高职院校单片机教学改革在实践教学中的应用

杨 楠

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)

当前，大多数院校对于电子设计类课程采用的授课方法都是先要求理解(理解原理、实现思路等)，然后才是实践编程，这样会学生们对此类课程缺少初步的认知，更谈不上什么兴趣，因此教学效果不好。高职院校强调培养操作型人才，因此在日常授课中，不仅采用了现场教学等方法，还增设了许多实践内容，以提高学生的动手能力；但由于实践教学内容的设计相对薄弱，使得学生本身缺乏兴趣，无法将书本上的理论与实际结合起来，导致效果不明显，严重影响了学生动手能力的提高，甚至成为制约高职发展的瓶颈。为此，提出了一种新的单片机教学模式，即通过详细描述数字钟电路的整个过程设计，让学生自己动手从绘制电路原理图到利用ISIS软件仿真，再到元件焊接以及电路调试，最终生产出一台属于自己的数字钟。通过这一系列连续的工作，使学生切实体会到成就感，提升了动手能力，使学生对单片机技术产生初步的兴趣。

1 方案设计

简易单片机应用大多采用最小应用系统，系统实物如图1所示，主要包括单片机电路模块、振荡电路模块、复位电路模块、电源接口模块以及≥12 MHz频率的晶振(波特率为1 MHz)。最小应用系统是最简单的单片机外围电路，许多功能都可以利用该系统实现，其制作成功后可为后续试验提供平台。

图1 单片机最小应用系统实物图

单片机最小应用系统材料清单见表1，可按表1准备原件即可实现MCS-51最小应用系统电路。

2 电路设计

2.1 单片机电路模块

首先在面包板当中放置40脚的IC芯片[1]，用来放置单片机；然后将P0口(管脚32～39)、P1口(管脚1～8)、P2口(管脚21～28)和P3口(管脚10～17)分别引出排阵，用于系统扩展。

表1 单片机最小应用系统材料清单

2.2 复位电路模块

单片机复位电路形式多种多样，本文采用按键式复位电路，电路连接如图2所示。首先将200 Ω电阻的一端、电解电容的负极和1 kΩ电阻的一端均与单片机的9号管脚相连接；然后将电解电容的正极接电源VCC，1 kΩ电阻的另一端接地；最后将200 Ω电阻的另一端与复位开关相接，复位开关的另一端接电源。复位开关共有4个管脚，在接线时选择对角线接法即可[2]。

2.3 振荡电路模块

电路连接如图2所示，首先将12 MHz的晶振两端与单片机的18脚、19脚分别相连接；然后将2个30 pF的电容的一端与晶振的2个管脚相接；最后将2个电容另一端分别接地即可。

2.4 电源接口模块

在单片机最小应用系统板上设计电源接口模块，此模块主要采用4个排针作为电源插口，且均为并联方式连接，其中J1为电源输入端，J2～J4可用于系统扩展，为其他模块提供电源，电路连接如图2所示，单片机的31号管脚应接电源，表示使用片内ROM。

图2 MCS-51最小应用系统原理图

列出制作简易数字钟所需的原件清单(见表2)，其中74HC245芯片起到电流放大作用，由于MCS-51端口输出信号的驱动能力有限，因此为了增强信号的驱动能力，需经过74HC245放大，8只PNP型9012三极管作为开关使用配合选通管脚，当某一只引脚输出低电平时，其所接的三极管便导通，使得该管所接引脚的信号传送到数码管的引脚上[3]。

表2 数字钟所需元器件清单

3 程序设计

在软件设计中遵循V模型自顶向下的设计原则[4]，先设计好程序总体运行时的逻辑框图，在此阶段可以不考虑具体的实现细节，以免影响整体设计思路，主体程序结构框图如图3所示。

图3 主体程序结构框图

主体程序如下：

1 #include

2 #define uint unsigned int

3 #define uchar unsigned char

4 uint time_t; //毫秒统计值

5 #uchar hour,min,sec; //数码管显示值，小时，分，秒

6 uchar code led[10]={0xFC,0x60,0xDA,0xF2,0x66,0xB6,0xBE,0Xe0, 0xFE,0xF6}//数码管显示0～9

7 void main()

8{

9 sec=56;

10 min=59;;

11 hour=23;//时间初始化为23:59:56

12 while(1){

13 DISPLAY_NUM(sec，0x01)；//显示秒

14 DISPLAY_NUM(min，0x08)； //显示分

15 DISPLAY_NUM(hour，0x40)； //显示小时

16 DISPLAY_CHAR( )； //显示分隔符“—”

17 TIME_TAKE( ); //调用时间调整函数}

18}

程序第一行包含AT89X51.h头文件，该文件包含常用的51系列单片机宏定义，第2和第3行将表述方式较为复杂的无符号整形、无符号字符型2种数据类型采用定义的方法进行简化改写。第4和第5行共定义了4个全局变量，分别用于存储毫秒统计值、小时值、分值和秒值。第6行定义了一个容量为10的一维数组，用于存储能够在数码管上显示0～9这10个数字的十六进制数。主程序一开始对数码管进行了初始化，这里设置为23:59:56，而主程序中被调用最频繁的函数DISPLAY_NUM其函数原型为DISPLAY_NUM(uchar num，dis_w)其中局部变量num传递被送显数值，而dis_w变量则是传递送显数值显示的位置。下述分析时间调整函数TIME_TAKE()。

