码值5BH，P2寄存器或P2寄存器物理地址A0H的值均为FDH，目的是使P2.1引脚输出为0，其余位为1，从而使2能在指定位点亮。通过观察，使学生看到段选码信号和位选码信号的配合输出，有了感性认识，同时增加了学生对动态显示的程序的理解，活跃了课堂气氛，激发了学生学习兴趣，达到事半功倍的效果。

4 结束语

教学实践证明，将仿真软件引入单片机的课堂教学中，可以把抽象的理论知识通过仿真实验形象化，使学生对单片机的学习从不愿学、学不懂到喜欢学、容易学。同时，Proteus软件中有很多实际中不易接触到的仪器，可以很方便地从软件中选用，不受硬件资源的限制，能够增强课堂教学的直观性和生动性，加深学生对概念、原理、编程思路的理解，激发学生的学习兴趣和积极性，从而提高教学质量，增强教学效果。

参考文献

[1]张文梅，黄晓红，崔楠.仿真技术在电类课程实践教学中的应用[J].广东农工商职业技术学院学报，2013（2）：42-46.

[2]乔建华，李临生，田启川.Proteus在单片机教学中的应用分析[J].电气电子教学学报，2008（3）：70-73.

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关键词：单片机；流水灯；教学改革

作者简介：王学惠（1974-），女，黑龙江友谊人，黑龙江科技学院机械学院，副教授；刘元林（1970-），男，山东平阴人，黑龙江科技学院机械学院，教授。（黑龙江?哈尔滨?150027）

基金项目：本文系黑龙江省高等教育学会“十二五”课题（编号：HGJXHB2 110872、HGJXHB1 110856）的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）28-0050-01

“单片机原理及应用”是机械工程专业的一门专业平台课，课程内容侧重于实际应用。该课程的教学对象是机械工程专业的学生，他们已具备一定的电工学和计算机及控制理论知识，教学上应以单片机结构及应用设计为主，使学生通过本课程的学习，具备独立设计单片机测控系统的能力，能对单片机的组成原理和结构有比较深刻的理解，基本掌握单片机应用系统设计方法，可灵活地使用芯片构成单片机应用系统，具备单片机硬件设计和软件编程能力。

为了在现有的学时中尽快引导学生入门，使其在理论分析与实践两个方面的能力都有所提高，教师从课程内容体系安排和考核方式等方面进行了一定的探索和研究。

一、“单片机原理及应用”课程教学的现状及存在问题分析

“单片机原理及应用”是一门理论与实践联系非常紧密的课程，目前的课程教学包括理论和实践教学两部分。下面就从理论和实践教学两个方面入手，分析目前单片机课程教学的现状及存在的问题。

1.理论教学现状及存在问题

理论教学是单片机课程教学的重要组成部分，也是实践教学的基础。目前理论教学主要依赖于课堂教学，传统的理论教学主要依赖于黑板教学。计算机技术的发展和多媒体技术在教学中的广泛应用，在一定程度上提高了课堂教学的效果。另外，启发式、讲授式等多种教学方法以及图片、动画、视频等手段在多媒体课件中的应用，有效地提高了学生对理论知识的理解。但是，就教学效果而言，学生学到的只是单片机的理论，而且学习手段单一，枯燥，致使学生学得吃力，老师教得辛苦，教学效果也没有显现出来。学生不知道其所以然，自然也不知道单片机到底是如何工作，如何实现系统控制的，致使学生学习兴趣不浓。没有实践的支撑，理论的教学就达不到预期的效果，自然理论也不能指导实践。

2.实践教学现状及存在问题

目前的实践教学主要形式为课内实验，偏重于做一些常规的验证性、认识性实验，综合性、设计性实践环节较少，严重影响学生的动手实践能力，不能很好地发挥学生自主学习的潜力，就业竞争优势不明显。[1]实验课的教学采用实验箱，进行实验时，学生只要对硬件按照实验说明进行简单连线就可以完成，并不清楚原理。[2]这种方法对学生而言，大量的概念都是第一次接触，而且抽象，没有感性认识，往往不能充分理解理论知识，没有创新性，没有问题的提出，激发不了学生的学习兴趣。

从以上现状及存在问题可看出，该课程教学的主要矛盾点在于理论和实践教学相脱节，理论教学单纯学理论知识；实践教学浮于形式，只演示一遍而已，不利于学生实践技能的培养，更谈不上工程应用能力的培养，不利于培养目标的实现。理论教学缺乏实践的支撑和验证，使得理论教学无的放矢。实践教学也不能对理论教学起到很好的推进作用，最有效的方法是改革现有的课程教学体系，在实践教学中学习理论知识，加深对理论知识的理解和运用，使得理论教学有的放矢。采用理论和实践教学有机结合的方法，有利于提高学生的工程应用能力。

