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原来使用的“单片机技术与应用”课程的教学大纲对知识点分解层层深入,便于学生由浅入深地学习相关知识。但是由于原有的教学大纲只对知识点作出了要求,没有对教学方法和教学过程作出要求;只强调了理论知识的学习,没有对学生职业行为能力培养作出要求,所以学生感觉学习过程枯燥乏味,内容深度大,学习难度大。
新制定的课程标准继承了原有教学大纲中知识点由浅入深的分解特点,对各个知识点进行重新整合,以项目为驱动带动全部知识的学习。把原来先学后练的教学方法改为了边做边学的学习方法,从而激发学生的学习兴趣,让学生参与到教学中。同时,在新课标中还强调了对学生职业行为能力培养的要求,将知识点的学习与实际工作流程相结合,学生掌握了该知识在实际工作中的应用方法。
原教学大纲和新课标中知识点分解图如图1:
2“单片机技术与应用”课程标准制定
2.1课程设计的基本理念
高等职业教育的根本任务是培养高级技术应用型人才。课程教学是实现高等职业教育人才培养目标的基本途径,课程教学的质量是直接影响人才培养质量的核心要素。新的课程体系要与经济建设、科技进步和社会发展要求相适应,与人的全面发展需求相适应,与高等教育大众化条件下多样化的学习需求相适应,与高等职业教育课程改革与建设相适应。本体系的构建,应根据先进的职业教育思想,改变学科本位的观念,加强实践教学,着眼课程群,培养学生综合运用相关现代化先进工具和知识,培养学生的创新精神和创新能力。
(1)面向全体学生,注重素质教育、能力与技能培养
本课程面向计算机应用技术专业的全体学生,注重专业基础素质教育,激发学生的学习兴趣,提高他们的抽象思维能力,增强他们理论联系实际的能力,培养他们的创新精神。重视知识与技能;过程与方法;情感态度与价值观课程目标的培养。
(2)突出学生主体,尊重个体差异
本实训在目标设定、教学过程、课程评价和教学资源的开发等方面都突出以学生为主体的思想,课程实施应成为学生在教师的指导下构建知识、活跃思维、展现个性和拓展视野的过程。
(3)注重过程评价,促进学生发展
建立能激励学生动手能力发展的评价方法。在课程学习过程中应注重培养和激发学生动手实践的积极性和自信心。
(4)开发课程资源,拓展学用渠道
本课程要力求合理利用和积极开发课程资源,给学生提供贴近现场实际,能反映新技术、新工艺、新设备的课程资源。
2.2课程总体目标
课程总目标是使学生具有单片机系统编程和设计的知识与技能、具备较高的职业素质,具有调试单片机系统程序和设计最小单片机系统的能力,能解决程序调试和系统设计中遇到的问题,能胜任单片机产品调试员、单片机产品技术支持、单片机软件开发师、单片机硬件开发师和单片机设计师等岗位工作。
(1)知识要求
会对所学知识进行整合,能够根据设计要求独立编写程序,并能在实践工作中熟练进行单片机程序和系统电路的调试;掌握各种接口电路的分析方法和理论知识。
(2)技能
能熟练进行单片机程序和系统电路的调试,并能独立设计单片机系统电路并能编写相应程序,同时还可以对以单片机为核心的设备进行维护。
(3)素质
通过项目实践,培养爱岗敬业、热情主动的工作态度;养成遵守操作规程,分析工作整洁、有序、爱护仪器设备的良好实验习惯;能认真负责、实事求是、坚持原则、一丝不苟地依据标准进行编程和设计,并在工作实践中能遵守劳动纪律,注意安全,具备良好的敬业精神和协作精神,坚持努力学习,不断提高自身可持续发展的基础理论水平和操作技能,形成良好的职业素养和勤奋工作的基本素质。
2.3内容目标
本课程标准通过对知识点的重新分解,将内容分成了六个主题。其中主题一是对单片机系统原理知识的学习,主题六是对知识的总结训练,而其他的四个主题分为学习情境和训练情景两部分。在主题二到主题四中每个学习情境都分为了若干个小项目,几个小项目又可以合为一个项目。内容目标详见附录,其中学习情境设计方案如图2所示:
2.4教学评价建议
