基于单片机教学辅助系统的设计与研究

李小勇 贵州大学 王代强 贵州民族大学

单片机教学属于是一门应用设计学科教学，具有一定应用性以及适用性特点。因此在单片机教学过程中不但要强化理论知识讲授，同时也需要加大学生的动手操作能力培养。在单片机教学中应用教学辅助系统具有重要应用，能够为广大教师和学生在单片机教学及学习中提供一定便利。

1 单片机传统教学模式的不足

在当前单片机课程教学过程中，不管是教学内容设置，还是教学顺序安排，采用的都是传统的先基础后应用教学方式。也就是在教学中首先介绍单片机的硬件结构、指令系统和寻址方式，之后依照顺序进行汇编语言程序设计、系统总线扩展以及接口技术等内容讲解，教学的最后结合实例进行单片机系统设计分析。在以上教学安排过程中，课堂理论讲解时间明显高于实验教学时间。比如在单片机原理与应用教学中，为32学时，但是在实验教学中的学时通常只有4-6学时，并且是在“语言程序设计”教学之后才会进行实验教学。传统教学方式在单片机教学中应用存在的不足包括有：

首先，在课程教学一开始的原理性内容比较多，相对来讲教学内容枯燥，导致学生在学习过程中难度比较大，直接对学生的学习热情以及积极性产生了影响。

其次，在教学过程中注重原理知识讲解，对于应用系统设计以及实验教学存在一定的不足，对于学生的动手操作能力及实践能力具有不良影响。

然后，因为受到课时的限制，导致在程序设计语言教学停步在汇编语言，经常使用的C51在教学中更是没有涉及。

最后，在实验教学过程中，系统功能过于固定，同时学时比较少，不便于进行具有一定复杂性的综合性实验设计，因此学生在单片机应用中系统化存在不足。

因为受到以上问题的影响，导致在单片机教学中质量的最大影响因素是学时不足，同时也受到实验系统功能固定等因素的影响，导致学生在学习过程中不能够进行综合性的设计性实验，无法实现相关知识的融会贯通。

2 单片机教学辅助系统的设计及应用

2.1 智能小车系统辅助教学应用

单片机属于是硬件范畴，在课堂教学过程中只是进行单片机原理和结构教学，实验教学大部分也是验证性实验，需要学生自主开发研究的实验项目比较少， 因此在课程教学结束之后，部分学生对于单片机的认识依旧比较模糊，甚至部分学生都无法自主完成单片机相关毕业设计。智能小车系统则属于是一种软硬件结合体，之中组装和应用了多个传感器，在传感器采集光线、磁场以及图像等参数的应用下，能够有效接收和应用各种数据，不但需要应用到单片机技术控制，同时也能够在不同算法的应用下有效调整各项参数，对于学生来讲不但要对单片机原理和结构有一定的了解，同时也必须要掌握一定的编程技巧，这样才能够确保智能小车行驶起来，在此过程中可以让学生有效掌握单片机相关技术。

在单片机教学过程中，智能小车系统属于是辅助系统，可以有效提高学生的学习积极性，同时也有助于深化学生对知识技能的认识及掌握。在智能小车系统辅助单片机教学过程中，可以将其分成三个阶段，其中分别是准备阶段、研发阶段以及创新阶段。在整个教学中是以教师为主导，以学生为主体，建立在智能小车载体上的教学模式。其中在不同阶段的教学方式为：

首先，准备阶段。教师首先需要对学生基本情况进行调查研究，在此基础上制定相应的教学计划，完成智能小车系统编程。学生在学习过程中，需要明确认识学习目标，并制定相应的学习计划，在教师的积极指导下认识智能小车系统构造以及运行模式。

其次，研发阶段。在已经初步编程的智能小车系统应用下，学生可以在此上进行学习、研究以及探索，以此有效掌握单片机编程方法和智能小车运行模式。在智能小车系统学习过程中，主要分成两步：第一，学生 首先需要进行验证性实验，比如编写出一个程序，以能够对小车左转、右转、上坡以及转圈等实施控制，在此操作过程中，能够让学生对单片机编程方式有一定的熟悉，同时也能够有效掌握智能小车系统的操作步骤以及性能；第二，积极进行开发性实验，基于验证性实验基础，在智能小车系统运行中添加一些功能或提高性能，比如说转圈，学生在之前进行的一系列验证性实验基础上，可以对相关参数进行更改，也就能够有效提高小车转圈速度，也可以显著提高小车的运行稳定性等。

最后，创新阶段。这一阶段学生已经整体性对智能小车系统有深入认识，并且也十分明确单片机控制思路，因此也就能够实现智能小车系统的改造设计，对其程序自行实施添加、删除以及修改等，另外也可以自行安装、拆除传感器，对单片机信号采集过程实施合理的调整，以能够有效掌握单片机研发技能。