二、课程教学内容体系改革

本课程主要讲述MCS-51系列单片机的硬件结构、组成原理和指令系统，并结合实例，重点介绍单片机应用系统的设计方法。对于实践性、应用性很强的机械专业课程来讲，实践教学系统是关键环节。[3]

1.课程教学内容的制定

课堂教学是实践教学体系中最重要的环节，其质量的好坏直接影响学生的学习态度与学习效果。[4]课程理论教学内容分为基本内容教学和扩展内容教学两部分。在基本内容教学中以流水灯为课程主线，将最小系统、基本指令、中断、定时器等内容融会到这个主线当中，以实际制作的流水灯为依托，不改变硬件结构，采用不同的方法实现灯的流水过程，从而深入浅出地把复杂的理论应用到具体的实践中。扩展内容教学主要是在基本教学内容的基础上，扩展芯片（如A/D、D/A、显示及键盘等芯片）构成单片机应用系统。

2.实作部分内容安排

黑龙江科技学院应用型本科人才培养的目标是培养学生的工程实践能力，能够动手制作单片机应用系统是单片机原理及应用课程所期望达到的培养目标。为实现这一目标，针对单片机这门实践性很强的课程，必须构建以实践为主线的课程教学体系，提高实践环节在课程中的比重，尤其是实际用单片机制作完成一个系统，使学生在教中学，学中作，以作促学。

通过具体的实物制作，激发学生的兴趣，使学生能够真正体会到学习的乐趣。结合理论教学的内容，实作也分成两个部分，一部分是以单片机为基础的流水灯制作，另外一部分是以单片机为基础的扩展制作。学生在熟练掌握基本技能的基础上，以完成自选、综合设计性内容为目的，教师引导学生自行选题、自主设计实作过程、自我选配实验器材。[5]

三、教学改革的具体实施

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关键词：单片机 教学改革 案例教学

单片机自问世以来，以其极高的性能价格比，以及抗干扰能力强、控制功能强的显著特点，广泛应用于实时工业控制、机电一体化产品、智能化仪表、通信产品、家用电器及军事装备等领域。因此，即使为选修课，该课程也越来越受到学生的追捧。“麻雀虽小，五脏俱全”，单片机虽只是一个芯片，但其内涵非常丰富，知识点多，内容抽象，要在短时间内使学生既熟练掌握单片机原理又能够娴熟应用于实践的难度很大。那么，怎样才能大幅提升课程教学质量呢？在对单片机教学实践过程中，笔者在以下几方面进行了有益的探索。

1 合理设计教学内容，提高授课质量

教学内容的设计包含两个层面：

1.1 内容的优化整合

在很短的学时（仅20学时）内，如何使学生最大限度地掌握单片机知识，是一个急需解决的问题。针对这一问题，笔者在以下两方面进行了尝试。

1.1.1 内容的取舍

我院学生在学习单片机原理与应用课程之前已经学过很多前序课程，如计算机组成原理、C语言程序设计、操作系统、模拟电子电路、数字电路、计算机硬件技术基础等。并且，在计算机硬件技术基础课程中，学生已系统地学过寻址方式、指令系统、程序设计方法、存储器、并行接口（以8255为例）以及模拟I/O接口等内容。因此对数制与码制、数字电路、程序设计的基本方法等基础知识不须重复讲授；将8086指令系统与单片机指令系统采取对比的方式进行讲授；减少了8255芯片的内容，增加了8155芯片，且更注重这些芯片与单片机之间的电路连接及编程使用；减少了A/D，D/A转换芯片介绍，注重其与单片机之间的连接方式及编程应用。

1.1.2 内容的重组

通常，本课程教材的编排顺序是微型计算机基础MCS51单片机结构和时序单片机指令系统汇编语言程序设计中断系统定时器/计数器并行I/O接口A/D及D/A接口技术串行通信等内容。如果完全按照教材的编排顺序授课，各知识点之间相对独立，不能使学生建立起整体的概念。因此，整合教学内容，合理安排教学顺序，显得至关重要。

在教学过程中，主要以单片机最小系统组成及原理、单片机指令系统、程序设计、单片机系统的扩展及I/O扩展技术四大模块为设计主线，以如何组建单片机应用系统并实现其功能为设计思路，将各部分内容有机联系成一个整体。首先将教学内容分成两大部分（如图1所示）―单片机原理与单片机应用。

