机器人在单片机教学中的应用

王红超

(厦门海洋职业技术学院 机电系，福建 厦门361100)

0 引 言

机器人是1 个典型的机电一体化系统，它综合了机械设计、电工电子、传感器、计算机/微控制器编程、控制系统和人工智能等学科的内容［1］，是进行工程训练、教学实验和研究的理想的平台［2］。教学中常用的机器人是轮式机器人，即智能小车，它的机构简单、驱动和控制相对方便［3］、价格便宜，是初学者的首选，本文重点介绍这种机器人在单片机课程教学中的应用。

1 传统单片机教学的现状

传统的单片机教学是按单片机所包含的知识结构为主线进行设计的，一开始就涉及很多抽象的理论知识，如CPU、存储器、特殊功能寄存器及位地址空间、指令系统、中断、堆栈等等［4-13］。学生特别是高职院校的学生普遍感到难以理解［14］。讲了很多理论之后再给学生一些简单的程序到实验箱上去验证，以图加深学生对知识点的理解，但多数学生仅仅满足于把老师给的程序代码编译后下载到单片机里运行一下，根本不认真研读每条代码的含义，更不用说自己尝试编写程序了。

2 机器人在单片机课程教学中的意义

为了激发学生对单片机的学习兴趣，提高学生分析解决问题的能力，缩短学生在学校学习的知识和能力与企业要求之间的差距。笔者综合几个企业项目的经验，经过3 年单片机教学实践，设计制作了1 套机器人实验装置，如图1 所示。学生可以利用这块机器人实验装置上的电路，编写小型的程序来控制机器人做出各种动作和反应，如转弯、寻线、夹取物件、显示状态等。通过10 几个项目的学习就可以让大部分学生掌握单片机课程中常见的知识点。学有余力的学生可以自己设计一些机构并搭建相应的电路，做一些创新性的项目，如搬运机器人、迷宫机器人(见图2)、寻线竞速机器人等。通过这些项目的实施，可以提高学生的综合应用和创新能力。

图1 机器人实验装置

图2 迷宫机器人

3 基于机器人的单片机教学方法简介

在教学方式上打破传统的以知识点为体系的课程结构，尝试用一个个具体的项目来导出单片机的知识点，引导学生学习，再启发学生用所学的知识和技能来实施项目。教学中不强调单片机课程知识体系的系统性和完整性，现实中用得多的就让学生多学多练，用得少的暂时不学。学生在大学里的时间毕竟只有3、4年，跟他们以后工作的时间相比是短暂的。笔者认为学校教育的重点是培养学生兴趣，帮助学生树立终身学习的观念，教会学生一些专业课的入门知识和学习的方法，毕业后他们就具备进一步学习的意愿和能力。

在教学内容上从基本输入输出接口讲起，将单片机内部结构、指令系统(或单片机C 语言语法)等内容分散到一个个小的项目中，涉及到哪些知识点再有选择的讲解。让学生从一开始就看到自己的学习成果，感受到自己的进步，这样他们会更愿意继续学下去。考虑到学生的兴趣特点和接受能力，按照由易到难的原则，笔者设计了20 几个项目，如表1 所示。每1 个项目都有1 个示例程序，难度稍大的项目还有1 或2个引入程序。另外，每个项目都有1 ～3 个基于示例程序延伸的小课题，由学生在理解硬件结构和示例程序的基础上思考、讨论、不断尝试去解决。在教学中先让学生对每个项目有个感性的认识，吸引住他们的注意，激发出他们的兴趣，再引导他们学习理论知识，学完理论知识后再要求学生应用它们去解决项目中的问题。

我们以“因材施教”的思想，根据不同专业、不同课时，有选择地进行基本项目和拓展项目的训练。同一个班级学生的兴趣和基础差异也比较大，对他们也提出了不同的要求。普通学生只要能掌握基本的知识，理解示例程序即可;成绩较好的要求他们完成基于示例程序延伸的小课题。在课外我们还成立了机器人兴趣小组，综合项目由小组成员合作完成。除了利用机器人实验装置进行教学外，我们要求兴趣小组的学生自己焊接单片机最小系统板(如图3 所示)、无线收发模块、各种机器人传感器模块、74HC595 演示板、LED 点阵屏等多种独立的硬件模块，模块和模块之间用杜邦线连接。亲手制作模块的学生对单片机系统硬件电路掌握得更好，也会编写模块的控制程序，就业以后可以开始单片机控制系统的软硬件设计工作了。

