ＳＳＮ１６７２．１４３８ ＣＮ１１—４９９４／３＂ 中国现代教唷装备 ２总第２０１５年８２３期 月 基于竞赛平台的单片机课程设计教学改革 赵国树 周黎英 翟力欣 １．金陵科技学院智能科学与控制工程学院江苏南京２ｌ１１６９ ２．金陵科技学院机电学院江苏南京２ ｌ１ １ ６９ 摘要：单片机原理及应用是电气自动化专业实践性很强的课程，其综合性课程设计在实践教学中占有重要地位。本文将 竞赛平台和内容引入到单片机课程设计中，学生在竞赛平台上完成设计课题，而课题来自于近几年的比赛题目。既提高了 大多数学生的实践能力，又有利于学科竞赛队伍的建设，两者相辅相成，取得了较好的实践教学效果。 关键词：单片机；课程设计；竞赛平台 Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｒｅｆｏｒｍ ｏｆ ＭＣＵ Ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｚｈａｏ Ｇｕｏｓｈｕ ，Ｚｈｏｕ Ｌｉｙｉｎｇ ，Ｚｈａｉ Ｌｉｘｉｎ １．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｎＬｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１ １ １６９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｎＬｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｕｔｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１ １ １６９，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＭＣＵ ｉｓ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｃｏｕｒｓｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅｓ ｍａｊｏｒｉｎｇ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｎａｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＭＣＵ ｏｃｃｕｐｉｅｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔｎａｔ ｐｌａｃｅ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｉｎｔｏ ＭＣＵ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｄｅｓｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｉｎ ｈｔｉｓ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎｄ ｈｔｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｃｏｍｅ ｆｒｏｍ ｈｔｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ｉｔ ｒａｉｓｅｓ ｍｏｓｔ ｏｆｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆａｃａｄｅｍｉｃ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｔｅａｍ，ｔｈｅ ｔｗｏ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ，ｔｈｅｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｈａｖｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＣＵ；ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ ｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ 单片机广泛应用于工业自动化、智能仪器仪表、 压力传感器，还有集成模块ＡＤＣ０８３２、ＡＤＣ０８０９、 测控及机电一体化等各个领域，单片机课程是实践性 Ｉｎｔｅ１８２５５、存储器扩展等，跟不上技术发展所采用的 非常强的课程，对于电气自动化类本科专业学生学好 新型传感器和集成电路。