《单片机与嵌入式系统原理及应用》教学大纲

《单片机与嵌入式系统原理及应用》教学大纲课程代码：01140471课程性质：专业必修课学分：3.0学分学时：48学时（理论32学时、实验16学时）先修课程：机械工程测试技术、机械控制工程等后续课程：机电综合创新设计适用专业：机械电子工程开课单位：机械工程学院一、课程说明《单片机与嵌入式系统原理及应用》是机械电子工程专业本科学生的专业必修课程。本课程内容兼顾硬件和软件两个方面。该课程主要传授单片机基本硬件结构与工作原理、软硬件资源配置和单片机应用系统开发等基本知识；通过理论和实验教学结合，选择生活中常见的工程项目为案例，使学生将程序设计、硬件电路设计及单片机控制系统的设计应用与实际机电产品联系起来，为学生毕业后从事控制工程的计算机检测与控制、智能仪表、运动控制等相关工作打下比较扎实的理论与实践基础。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：理解单片机与嵌入式系统原理及应用在系统中的作用和相互关系，掌握仿真工具的使用及程序下载方法；分析设计小型的单片机测控系统的系统组成和功能，能够按照控制系统需求给出嵌入式控制系统的解决方案和评价。课程目标2：掌握单片机与嵌入式系统原理及应用，针对特定需求的复杂机电装备，能够构思合理的嵌入式控制系统解决方案，合理分配单片机软硬件资源，设计开发实现特定功能的嵌入式控制系统，具备解决实际工程问题能力。课程目标3：掌握Keil编程及Proteus仿真工具，完成控制原理图的设计，搭建复杂嵌入式系统的虚拟仿真模型，实现Keil与Proteus联合仿真，分析仿真数据，验证系统功能，进一步提高解决复杂工程中嵌入式系统问题的分析及设计能力。三、课程目标与毕业要求《单片机与嵌入式系统原理及应用》课程教学目标对机械电子工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和机械电子类等专业知识用于分析解决机电工程领域的复杂工程问题。1.3能够将机电工程基础知识用于分析机械电子相关复杂工程问题并提出解决方案。课程目标1：理解单片机与嵌入式系统原理及应用在系统中的作用和相互关系，掌握仿真工具的使用及程序下载方法；分析设计小型的单片机测控系统的系统组成和功能，能够按照控制系统需求制定嵌入式控制系统的解决方案和评价。H3.设计/开发解决方案：能够设计针对机电工程领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统与单元（部件），并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。3.1掌握机电工程设计和产品开发的基本方法和技术，能够根据需求确定设计目标，并研究确定技术方案。课程目标2：掌握单片机与嵌入式系统原理及应用，针对特定需求的复杂机电装备，能够构思合理的嵌入式控制系统解决方案，合理分配单片机软硬件资源，设计开发实现特定功能的嵌入式控制系统，具备解决实际工程问题能力。M5.使用现代工具：能够针对机电工程领域复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.2能够选择和使用恰当的仪器、信息资源，工程工具和专业模拟软件等，用于机电工程领域复杂工程问题的分析、计算与设计。课程目标3：掌握Keil编程及Proteus仿真工具，完成控制原理图的设计，搭建复杂嵌入式系统的虚拟仿真模型，实现Keil与Proteus联合仿真，分析仿真数据，验证系统功能，进一步提高解决复杂工程中嵌入式系统问题的分析及设计能力。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标单片机概述1.1单片机的发展历程及应用领域；1.2单片机的特点、应用及发展趋势。教学要求：单片机的发展历程及应用领域；掌握单片机的特点、应用及发展趋势。重点:单片机的特点、应用及发展趋势。难点:单片机的特点、应用及发展趋势。21、3AT89C52单片机的片内硬件构成2.1AT89C52单片机的硬件组成；2.2AT89C52单片机的引脚功能。2.3AT89C52单片机的CPU2.4AT89C52单片机的存储器结构2.5AT89C52单片机的并行I/O端口2.6时钟电路与时序2.7复位操作和复位电路2.8AT89C52单片机的最小应用系统2.9看门狗功能简介2.10低功耗节电模式教学要求：了解AT89C52单片机的硬件组成；掌握AT89C52单片机的引脚功能；掌握AT89C52单片机的存储器结构及I/O端口；掌握时钟电路、复位电路及操作；掌握AT89C52单片机的最小应用系统；了解看门狗功能；掌握低功耗节电模式的应用。