(1)改革传统的学生评价手段和方法,采用阶段评价、目标评价、项目评价、理论与实践一体化的评价模式。
(2)关注评价的多元性,结合课堂讲解表现、课堂项目操作、项目训练、综合训练及考试情况,综合评价学生成绩。笔答考试可采用开卷考试形式。
(3)评价比例分配
课堂表现:8%;课堂项目操作:12%;项目训练20%;综合训练:20%;考试:40%。
以上为“单片机技术与应用”课程标准的主要设计内容。由于课程标准的提出时间不长,没有严格的设计要求,因此在新课标的设计过程中遇到一些问题。如内容目标中的格式如何进行设计,是否将教师的教学方法融入其中,学生目前所具有的学习能力是否能够与新课标中的要求相结合等等,这些都需要进一步的研究。
附录:内容目标
主题一理论学习
要对一个单片机系统进行分析设计和编写程序,就必须非常熟悉单片机芯片的组成原理,特别是要熟悉其各个外部引脚、内部寄存器和数据区的使用方法。
1学习目标
(1)了解MCS-51单片机的内部结构、主要功能部件和CPU微处理器的组成、任务分配。
注意:单片机上电后程序指针被赋予的初值。
(2)了解MCS-51单片机的程序存储器结构,掌握内部数据存储器的空间分配和SFR。
注意:程序存储器的编址规律;只访问外程序存储器时,外部引脚的连接要求;上电后堆栈指针被赋予的初值。
(3)掌握89C51芯片的外部引脚功能常见的几种复位电路和计算机器周期的方法。
注意:准双向并口和真正双向并口的区别和相应并口读数时的编程要求;89C51的复位时间是多少。
(4)开发工具的使用
介绍Keil(或MedWin)、ISP两个软件的使用方法,并各种指令的学习编写简单的子程序,将源程序文件编译并上载至实验仪中显示结果。
知识点:
掌握常用编程软件的使用。在程序运行期间观察相应存储区和寄存器中数据的变化。
掌握MCS-51单片机的寻址方式。
2教学建议
(1)教学时数10学时。
(2)实物教学,增强感性认识。
主题二学习情境1
1学习情境:信号灯控制
2学习目标
(1)熟练掌握MCS-51单片机的寻址方式和指令系统。
技能点:要会画出模块的流程图,建立学生的编程思维;分清各个寻址方式的功能。(DATAPDATAXDATACODE的访问方式,地址空间,针对89C52芯片多128BytesDATA区的应用,实际应用中256bytesData区的单片机更多)
(2)能编写完整的程序。
技能点:会进行地址分配,整个程序的起始地址要正确;掌握各种程序结构,能够画出系统的流程图。
(3)会应用常见的调试软件进行程序调试。
(4)理解机器周期和指令周期。
3学习情境内容
功能一:信号灯的控制1
利用P1口控制8个发光二极管,通过编写并上载不同的程序,观察发光二极管的状态。
点亮8个发光二极管后单片机空运行。
给片内RAM中40H-4FH单元赋值后,将其数据传送给片外50H-5FH单元,最后将56H中的数据由P1口输出给发光二极管显示。
在数据区建立一个数据表,编写程序将表中的第3个数由P1口输出给发光二极管显示。
知识点:
掌握数据传送指令。
掌握MCS-51单片机并口传送和读取数据时得技术要求。
MOVX与MOVC的区别
功能二:信号灯的控制2
利用并口控制发光二极管,通过编写并上载不同的程序,观察发光二极管的状态。
将累加器中的数据(十六进制)转换为BCD码,个位存入30H,十位存入31H,百位存入32H,最后由P0口输出个位数据,P1口输出十位数据,P2口输出百位数据。
将DPH和DPL中放入两个小于10的数据a和b,编写程序实现c=a2+b2-a,并把c通过P0口输出。
将累加器A中数据得高4位和寄存器B中数据的低4位相乘后取反,并将其结果通过P0口输出。
采用移位指令,实现累加器A中数据乘4,寄存器B中数据除以2。
知识点:
掌握算术操作指令和逻辑运算指令。
会画简单的流程图。
会使用软件正确调试程序。
功能三:信号灯的控制3
设计一个延时程序,使与P2.0相连的发光二极管每隔1秒亮一次。
