前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)研究，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來(lái)靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要：針對(duì)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程具有實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)設(shè)直接影響整個(gè)課程的教學(xué)質(zhì)量，為增強(qiáng)學(xué)生的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)際動(dòng)手能力、改善教學(xué)效果，課程教學(xué)采用“理實(shí)一體化”教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用遞進(jìn)式模式，即知識(shí)應(yīng)用由淺入深、層層推進(jìn)，硬件功能模塊化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次化。采用“樹(shù)形結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)層次關(guān)系更加明晰。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用虛擬仿真與實(shí)物制作相結(jié)合，課堂練習(xí)與課后制作相結(jié)合，線上與線下學(xué)習(xí)相結(jié)合。以全自動(dòng)連續(xù)捕鼠器設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)案例，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高，教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);理實(shí)一體化;遞進(jìn)式教學(xué)模式;樹(shù)形結(jié)構(gòu);捕鼠器

單片機(jī)原理及應(yīng)用是電子電氣類專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)課程，具有實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)設(shè)直接影響整個(gè)課程的教學(xué)質(zhì)量。在近幾年的教學(xué)中，針對(duì)單片機(jī)原理及應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施過(guò)程等方面進(jìn)行了不斷探索。“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、以課促賽”以全自動(dòng)連續(xù)捕鼠器設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)案例，通過(guò)近年的實(shí)踐證明，其教學(xué)效果良好。

1單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)總體思路

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)掌握的延伸性，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力［1］。教學(xué)方式采用“理實(shí)一體化”教學(xué)，即學(xué)中做、做中學(xué)［2］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式采用遞進(jìn)式教學(xué)模式，即實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)“循序漸進(jìn)、由淺入深、層層推進(jìn)”，并且硬件功能模塊化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次化，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)前后銜接、融會(huì)貫通［3］。教學(xué)實(shí)施方法采用虛擬仿真與實(shí)物制作相結(jié)合，課堂練習(xí)與課后制作相結(jié)合，線上與線下學(xué)習(xí)相結(jié)合［4］。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)采用“樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖”進(jìn)行設(shè)計(jì)，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)構(gòu)想為樹(shù)干，綜合實(shí)驗(yàn)構(gòu)想為樹(shù)技，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)構(gòu)想為樹(shù)葉，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際需要不定期進(jìn)行更新，起到以課促賽的作用。單片機(jī)原理及應(yīng)用課程一共設(shè)計(jì)了33個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)19個(gè)，綜合實(shí)驗(yàn)8個(gè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)6個(gè)，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目樹(shù)形設(shè)計(jì)圖如圖1所示。以下以全自動(dòng)連續(xù)捕鼠器設(shè)計(jì)作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行介紹，要完成這個(gè)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)還需要完成三個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，分別是七段數(shù)碼管的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)和外部中斷的控制實(shí)驗(yàn)。因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往不獨(dú)立開(kāi)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，而將相應(yīng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)嵌入到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或綜合實(shí)驗(yàn)中。

2實(shí)驗(yàn)案例－全自動(dòng)連續(xù)捕鼠器設(shè)計(jì)

2．1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)

以單片機(jī)AT98C51為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)全自動(dòng)捕鼠器，能實(shí)現(xiàn)可靠連續(xù)撲鼠功能，紅外傳感器檢測(cè)老鼠位置，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)關(guān)閘，并移動(dòng)閘門將老鼠推入容納箱中，LED數(shù)碼管顯示撲鼠數(shù)量以及無(wú)線通信向用戶手機(jī)終端發(fā)送撲鼠實(shí)時(shí)信息。以ULN2003步進(jìn)電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)閉閘門，關(guān)閉閘門的時(shí)間小于0．3s。以HC－SR501熱釋電紅外傳感器檢測(cè)老鼠位置，當(dāng)老鼠進(jìn)入鼠籠時(shí)發(fā)出關(guān)閉閘門請(qǐng)求信息。單片機(jī)控制短信模塊SIM900A向用戶手機(jī)發(fā)送撲鼠信息。用七段數(shù)碼管顯示撲鼠數(shù)量。此外，還要完成七段數(shù)碼管的靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)和外部中斷的控制三個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

2．2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)思想如圖2所示［5］。首先，進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)分成三個(gè)層次進(jìn)行，第一步在Proteus平臺(tái)上完成仿真設(shè)計(jì)，第二步在自主開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行設(shè)計(jì)，第三步是制作實(shí)物；其次，進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)也分成三個(gè)層次進(jìn)行，第一步設(shè)計(jì)程序流程圖，第二步編寫C51源程序，第三步程序調(diào)試；最后，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，分析總結(jié)，撰寫報(bào)告。教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展情況進(jìn)行考核。

2．3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與原理圖設(shè)計(jì)

