基于小项目理论的单片机实验板设计＊

王文成

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

随着国民经济的高速发展，“单片机技术”作为自动化、测控技术与仪器、电子信息工程等专业的一门核心课程越来越受到重视，我校其他工科专业如机械自动化、电子科学与技术、计算机科学与技术等专业也相继开设了该门课程，对从事机电控制相关行业人才的培养起到了重要作用。该门课程实践性强、涵盖的知识面广，它的教学目的是以电子技术为基础进一步引入微处理器的概念，使学生初步掌握单片机应用系统的开发技能，达到对电子技术的自如运用。然而，近几年由于大学生扩招所带来的就业压力，传统的教学方式已经不能满足工科专业“工程应用”性人才培养的需求。特别是课程结束后，许多学生对系统设计、芯片选择及软硬件综合调试等内容仍不能深入理解和灵活运用。因此，不断改进单片机实践教学的内容和方法，培养学生的创新意识和工程实践能力，是当前教学改革的重要内容之一。

1 传统实验教学存在的问题

目前大部分高校的“单片机技术”课程实验方面主要采用“计算机＋仿真器＋实验箱＋示波器”的教学模式［1］。这种实验箱将各种单元电路合理地组合在一块大印刷电路板上，构成一个有机的整体，技术成熟，学生使用方便，但不可避免地存在着如下局限性［2］。

（1）实验效率较差。实验箱中电路连接线和短路线多，学生不能提前了解电路，只能在实验课上根据实验指导书完成电路连接，这不但容易接错，而且每次实验有很多的时间要花在接线上，电路的设计规模受到限制；

（2）实验设备更新慢。电子技术的高速发展导致实验设备更新换代较快，以程序代码的下载为例，仅几年的时间，已经实现由编程器→并口下载线→USB口下载的演化。而实验箱升级慢直接导致了学生在学校学习的内容跟社会应用的脱离，不利于为企业输送直接应用型人才；

（3）实验模块分散。传统的实验教学主要是以单片机理论教学内容为目的而安排的，一般情况下，先做单片机硬件结构的认识实验，然后是指令和软件编程的验证实验，最后是一个应用实例的验证实验，这往往会导致学生做到最后一个实验才明白系统设计的原理，前期实验效果不好。

（4）灵活性和扩展性差。实验箱中的实验主要以验证性实验为主，只能按照实验指导书上的接线图和参考程序做简单的硬件连线和代码输入，在学生动脑和动手能力的训练上显得很薄弱，编写程序上能发挥的余度较少，学生不用做实验就能知道实验结果，因此降低了学生学习的兴趣，并使抄袭和缺勤现象屡禁不止；

（5）实验设备应用范围受限。在进行综合性设计性实验、课程设计和指导学生电子设计时，学生的设计思想受到限制，有些甚至根本无法实现。这种重复、被动的实验教学模式束缚了学生的手脚，不利于提高学生的综合设计能力和工程应用能力，达不到良好的实验效果，不利于学生综合实验能力和创新意识的培养。

2 小项目理论

小项目理论的主导思想是将相对独立的模块整合为一个整体，为学习者提供了清晰、概括的指导，使学习者能够清晰地掌握学习的脉络。且在一段教学时间内，只把某一个项目或工作过程作为主体的学习内容，从理论到实践反复认识的主体只有这一个，使学生缩小了注意目标，可以较短时间内在大脑中形成对项目的完整认识［3］。而在试验中的小项目就是学生通过实施一个完整的项目工作而进行的实践活动，在这里，项目指以生产一件具体的具有实际应用价值的产品为目的，它应满足以下条件［4］：

（1）该项目应该包含丰富的教学知识点，工作过程用于学习一定的教学内容；

（2）能将单片机课程中某一教学课题的理论知识和实际技能有机结合起来，并具有一定的趣味性。

（3）小项目应该具有一定的应用背景，来源于人民生产生活，也应该能够应用到人民生产生活中，与实际企业现实生产过程或商业经营活动有直接的关系；

（4）小项目的实施能够摆脱学校实验室环境的限制，学生有独立制定计划并实施的机会，在一定时间范围内可以自行组织、安排自己的学习行为；

（5）小项目的制定需要完善的任务和评分标准，有明确而具体的成果展示；

（6）教师充当指导教师的作用，要求学生通过资料查阅和集体讨论等方式克服、处理在项目工作中出现的困难和难题；

（7）项目的实施可以采用小组合作方式进行组织，把学生分成若干个小组，组内成员根据个人能力合作共同完成一个学习项目；

（8）项目工作具有一定的难度，要求学生运用新学习的知识、技能，解决过去从未遇到的实际问题；（9）学习结束时，各小组产品进行展示交流，师生共同评价工作成果。

总之，在设计项目时，要仔细推敲各个知识点的相互联系，统筹兼顾，为学生设计出一系列典型的操作性较强的项目，引导学生去探索知识，获取知识，运用知识，从设计简单产品为切入口，熟悉单片机产品的开发流程，培养他们的创造性思维，把学生领进专业知识的大门。