采用循环控制,使8个发光二极管呈跑马灯方式闪烁,其中发光二极管点亮时长为1秒,熄灭时长为2秒。
知识点:
掌握程序转移类指令和位操作指令。
会画简单的流程图。
会使用软件正确调试程序。
理解指令延时的用法,NOP指令的使用。
4教学建议
(1)教学时数12学时。
(2)学习过程中,教师通过讲解和演示,指导学生完成项目学习。
(3)采用多做多练加强学生对所学知识的掌握程度。
(4)安排项目训练,巩固所学内容。
5实践活动建议
(1)训练情境1:交通灯控制
(2)教学建议:6学时
(3)采用每组两人的分组方式,锻炼学生独立设计和调试程序的能力
(4)集中安排实验
主题三学习情境2
1学习情境
跑马灯设计与实现
2学习目标
(1)掌握TMOD和TCON专用寄存器各位的定义与设置。会计算和设置定时/计数器的初值。
(2)掌握IE和IP专用寄存器各位的定义与设置。理解中断的工作过程,熟记中断入口地址。
技能点:能够正确使用中断方式对定时/计数器进行编程;能够使用中断方式对外部事件中断进行处理;会画流程图,并编写完整的具有中断程序;理解电平触发中断、边沿触发中断的区别及应用;中断的优先级和中断嵌套的应用,中断现场的保护和恢复。
3学习情境内容
设计一个个性跑马灯,能够完成以下功能:
功能一:利用P2口,用单片机内部的定时器采用查询方式,使8个发光二极管呈跑马灯方式闪烁(亮1秒、灭2秒)。
功能二:用计数器中断对按键按下的次数计数,作为跑马灯闪烁次数。
功能三:用外部中断对正常显示和闪烁次数设定功能进行转换。
知识点:
掌握定时/计数器的初始化方法;定时器初值与计数器初值的计算与设定。
掌握中断源与中断服务程序的入口地址;中断相关寄存器的使用方法;中断工作过程。
4教学建议
(1)教学时数8学时。
(2)学习过程中,教师通过讲解和演示,指导学生完成项目学习。
(3)采用项目教学,多做多练加强学生对所学知识的掌握程度。
(4)安排项目训练,巩固所学内容。
5实践活动建议
(1)训练情境2:秒表设计与实现
(2)教学建议:6学时
(3)采用每组两人的分组方式,锻炼学生独立设计和调试程序的能力
(4)集中安排实验
主题四学习情境3
1学习情境
单片机点对点串口通信
2学习目标
(1)了解SCON专用寄存器各位的定义与设置,掌握串口初始化的内容与步骤。
(2)会用查询和中断方式编写数据通信程序。
技能点:能够正确地编写数据通信程序。
3学习情境内容
设计一个单片机之间的点对点的通信系统。要求甲机发送,乙机接收。甲机中按加号键,乙机中显示数据加1;甲机中按减号键,乙机中显示数据减1
知识点:
掌握与串行口初始化方法。
掌握串行口通信波特率的计算方法。
掌握串行口通信编程的两种方法。
4教学建议
(1)教学时数6学时。
(2)学习过程中,教师通过讲解和演示,指导学生完成项目学习。
(3)采用项目教学,多做多练加强学生对所学知识的掌握程度。
(4)安排项目训练,巩固所学内容。
5实践活动建议
(1)训练情境3:单片机双机通信
(2)教学建议:6学时
(3)采用每组两人的分组方式,锻炼学生独立设计和调试程序的能力
(4)集中安排实验
主题五学习情境4
1学习情境
温度控制系统的设计与实现
2学习目标
(1)使用P0、P2口的第二功能,扩展片外数据存储器RAM和片外程序存储器。
技能点:能够正确对89C51进行片外RAM和ROM扩展;理解并记住MOVX指令的时序图。
(2)对89C51的并口进行扩展
技能点:能够正确对89C51的并口进行扩展。
(3)人机接口扩展
技能点:能够正确地在89C51外连接键盘和显示设备。
(4)8位A/D转换芯片与单片机的接口
技能点:能够正确选择A/D转换芯片,并实现其与单片机的正确连接。
(5)8位D/A转换芯片与单片机的接口
(6)掌握C51程序设计方法
技能点:能够正确运用单片机C51语言对单片机系统进行编程。
3学习情境内容
设计一个温度控制系统,要求用C51编写系统程序,并且该系统满足以下要求:
功能一:使用89C51扩展一个片外RAM。