以AT98C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)全自動(dòng)連續(xù)捕鼠器，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，以單片機(jī)主控制芯片為核心，外圍主要包括紅外傳感模塊、電源模塊、振蕩模塊、復(fù)位模塊、無(wú)線傳輸模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)碼顯示模塊等。以ULN2003模塊作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閘門的關(guān)閉或打開(kāi)，或?qū)崿F(xiàn)推板的推動(dòng)與復(fù)原。以HC－SR501熱釋電紅外傳感器檢測(cè)老鼠位置，當(dāng)老鼠進(jìn)入鼠箱時(shí)發(fā)出關(guān)閉閘門請(qǐng)求信息。以SIM900A無(wú)線短信傳輸模塊在單片機(jī)的控制下向用戶手機(jī)發(fā)送撲鼠信息。用七段數(shù)碼管顯示撲鼠數(shù)量。

2．4箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

精美而可靠的撲鼠箱體設(shè)計(jì)同樣十分重要，外形設(shè)計(jì)精美使其擺在屋里是一美麗的裝飾品，各個(gè)機(jī)械傳動(dòng)要做到靈活可靠。全自動(dòng)捕鼠器箱體設(shè)計(jì)3D圖如圖4所示。主要包括了閘門、推板、蹺蹺板、容納箱、防卡三角結(jié)構(gòu)、磁鐵門等幾個(gè)部分。

2．5基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

在完成整個(gè)全自動(dòng)捕鼠器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，學(xué)生要提前完成以下三個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：七段數(shù)碼管的靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)和外部中斷的控制實(shí)驗(yàn)。以下僅介紹七段數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟：①在Proteus平臺(tái)上設(shè)計(jì)8個(gè)七段數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示電路；②設(shè)計(jì)程序流程圖；③根據(jù)程序流程圖編寫程序；④調(diào)試［6］；⑤將程序下載到實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行（圖5為實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板上調(diào)試結(jié)果圖）；⑥實(shí)物制作；⑦將程序下載到自制實(shí)物上進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行；⑧分析、總結(jié)七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)。

2．6全自動(dòng)連續(xù)捕鼠器部分單元電路設(shè)計(jì)

（1）電源電路設(shè)計(jì)電源參數(shù)如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)采用5V供電，SIM900采用4．8V、2A供電，電機(jī)采用5V、1A供電。（2）紅外避障傳感器設(shè)計(jì)避障傳感器基本原理和循跡傳感器原理基本相同，利用物體的反射性質(zhì)。在一定范圍內(nèi)，如果沒(méi)有障礙物，發(fā)射出去的紅外線，以為傳播距離越遠(yuǎn)而逐漸減弱，最后消失。如果沒(méi)有障礙物，紅外線遇到障礙物，被反射到傳感器接收頭。傳感器檢測(cè)到這一信號(hào)，就可以確認(rèn)正前方有障礙物，并發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行一系列的處理分析，協(xié)調(diào)捕鼠器系統(tǒng)，完成需要完成的工作。（3）短信模塊短信模塊采用SIM900A芯片。當(dāng)有老鼠被捕獲時(shí)，捕鼠器會(huì)向用戶發(fā)來(lái)實(shí)時(shí)短信提醒。

2．7系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

全自動(dòng)連續(xù)捕鼠器實(shí)物圖如圖6所示。在完成了整個(gè)系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)與制作后，分別對(duì)電路、蹺蹺板卡扣、防卡三角結(jié)構(gòu)、防逃跑小磁鐵門、收納箱以及整體運(yùn)行效果進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。2．8總結(jié)并撰寫報(bào)告學(xué)生在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)需要反映以下幾方面的工作：明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)?zāi)康模_定實(shí)驗(yàn)方案并論證，進(jìn)行電路元件選型與分析，構(gòu)建原理圖，程序設(shè)計(jì)與優(yōu)化，仿真實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，實(shí)物制作，實(shí)物調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與總結(jié)。

3考核內(nèi)容與方式

1）仿真驗(yàn)收：功能完成情況與完成效率，成績(jī)占比10％，當(dāng)堂課內(nèi)驗(yàn)收。2）實(shí)物驗(yàn)收：功能與性能指標(biāo)的完成程度，成績(jī)占比30％，下周課外驗(yàn)收。3）實(shí)驗(yàn)質(zhì)量：電路方案的合理性，焊接質(zhì)量、組裝工藝，成績(jī)占比20％，下周課外驗(yàn)收。4）自主創(chuàng)新：功能構(gòu)思、電路設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性，自主思考與獨(dú)立實(shí)踐能力，成績(jī)占比20％，下周課外驗(yàn)收。5）實(shí)驗(yàn)成本：是否充分利用實(shí)驗(yàn)室已有條件、材料與元器件選擇合理性、性價(jià)比，成績(jī)占比10％，下周課外驗(yàn)收。6）實(shí)驗(yàn)報(bào)告：實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范性與完整性，成績(jī)占比100％，下周課外驗(yàn)收。

4結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)為樹(shù)形結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)的33個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目前后銜接、融會(huì)貫通、層次清晰。實(shí)施方法采用了虛擬仿真與實(shí)物制作相結(jié)合，課堂練習(xí)與課后制作相結(jié)合，學(xué)生主動(dòng)性與積極性得到有效調(diào)動(dòng)。學(xué)習(xí)形式采用了線上與線下相結(jié)合，“以課促賽”，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握實(shí)現(xiàn)了延伸性，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力得到明顯提升。

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作者:包宋建 楊守良 單位:重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院