2.2 构建单片机技术教室节能控制系统

在学校这个场所，教室是学生主要活动的地方，它是师生之间进行知识交流的地方，而且高校一般都是属于开放式的时段管理模式，对于教室资源的使用与高中、初中是不一样的，高校的治安维护、资源调配和卫生都是由相应的管理人员进行管理。自由调配的开放式教室虽然给学生的学习带来了便利，但是因为缺乏科学的管理，造成教室能源浪费情况比较严重。在学生单片机技术教学过程中，积极引导学生在单片机技术的应用下进行教室节能控制系统设计，则有助于显著提高学生的单片机知识掌握水平，并提高学生的应用能力。其中在教学过程中，使用单片机作为整个核心控制部分，来提高教室照明系统节能效率，以及资源的合理调配；另外，结合传感器等设备，构建智能化控制系统，从而有效提高整个系统的运行效率。在整个硬件设计中，根据教室对照明系统的标准规范，建立一个有软件支持的控制系统，软件构成部分，是由传感器来采集各种信号，以及相关硬件设备对信息进行处理和传输，从而实现自动化教室灯光资源的节能控制和调度。在具体设计过程中如下：

2.2.1 总体设计

由PIC18F458型号单片机构成的教室灯光节能设计控制系统，这种单片机属于整个检测系统的核心控制器，然后结合通讯线RS-485实现对同层教室能源使用进行控制，并与每个单元的1n进行连接，之后利用CAN总线将综合调配计算机中央系统与单元1n进行连接，从而提高教室灯光资源的动态高校协调管理，具体实现逻辑可以见图1所示。

图1 自动化教室节能资源调配管理逻辑结构

根据图1进行分析，该教室节能控制系统是由单片机PIC18F458作为核心控制系统，通过分析教室温度和温度、电气运行情况、学生学习人数、光照强度等动态信息，之后在通过学校中央计算机King View6.5单元发布数字化、动态化、全中文、图形化等教室信息到监控界面，让管理人员能够看到，从而实现资源的调配，为学校教学提供人性化的资源服务。

2.2.2 教室灯光节能控制器的设计

根据图1可以看出，在整个教室节能控制系统中，教室控制检测单元是整个节能管理系统中的核心部分，它不仅可以监控教室动态对象信息，对这些信息进行运算分析和保存，而且也能实现对每个楼层单元的信息通信和共享等。

2.2.2.1 选型硬件设计

首先，单片机选型。建立智能化教室资源节能控制系统，需要保证自动化集成的可靠性、高度集成性，以及低消耗，便于操作人员维护特点。所以，本次分析的单片机是PIC系统，是由Microchip公司开发的PIC18F458单片机设备。该设备具有哈弗通信总线结构、高速的运算分析、精简指令（RISC）技术控制、驱动能力较强等优势，可以实现对仪表仪器进行精度控制，也能使用在工业控制系统，以及家电器自动化控制领域中。

其次，红外数据的采集与处理单元。在教室节能系统中是由红外传感器对整个教室内部动态信息进行收集，同结合处理子系统，采集人数信息，该系统的构成成本比较低，电路结构比较简单。在教室节能控制系统中，人数信息收集是控制教室照明系统的重要数据，同时也是调整灯具运行状态的依据，这样才能实现合理调整教室内部资源。

最后，采集单元光照信号选型。根据多种光敏电阻、光祸合器、光电管等电能探测器的功能进行分析，与人视觉敏感区光波长比较接近的是光敏电阻产生的光谱峰值；如果外部环境的光照强度下降，这时光敏电阻响应产生的时间也会增多，这就是在控制教室灯光强度时，随着光照强度其输出状态也会进行合理调整。所以，本次研究对于教室光照强度选择光敏电阻进行数据采集和单元处理。

2.2.2.2 软件编程设计

在整个教室节能控制系统中，主要是由信号采集、智能调节、信号传输等功能模块构成，其中软件编程模块是必不可少的部分。上述有分析道，软件部分主要是对红外采集系统和光照强度电力采集系统收集到的数据进行处理和分析，从而实现电路的控制。

3 结束语

综上所述，本文主要对单片机教学辅助系统设计展开分析，并结合具体的例子，以能够积极引导学生迅速掌握单片机技术和原理，积极开发单片机系统。在教学过程中丰富的教学资源以及资源模块化设计，均能够进行组合从而出现新的实验内容，因此教师要积极引导学生进行自主设计，开发创新，加大单片机技术的应用，同时也能够显著提高单片机教学质量。