《单片机原理》课程内容更新与教学模式改革

《单片机原理》课程内容更新与

教学模式改革

电气工程及自动化学院张毅刚

zyg@12一、《单片机原理》课程特点与定位历史：二十余年,年轻课程工科（理科）绝大多数涉电专业(一、二、三本科、职业技术学院、专科)均开设本课程。本科阶段必须掌握的应用技术与技能。

就业、攻读硕士学位的必备要求各种电子竞赛以及毕业设计均涉及。全国大学生创新性实验计划项目3课程性质：应用技术类课程。课程目标：培养学生的实践动手能力，提高学生的综合素质，掌握单片机应用系统设计的应用型人才。课程特点：与工程实际应用紧密结合实践性强涉及面广内容更新快《微型计算机组成技术》课程延伸，但又有其特殊性：（1）嵌入式形态的应用---控制器,涉及多学科知识（2）多学科与专业的平台课（必修课）。测控技术自动化计算机应用电气工程及其自动化通信工程、电子信息工程机电一体化等4属于应用面广的课程，凡是涉电专业都学习该课程，不仅仅是属于计算机类课程。是一门涉及面广、与实际应用紧密结合且对实践性要求高的工程应用类课程。目标：培养工程应用型人才掌握单片机应用系统设计中涉及到的各种接口设计、抗干扰设计、掉电保护、低功耗系统设计

5二、课程体系结构建立、完善“以芯片为基础，以接口设计为主线，以系统设计为目的”的课程体系和课程主要内容，如下图示。接口设计部分应精心选择内容。单片机集成度越来越高，有关系统扩展的部分应逐渐减少。例如，程序存储器、ADC、DAC等被控对象的接口，应该增加。例如，各种电机接口、红外接口等。67课程内容的重点（1）以芯片为基础介绍何种芯片？51系列----主流系列。8051单片机内核的新型号不断推出，兼容的衍生品种不断问世，（统称80C51系列）。芯片级别：民品级、工业级、汽车电子、军品芯片引脚的外特性：尤其要注意4个并行I/O口P0-P3的内部结构，准双向口与双向口的概念。片内的各种功能部件8时钟电路：内部时钟，外部时钟复位电路：多芯片的复位，不同极性的复位电平。采用74LS123(单稳态触发器)，外接的电容参数？指令系统：汇编语言指令系统（第3章）。常用程序设计：子程序的编写，查表，排序，循环片内功能部件：中断系统，定时器，串行口 中断服务子程序的编写 举例的典型性

双机串行通信程序9（2）以接口设计为主线

a.程序存储器接口、数据存储器接口地址空间的划分：线选法、译码器法（74LS138、74LS139、74LS156、FPGA）地址锁存器的选择（74LS373、74LS573、8282）注意：选用大容量的存储器芯片。

片内有闪存，扩展程序存储器的工作略去。

读、写时间参数与单片机匹配即可。10b.I/O接口

扩展I/O接口的必要性（不仅是片内I/O不够） I/O接口与I/O端口的区别 常用的I/O接口芯片（82C55、81C55） 利用74LSTTL芯片扩展的并行I/O接口、利用串口方式0 扩展的并行I/O接口。C.

键盘/显示器（包括液晶显示器）、微型打印机、BCD拨盘接口11LED显示器接口原理（静态显示、动态显示）键盘接口原理（键少-直接判断行线、线翻转法，键多-矩阵键盘）键盘/显示器接口设计方案（串口方式0、专用键盘显示器接口芯片）LCD显示器（介绍常用模块）微型打印机（圣特尼克接口）典型的微打TP-μPBCD拨盘d.ADC、DAC接口DAC技术参数：分辨率、稳定时间输出形式、结构：电流、电压；单缓冲与双缓冲。12还有时钟日历接口、报警音响接口、各种标准串行接口等。大功率接口。其他的各种接口（3）“以应用设计为目的”-----课程的最终目的。主要包括：最基本的小系统设计、复杂系统设计、系统调试（软件调试与硬件调试）以及开发工具（新的开发手段、EDA仿真软件）。可靠性设计（硬件设计与软件设计）。其他单片机的介绍：

抗干扰性强、集成度高,片内资源丰富，几乎不外扩。1314三、课程内容更新与教材建设1.结合教材建设进行课程内容的更新应能及时反映新的技术进展；涵盖应用设计中的基本概念及主要内容；