单片机原理主要包括硬件和软件两部分，其中硬件部分重点讲授单片机最小系统的组成原理（以51系列单片机为核心的单片机硬件结构与原理、存储器配置、单片机工作电路、4个并行I/O端口电路结构、中断系统、定时/计数器）；对于软件部分，将指令系统和程序设计融合在一起，不再讲授教材的简单与分支程序设计、子程序设计和运算程序设计的相关内容，不再逐条介绍MCS51单片机的111条指令，而是重在梳理归纳总结，特别指出51汇编与X86汇编的相同和不同之处；对于一些关键指令，结合具体的程序进行讲解，加深学生的理解和掌握，如利用DJNZ指令设计循环程序，利用MOVC A，@A+PC和MOVC A，@A+DPTR两条指令设计查表程序，分别用相应的程序举例进行讲解。在软件部分，还引入了C51内容，指出C51与普通C的区别。同时针对单片机的I/O端口、定时/计数器、中断系统也给出具体的编程实例。

在单片机应用部分重点讲授单片机的扩展技术，主要包括：单片机应用系统的扩展（程序存储器的扩展、数据存储器的扩展、并行I/O端口的扩展）、单片机对键盘和显示器件的扩展技术、单片机对A/D和D/A转换器的扩展技术以及单片机与单片机、单片机与PC机之间的串行通信技术。针对这些内容的特点（应用性非常强）主要以一些典型器件为例进行讲授。例如，程序存储器和数据存储器的扩展电路连接有相似之处，教学过程中以新型的EEPROM芯片2817（既可作为程序存储器也可作为数据存储器）为例来讲授其与单片机之间的电路连接。对于显示器件的扩展，除了介绍单片机对LED数码管的扩展技术外，还增加了单片机对LCD显示器的扩展内容。

单片机原理和应用两大部分的内容并不是孤立的，同时在教学过程中也不是独立讲解的，单纯的讲原理，内容很抽象，学生也不易理解和掌握，而在单片机原理的基础上，穿插各种典型设计案例的讲解，将原理教学融入生活或工程实际中的相应案例，既加深了学生对相关内容的理解和掌握，又对学生以后进行单片机系统设计有一定的启发。

1.2 不断更新

单片机的发展日新月异，为了避免教学内容陈旧跟不上时代的发展，就必须把握单片机发展趋势，将最新的技术引入教学中，及时更新课程内容。开阔学生的知识面，激发学习兴趣，调动学习积极性，进一步培养学生的创新能力。

如对单片机编程语言的选择，以C51为主，汇编为辅。由于C语言的突出优点（它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能），针对8051的C语言日趋成熟，成为了专业化的实用高级语言，国内最通用的是Keil C51。但汇编语言也不能被完全舍弃，它在某些情况下具有一定的优势，如与硬件有关的程序用汇编语言编写，用C51编写主程序和运算子程序。所以除了引入C51的相关内容外，还引入了针对汇编和C51的混合编程举例。除此之外，LCD显示器接口技术也是新增内容。

2 融入多种教学手段，提升教学效果

在有限的学时内，不仅要使学生学到更多的知识，让学生在短时间内将所学知识融会贯通并牢固掌握，也是值得每个教师深思的问题。笔者认为，采取多样化的教学手段是提升教学效果的有效途径。

目前主要以课堂授课为主，大多采用多媒体和黑板相结合的方式进行。多媒体教学虽然减少了教师在黑板上的书写时间，但是课堂上单纯的程序和电路讲解，内容枯燥，学生学习也没有积极性，不利于学生对知识的掌握。并且，单片机课程既不像一些理论课那样具有大量的公式需要推导，也不像机械结构课可以采用动画形式进行内部结构及工作原理的演示。它本身所固有的特点就是实践性和应用性很强，针对这一点，在教学过程中，一方面采用多媒体教学，节省学时，以便在有限的时间内能教授更多的内容；另一方面将程序和电路仿真软件――Keil μVision和Proteus引入教学，针对所有引用的程序和电路在课堂上进行仿真，这一做法不仅吸引了学生的眼球，激发了他们的学习兴趣，更加深了学生对所学知识的掌握，同时也掌握了这两个软件的应用。这里仅举两个例子。

例1：对MOVC A，@A+DPTR和MOVC A，@A+PC两条查表指令的使用，分别如图2和图3所示。图中两段程序均使用查表指令进行平方值的查询，程序虽然短小，却足以说明这两个查表指令的具体用法，非常有利于学生的理解和掌握，尤其是MOVC A，@A+PC，在使用之前需要加一个偏移量。从图中左侧寄存器A中的值可以读出具体结果。利用Keil μVision除了可以验证程序的正确与否之外，还可以使学生更好地了解单片机内部存储器的配置，如这两段程序中，具体的平方值都是以常数形式存放于程序存储器中，从图右下侧可以看出，它们存放在以2000H单元开始的ROM中。

例2：单片机对ADC0808芯片的扩展技术（如图4所示）。图中以一分压电阻作为输入的模拟信号，输入ADC0808的IN3通道，单片机通过P0口扩展了4位LED数码管来显示模拟电压对应的数字量。满量程显示255（FFH），改变分压值（图中分压比为65%），对应的数字量输出也会相应改变。AD转换需要通过程序来实现，这就用到了Proteus和Keil μVision软件的联合仿真，以Keil μVision软件对程序进行编译生成HEX文件供Proteus电路调用，然后在Proteus软件中运行电路和程序，即可得到仿真结果（如图4所示）。

