单片机原理及应用课程创新实践教学改革_赵月静

实验课程改革单片机原理及应用课程创新实践教学改革赵月静，陈继荣，张永弟（河北科技大学机械电子工程学院，河北石家庄　０５００１８）摘　要：针对单片机原理及应用课程实践性强的特点，在分析教学现状基础上，为了改善教学效果、增强学生的动手实践能力，在教学过程中将理论与实践、硬件和软件有机地结合，引入Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真软件和Ｋｅｉｌ　Ｃ编程软件，采用项目驱动教学法，使学生在动手参与单片机应用系统开发的过程中有更深刻的认识。

改变考核方式，增加课程设计，通过仿真的直观性和项目可参与性以及生动有趣的真实感，激发学生的学习兴趣，极大地开拓了学生动手实践的时间和空间，降低了学习成本，提高了学习效果。

关键词：教学改革；单片机；项目驱动中图分类号：Ｇ６４２．０ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００２－４９５６（２０１３）０１－０１７６－０４Ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｒｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　ＣｈｉｐＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’ｓ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＺｈａｏ　Ｙｕｅｊｉｎｇ，Ｃｈｅｎ　Ｊｉｒｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｙｏｎｇｄｉ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００１８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｃｏｕｒｓｅ　ｂｅｉｎｇ　ｉｎ　ｓｔｒｏｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅｓ，ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｓｉｎ－ｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｉｎｇ　ａｂｉｌｉ－ｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ，ｂｏｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ－Ｐｒｏｔｅｕｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ－Ｋｅｉｌ　Ｃ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ－ｄｒｉｖ－ｅｎ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｔａｋｅ　ｐａｒｔ　ｉｎ　ａｌｌ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅａｎｄ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｂｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｎｇ　ｉｎ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｔｈｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｉｎｓｐｉｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｓｐａｃｅ　ｏｆｐｒａｃｔｉｃｅ　ａｒｅ　ｅｘｐｌｏｉｔｅｄ　ｌａｒｇｅｌｙ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｌｅａｒｎｉｎｇ　ｃｏｓｔ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｒｅｆｏｒｍ；ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｐｒｏｊｅｃｔ－ｄｒｉｖｅｎ收稿日期：２０１２－０５－０２基金项目：河北科技大学理工学院教育教学研究项目（２０１０Ｙ２８）；河北科技大学机械电子工程学院教育教学研究项目作者简介：赵月静（１９７４—），女，河北安国，硕士，副教授，主要从事单片机原理及应用、机械控制工程基础的教学和科研工作．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙｊ＠ｈｅｂｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ “单片机原理及应用”课程是机械设计制造及其自动化专业的一门重要的专业基础课程，是机电专业模块的专业必修课。

随着各种机械设备自动化程度的提高，设备的控制系统越来越重要，单片机是实现各种机械电子设备控制的重要手段之一。

单片机由于具备体积小、成本低、高性能等特点被广泛应用于工业控制、智能仪器和机电一体化等多领域。

因此了解单片机的工作原理，掌握单片机技术，特别是具备基本应用操作技能，成为当代相关专业大学生的重要任务。

单片机是一门理论和实践结合非常紧密、突出动手能力的课程，但该课程相对比较抽象，学生普遍反映入门较难且难以理解单片机的内部结构，而单片机的传统教学方式多以课堂原理讲解与少量硬件实验相结合，实践内容偏少，不能充分激发学生的学习兴趣，使其处于被动接受知识而不是主动求知［１－２］。

１　教学现状目前的单片机课程教学主要由课堂教学和实验教学２部分组成。

课堂教学普遍采用多媒体设备，将教学内容制作成幻灯片，对着ＰＰＴ讲解电路和程序、ＣＰＵ内部结构、Ｉ／Ｏ接口、硬件、软件，均采用演示的ＩＳＳＮ　１００２－４９５６ＣＮ１１－２０３４／Ｔ 实　验　技　术　与　管　理Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ 第３０卷　第１期　２０１３年１月Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１３教学方法［１］。

这种具备音视频效果的教学方式，使学生一定程度上容易理解和接受所讲授的内容，并对提高学习的积极性有一定效果，但对于单片机这种课程，只是把理论学了，而实际的动手能力没有得到锻炼，效果有限。

现在大多数的单片机教材都是以汇编语言为主，由于汇编语言具有代码紧凑、执行时间短、控制及时且易于记忆等优点，教师也是把很多课时用在汇编语言上面，而单片机的Ｃ语言却很少提及［４］。

但是随着单片机技术的发展出现了一些问题，主要表现在对硬件结构的过分依赖，不同类型的单片机汇编指令有所不同，而且程序比较繁琐、可移植性差等。

与汇编语言相比，Ｃ语言在功能上、结构上、可读性和可维护性上有明显的优势，而且Ｃ语言有丰富的函数库，可以有效减少编程工作量，对单片机的硬件稍作了解即可进行系统开发，特别是Ｃ语言对寄存器的分配与寻址方式都是由编译系统自动完成，所以企业公司开发产品基本上都用Ｃ语言［５－６］。