元器件应为市场常见；每部分内容要有与应用紧密结合的相应设计实例；为巩固知识点每章后应有较大量的思考题、习题；增加一些便于学生自学内容。国家级“十一五”规划教材《单片机原理及应用》及配套的多媒体课件，已于2010年5月（高教社）出版。15

普通高等教育国家级“十一五”规划教材（高等教育出版社）16国家级“十一五”规划教材配套的多媒体课件17多媒体课件光盘的主要内容如下：全部电子课件（链接）；历年参考试题；各章习题参考答案；大作业题目或课程设计题目（Proteus调试通过）；基础实验（10个，提供汇编语言源程序，可让学生编写相应的C51程序）；课程简介与教学大纲。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”国家级规划教材《单片机原理及应用》的基础上进行了内容更新。“十五”国家级规划教材，已印刷23次计14万册。1920普通高等教育国家级“十五”规划教材《单片机原理及应用》内容更新各院校多以介绍51系列为主。本教材介绍市场流行的AT89S51。AT89C51已经不再生产。依据：2008年《电子产品世界》杂志对有关嵌入式处理器使用问题的276名工程师问卷调查，结果如下：8051内核的单片机用的最多，依次ARM,飞思卡尔，PIC、AVR等。但PIC单片机大有后来之上之势，给予足够的重视。例如：PIC16系列，PIC18F45221为开阔学生眼界，增加了各种单片机以及嵌入式处理器家族（单片机、DSP、嵌入式微处理器）的简介（见第1章）。增加低功耗节电方式介绍，也是PIC的欠缺，还有看门狗的介绍（见第2章）。简要介绍“C51”编程，并对涉及各种接口的C51程序设计举例介绍。并给出与各种具体应用的例程。（见第14章）。编程语言的选择，争议较大，需深入探讨。学生用C51编程，不愿用汇编。是否介绍汇编语言编程？删去有关数据转换和数据处理的程序，因为C51编写很简单易读（见第4章）。22已编写介绍单片机硬件+接口设计+C51编程的教材：《单片机原理及接口技术》（名家系列），张毅刚编著，人民邮电出版社，2011年5月出版。23人民邮电出版社，名家系列，张毅刚编著，51汇编语言编程24键盘显示器接口中的8279删去，以及利用通用并行I/O口的键盘/显示器接口设计也删去。增加介绍CH451和HD7279的内容。首推CH451，因CH451对LED数码管的驱动功能较完善。但不能处理多键同时按下，需另加硬件电路（见第10章）。串行扩展，1（单总线）、2（I2C）、3（SPI）总线，重点I2C总线（见第13章）。总之，对“十五”国家规划教材中落后、过时的器件与内容删去。使教材跟上教学改革的步伐。2526四、实践与创新能力的培养与教学理念

由于本课程的特点，需在提高学生的实践与创新能力上下功夫，应对传统的教学模式进行深入改革。课程的学习方式：1.课堂讲授+基础实验+课程设计（传统教学模式）2.自学+布置题目+学生完成+教师总结（充分发挥学生的主观能动性，硬件实现）

3.案例教学（教师讲授案例，与应用实例相结合，利用Proteus仿真软件进行仿真）想办法把“让我学”变成“我要学”。大作业：注重设计能力的培养。针对各章内容，分阶段布置给学生应用设计的大作业,即紧密结合已学内容的一个小系统设计，要求在Proteus环境下仿真调试通过。已收到较好的效果。27设立一个邮箱，以文件的形式提交大作业。要求教师要精心设计出相应的大作业题目。数量要多，题目不重复，学生独立完成。2829软硬件结合单片机技术特点是软件控制硬件。不仅要介绍接口硬件和外围电路设计，特别注重介绍接口驱动程序的编写，避免软、硬件脱节。培养学生的市场、成本和性/价比观念比较多种设计方案，注重设计的可行性、性/价比；把科研开发中的经验进行总结，多看最新的期刊杂志；关注元器件市场，了解最新的元器件及价格。

30课程考核的改革对考核方式进行改革，重点考核学生的实际能力，成绩由以下几部分组成：期末试卷占50％（知识点），平时占50％，其中：基础实验25％（要求学生用C51编程，并调试通过）