3 以案例推动教学，培养学生动手能力

虽然将程序和电路仿真软件引入教学，确实提高了课堂的授课效果，但毕竟没有给学生亲自动手实践的机会。所以，为了培养学生的动手能力和创新能力，达到学以致用的目的，在教学方法上，我们引入了案例教学。不仅在课堂上引入大量生活中或工程中的实例，如加入单片机在军事、通信、能源、机器人、交通、IT以及现代工业、农业、仪器仪表、汽车电子系统、家用电器、玩具及个人信息终端等诸多领域的应用案例，增加学生的感性认识；更重要的是通过让学生选择不同的设计题目，亲自动手设计硬件电路和软件编程实现相应的功能，大大提高了学生的动手能力和创新能力。

由于是大班教学（50～60人），而且课时又少，不便于开展实验教学，同时，原有的单片机实验箱，课程实验固定，不利于培养学生的创新能力。通过设立不同的设计任务，有效调动学生的学习积极性，使学生积极开动脑筋完成任务，以任务推动教学，突出学生在学习中的主体地位，进一步锻炼学生的动手能力，达到熟练掌握本课程的目的。

在教学过程中，设立10个题目供学生选择，平均每题4～6人。由于时间有限，题目不宜选得太大太难，以能锻炼学生动手能力，并按时完成任务为原则，题目如下。

（1）定时闹铃LCD，（2）密码锁控制，（3）8051八音盒，（4）基于单片机的数字钟，（5）机箱活动门（如光驱门）的控制，（6）8通道自动温度检测系统，（7）多功能信号发生器设计，（8）用单片机来设计计算器，（9）单片机与微机之间的无线数据传输，（10）红外遥控器的设计。这些设计题目可充分锻炼学生对8051定时器、按键扫描、LCD显示器、密码比较处理、歌曲旋律设计、A/D、D/A转换器的接口设计、串行通信及单片机对电机驱动的设计方法。在学生完成项目过程中，给予适度的指导，关键是让学生自己独立自主、保质保量地完成设计任务，把上课时的被动学习变为课外实践中的积极主动思考。一方面提高了学生的动手能力、解决问题的能力和创新能力；另一方面让学生带着问题学习，激发了其学习兴趣和热情，增强了学生的自信心，在课程教学实践中收到了很好的效果。

4 结束语

这些做法在教学过程中收到了非常好的效果。通过合理设计教学内容，提高了课堂授课信息量及授课效率，解决了学时少与授课内容多之间的矛盾；课堂引入Keil和Proteus仿真教学手段，大大提高了课堂的授课质量；案例教学法的实施，激发了学生的学习热情和学习兴趣，提高了学生分析问题、解决问题的能力，培养了学生的动手能力和创新能力。

参考文献

[1] 靳达.单片机应用系统开发实例导航[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[2] 陈明荧.8051单片机课程设计实训教材[M].北京：清华大学出版社，2004.

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摘要：从单片机行业就业需求特点出发，通过对教学内容和方法的优化组合，对实验教学、考核方式的改革，以达到改善教学效果，增强学生动手能力，培养学生创新精神的目标，从而使学生适应当今就业要求，最终实现教、学、做、就业的高度统一。关键词：单片机；教学改革；就业需求；创新能力中图分类号：G424.1