另外题目也相对固定，学生 单片机课程，有助于提高学生的创新能力、实践能 缺乏兴趣。这使学生在以后的工作中应用单片机时捉 力，提升在就业中的竞争能力。单片机课程设计是在 襟见肘，学不够用。 理论课程和实验课程之后为期两周的实践活动，是让 １．２仿真软件Ｐｒｏｔｅｕｓ＋Ｋｅｉｌ仿真设计的不足 学生提高开发设计能力、动手能力的重要阶段。 随着仿真技术的兴起，我们曾将仿真软件Ｐｒｏｔｅｕｓ 和编程软件Ｋｅｉｌ￣ｉ入到单片机课程设计中，既加强了 １传统教学中存在的问题 学生硬件电路的设计，又有软硬件联调的综合考量， 在一定程度培养了学生对单片机系统设计的能力，但 我校电气、自动化专业原有的单片机课程设计开 是软件仿真也有其自身的劣势。 展了多年，积累了不少经验，但是也存在一些问题： （１）有的器件在Ｐｒｏｔｅｕｓ元件库中不存在，如红外 １．１课程设计题目陈旧与技术发展脱节 对管、光照检测、霍尔元件、超声波测距等。 题目主要涉及一些模拟传感器，如温度传感器、 （２）软件仿真和实际电路有一定差距，如在数码管 动态扫描中延时环节仿真时总看到数码管在闪烁，而实 际调试并不会出现，这会给学生软件调试带来误导。 收稿日期：２０１５．０６．１６ 作者简介：赵国树，硕士，讲师。 ｒ３）即使电路及程序调试正确，学生缺少实际的 基金项目：金陵科技学院补充申报教育教改课题（编 感官认识和实践能力。 号：２０１４ＪＹＪＧＺＢ０６１；金陵科技学院补充申报教育教改 课题（编号：２０１４ＪＹＪＧＺＢ０１）；江苏省现代教育技术研 近年来，我校每年都参加“蓝桥杯”全国软件 究２０１４年度重点课题（编号：２０１４．Ｒ一３１９８４）。 与信息技术专业人才大赛单片机设计与开发组的比 １０８ ２０１５年８月 总第２２３期 中国现代教 装备 ＳＳＣＮ１Ｎ１１６７２．１４３８ ４９９４，１－ －赛，该赛事是在一块单片机开发平台上进行，每年都 有不同的设计题目。但该项竞赛参与的学生毕竟只是 少数，无法实现对全体电气自动化类专业学生创新能 但每种题型之间又存在独立性。 表１课程设计题目 课题 涉及功能模块 力的培养。我们吸取了该比赛组织、培训经验，提出 了在将竞赛平台和竞赛题目引入到电气自动化类专业 为期两周的单片机课程设计中，采用培养学生创新能 力、实践能力为主的教学模式，让越来越多的学生从 出租车计价器 Ｅ ＰＲＯＭ、ＬＥＤ状态显示、矩阵键盘、蜂鸣器报警、 设计 车速检测、电机控制、８位数码显示 温度监控器 Ｅ ＰＲＯＭ、继电器、独立键盘、电机驱动、８位数码 显示、温度传感器 智能传送装置 Ｅ ＰＲＯＭ、ＬＥＤ状态显示、继电器、独立键盘、ＡＤ转 设计 换、８位数码显示 中受益。 ２基于竞赛平台的课程设计教学改革的内容 ２．１教学模式 基于竞赛平台的课程设计是以学生为主体在教师 的指导下独立完成一个自选项目课题，而这个课题来 源于大赛的题目。学生在开放性实验室中自主安排时 间，教师辅助解决这一过程中学生遇到的困难。学生 结合在理论课和实验课中学过的单片机原理的知识和 案例，围绕项目课题实施，学生通过讨论、论证、协 作开发、综合调试和成果评价完成项目设计。 基于竞赛平台和竞赛题目的课程设计教学是让 学生通过完成所选项目课题并达到相应技术指标， 让学生在“做中学”，布置课题后，学生充分发挥 主观能动性，提出自己的设计方案，并依据方案进 行资料收集、自主学习、独立解决问题，教师负责 方向性指导。 ２．２课程设计的平台及课题 “蓝桥杯”全国软件与信息技术专业人才大 赛单片机设计与开发组配套的单片机开发平台集 成了比较全面的模块：包括单片机（ＳＴＣ８９Ｃ５２， ＭＥＧＡ８５１５）、８ｆ２数码管、矩阵键盘、独立键盘、， 继电器、蜂鸣器、８４－，＇ｒＬＥＤ、温度传感器、光电检 测、超声波发送与接收、霍尔传感器、红外对管、 ＡＤ转换、ＤＡ转换、实时时钟、ＬＣＤ显示接口、步进 电机驱动、直流电机驱动等。并支持串口下载和调 试。其功能满足了单片机开发与设计的需求。 单片机原理及应用课程设计的题目选自历年竞赛 的题目，其题目题量中等，有一定的交集，也有很大 的不同（见表１）。这样既有利于学生之间相互交流， 小区自动售水 ＬＥＤ状态显示、继电器、独立键盘、ＡＩ）转换、８位数 机设计 码显示 模拟智能灌溉 Ｅ ＰＲＯＭ、实时时钟、ＬＥＤ状态显示、蜂鸣器、继电 系统 器、独立键盘、ＡＤ转换、８位数码显示 串口测温系统 Ｅ ＰＲＯＭ、实时时钟、温度传感器、８位数码显示、 串行通信 智能物料传送 ＥＸＰＲＯＭ、超声波测距、ＡＤ转换、８位数码显示、蜂 系统 鸣器、继电器、独立键盘 ２．３实施条件和方法 单片机理论课程中除了讲授单片机的硬件架构、 指令系统、汇编程序设计、各功能模块外，还应讲授 单片机Ｃ语言编程技术及模块化编程的思维。