现在的考核方式多采用闭卷考试，学生死记硬背硬件内容和软件指令，考完后很快忘掉，但开发单片机应用系统的能力没有任何提高。

单片机是一门注重应用的课程，这门课最终目的还是在于开发产品，这些教学方式忽视了学生设计和创新能力的培养，不利于培养学生解决实际问题的能力，对提高学生的学习兴趣、扩展学生的学习思路收效甚微，对以后课程设计和毕业设计中要应用的单片机控制系统更是知之甚少。

２　创新实践教学的方法策略为了改善教学效果，增强学生的动手实践能力，在教学过程中采用将理论与实践、硬件和软件有机结合的教学方法。

理论教学环节充分利用仿真软件，在教学中引入Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真软件，加强Ｃ５１语言的教学，引入Ｋｅｉｌ　Ｃ编程软件；采用项目驱动教学法，通过开发单片机应用系统项目，让学生对实际控制系统有直观的认识，并在参与系统开发的过程中加深认识，对整个开发过程有充分的了解。

通过仿真的直观性和项目可参与性，以及生动有趣的真实感，激发学生的学习兴趣，提高教学效果，极大地开拓了学生动手实践的时间和空间，降低了学习成本，提高了学习效果。

２．１　Ｐｒｏｔｅｕｓ仿真软件的应用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件是英国Ｌａｂｃｅｎｔｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司研发的电路分析与实物仿真软件，具有近２０年的历史，是目前最好的单片机及外围器件的仿真工具。

Ｐｒｏｔｅｕｓ软件提供了大量的仿真设备和元器件，有３０多个元件库、近８　０００个数字和模拟元件模型（包括各种单片机、常用逻辑电路），有各种调试工具、测试仪器、显示设备、虚拟仪器、调试信号等。

它由ＩＳＩＳ和ＡＲＥＳ构成。

ＩＳＩＳ是原理图编辑与仿真软件，ＡＲＥＳ是布线编辑软件［７－９］。

利用Ｐｒｏｔｅｕｓ可实现单片机及外围电路的仿真，如单片机软件仿真系统、模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机外围电路仿真、ＲＳ２３２动态仿真、Ｉ２　Ｃ调试器、ＳＰＩ调试器、键盘和ＬＣＤ系统仿真等。

该软件不但可以模拟硬件系统，而且可以把编译好的程序代码装入仿真元件中，通过运行仿真系统可以像焊接好的电路板一样看到系统的执行效果，满足了在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果，弥补了理论知识和实践应用间脱节的矛盾，同时也支持第三方的软件编译和调试环境，以及Ｋｅｉｌ、Ｍａｐｌａｂ等软件整合使用，达到了更好的仿真效果。

Ｐｒｏｔｅｕｓ软件真正实现了在计算机上完成从原理图设计、电路分析和仿真、单片机代码调试与仿真、系统测试与功能验证到形成ＰＣＢ的完整的电子设计、研发过程。

２．２　Ｋｅｉｌ　Ｃ软件的学习Ｋｅｉｌ　Ｃ软件是美国Ｋｅｉｌ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ公司出品的兼容单片机Ｃ语言软件的开发系统，它提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，采用全Ｗｉｎ－ｄｏｗｓ界面，并且多数语句生成的汇编代码容易理解，尤其在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

一般将其中的Ｃ语言称为Ｃ５１。

Ｃ５１是专门为５１系列单片机设计的，根据５１单片机的特点对ＡＮＳＩ（标准）Ｃ进行了若干扩展，在语法和库函数方面存在稍许差别，使Ｃ５１可以和汇编语言一样可直接访问５１系列单片机的硬件资源，但大部分是兼容［１０－１１］。

ｋｅｉｌ软件目前已受到单片机爱好者、应用者和开发者的青睐．Ｋｅｉｌ　ＣμＶｉｓｉｏｎ是一款基于５１单片机的软件开发工具，提供了强大的项目管理功能，可以十分方便地进行结构化、多模块程序设计。

μＶｉｓｉｏｎ集成开发环境（ＩＤＥ）包括项目管理器、程序编辑器、Ｃｘ５１编译器、Ａｘ５１宏汇编、ＢＬ５１／Ｌｘ５１连接定位器、ＲＴＸ５１实时操作系统、Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ软件模拟器以及Ｍｏｎｉｔｏｒ５１硬件目标调试器，所有这些功能都可以在μＶｉｓｉｏｎ提供的单一灵活的开发环境中极为简单地进行操作［１０］。

它支持汇编语言、Ｃ语言及混合编程，具有强大的仿真功能，可以进行硬件仿真和纯粹的软件仿真。

在软件模拟的仿真方式下不需要任何单片机硬件即可完成用户程序仿真调试。

Ｐｒｏｔｅｕｓ和Ｋｅｉｌ各自都可以进行一定程度仿真调试，但效果不是很理想。

如果我们把Ｐｒｏｔｅｕｓ　ＩＳＩＳ与７７１赵月静，等：单片机原理及应用课程创新实践教学改革Ｋｅｉｌ　Ｃ配合起来使用，充分利用各自的仿真优势功能，使得在仿真过程中的软件调试和硬件设计更加便捷、高效，降低开发成本。