综合性实验教学设计在单片机实验教学中的研究

淮南师范学院 宇文珊

针对单片机实验教学综合应用能力不足，本文通过研究当前教学中发现的问题与不足，提出增加综合性教学设计，让学生在掌握基础知识之余，能快速了解系统整体设计的思路、流程与方法，举一反三，提高利用单片机知识解决实际问题的系统设计能力。

1 单片机理论及实验教学的现状

单片机作为一门实践性很强的实验课程，学生需要投入较大精力来学习这门课程，为了让学生打好基础，一般都是从单片机组成入手，按照单片机的硬件结构，c语言或汇编语言的程序设计、系统的接口电路等顺序组织课堂教学，理论比较晦涩难懂，不结合相应的实例，理解起来会比较困难，所以课程的实验教学又安排了相应的验证实验，例如流水灯实验，让学生了解IO口的基本作用，通过编程控制芯片IO口高低电平的输出；数码管实验，在理解数码管结构的基础上，结合动静两种工作方式显示数据；以及定时器实验、中断实验等了解单片机的内部资源。虽然有助于学生理解知识点，但是遇到零散的知识点不知道如何将知识点串联起来，而目前的单片机实验设备，多以成品实验板和实验箱形式出现，集成化越高，反而阻碍学生动手能力，造成学习起来侧重编程的学习，而前期的硬件设计参与度较低。但是单片机的系统设计无论在后期的竞赛或者课程设计，毕业设计中都有不可或缺的作用，所以综合性实践性的实验设计很有必要。

2 综合性单片机项目的选择

单片机的综合性项目可结合当前智能化的发展方向，智能家居、智能医疗、智能控制等选择项目题目，例如无线烟雾报警器、温湿度检测、wifi智能插座、电机的智能控制、水位检测等，总之项目的选择既能覆盖主要知识点，又有实用价值，而且学有余力的同学可以综合其它课程，进行上位机的设计或App的开发，使项目更具有智能性及实用价值。下面以无线烟雾报警器的设计为例，进行教学组织论述。

3 综合性项目教学设计以无线烟雾报警器项目为例

3.1 系统框图的设计

根据任务需求，确定系统功能，以智能家居中无线烟雾器为例，家庭中厨房里的燃气泄漏危险源的产生地，如果能对气体浓度，环境温度等进行检测，超过设定的阈值则进行报警，客厅可接收到相关数据信息，防患于未然。功能设定：主机对可燃气体进行浓度检测、温湿度检测以确定危险源，数据信息由NRF24L01无线模块发射，从机接收并采用液晶显示屏显示温湿度气体浓度等数据，且可针对异常情况进行声光报警，同时较远距离信息传送报警。

根据上面的分析，制定整体方案，如图1、图2所示。

图1 无线烟雾报警系统发送端结构图

图2 无线烟雾报警系统发送端结构图

3.2 教学过程知识点总结

在课堂教学组织过程中，改变以往教师主讲模式，由学生分组围绕问题进行讨论，以设计目标位主线，完成相关知识点的复习，芯片资料的收集确定芯片选型，再根据芯片资料接口电路的搭建。教学部分覆盖知识点如表1所示。

表1 教学部分覆盖知识点

图3 硬件电路实物图

图5 接收端软件设计总体流程图

3.3 项目硬件设计

（1）整体方案及芯片选型结束后，根据相关知识点及芯片资料完成硬件电路的搭建。例如主要芯片选STC89C52、无线收发选传输范围可达150m-200m的NRF24L01，烟雾检测选择适合可燃气体及烟雾检测的MQ-2型，温湿度检测选择工作环境在-20~+55℃的DH11芯片。

（2）芯片选择好后，进行IO口分配。硬件电路的搭建可以选择洞洞板、或课下结合pcb课程知识，制作pcb板并焊接完成硬件电路，课上进行程序设计与系统联调工作。

3.4 程序设计及系统调试

（1）硬件制作完成后，小组成员进行软件编程及调试，主要流程如图4、图5所示。发射端软件设计：系统先初始化发送部分的一个循环的总体思路是这样的先初始化，再进行数据读取及处理后送至发送数据数字，初始化nRF24L01后，将数据发送出去。

图4 发射端软件设计总体流程图

（2）接收端软件设计：初始化nRF24L01，等待接收中断，如有中断则进行数据的读取，显示，判断是否超限，超限则声光报警。

3.5 项目验收及考核

综合性项目的特点应具有开放性、自主性、实践性等特点，可根据系统功能的完善性，系统性能的可靠性，进行综合评估成绩。

4 综合性项目设计总结

单片机课程是为解决实际问题的课程，重在实践，通过综合性设计，可以让同学们更快的体验到系统设计的流程，对学生分析问题，针对性的查找文献，不仅仅停留在独立知识点的学习上，通过一个综合性的项目设计，将单片机的内部资料，外部接口知识，传感器知识，芯片选型，查找文献的方法，甚至融合其它课程完成硬件焊接。在今后的教学过程中，需要设计更多的简便可行的综合性项目，不断提高学生的实践水平。

基金项目：安徽省高等学校省级质量工程项目-精品线下开放课程（2019kfkc113）；淮南师范学院校级质量工程（2018hsjyxm60）。