知识点:
掌握P0、P2口的第二功能使用方法。
会扩展片外数据存储器和片外程序存储器。
功能二:用两位七段数码管显示其温度值。
知识点:
掌握LED的动态显示方法。
功能三:用4*4的矩阵键盘,设置其温度初值。
知识点:
掌握键盘设计方法。
掌握LED动态显示方法。
功能四:具有对环境温度进行实时测量,当外界温度于设定温度时,启动风扇降温;当外界温度低于设定最低温度时,发出报警声。
知识点:
掌握A/D转换的方法。
掌握D/A转换的方法。
掌握正确选择A/D和D/A芯片的方法。
4教学建议
(1)教学时数20学时。
(2)提高课堂质量,上课时要多启发学生,提高他们提出问题、分析问题、解决问题的能力,让学生学会理解记忆的技巧。
(3)采用项目教学,多做多练加强学生对所学知识的掌握程度。
(4)安排项目训练,巩固所学内容。
5实践活动建议
(1)训练情境:人机接口设计与实现
(2)教学建议:6学时
(3)采用每组两人的分组方式,锻炼学生独立设计和调试程序的能力
(4)集中安排实验
主题六综合训练
使用套件设计一个最小单片机系统,完成其设计、绘图、焊接、编程、调试工作并撰写实训报告。
1教学建议
(1)教学时数20学时。
(2)教师命题,学生独立完成。
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信号发生器论文参考文献:
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[2]邹虹、单片机波形发生器的设计、重庆邮电学院学报。
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[5]张毅刚、彭喜元单片机原理及应用(第2版)、高等教育出版社
[5]谭浩强.C程序设计(第4版)[M].北京:清华大学出版社2010.
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[3]童诗白华成英主编《电子技术基础-模拟电子技术》P402-461页高等教育出版社出版2004年7月出版(非正弦信号产生电路)
[4]陈晓文主编《电子线路课程设计》P129-P133页(函数发生器的设计)电子工业出版社出版2004年8月出版
[5]张宪、何宇斌主编《电子电路制作指导》P151-161化学工业出版社出版2006年1月第一版(振荡电路)
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[2]《电子线路课程设计》P129-P133页(函数发生器的设计)主编:陈晓文电子工业出版社出版2004年8月出版
[3]《电子电路制作指导》P151-161主编:张宪、何宇斌化学工业出版社出版2006年1月第一版(振荡电路)
关键词 电子信息 毕业设计 工程实践 课程体系
中图分类号:G642 文献标识码:A
应用型本科院校电子信息类专业的毕业设计一般要求学生独立完成课题的方案设计、电路设计、原理图与PCB图设计、实物制作与调试、撰写论文以及答辩等多个环节,是对电子信息类毕业生工程实践技能和科学研究能力的综合考核。但是,近年来由于高校扩招和生源质量的下降,以及毕业生就业压力增大的影响,导致电子信息类专业毕业论文(设计)的质量出现明显的下降。因此,如何提高毕业设计(论文)的质量已成为高校教学改革研究的一个重要课题。
1 毕业论文(设计)中的主要问题
1.1 学生缺乏工程实践能力
我校工程实践教育中始终存在着“重理论、轻实践”的认识倾向,忽视了大学生实践能力的培养,因此学生在做毕业设计时,有的不会做方案设计;有的缺乏研究思路和方法;有的仪器操作不熟练,不会排除在实物制作与调试中遇到的故障和问题,导致实物没调试成功;这些极大地挫伤了学生的积极性,影响了毕业设计的质量。
1.2 学生投入的时间、精力严重不足