重点:AT89C52单片机的引脚功能、单片机的存储器结构及I/O端口、时钟电路和复位电路及操作、AT89C52单片机的最小应用系统、低功耗节电模式。难点:AT89C52单片机的引脚功能、单片机的存储器结构及I/O端口、AT89C52单片机的最小应用系统。801、3C51编程基础及Proteus仿真软件简介3.1C51程序设计基础及函数3.2KeilC51简介3.3Proteus虚拟仿真平台简介3.4Proteus与Keil的联调教学要求：了解C51程序设计基础；掌握C51与C语言函数的不同之处；掌握KeilC51编程、调试及生成HEX二进制文件方法；掌握Proteus虚拟仿真平台的操作；掌握Proteus与Keil的联调操作。重点:C51与C语言函数的不同之处、KeilC51编程调试及生成HEX二进制文件方法、Proteus虚拟仿真平台的操作、Proteus与Keil的联调操作。难点:KeilC51编程调试及生成HEX二进制文件方法、Proteus与Keil的联调操作。022、3单片机与显示器件、开关及键盘接口设计4.1单片机控制发光二极管的显示4.2开关状态检测4.3单片机控制LED数码管的显示4.4单片机控制LED点阵显示器的显示4.5单片机控制LCD1602液晶显示模块的显示4.6键盘接口设计教学要求：掌握单片机控制发光二极管的显示；掌握开关状态检测；掌握单片机控制LED数码管的显示；掌握单片机控制LED点阵显示器的显示；掌握单片机控制LCD1602液晶显示模块的显示；掌握键盘接口设计。重点:单片机控制发光二极管的显示、开关状态检测、单片机控制LED数码管的显示、单片机控制LED点阵显示器的显示、单片机控制LCD1602液晶显示模块的显示、键盘接口设计。难点:开单片机控制LED数码管的显示、单片机控制LCD1602液晶显示模块的显示、键盘接口设计。682、3AT89S52单片机的中断系统5.1单片机中断概述5.2AT89S52单片机的中断系统5.3中断允许与中断优先级的控制5.4响应中断请求的条件5.5外部中断的响应时间5.6外部中断的出发方式选择5.7中断请求的撤销5.8中断系统应用设计案例。教学要求：掌握单片机中断的概念；掌握AT89S52单片机的中断系统机制；掌握单片机中断允许与中断优先级的控制；掌握响应中断请求的条件；掌握外部中断的响应时间；掌握外部中断的出发方式选择；掌握中断请求的撤销；了解中断系统应用设计案例。重点:单片机中断的概念、AT89S52单片机的中断系统机制、单片机中断允许与中断优先级的控制、响应中断请求的条件、外部中断的响应时间、外部中断的出发方式选择、中断请求的撤销。难点:AT89S52单片机的中断系统机制、单片机中断允许与中断优先级的控制。821、2、3AT89S52单片机的定时器/计数器6.1定时器/计数器T0与T1的结构6.2定时器/计数器T0与T1四种工作方式6.3计数器模式对外部输入的计算信号要求6.4定时器/计数器T0与T1的编程应用6.5定时器/计数器T2的结构与工作方式教学要求：了解定时器/计数器T0与T1的结构；掌握定时器/计数器T0与T1四种工作方式；掌握计数器模式对外部输入的计算信号要求；掌握定时器/计数器T0与T1的编程应用；掌握定时器/计数器T2的结构与工作方式。重点:定时器/计数器T0与T1四种工作方式、中断请求的撤销。难点:AT89S52单片机的中断系统机制、定时器/计数器T0与T1的编程应用。641、2、3串行口的工作原理与应用7.1串行口通信基础7.2串行口的结构7.3串行口的4中工作方式7.4多机通信7.5波特率的制定方法7.6串行口应用设计案例教学要求：了解单片机串行口通信的概念；掌握AT89S52单片机串行口的结构；掌握单片机串行口的4中工作方式；掌握单片机多机通信；掌握波特率的制定方法；了解串行口应用设计案例；掌握串行口通讯方法及操作。重点:单片机中断的概念、AT89S52单片机的中断系统机制、单片机中断允许与中断优先级的控制、响应中断请求的条件、外部中断的响应时间、外部中断的出发方式选择、中断请求的撤销。难点:AT89S52单片机的中断系统机制、单片机中断允许与中断优先级的控制。601、2、3合计32162.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标KeilC51、Proteus联合仿真及下载程序掌握KeilC51编程方法及Proteus仿真；掌握KeilC51与Proteus联合仿真；掌握Hex文件的生成及下载方法。21、2、3LED指示灯闪烁及流水灯控制了解LED灯的工作原理；掌握点亮与熄灭LED灯编程要领；掌握流水灯的仿真及实际物理模型的演示过程。21、2、3数码管的显示掌握数码管静态和动态显示的原理及硬件连接；掌握数码管静态和动态显示编程要领；掌握数码管静态和动态显示的仿真及实际物理模型的演示过程。