Void TIME_TAKE()

{ if(time_t>=1000) //当总延时数为1 s时

{ time_t=0; //time_t 清零

sec++; //秒加1

if(60==sec) //当秒值为60时

{ sec=0; //秒值清零

min++; //分加1

if(60==min) //当分值为60时

{ min=0; //分值清零

hour++; //分加1

if(24==hour) hour=0; //当小时为24时，小时清零

} } } }

时间调整函数的处理流程如下：首先判断毫秒累加值是否达到1 000，若是，则秒累加值加1，同时毫秒累加值清零；如果秒值到了60，则分累加值加1，同时秒值清零；若分值到了60，则小时累加值加1，同时分值清零；如果小时累加值到了24，则小时累加值清零；上述判断只要任何一步不满足条件则退出该函数。

4 项目仿真

利用上述源代码及硬件电路图可以在ISIS中进行虚拟仿真测试，此软件可以模拟单片机应用程序的运行结果，在此平台下可以验证硬件电路及代码的正确性，并进行代码的修改以及优化，只有仿真结果正确，才有必要制作电路板实现硬件电路[5]。

启动Proteus仿真软件，根据硬件连接图,在元件库中找出相应原件并连接(见图4)，共需用到AT89C51芯片、4009反向器和8位1体7段数码管7seg-mpx8。单击元件库“P”按钮，在弹出对话框中输入所需原件名，并将其布放到位，此处在仿真时做了如下省略：实际电路中，从单片机P0端口引出的8脚首先通过74HC245芯片后，再接入数码管的a～h脚，这是因为需要考虑电流的驱动能力，而仿真只是为了验证程序的正确性，因此在仿真图中可以省略，直接将P0口与数码管管脚相连，减少仿真难度；同时实际电路中数码管8只位选脚同时也是数码管工作时电流的提供脚，因此提供8只PNP三极管做开关管，既可以起到选通作用，也可以提高电流的驱动能力，而仿真中均用4009反相器代替，模拟选通作用。

5 制作电路板

制作电路板应遵循如下原则：1)考虑原件在面包板上布局美观、大方，相关元器件尽量接近；2)考虑原件走线需要，尽可能预留走线空间。

走线时线路尽量布放在原件的背面，如果实在布放困难必须布放在原件侧，则依据“正面走横线，背面走竖线”的原则。

制作步骤如下。

图4 Proteus仿真图

1)找出2个12脚IC底座，放置合适位置，使得2个4位数码管安装完成后正好组成1个8为数码管。

2)确定2个4位数码管的12只引脚，哪8只控制数码管的7段及小数点，哪4只脚是位控制脚并标示。

3)分别将2个4位数码管相应的a-a、b-b、c-c、d-d、e-e、f-f、g-g、dp-dp等8对脚两两连接，并引出到合适位置成为8只段脚。

4)将2个4位数码管的8只位选脚也分别引出到合适位置，成为8只位脚。

5)在8只段脚引出处连接8只电阻，并通过该电阻连接74LS245芯片相应的引脚处，同时将245芯片另8只脚连接到排针处。

6)8只位脚引出到8个PNP型三极管的集电极，发射极连在一起接VCC，基极接电阻后连接到另外的8只排针处。

实际制作好的电路板如图5所示。

图5 电路板实物图

6 结语

考虑到高职院校的特点，单片机教学应该是“模仿—理解—扩展”的过程。模仿阶段主要是“玩”的阶段，通过模仿学习让学生对这门课程产生兴趣，在这个阶段应尽可能地提供详细的资料，如电路图、原理图、操作流程和源代码等，这样初学者即使不懂也能依样画葫芦做出成品，这对提高学习兴趣有着至关重要的作用；之后的理解阶段是真正的学习过程，从单片机的原理到高级应用以及源代码的编写进行融会贯通， 在原来模仿的基础上能够加以改造从而设计出自己的产品；最后的扩展阶段则是没有明确的界限，也是一个长期的过程，能够得心应手地设计解决生活中的问题。

为实现上述目的，设计了一款较为容易实现的单片机应用电路，通过让学生亲自动手参与从电路的设计到项目仿真，再到元件的焊接，最后整体调试。这一整套生产工艺，让学生们了解单片机电路板的开发制作过程及原理， 不仅提高了学生的动手能力，更重要的是提高同学们对本门课程的兴趣，真正做到学以致用，让大家知道平日上课所学的理论知识在现实当中具体的运用。经过两届学生的现场教学发现，同学们通过这样的实训模式后，普遍对单片机的后续功能开发充满了兴趣，并养成了独立思考的能力，动手能力有了明显提升。

[1] 朱可斌.电路基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[2] 傅丰林.低频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3] 孙津平.电子技术及其应用[M].北京：北京理工大学出版社，2012.

[4] 丁峰，柳西玲.UML技术及应用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 倪志莲.单片机应用技术[M].北京：北京理工大学出版社，2010.