基于竞赛平台的单片机课程设计教学改革

赵国树 周黎英 翟力欣

1.金陵科技学院智能科学与控制工程学院 江苏南京 211169 2.金陵科技学院机电学院 江苏南京 211169

基于竞赛平台的单片机课程设计教学改革

赵国树1周黎英2翟力欣1

1.金陵科技学院智能科学与控制工程学院 江苏南京 211169 2.金陵科技学院机电学院 江苏南京 211169

单片机原理及应用是电气自动化专业实践性很强的课程，其综合性课程设计在实践教学中占有重要地位。本文将竞赛平台和内容引入到单片机课程设计中，学生在竞赛平台上完成设计课题，而课题来自于近几年的比赛题目。既提高了大多数学生的实践能力，又有利于学科竞赛队伍的建设，两者相辅相成，取得了较好的实践教学效果。

单片机；课程设计；竞赛平台

单片机广泛应用于工业自动化、智能仪器仪表、测控及机电一体化等各个领域，单片机课程是实践性非常强的课程，对于电气自动化类本科专业学生学好单片机课程，有助于提高学生的创新能力、实践能力，提升在就业中的竞争能力。单片机课程设计是在理论课程和实验课程之后为期两周的实践活动，是让学生提高开发设计能力、动手能力的重要阶段。

1 传统教学中存在的问题

我校电气、自动化专业原有的单片机课程设计开展了多年，积累了不少经验，但是也存在一些问题：

1.1 课程设计题目陈旧 与技术发展脱节

题目主要涉及一些模拟传感器，如温度传感器、压力传感器，还有集成模块ADC0832、ADC0809、Intel8255、存储器扩展等，跟不上技术发展所采用的新型传感器和集成电路。另外题目也相对固定，学生缺乏兴趣。这使学生在以后的工作中应用单片机时捉襟见肘，学不够用。

1.2 仿真软件Proteus+Keil仿真设计的不足

随着仿真技术的兴起，我们曾将仿真软件Proteus和编程软件Keil引入到单片机课程设计中，既加强了学生硬件电路的设计，又有软硬件联调的综合考量，在一定程度培养了学生对单片机系统设计的能力，但是软件仿真也有其自身的劣势。

（1）有的器件在Proteus元件库中不存在，如红外对管、光照检测、霍尔元件、超声波测距等。

（2）软件仿真和实际电路有一定差距，如在数码管动态扫描中延时环节仿真时总看到数码管在闪烁，而实际调试并不会出现，这会给学生软件调试带来误导。

（3）即使电路及程序调试正确，学生缺少实际的感官认识和实践能力。

近年来，我校每年都参加“蓝桥杯”全国软件与信息技术专业人才大赛单片机设计与开发组的比赛，该赛事是在一块单片机开发平台上进行，每年都有不同的设计题目。但该项竞赛参与的学生毕竟只是少数，无法实现对全体电气自动化类专业学生创新能力的培养。我们吸取了该比赛组织、培训经验， 提出了在将竞赛平台和竞赛题目引入到电气自动化类专业为期两周的单片机课程设计中，采用培养学生创新能力、实践能力为主的教学模式，让越来越多的学生从中受益。

2 基于竞赛平台的课程设计教学改革的内容

2.1 教学模式

基于竞赛平台的课程设计是以学生为主体在教师的指导下独立完成一个自选项目课题，而这个课题来源于大赛的题目。学生在开放性实验室中自主安排时间，教师辅助解决这一过程中学生遇到的困难。学生结合在理论课和实验课中学过的单片机原理的知识和案例，围绕项目课题实施，学生通过讨论、论证、协作开发、综合调试和成果评价完成项目设计。

基于竞赛平台和竞赛题目的课程设计教学是让学生通过完成所选项目课题并达到相应技术指标，让学生在“做中学”，布置课题后，学生充分发挥主观能动性，提出自己的设计方案，并依据方案进行资料收集、自主学习、独立解决问题，教师负责方向性指导。

2.2 课程设计的平台及课题

“蓝桥杯”全国软件与信息技术专业人才大赛单片机设计与开发组配套的单片机开发平台集成了比较全面的模块：包括单片机（STC89C52，MEGA8515）、8位数码管、矩阵键盘、独立键盘、继电器、蜂鸣器、8位LED、温度传感器、光电检测、超声波发送与接收、霍尔传感器、红外对管、AD转换、DA转换、实时时钟、LCD显示接口、步进电机驱动、直流电机驱动等。并支持串口下载和调试。其功能满足了单片机开发与设计的需求。