我校的毕业设计安排在第8学期的1~16周,正是企事业单位招聘的高峰时刻,由于如今经济转型,大学生就业压力巨大,寻找一个好单位,需要花费大量的时间去参加招聘会和面试,如果面试成功,用人单位希望学生马上顶岗实习,使得学生在毕业设计中实际投入的时间和精力不足,当然还有极少数学生忙于补考等遗留问题的解决也牵扯了大量的精力,影响了毕业设计的质量。
1.3 学生对毕业设计认识上有误区
我校大多数学生认为毕设对寻找工作单位没有影响,同时认为毕业设计总是可以通过的,没有将毕业设计看成是大学实践活动中最重要的综合实习,是对自己工程实践能力和创新能力的培养,是自己清晰了解设计过程的学习,是自己论文撰写能力的培养,对自己在以后的实际工作中尽快适应社会,影响巨大。
2 提高毕业论文(设计)的措施和建议
2.1 合理设置课程体系,优化教学内容
我校作为应用型本科院校,为培养学生的工程实践能力,对人才培养方案和教学大纲进行了修改,突出学生实践能力的培养,使学生有进行系统设计、实验分析和数据处理的能力。课程体系改革中进行了如下修改:(1)将课程体系分为公共基础课、专业基础课、专业必修课、专业选修课、实践教学五个模块。(2)重视专业基础课程平台建设,对电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术等教学内容优化,主要强调电路理论的基本理论和概念,电子器件的外部特性,突出实践运用,加强实验教学,在实验性教学中增加设计性实验。(3)对一些实践性较强的课程,如单片机,将其由专业基础课调整为选修课,考核方式为项目设计,突出学生的实践能力。(4)针对应用型本科的特点,调整专业选修课程内容,突出实践运用,将一些理论性较强的选修课进行调整,如模式识别、图像处理等,调整为射频电路及CAD技术、FPGA通信设计基础、ARM原理与应用等。(5)优化实践教学内容,增加了电子技术课程设计,专业实践课程体系更加合理有序,符合认知规律,学生在一、二年级注重专业基础训练,培养学生的仪器操作能力和建立基本的系统概念,掌握基本的设计流程和动手制作实物的能力;三、四年级则是专业工程设计的培养,使学生具备独立设计一个完整电子系统的能力。(6)为提高学生实践能力,建立实验室开放机制,电子工艺实验室全天开放,学生自主管理,其他专业实验室由学生申请,系部批准后对申请学生开放,尽可能提供实验室给学生使用,提高学生的工程实践能力。(7)改革教学方法和教学手段,在课堂教学和实验教学中引入仿真工具和软件,如MATLAB,MULTISIM,PROTELL等。尤其是单片机教学采用CDIO模式取得了较好的效果。(8)校企合作,与企业合建实验室,如与TI公司合建单片机实验室,将最新的电子技术引入教学中;并设立大学生创业创新基地,鼓励大学生自主学习、探索和开展科研活动。(9)开设科技讲座,扩展学生的知识面,激发学生的创新意识和兴趣。
2.2 对毕业论文(设计)的时间、模式进行调整
(1)由具有中级职称以上的有责任心的中青年教师组成毕业论文(设计)选题小组和指导小组,对选题的综合性、实用性、创新性和时效性进行评价和筛选,强调选题以设计类题目为主,要求软硬件相结合。(2)学生的选题时间可灵活调整,我校鼓励学生参加各种学科竞赛。如大学生电子设计竞赛,在做毕业设计时可选取与学科竞赛相近的题目;参加飞思卡尔的可选取智能车的题目;还有一些学生可在第6学期单片机实践时就选取自己感兴趣的题目作为选题,如有学生在单片机实习时做的是电子抢答器,毕设时做的是无线抢答器,学生完成得非常好。(3)对学生加强教育,认真开好毕业设计动员大会,提高学生的主观能动性,毕业设计是一个自主学习、实践、探索和创新的过程,是学生参加实际工作的一个预演,对学生很重要,消除学生的认识误区,提高学生的积极性。(4)严格毕业论文(设计)考核制度,对在毕业设计中期检查中不合格的给予警告,如在毕业设计中确实不合格的要求二次答辩,二次答辩还不合格的则毕业设计判定不合格。
3 总结