表1 实训项目表

图3 手工焊接的单片机最小系统板正反面

4 实验室建设方案

为了配合教学，我们建设了2 个实验室:单片机实验室和机器人创新实验室，2 个实验室的主要设备如表2 所示。其中单片机实验室可以与其它实验室合用(比如CAD 实验室、EDA 实验室、软件实验室等)，以提高实验室的使用率。单片机实验室所用机器人实验装置可以上网采购，价格约500 元左右［15-16］。当然最好是自制，多数学校的工科专业在单片机课程之前会有1 门电子线路板设计与制作的课程，老师可以用机器人实验装置控制电路板的原理图和PCB 图绘制来组织这门课的教学。课程结束时实验板的PCB 图也画好了，挑选1 个绘制比较好的学生的作品寄给PCB厂家生产。然后在焊接的实训课上组织学生把实验板焊接完成，以便在单片机课程中使用。学生对他们自己制作的实验板比较有成就感，也比较有感情，更乐意使用它继续学习。而机器人创新实验室主要是机器人兴趣小组活动的场所，所需的工具、设备和元器件可以根据实际需要逐步添加。

表2 单片机实验室和机器人创新实验室主要设备

5 结 语

采用机器人平台进行单片机教学激发了学生的学习兴趣。以项目实践为主，理论知识讲授为辅的教学方式保证了学生兴趣的持续性。由浅入深的项目设计，可以使大部分学生跟得上教学进度。当然，我们在教学中也碰到了一些问题，比如有些项目用到了后面才学习的知识点，我们的处理方法是先让学生不要管理论，照做就可以了。希望今后通过不断的优化项目设计来逐渐解决这个问题。

［1］ 肖晓萍，廖 青. 基于机器人实验教学平台的研制［J］. 机电产品开发与创新，2008，21(4):19-21.

［2］ 王振士，陈富林. 基于AT89S52 单片机的教学机器人控制系统的设计与实现［J］. 机电产品开发与创新，2009，22(6):19-20.

［3］ 朱磊磊，陈 军. 轮式移动机器人研究综述［J］. 机床与液压，2009，37(8):242-246.

［4］ 张迎新. 单片机初级教程［M］. 2 版. 北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［5］ 胡 辉. 单片机原理与应用［M］. 北京:中国水利水电出版社，2007.

［6］ 张毅刚. 单片机原理及接口技术(C51 编程)［M］. 北京:人民邮电出版社，2011.

［7］ 张迎新. 单片机原理及应用［M］. 2 版. 北京:电子工业出版社，2009.

［8］ 李广弟，朱月秀. 单片机基础［M］. 3 版. 北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［9］ 谢维成. 单片机原理与应用及C51 程序设计［M］. 北京:清华大学出版社，2006.

［10］ 杨天怡. 单片机原理及应用［M］. 北京:清华大学出版社，2010.

［11］ 束 慧，陈卫兵. 单片机技术与应用基础［M］. 北京:人民邮电出版社，2010.

［12］ 张大明. 单片微机控制应用技术［M］. 北京:机械工业出版社，2006.

［13］ 黄 健. 单片机原理与应用［M］. 西安:西北工业大学出版社，2008.

［14］ 张素琴. 基于宝贝车机器人平台的单片机项目式教学实践［J］.黑龙江科技信息，2009(36):84-84.

［15］ 天赐电子. 51 单片机开发板C51 单片机学习板C51 智能小车R2 机 器 人［EB/OL］. http://item. taobao. com/item. htm?id =4322611899. 2011-11-3/2011-11-5.

［16］ 智能小车店. 51 单片机智能小车51 开发板51 实验板 避障小车 寻迹小车［EB/OL］. http://item.taobao.com/item.htm?id =13010507854. 2011-11-3/2011-11-5.