文献标识码：A

文章编号：16723198(2009)19021601高校教学改革已成为一种必然趋势，只有不断改进教学内容和方法，丰富教学手段，激发学生的学习兴趣，加强实践能力的培养，才能实现教、学、做、就业的高度统一，从某种程度上可缓解大学生的就业问题。1　教学内容和方法的改革根据单片机行业对应聘者的相关要求以及本门课程入门难的特点，教学中打破传统推车式的教学方式，注重对教学内容和方法进行优化和组合，将本门课程的学习分如下四个阶段：第一阶段：单片机相关知识及内部结构。首先在讲授各部分前，教师应对单片机就业前景、应用现状等问题给学生做一细致分析。然后以类比的方式(如：人体各部分)讲解单片机最小系统，并让学生明确最小系统是单片机能够正常工作的基本条件，对单片机有一个整体认识。接下来以最小系统为中心分别对单片机引脚功能、内部结构、晶振、电源、ISP、复位等知识进行简单讲解。此部分应在后面整个学习过程中不断进行回顾和学习。第二阶段：跳过复杂的汇编指令，结合嵌入式C语言讲解单片机并行I/O口工作方式。据调研，目前单片机行业主要以嵌入式C语言为主要编程工具，故授课时主要以嵌入式C语言为工具讲解，在后面出现编写程序需要时(如DS18B20等需精确延时的程序时)再穿插讲解C、汇编混合编程方法，这样既和实际工作更加贴近又使学生避过一开始就面对复杂的汇编指令，增强学好的信心。在对单片机并行I/O口讲解时，要侧重于让学生明白单片机作为双向I/O应用时每次读入前为何需先置1等这类应用型问题。在讲解单片机对I/O口的控制方式时，可以采用类比的方式(如：将单片机的各个功能寄存器比喻成我们平时使用的操作系统)，以增强学生的理解。经过基础知识的讲解后，教师应拿出大量学时带领学生从编写简单的流水灯程序开始，结合电脑在编译软件(如KEIL软件)下调试，一边编写程序一边讲解各部分理论知识(如：程序中头文件的作用，LED发光二极管的工作原理等)，并且逐步由教师带领学生编写向教师给任务学生自主设计过渡。在此过程中，需不断回故前面知识，学习新接口芯片，并同步电脑调试，验证结果。此部分题目至少涉及如下方面：(1)LED流水灯；(2)独立式按键；(3)LED数码管；(4)矩阵式按键；(5)蜂鸣器。第三阶段：中断、定时器、串行口部分。由于定时器、串行口多使用中断方式，与外部中断具有一定的共性，故放在一起进行讲解，以达到触类旁通的目的。首先以学生看得到、摸得着，运用发生在身边的实际例子(如接电话)进行中断的相关概念和中断处理过程的理论讲解，然后以外部中断为代表，结合大量的程序(如每按一次按键LED小灯亮灭变化一次等)讲解实际中断的处理过程及编程方法，使学生通过具体的程序充份理解中断的用途及处理方式。在外部中断被充分掌握的情况下，利用我们身边的实例(如：以出租车行驶里程计数等)进行定时器和串行口工作方式的讲解，由于前面对中断的相关概念、外部中断的工作原理有了很好的理解，故在学习定时器和串行口工作方式时学生就不会感觉太困难。第四阶段：综合设计及系统扩展。结合前面学过的知识，此部分教师拿出部分课时，以任务的方式提出一系列设计任务，学生综合前面学过的知识进行设计，以达对知识巩固、整合的目的，对学生创新能力也是一个很好的锻炼。以上四阶段需逐级递进，每一阶段在讲授基础知识后，需通过大量的练习进行消化理解，各部分一定要突出单片机的应用性，使学生体会到单片机的应用就在身边，以此激发学生的学习兴趣。2　改革实验教学，提高动手能力打破常规按照指导书学生下载程序单纯进行验证的传统实验模式，对课内实验教学进行改革，每次均将实验分为基础实验和设计性实验两部分，并逐渐加大设计性实验的比例。基础实验主要让学生按照实验指导书指导，对相关理论知识进行验证、对此部分实验系统结构、使用方法和软件调试方法进行掌握，为后面设计性实验打下基础。设计性实验由老师提出相应的设计任务(如：利用现有资源设计一款节日彩灯、设计一个秒表等)，学生自主进行设计、实验。设计性实验以前面基础实验为基础，但设计任务又脱离指导书，没有参考的内容，故学生只能自已设计硬件电路的连线，编写程序并调试，从而达到对学生基础理论知识和独立自主创新能力双方面的锻炼，而这两项也是用人单位十分看重的。3　开展课程设计，培养创新能力在单片机教学改革中，增设了课程设计部分。课程一开始教师提供多个具有创新要求的课程设计供学生选择。一般五、六人为一组，此课题伴随整个单片机教学，让学生在学习过程中不断想到自已的课题，遇到问题时先自已解决，不成功时教师再加以适当指导。在教学过程中可以感受到学生学习的主动性明显增强，所提问题具有更强的针对性，学习效果也更好。课程设计主要对学生以下几个方面进行了实战训练：(1)根据设计任务的具体要求，查阅资料、制定设计方案及预其目标；(2)使用Protel软件设计电路原理图和PCB版图(也可利用万能板完成但要保证信号的稳定性)；(3)购买元器件并进行电路版的焊接；(4)进行软件编程；(5)进行软、硬件联机调试，完善系统功能；(6)撰写技术文档资料。通过课程设计，使学生掌握了单片机系统开发设计的全过程，培养了学生团队精神和创新能力。4　改革考核方式，注重实际能力改变以往一张试卷定成绩的方式，更加注重了实际能力的考核。改革后，本课程的考核分为四方面：第一方面是平时考核，侧重于课堂上学生出勤、学习态度及参与问题讨论的积极性，占总成绩的20％；第二方面是实践能力的考核，侧重于学生的实际操作能力的考核，此部分主要针对平时实验成绩，占总成绩的30％；第三方面课题设计考核，根据每个人的工作量及最终效果评定此部分成绩，侧重于综合动手能力及自主学习能力的考核，占总成绩的20%；第四方面理论考核，侧重于基本理论的考核，占总成绩的30％。由于考核方式的改革，使学生重视实验教学，提高了学生的实践能力、互动性增强，改善了教学效果和质量。5　教改实施效果通过对教改方案的实施，教学取得了明显的成效。学生学习的主动性大为增强。实际动手能力明显提高，这点从大四学生毕业设计中得到了很好的体现，学生能较容易地独立完成DS18B20温度监测系统、数字电子时钟、十字路通指挥系统等毕业设计题目，且选择嵌入式相关工作的学生大部分均成功地找到工作。较快地完成角色的转变，基本达到了社会对单片机应用技术培养人才的需要。参考文献[1]李广弟.单片机基础(修订版)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.[2]刘守义.单片机应用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.[3]于复生.任务驱动教学法在机电一体化系统设计教学中的实践与探索[J].电气电子教学学报，2004，(1).[4]陈裕成.单片机原理及应用教学改革探索[J].漳州师范学院学报(自然科学版)，2007，(2).