近年来我校通过不断地探索和调研,借鉴其他学校的一些经验并结合本校的实际情况,科学设置课程体系,优化突出应用型教学内容,合理安排毕设时间和组织机构,整合学校实验室教学资源,与企业合建实验室,充分调动学生的主观能动性,达到提高毕业设计质量的目的,从实施的效果来看,已初步扭转质量下滑的趋势。
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关键词:单片机;一体化;教学模式
中图分类号:G712 文献标识码:A 文章编号:1671-0568(2012)08-0041-02
目前,计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片化三个方向高速发展。自1975年第一块单片微型计算机芯片问世以来,在短短的三十多年间,单片机技术已发展成为计算机技术一个非常有前途的分支,它具有体积小、性能优越、价格低廉等优点。一方面,单片机芯片是自动控制系统的核心部件,广泛应用于工业控制、智能化仪器仪表、通信终端设备、家用电器、高档电子玩具等领域;另一方面,单片机也是电子技术数字化的核心部件之一,在数字化电子产品中承担着数字信号处理的重任。鉴于单片机技术在实践中的广泛应用,很多高职院校电类专业均开设了《单片机技术》课程,但是院校之间的教学模式及教学效果存在着一定的差别,为了找到此类课程的理想教学方法,有必要对单片机课程的教学模式进行研究。
一、传统的单片机教学模式
传统的高职院校《单片机技术》课程存在一些比较普遍的问题,主要体现在适合高职学生的优质单片机教材较少,很多教材偏重于理论,相应的教学计划针对性不强,传统教学方法因过多体现“讲授式”特点,缺乏对学生主动学习与实践创新能力的关注。传统的“单片机技术”课程教学模式往往是“理论课+实验课”。理论课在教室采用多媒体或“粉笔+黑板”的方式,以逐个知识点的讲授为主。实验课在实验室环境下练习,且实验内容多为验证性实验。这种教学模式的缺点是教学中以教师为中心,理论与实践相脱节,学生被动地接受知识,学习过后不易理解和掌握。因此,开展《单片机技术》课程教学方法改革,探索适应新形势要求的教学方法已是必然。
二、单片机一体化教学模式
《单片机技术》自身就是一项实践性非常强的技术,光靠理论讲授和后续的实验验证根本不可能使学生很好的掌握这项高新技术,为了改变现状使学生掌握这项受之有用的技术,唯有在教学过程中加大实践的力度,使得学生能够在做中学,学中做,通过自己动手做而获得成就感,通过自己动手做而找到学习的乐趣,进而自主的学习。基于此,本文对单片机一体化教学模式进行探究,采用“教学做一体化”的教学方式,以项目情景和工作过程为导向,突出学生的主体地位,在做的过程中由教师教和学生学来共同完成教学活动。
三、单片机一体化教学具体实施
整个课程教学过程的实施按照“理论引导普通项目实训典型项目实训综合(创新)项目实训竞赛”的系列步骤展开。
1 实施方案。每个教学过程均安排在实训室采用“理论讲解-分析设计-学生编程-仿真-实训-设疑-再编程-再仿真-再实训”的方式进行,边讲边动手,有目的、有计划地带领学生先完成普通项目实训,再完成典型项目实训,然后完成综合(创新)项目实训。例如,要完成“8个发光二极管轮流点亮”的任务,教师先讲解完成这个实例需要掌握的相关电路原理和指令规则,接着引导学生一起来分析思考如何实现任务功能,待学生发现指令和任务之间的联系之后,让学生动手写程序,并仿真看结果对不对。如果仿真正确。再尝试将程序代码下载到实验板看结果是否正确。接下来再适当改变任务要求,让学生动手完成新任务。通过这样的过程,调动学生的主观能动性,提高学生学习兴趣,真正将“学-思-知-行”统一起来。
2 实施方法。本课程实践教学环节的实施按照“普通项目实训典型项目实训综合(创新)项目实训竞赛”的步骤循序渐进地展开,其组织形式也有相应的区别。