其中：必做---20分，选作---5分。EDA仿真大作业20％（每人题目不同，需用proteus仿真调试通过，题目的数量根据实际情况来定）出席+课后作业5％

（主要考察知识点的掌握）31五、培养提高实践能力的举措指导思想——“加强实践环节的训练，注重学生的创新能力和工程实践能力的培养”。主要由基础性实验、课程设计、科技创新组成。1.基础实验本环节，掌握仿真开发工具的仿真调试手段，基本的汇编语言源程序的编写与调试，常用接口的设计与调试。鼓励能力强的同学用C51编写。共10个必做+5个选作的实验题目：32基础实验10个（课程教学计划内，必做）实验1 I/O输出实验--LED流水灯实验实验2 单个外部中断实验实验3 定时器实验实验4 双单片机通信实验实验5 单片机与PC机间串行通信实验实验6 8255并行I/O扩展实验实验7 键盘矩阵扫描实验实验8 1602液晶显示的控制实验9 A/D转换实验实验10 D/A转换实验基础实验选作5个：实验1 温度传感器DS18b20实验实验2 直流电机控制实验实验3 步进电机控制实验实验4 直流电机测速实验实验5 继电器控制实验33对于规定的基础实验，要求学生把相应的实验题目用汇编语言、C51编写程序，并在proteus下仿真通过,再在广州风标电子公司的实验板上真正通过。为“学有余力”“有兴趣”的学生提供选做的5个题目。克服传统的“实验箱”的不足，提倡鼓励课程教学计划之外的学习，学生自愿。具体做法如下：教师引导，提供资料和思路。鼓励学生课余时间，自己制作各种实验板，作各种小实验。也可购买套件，自行学习。34352.课程设计（教学计划内）两周，该环节很好的综合了单片机课程所学的内容，培养学生独立设计开发单片机应用系统的能力。目前采用机器人套件，学生自己焊板、编程并调试通过。控制器采用51或PIC、AVR。也可拟定数十个题目，供学生选择，在proteus下仿真通过，再在配套的实验板（广州风标电子公司提供）上实际调试通过。典型题目如下。（见“十一五”国家级规划教材光盘）36（1）LED电子钟的制作以89C51单片机为核心，制作一个LED显示的智能电子钟设计要求：

计时：秒、分、时、天、周、月、年； 闰年自动判别； 五路定时输出，可任意关断(最大可到16路)； 时间、月、日交替显示； 自定任意时刻自动开/关屏； 计时精度：误差≤1秒/月(具有微调设置)。 键盘采用动态扫描方式查询。所有的查询、设置功能均由K1、K2完成。

37（2）单片机控制的LCD时钟

51单片机控制的时钟，在LCD显示器上显示即时时间。设计要求： 使用文字型LCD显示器来显示现在的时间。 显示格式为“时时：分分：秒秒”。

4个操作键K1-K4，功能如下： 操作键K1：进入设置现在的时间； 操作键K2：设置小时； 操作键K3：设置分钟； 操作键K4：确认完成设置。38程序执行后工作指示灯LED闪动，表示程序开始执行，LCD显示“00：00：00”，然后开始计时，扩充功能：增加闹铃功能，时间到则产生音乐声；增加闹铃功能，时间到则启动继电器控制家电；增加万年历显示“年月日”；结合湿度传感器来显示现在的湿度。（3）秒表系统设计（4）带有LCD显示的定时闹钟（5）带有LCD显示的音乐倒数计数器39（6）数字温度计设计1利用温度传感器DS18B20测量温度信号，计算后在LED数码管上显示相应的温度值。温度测量范围为-55～125°，精确到0.5°。

（7）数字温度计设计2使用热敏电阻之类的温度传感器件，将被测温度变化的电压或电流采集下来，进行A/D转换后，就可以用单片机中进行数据的处理，在显示器上将被测温度显示出来。