3 实验板总体设计

基于以上所述，我们结合本课程特点和各实践环节的需求，自行研制开发并不断改进了一套单片机实验装置。单片机实验系统上有丰富的实验电路和灵活的组成方法［5－6］。它包含了51系列单片机的基本系统、串行A／D转换、RS232／485接口、LED显示、键盘控制、功率驱动、隔离电路和端口扩展等功能模块。并且实验板具有在线编程的能力，使用者能比较迅速地掌握编程技巧，通过ISP下载线可以方便地进行下载。另外，实验板还可以脱机运行的功能，能满足教学所要求的实验教学、课程设计和毕业设计，及科研开发的仿真实验。其结构框图如图1所示。

图1 单片机实验板原理框图

其中MCU模块选用ATMEL公司51系列单片机；电源模块，采用7805三端稳压模块与变压器组合；AD转换模块选用8路模拟量输入芯片ADC0809；直流电机调速模块，设计了H桥电路，并可选择利用ULN2003A芯片增加驱动能力；显示模块，在设计时选用CD451芯片和晶体管组合驱动方式；温度检测模块，选用Dallas公司生产的数字温度传感器DS1820作为温度检测器件；音频电路，采用三极管放大加扬声器的组合方式；串行通信模块，采用RS232的通信标准进行设计；此外，端口接线区域可以根据需求自主接线。

4 小项目实例

根据实验板的电路设计，可以开展的小项目包括：温度检测、自动报警、音乐播放、电机控制、数据显示等。在此基础上，同学们也可以根据自己的设想进行功能扩展。以下以电子音乐盒为例分析小项目的设计。

4.1 小项目设计的目的

（1）熟悉51系列单片机的使用；

（2）熟悉汇编语言或C语言的程序设计方法，了解基于Protel系列工具的电路板设计流程；

（3）掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器／计数器、中断、I／O口、串行口通讯等功能；

（4）掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现。

4.2 小项目设计的任务

该小项目设计的基本任务为完成一个电子音乐盒的功能。

基本要求：当某按键按下，音乐盒开始播放音乐，并且流水灯依次闪烁，再次按下按键，播放暂停。

扩展功能：结合个人能力和电路板的现有硬件，增加其他功能。如音乐播放时，计数器开始计时等。

4.3 小项目设计的流程

（1）学习用Protel99se设计原理图和PCB板图；

（2）查找资料，分析电路并编写程序；

（3）焊接电路并用Keil uVision3编译程序；

（4）下载程序并进行调试验证；

（5）编写整理文档；

4.4 硬件设计

本小项目的设计以AT89S51单片机为核心，利用单片机的定时器产生一定长度的方波，方波脉冲驱动扬声器发声。当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。同时在LED显示歌曲序号和流水灯依次闪烁。其原理框图如图2所示。

图2 电子音乐盒原理框图

4.5 软件设计

基于上述电路，电子音乐盒功能程序部分主要包括音乐盒功能主程序、音频节拍读取子程序、T0中断服务子程序和节拍延时子程序等。其中，主程序如图3所示。

5 结束语

基于小项目理论的单片机实验板，不仅能为以单片机为核心的系统前期探索研究提供一种方便的实验装置，而且能在远离工业现场的环境中模拟解决实际问题。通过基于小项目的开发锻炼，不仅提高了学生的学习兴趣、动手能力、综合应用能力和创新能力，更重要的是能了解更多的有关产品和市场的概念，提高了学生的就业竞争力，为将来走向社会打下了良好的基础。

图3 主程序流程图

［1］胡敬朋，王聪.单片机项目教学研究及实践［J］.电气电子教学学报，2009，31（5）：82－84.

［2］唐述宏，王文成，季涛，等.单片机通用实验板的研制［J］.潍坊学院学报，2009，9（4）：13－15.

［3］曲卫冬，王亚青.单片机课程理实一体项目式教学的探讨［J］.中国电力教育，2010，（10）：56－57.

［4］楼然苗.单片机综合性实验项目的设计［J］.浙江海洋学院学报：自然科学版，2007，26（1）：87－90.

［5］WANG Wen－cheng.A teaching method of single chip machine based on small project［C］／／2011International Conference on Communication Software and Networks（ICCSN2011）：25－27.

［6］彭远芳，陆勤，胡宁，等.基于“项目驱动法”的单片机课程一体化教学的探索与实践［J］.计算机教育，2010，（6）：78－81.