(1)普通实训项目。普通实训项目采用集中进行,统一指导和个别辅导相结合的方式进行。实训后学生必须根据要求,写出项目实训报告。实训过程中,教师的作用是导向、纠偏、督促、检查。重在培养学生自主创新地完成:资料查找、方案构思、电路设计与制作、编程及调试等工作,注重讲练结合,教师一般先有统一的入门指导,讲解实训的原理、方法、步骤、注意事项,根据需要作必要的现场操作演示,然后巡回指导。通过普通项目的实训使学生掌握单片机开发工具、单片机仿真软件、应用软件的使用方法,获得基本实训技能。掌握单片机指令应用、程序设计基本方法和技巧,提高了动手能力。
(2)典型实训项目。教师下达典型实训项目任务,提供参考资料书目,学生自己查阅资料,确定设计方案。在教师对设计方案检查无误后开始进行硬件原理图的设计和软件程序编制,调试硬件电路、调试设计程序直至成功,整个过程由老师提供技术支持。学生根据任务书的时间内容要求完成设计任务。典型实训项目采用相对集中、任务分散,小组讨论,个别辅导相结合的方式进行。通过典型实训项目的实训使学生进一步理解单片机的组成及工作原理,掌握接口电路的工作原理,理解接口技术、中断、定时/计数器等功能部件的基本原理和设计应用方法,培养学生的单片机应用与开发能力以及团队协作的能力。
(3)综合(创新)项目实践。综合(创新)项目实践采用课题组形式,每组学生进行任务分工,共同完成一个相对完整的设计任务:审题、查阅资料、方案构思、绘制原理图、电路板设计与制作、编程及调试、论文撰写等工作。教师采用相对集中、任务分散,小组讨论,个别辅导相结合的方式进行。教师在实训全过程中起技术指导作用。要真正提高学生单片机实际应用能力,单靠课堂(理论、实验)教学是不够的。为了巩固、提高学生单片机理论教学的效果,单片机应用设计综合项目,旨在继续强化学生单片机应用能力的培养,要求学生完成一个比较全面的单片机综合应用项目,对学生进行全面综合的训练,有效地提高学生的创造性思维和独立分析、解决问题的能力。
(4)竞赛。竞赛主要采用学生自由创作的形式,教师只对作品进行评价,通过学生独立对整个作品的设计制作、设计报告的撰写及答辩,使学生真正达到能够独立面对实际问题,独立分析及解决问题。
通过以上实施步骤有效地解决了传统理论课加实验课的单片机教学中遇到的问题,增强了学生的参与感,提高了学生的学习兴趣和动手能力,使理论教学与实际应用相结合,实现了一体化教学,对教学产生了积极的影响,增强了学生的创新意识和实践能力,具有一定的理论价值和实际意义。
参考文献:
关键词:ATmega8;电路设计;学生实验板;单片机教学
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.188
1 引言
嵌入式处理器已成为嵌入式系统应用和设计的主流,对于经济欠发达地区的中职学校,嵌入式教学系统平台已成为教学的瓶颈,设备添置满足不了教学需求。ATmega8是ATMEL公司推出的一款新型AVR高档单片机,具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点,其价格仅与低档单片机相当,深受广大单片机用户的喜爱。本文采用基于Atmega8微处理器进行嵌入式教学平台电路设计,手工制作出单面PCB板,实现了实验板的设计与制作。
2 系统总体设计
总体设计原理框图如图2-1所示。单片机实验开发应用系统中 ATmega8核心模块通过RS232 与PC上位机进行通信,充分利用PC 机的资源。电源部分采用单独电源供电。该实验开发系统设计有下载器,只需一条下载线即可开始工作,使用方便,保证实验系统具有较高的性价比。
3 硬件电路设计
ATmega8单片机实验板上集成了LED数码管显示模块、 LCD液晶显示模块、通讯接口模块、流水灯、蜂鸣器模块、按键模块、 A /D和 D /A 转换模块、DS1302时钟模块、DS18B20测温模块、24C02存储模块等常用实验模块。同时实验板上还设计预留有可扩展的空间以满足学生进行综合课程设计、创新设计。
3.1 CPU模块设计