在实验 中，着重于单一功能的汇编和Ｃ程序设计，有了这样 的基础，我们可以借助综合性课程设计进行综合性的 设计，此外课程设计开展过程中，开放性实验室给学 生提供了自主学习的良好的氛围。 表２ 设计过程中师生角色 学生 教师 学生选题，查阅资料 教师准备好指导书，整理好各功能模 块的原理资料及课程设计报告要求 ・学生根据所选课题画出原理 图及ＰＣＢ图 ＰＲＯＴＥＬ课程设计同步进行 分析所选课题，对定时器，中 断资源进行合理分配，结合所 教师对学生的设计方案进行审核，提 要实现功能，给出设计方案和 问，给出合理化建议 主程序的流程图 学生对所选课题中涉及的模块 功能编写子程序并调试教师提醒学生由点到面设计方法，掌握 熟 ，各子模块的功能特点 悉子模块才能更好地进行整体设计 学生编写好子程序后，依据主 程序流程图进行程序整合，在 教师讲授模块化设计方法，调试 开发平台总联调 技巧 ＋在ＰＣＢ制好后，学生焊接元 ＋教师讲解焊接、测试方法，通过后 件，程序调试 方可上电，下载程序，介绍电路板出 现故障测试方法，补救措施 整理报告教师按照课程设计评价体系对课程设 ，参加答辩 计进行提问，全方面了解完成情况 注：带 号表￣ＰＲＯＴＥＬ课程设计穿插时间段。 实施过程中，应遵循循序渐进的原则，我们在单 １０９ ＳＳＮ１６７２－１４３８ ＣＮ１１－４９９４／Ｔ 中国现代款唷装备 ２总第２０１５年８２３月 期 片机课程设计中穿插了ＰＲＯＴＥＬ课程设计，教师在下 达课程设计指导书后，学生完成课题初步分析，依据 兴趣自己选题，并查阅相关资料进行准备。由于ＰＣＢ 电路板制作需要一段时间，我们在学生选题后开始， 表３（续） 程序设计 ４０％ 设计报告 答辩情况 合计 ２Ｏ％ ２０％ ｌＯ０％ 穿插了原理图￣ｎＰＣＢ图设计，然后进行程序设计。由 于ＭＣＳ５１／５２单片机功能相对有限，需要系统分析课 题所需实现的功能，然后进行单片机的定时器／计数 器、外部中断等进行合理化的分配，学生思考后给出 设计方案和主程序流程图，教师则需对设计方案进行 审核，提出合理化建议。设计过程中师生角色如表２ 所示。 学生先要对每一个模块进行熟悉，如按键、数码 管、Ｅ ＰＲＯＭ等。学生编程实现局部功能，然后再进 行整个系统的程序设计。在进行主程序设计时，培养 学生良好的习惯很重要。将所有代码全部编写在仅有 的一个ｃ吱件下，会给代码调试、更改及后期维护都 会带来极大的不便。模块化编程可解决这个问题，将 具有不同功能的程序封装在不同模块中，一个Ｈ文件 伴随相应Ｃ吱件存在，将各个不同模块存放在不同的 Ｃ文件中，模块化编程后的程序不但使整体的程序功 能结构清晰明了，同时也提高程序代码的利用率。学 生根据主程序流程图实现课题的功能，教师负责指导 和协作。 在完成程序设计后，完成ＰＣＢ板的焊接调试等工 作，学生把在单片机课程设计中调试好的程序，在自 己的电路板中进行测试，检测设计的质量。然后参加 答辩。 ２．４评价体系 单片机原理及应用课程设计主要从以下几方面 考核：电路设计、程序设计、设计报告和答辩情况。 电路设计主要考查学生原理图的正确性￣Ｉ：ＩＰＣＢ的布线 及焊接质量；程序设计主要考查学生程序结构是否合 理、是否精炼，运行是否正常；设计报告能反映学生 对设计课题的理解程度；答辩过程考查学生对硬件原 理和软件中的处理算法等掌握情况。 表３评价体系 １１０ ３基于竞赛平台的课程设计教学改革的效果 （１）针对竞赛参与的学生只是少数，我们将竞赛 的平台和课题引入到课程设计中，让更多的学生从中 受益。 （２）将课程设计与学科竞赛有机地联系起来，学 科竞赛不断充实、更新课程设计的内容，课程设计为 学生打下良好的基础，还有助于选拔学科竞赛人选的 选拔；近几年，我校学生在该赛事中取得了全国一、 二等奖若干名的好成绩。 （３）将单片机原理及应用课程设计与ＰＲＯＴＥＬ课程 设计有机地结合在一起，让ＰＲＯＴＥＬ课程不是单纯地 设计某一电路，而是结合单片机课程设计的题目进而 设计具体的电路，取得了事半功倍的效果。 ４结束语 我们将单片机原理及应用课程设计与学科竞赛 及ＰＲＯＴＥＬ课程进行了有机地整合，将比赛平台引入 到单片机课程设计中，充实了课程设计的内容，整合 了学科资源，培养了竞赛队伍。既提高了大多数学生 的开发和实践能力，又提升了参赛学生的学科竞赛成 绩。这种方式在我校单片机课程设计教学改革中取得 了很好的教学效果。毋 参考文献 ［１］ 马宝山，刘剑桥，金国华．单片机应用课程设计教学改革探 讨ｆＪ］．实验科学与技术，２０１５，１３（２）：１０３—１０４． ［２］陈伦琼，范文曼．“单片机课程设计”教学改革探索［Ｊ］．常 州工学院学报，２００８，２１（２）：９４．９６ ［３】 郑梁，胡冀，徐平原．单片机课程设计的创新教育模式研究 与实践ｆＪ］．电气电子教学学报，２００９＿３１：９９—１０１．