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关键词：单片机类课程 实践教学 教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0127-01

随着人民生活水平的提高和相关技术的发展，单片机技术在工业控制领域和消费电子领域等方面得到了广泛的应用。作为高校相关学科的专业基础课，“单片机原理应用”课程也得到了越来越多的重视，本课程的理论性和实践性都很强[1-2]。要使学生真正学好本课程，不仅要让学生深刻理解单片机的相关理论知识，重点在于要让学生学会怎么用好单片机，因此在高校的教学中，必须做到理论教学与实践教学并重，通过实践教学带动和促进理论教学，不断提高学生的动手能力和创新能力[3]。

1 当前实践教学现状

当前的实践教学中存在的问题可以从以下三方面分析。

1.1 试验课时和试验设备不足

以我校电气工程及其自动化专业本科生的培养方案为例，单片机原理与应用理论教学共76课时，其中含有60个理论学时和16个实验学时，另外设有一周单片机原理与应用课程设计。从学时分配上，实验课时占总课时的21.05%，比例偏低。为了在有限的实验学时内完成教学任务，试验指导教师只能安排一些基础性或验证性实验，学生缺乏足够的锻炼，达不到实验教学的最终目的。另外，受实验室中设备数量限制，实践教学中出现“抱大腿”现象，即一部分同学认真做，一部分同学玩的现象。

1.2 实践教学内容缺乏创新性

传统的单片机实验教学内容中基础性、验证性内容多，综合性、设计性实验少。课程设计中选题限于试验箱和试验台资源，题目内容很难跟踪当前技术发展的热点。为了达到实物设计的目的，课程设计中题目偏重于实验台（箱）上能进行的实验项目，限于资源，题目难度总体来说偏低，实践教学过程演变成了对实验课内容的简单综合。且选题陈旧，一题多届，多人一题现象普遍，缺乏综合性、新颖性，难以激发学生学习的兴趣，更无法培养学生的创新能力。

1.3 实践教学考核体系

传统的实践教学的成绩考核包含：课程设计报告，设计过程考核和作品设计考核。由于实践教学内容缺乏创新，容易出现投机取巧的现象，使得考核过程流于形式，难以区分学生在实践教学过程中取得的成果，也就调动学生在实践教学过程中的积极性。

2 实践教学改革内容

传统的单片机原理与应用的实践教学无法达到培养学生创新能力和综合应用能力的要求，需要进行改革。针对这些问题，实践教学改革在以下几个方面展开。

2.1 实验室建设

良好的实验室条件是能够开展实践教学的基础条件。在实验室建设中不再选用试验台或试验箱这些昂贵的试验设备，而是以单片机开发板作为实践教学的平台。单片机开发板价格较低，但资源却非常丰富，可以最大程度上满足实践教学的需要。而且可以随着技术的发展不断更新教学资源，甚至部分学生会自行购买。

2.2 项目驱动式实践教学

实践教学中不再由指导教师给定题目，而是由同学们自选题目，指导教师审查题目。项目的设计既要完全包含本课程的知识点和技能要求，还要与实际相联系。所选项目可以源自日常生活中遇到的问题，也可以是自己感兴趣的课题。所选题目由指导教师审查题目难度及可行性，并给出建议后形成一个小项目。这种选题方法可以最大程度上避免选题陈旧等问题。变抽象为具体，激发学生的学习兴趣。

2.3 实践教学组织

试验资源增加后，在组织实施实践教学中，鼓励单人单组，最多两人一组。利用兴趣引导学习，激发学习的主动性，从而可以最大程度上避免“抱大腿”现象。而且因为试验资源不再局限于实验室，可以更充分的利用利用课余时间。在开设课程设计的学期内完成，参加学期末的课程设计答辩。从思想上不再把单片机课程设计当做某一段时间内需要完成的任务。通过长时间的锻炼可以取得更好的实践锻炼效果。