21、2、3单片机控制LED点阵显示器及LCD1602液晶显示模块的显示掌握LED点阵及LCD1602工作原理；掌握LED点阵及LCD1602显示编程方法；实现在LED及LCD1602显示器上显示特定字符。21、2、3键盘接口设计掌握键盘的结构特点；掌握扫描程序的编写方法。21、2、3外部中断的应用掌握中断原理及应用场合；掌握单中断、多中断的编程方法；掌握中断嵌套的编程要领及应用。21、2、3定时器的应用掌握定时器的工作原理及工作模式；掌握定时器的初值设定和编程方法；利用定时器实现方波信号输出的仿真及实际物理模型的演示过程。21、2、3计数器的应用掌握计数器的工作原理及工作模式；掌握计数器的初值设定和编程方法；利用数码管实现秒表的仿真及实际物理模型的演示过程。21、2、3合计16五、教学方法及手段《单片机与嵌入式系统原理及应用》课程具有理论性、工程性、实验性相结合的特点，教学手段和方法要尽量呈现多元化。本课程以课堂讲授为主，采用启发式、讨论式、问题导向、和案例教学等多种教学方式，促进学生积极思考，开发学生的潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；以“少而精”为原则，精选教学内容，精讲多练；安排习题课，巩固课堂所学知识；通过对典型微机的技术原理和设计方法的学习，使学生学会设计常见得微机控制系统，并能够对复杂微机控制系统的设计提出合理的设计思路和解决方案。实验教学环节中，通过启发式教学、讨论式教学，培养学生设计微机控制系统的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。采用教师讲授和学生动手操作的方法；在实验前学生应复习和掌握与实验项目有关的教学内容、认真阅读实验指导书；实验要求5-6人一组，按要求独立完成规定的实验项目。有解决简单控制线路故障的能力；在实验过程中要严格遵守纪律，按操作规程使用仪器；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.推荐教材：（1）张毅刚.单片机原理及接口技术（C51编程）[M].人民邮电出版社.2020．2.参考书：（1）王贤辰.单片机应用技术[M].机械工业出版社.2015（2）兰建军.单片机原理、应用与Proteus仿真[M].机械工业出版社.2014（3）余发山.单片机与嵌入式系统原理及应用[M].煤炭工业出版社出版.2020.（4）李精华.单片机与嵌入式系统原理及应用[M].电子工业出版社出版.2020.3.期刊：（1）机电一体化，上海科技文献出版社.（2）机电工程，浙江省机电集团有限公司、浙江大学.（3）MECHANICALENGINEERING，中国机械工业学会.（4）机器人，中国自动化学会、中国科学院沈阳自动化研究所.4.网络资源：（1）机电之家：/（2）电子发烧友：/（3）爱课程网：/course/CSMZXY-1001602001（4）外文文献：/doi/10.1145/3568739.3568797七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表3。表3课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂测试10（1）根据课堂测试情况进行考核，满分100分。（2）每次课堂测试单独评分，取各次课堂测试成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以课堂测试成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√433实验成绩40（1）根据每次实验操作完成情况单独评分，满分100分；（2）每次实验操作单独评分，取各次课堂测试成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验操作成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√101010期末作业50（1）主要考核学生对项目知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。1064合计：100分443927八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂测试、实验成绩、期末作业等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由课堂测试（占比10%）、实验成绩（占比40%）、期末作业（占比50%）等过程性考核成绩（满分100