围绕核心芯片所设计的CPU模块如图 3-1所示。图中的复位电路 RESET有二种选择: 外部复位, J16必须插上短路块;或 PC6作I/O 口用, J16拔出短路块。晶振电路 XTAL1和 XTAL2 分别是片内振荡器的反向放大器的输入、输出端, 外接晶体振荡器。晶振有两种选择:一是外接8MHz无源晶振, 二是内部RC振荡器。当P1插上短路块时, 为用外接无源晶振;当P1不插短路块时, 则用 ATmega8内部振荡器。另外,模块还设计有ISP编程接口 ,实现在线下载或读取芯片内部程序。
3.2 具有自动识别输入电压极性的电源模块设计
具有自动识别输入电压极性的电源模块电路如图3-2所示,该电路有9V和5V双电源供电。10V直流电经J3加入电路板后经D3、D4、D6、D7四只二极管组成的极性保护电路。对学生而言,在实习中给实训板加错输入电压的极性,会给实验板带来了不必要的损害,有了具有自动识别输入电压极性的电路,对本实验板起到很好的保护作用。
3.3 流水灯和蜂鸣器模块设计
流水灯电路中的流水灯由LED1―LED8发光二极管组成,1K的限流电阻,发光二级管的正极经限流电阻接电源VCC,发光二极管负极由连接排线接单片机I/O口,采用的低电平驱动发光二级管。蜂鸣器电路(图3-3)由Q5、LS1、R11和R16组成,由JP14经连接导线接单片机驱动I/O端,采用的同样是低电平驱动。
3.4 显示模块设计
数码管显示模块采用采用动态扫描模式,选用四位一体共阳数码管,电路由SM1、R1―R8、Q1―Q4、R12―R15组成。Q1―Q4进行位码控制,连接线接单片机位码驱动I/O口,低电平有效驱动。段码控制经排线接单片机段码驱动I/O口,低电平有效。 LCD显示模块外接扩展LCD1602和外接扩展LCD128*64。
3.5 串口通信设计
ATmega8单片机与PC机通信采用MAX232串口通信模块。通信时,使用 RS232 接口线,从而实现 PC 机与ATmega8单片机的串行 UART通讯,充分利用 PC 机资源。
3.6 其它电路设计
ATmega8单片机实验板上还设计有按键模块、 A /D和 D /A 转换模块、24C02存储模块(图4-8)、DS1302时钟模块(图4-9)、DS18B20测温模块等常用实验模块;同时实验板上还设计预留有可扩展的空间以满足学生进行综合课程设计、创新设计等,满足学生的实验要求。
4 电路板的设计与制作
在总体电路框架分析后,先用Protel DXP软件进行电路设计,再用热转印法制作PCB电路板。具体的步骤如下:
(1)设计PCB板图:用Protel DXP软件绘制实验板电路原理图,再设计出实验板PCB板图。(2)打印:用激光打印机把设计好的PCB板图打印到热转印纸上。(3)预热、卸料:打开热转印机,将温度调节到180度左右,预热5―10分钟;根据PCB板的尺寸对覆铜板进行裁剪,并用细砂纸进行打磨去氧化。(4)热转印:将打印好电路图的热转印纸贴于覆铜板的铜面上,放入热转印机,热转移机便会自动地把PCB板图转印到覆铜板上。(5)修版:在热转印过程中可能有的电路线条受损,没转印过来,要对受损线条进行修补。(6)腐蚀:腐蚀液用1:1的双氧水和盐酸水溶液,将覆铜板浸入腐蚀液中,轻轻震动即可。注意腐蚀速度不能太快,否则会出现侧蚀。(7)清洗:先用清水进行清洗,再用汽油清洗掉墨粉(或用细砂纸打磨)。(8)打孔:用微型台钻进行打孔,钻头要用电路板专用钻头;打好孔后对板子进行清理、修边,再涂上松香水,一块精美的PCB板就做好了。
5 结束语
本文利用ATmega8微处理器来进行硬件设计,其目的是为经济欠发达地区的中职学生学习嵌入式系统提供一套制作简单、功能较多的的实验板,让学生在实训中学习单片机,降低学习难度,使他们能够把理论知识迅速赋予到工程实践中去。
参考文献:
[1]陈章余.基于SEP4020处理器嵌入式教学系统的开发与实现.[D]:[硕士学位论文].江苏南京:东南大学,2011.
[2]陈胜涛.嵌入式系统开发平台系统功能层的设计与实现.[D]:[硕士学位论文].青岛:青岛大学.