2.4 开发工具多样化

实践教学中坚持开放工具的多样化，不限定使用仿真器调试。实践教学前期可以使用仿真器调试，锻炼学生的编程与调试能力。到实践教学后期，因为大部分程序已经调试完成，此时引导学生脱离仿真器调试程序，锻炼学生的分析问题和解决此类问题的逻辑思维。

2.5 以知识竞赛引领创新

鼓励以实践教学的作品参加国家级或者省级电子设计类比赛。参加这类比赛以增强动手能力为主要目的，同时也会保证作品的实用性、新颖性和知识的综合性。激发学生之间的竞争意识，促进实践锻炼的教学效果。

2.6 实践教学的考核体系建设

学期末组织课程设计答辩，根据所选题目难度、任务工作量、完成情况、答辩表现、课程设计报告给出最终实践教学的基本成绩。根据参加各类大赛的获奖情况给出创新成绩，这两个成绩按一定比例确定最终成绩，在我校目前实施的考核体系中，竞赛成绩所占比例为30%。增加的答辩环节，既可以鉴别该同学是否真正完成了相应的实践教学锻炼，避免抄袭现象和“抱大腿”现象，还可以锻炼学生相应的逻辑思维能力。

3 实践教学改革的成效

从2012年开始在电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程三个专业进行实践教学内容及方法的试点改革，约有1000名学生接受了新的实践教学内容和方法。通过实践教学改革，激发了学生学习的主动性与积极性，培养了学生的创新意识和综合运用知识的能力，提高了学生的动手能力。学生参加电子类大赛的人数和获奖人数以及获奖等级逐年提高，2012年，在山东省大学生电子设计大赛中参赛的8只代表队全部获得山东省一等奖，2013年，在全国大学生电子设计大赛中有两个不同的题目获得全国一等奖，还有2个队伍获得全国二等奖，剩下的9只代表队获得了山东省一等奖。这些数据充分说明学生学习的积极性得到了激发，实践动手能力得到了明显的进步。

参考文献

[1] 李洁，李卫兵.《单片机原理及应用》实验教学改革与实践[J].实验科学与技术，2012（4）：92-94.

篇10

关键词：单片机；任务驱动法；教学；应用

TP368.1-4

当今中职生具有以下特点：在长期的基础教育阶段，由于尚未养成良好的学习习惯，也未曾找到适合的学习方法，并且还缺乏刻苦学习的精神，因此产生了厌学心理和行为，渐渐形成了“因为不会学而学不好，因为学不好而不想学”的恶性循环形象。

如何使学生既能学到理论知识，又具有动手能力，采用任务驱动教学法能较好地解决这个问题。在课程教学中引入任务驱动，是传统教学与新教学改革下实践教学的优势互补，是改善理论讲授与实践运用间脱节的关键，也是推动新形势下教学改革的有益尝试。任务驱动式实践教学属于一种学生主动探究型的教学模式，其具备以学生为中心、以任务为驱动的特点，适合应用于单片机类的工科课程教学中。

一、任务驱动教学法的基本涵义

所谓“任务驱动”就是在学习的过程中，学生在教师的帮助下，紧紧围绕一个共同的任务活动中心，在强烈的问题动机的驱动下，通过对学习资源的积极主动应用，进行自主探索和互动协作的学习，并在完成既定任务的同时，引导学生产生一种学习实践活动。“任务驱动”是一种建立在建构主义教学理论基础上的教学法。它要求“任务”的目标性和教学情境的创建。使学生带着真实的任务在探索中学习。在这个过程中，学生还会不断地获得成就感，可以更大地激发他们的求知欲望，逐步形成一个感知心智活动的良性循环，从而培养出独立探索、勇于开拓进取的自学能力。

二、任务驱动法教学过程的实施

1.确定任务，明确任务目标

考虑到现在的中职学生学习积极性普遍不高，在确定任务内容时，应由易到难，前后相连，层层深入，自始至终引导学生通过完成特定的实际任务获得和积累相应的学习经验，品尝成功的喜悦，从而提高学生的学习兴趣和积极性。在单片机课程中，由易到难，可以把任务设计为：流水灯控制电路、开关控制的流水灯、交通灯设计、数码管数字显示等。

2.划分小组

由于班级人数较多，而实验设备较少的原因，必须对学生进行分组。分组前，对学生做深入的调查研究，如学生的表现、各科学习成绩等，做到心中有数。采用互补的方式进行分组，即成绩好的与差的学生分为一组。这样有利于差生的转化。 通过相互帮助、相互学习、取长补短，使每一位学生都能掌握学习内容，都体验到学习成功“成就感”与“喜悦感”，从而达到对学习内容的深刻理解和领悟，增强学习信心。