40（8）十字路口交通灯控制1设计要求：模拟东西方向的十字路口交通信号控制情况。东西向通行80秒，南北向通行60秒，缓冲时间3秒。用单片机控制的LED灯模拟指示。（9）十字路口交通灯控制2设计要求：利用单片机的定时器产生秒信号，控制十字路口的红绿黄灯交替点亮和熄灭，并且用4只LED数码管显示十字路口两个方向的剩余时间。要求能用按键设置两个方向的通行时间（绿灯点亮的时间）和暂缓通行时间（黄灯点亮的时间）。系统的工作应符合一般交通灯控制的要求。41（10）产生各种波形的波形发生器（11）电容、电阻参数单片机测试系统的设计（12）用单片机控制直流电动机并测量转速（13）步进电机单片机控制系统的设计（14）小直流电机调速控制系统（15）单片机控制步进电机（16）以单片机为核心的频率计（17）可编程作息时间控制器程序设计（18）单词记忆测试器程序设计（19）抢答器控制模拟程序设计（20）单片机节日彩灯控制器设计42（21）单片机数字电压表设计（22）两个单片机之间的串行通信接口设计（23）简易电子琴设计……433.科技创新包括：（1）参加全国和省大学生电子竞赛（2）大学生创新性实验项目。大学生创新性实验项目的部分题目：（1）基于单片机的大型公共教室节能设计与实现研究（国家级）（2）驾驶员眼保健仪的研制（校级）（3）基于单片机的出租车黑匣子安全系统设计（校级）。444.Proteus软件的应用英国LabCenterElectronics公司开发的软件Proteus是目前世界上最先进、最完整的对多种型号单片机系统的设计与仿真平台。把先进的EDA仿真开发工具Proteus应用到课程教学中，对提高学生的设计与实践能力大有益处。

已在全球广泛使用。包括斯坦福、剑桥、牛津等的世界几千所高校将Proteus作为电子工程学位的教学和实验平台。国内多所大学把Proteus的应用作为申报大学计划的一部分，并把其应用在单片机课程的教学中。45对传统的单片机实验教学进行改革，建立一个新型的基于EDA软件的实践教学的课程体系。使用Proteus，可大大减少硬件设备的采购，降低硬件设备维护的工作量。大量的设计与仿真工作是在软件环境中实现，不受实验室和硬件的限制。购买了Proteus在中国总代理---广州风标电子公司销售的网络版Proteus，100节点。再配以相应的实验板。已经在综合性大作业中以及课程设计中采用。收到了好的教学效果。积累了较多的设计资料，有关的Proteus教材预计2011年底出版。46借助Proteus的强大的仿真功能来进行课程的教学尤其是实践教学环节，以及学生实践能力的提高方面，益处多多。(1)仿真各种单片机：51系列、AVR、PIC、ARM等。(2)仿真各种外围电路,,如LCD、LED数码管RAM、ROM、矩阵式键盘、马达、A/D、D/A,部分SPI、I2C器件、总线驱动器、可编程外围定时器、并行接口、实时时钟芯片以及多种D/A和A/D转换器等。47(3)仿真各种虚拟仪器仪表及工具如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、计数器、电压源、电流源、电压表、电流表、虚拟终端等。Proteus还提供了图形显示功能,可以将线路上变化的信号以图形的方式实时显示出来,作用与示波器相似,但功能更多。通过软、硬件结合的系统仿真,为学生更清晰地讲解程序和电路设计调试中的细节,让学生更容易发现程序和电路设计过程中遇到的问题,更容易地掌握解决这些问题的思路和方法。48目前，世界上许多开发单片机系统的工程师都在使用该软件。引入PAEE认证PAEE(proteusapplicationelectronicsengineer)认证是2008年由广州风标电子公司引进,英国Labcent公司授权的电子工程师认证系统。主要利用Proteus这个良好的教学平台，提高学生学习兴趣。是单片机课程教学模式的改进，培养创新型、复合型电子人才的一个举措。目的培养学生的动手能力，提高创新能力。对电子类学生硬件和软件水平进行核定，成为企业电子人才选定的参考标准之一。特点（1）企业认可度高，大多数港资、外资企业已在使用Proteus做为开发平台。（2）容易使学生尽快地具有系统的概念，尤其是单片机应用系统的EDA仿真。49（3）以市场应用为导向的考题。考试严格，软硬结合综合测试。益处（1）PAEE认证考试能提高学生实际水平和动手能力。（2）企业对PAEE认证的认可度高，电子企业可直接按级别使用经过Proteus培养的人才。（3）结合实际提高老师的教学与科研水平，并充分利用Proteus虚拟实验室资源，促进实验室的自我提高。50PAEE的社会认可PAEE认证体系现在已经被：艾默生系统企业，夏普，德昌机电，伟创力，博世，Motorola，Volvo，Panasonic，Philips，Sony，MicrochipSGSThompson，NaturalResourcesCanada，富士施乐，A.O史密斯，北京博晖创新，浙江亚特，金川集团，ABB（中国），苏州巴罗，夏普，西门子（中国），菲尼克斯（中国），GE（中国）德昌电机………等世界知名企业认可。也即将成为Microchip公司认可证书之一。51PAEE培训系统中国PAEE考证中心：清华大学培