3.学生自主、协作学习，自主探索完成“任务”

在完成任务的过程中，不是由教师直接告诉学生应当如何去解决面临的问题，而是由教师向学生提供解决该问题的有关线索，如需要搜集哪一类资料。从何处获取有关的信息资料等，强调发展学生的 "自主学习"能力。同时，倡导学生之间的讨论和交流，通过不同观点的交锋，补充、修正和加深每个学生对当前问题的解决方案。

例如，制作《流水灯控制器》电路板时，教师要简要分析任务，解释运作方法，说明问题的背景，说明要解决的问题，实地考察，鼓励学生进行创造性思维，并引导学生进入方案的讨论。具体是指强调任务中的注意事项，分析讲解单片机I/O口及数据传送指令，对有关的电子线路的知识进行复习，如稳压电源原理等，然后要求学生确定电子元件的参数、列出原件清单，利用PROTEL绘制电路原理图，根据PCB电路板的制作方法设计好电路板，利用汇编语言编写好程序并进行仿真与调试，激发学生自主学习与探究学习的动机，增强学生参与知识建构的积极性与自觉性。

总之，让学生积累经验，激发学生自主学习的积极性与热情，并通过实际操作，自主探索并完成任务，加深对理论知识的理解。

4.注重积极的任务评价

评价是实施任务驱动的关键之一，完善的评价体系是对学生知识的掌握和实践能力的肯定，也可成为对学生的一种激励手段。任务驱动式教学将单片机课程按照知识结构形成了多个任务，每个任务的结果都可能是下一个任务的延续，积极的评价机制有利于激发学生的学习热情，保持浓厚的学习兴趣，能对学生的下一轮学习产生强大的动力。

在流水灯控制电路板这个任务中，首先，对学生的作品进行评分，包括电路板的美观度及复杂度、灯闪的花样等；然后组织学生集中起来进行讨论和总结。先在小组内进行互相评价总结，让学生看一看其他同学是如何完成该任务的，在方法上和自己有什么不同，以集思广益、开拓思路； 然后，由教师进行评价总结，要对学生的能力进行客观评价，关注学生在获取知识的过程中的发展变化以及学生参与教学活动的态度，对学生基础薄弱环节进行补充、详解、强调。在任务完成基础上，教师对不足之处进行总结和引导，提出要求。这样，可以照顾大多数，又能因人而异，使不同层次的同学都能获益，使教材内容得到进一步的强化。

三、教学效果

在单片机课程的教学中，运用了任务驱动教学法，教学效果有了很大的转变，主要表现在以下几个方面：

1、课堂气氛与以前大不相同。传统的课堂气氛较沉闷、学生的积极性不高，师生间的交流不多，而用此法后的课堂气氛则大不相同，生生之间、师生之间真的动起来了，气氛很活跃，学生兴趣和积极性都有较大提高；

2.学习内容更为开放，能更好地满足不同层次学生学习的需要。传统教学内容是预设的、封闭的，而用此法后，课堂教学中只是提出了需探究的问题，并无预设和封闭，因此学习的内容开放的多了，而对学生的要求也不在是统一标准，对于学习有困难的同学做稍浅层次上的探究即可，而对于学习优等生可做更深层次上的探究，照顾到了不同层次学生学习的需要，达到共同进步的目的。

3.学生对单片机课程的知识理解得更深刻。传统的教学都是以教师为主体，虽然也有实验演示，但是抽象深奥的单片机知识还是让学生望而祛步，运用任务驱动法后，学生自主探索，分析问题并解决问题，抽象的内部结构也能想象出来，学习指令时不会今天背了明天就忘，真正地实现了理论与实践一体化。如在流水灯控制电路板这个任务中，学生对单片机I/O口的结构、数据传送指令都理解得非常透彻。

4.技能水平较以前有进步。传统技能教学虽对技能等各方面都有明确的目标和要求，并有按计划进行训练，但效果还是不理想，而用此法后效果比以前有较大的进步，因为在实操过程中学生是自主地去做，而不是靠教师逼出来的。

四、结束语

任务驱动教学法，它继承了传统教学方法的很多优点，始终把学生作为学习的主体，以任务作为驱动，让学生通过自己的操作，把书上死的理变成活的应用。教师的引导、点拨，更多的是把知识加以引申，使学生能够触类旁通，识一山而知千峰，点面结合、以点带面、以旧带新，较好地解决教与学的矛盾，为教育创新开辟了一条广阔的途径。只有这样，才能适应信息社会飞速发展的需要，走在时代的潮头。

参考文献

[1]张鹏、王雪梅编著. 单片机原理与应用实例教程. 北京：海洋出版社，2008

[2]梁洁婷，首珩，肖玲妮主编. 单片机原理与应用（第2版）. 北京：高等教育出版社，2011