单片机原理及应用课程设计的题目选自历年竞赛的题目，其题目题量中等，有一定的交集，也有很大的不同（见表1）。这样既有利于学生之间相互交流，但每种题型之间又存在独立性。

表1 课程设计题目

2.3 实施条件和方法

单片机理论课程中除了讲授单片机的硬件架构、指令系统、汇编程序设计、各功能模块外，还应讲授单片机C语言编程技术及模块化编程的思维。在实验中，着重于单一功能的汇编和C程序设计，有了这样的基础，我们可以借助综合性课程设计进行综合性的设计，此外课程设计开展过程中，开放性实验室给学生提供了自主学习的良好的氛围。

表2 设计过程中师生角色

实施过程中，应遵循循序渐进的原则，我们在单片机课程设计中穿插了PROTEL课程设计，教师在下达课程设计指导书后，学生完成课题初步分析，依据兴趣自己选题，并查阅相关资料进行准备。由于PCB电路板制作需要一段时间，我们在学生选题后开始，穿插了原理图和PCB图设计，然后进行程序设计。由于MCS51/52单片机功能相对有限，需要系统分析课题所需实现的功能，然后进行单片机的定时器/计数器、外部中断等进行合理化的分配，学生思考后给出设计方案和主程序流程图，教师则需对设计方案进行审核，提出合理化建议。设计过程中师生角色如表2所示。

学生先要对每一个模块进行熟悉，如按键、数码管、E2PROM等。学生编程实现局部功能，然后再进行整个系统的程序设计。在进行主程序设计时，培养学生良好的习惯很重要。将所有代码全部编写在仅有的一个C文件下，会给代码调试、更改及后期维护都会带来极大的不便。模块化编程可解决这个问题，将具有不同功能的程序封装在不同模块中，一个H文件伴随相应C文件存在，将各个不同模块存放在不同的C文件中，模块化编程后的程序不但使整体的程序功能结构清晰明了，同时也提高程序代码的利用率。学生根据主程序流程图实现课题的功能，教师负责指导和协作。

在完成程序设计后，完成PCB板的焊接调试等工作，学生把在单片机课程设计中调试好的程序，在自己的电路板中进行测试，检测设计的质量。然后参加答辩。

2.4 评价体系

单片机原理及应用课程设计主要从以下几方面考核：电路设计、程序设计、设计报告和答辩情况。电路设计主要考查学生原理图的正确性和PCB的布线及焊接质量；程序设计主要考查学生程序结构是否合理、是否精炼，运行是否正常；设计报告能反映学生对设计课题的理解程度；答辩过程考查学生对硬件原理和软件中的处理算法等掌握情况。

表3 评价体系

表3 （续）

3 基于竞赛平台的课程设计教学改革的效果

（1）针对竞赛参与的学生只是少数，我们将竞赛的平台和课题引入到课程设计中，让更多的学生从中受益。

（2）将课程设计与学科竞赛有机地联系起来，学科竞赛不断充实、更新课程设计的内容，课程设计为学生打下良好的基础，还有助于选拔学科竞赛人选的选拔；近几年，我校学生在该赛事中取得了全国一、二等奖若干名的好成绩。

（3）将单片机原理及应用课程设计与PROTEL课程设计有机地结合在一起，让PROTEL课程不是单纯地设计某一电路，而是结合单片机课程设计的题目进而设计具体的电路，取得了事半功倍的效果。

4 结束语

我们将单片机原理及应用课程设计与学科竞赛及PROTEL课程进行了有机地整合，将比赛平台引入到单片机课程设计中，充实了课程设计的内容，整合了学科资源，培养了竞赛队伍。既提高了大多数学生的开发和实践能力，又提升了参赛学生的学科竞赛成绩。这种方式在我校单片机课程设计教学改革中取得了很好的教学效果。

［1］ 马宝山，刘剑桥，金国华.单片机应用课程设计教学改革探讨［J］.实验科学与技术，2015，13（2）：103-104.

［2］ 陈伦琼，范文旻.“单片机课程设计”教学改革探索［J］.常州工学院学报，2008，21（2）：94-96

［3］ 郑梁，胡冀，徐平原.单片机课程设计的创新教育模式研究与实践［J］.电气电子教学学报，2009.31：99-101.

Teaching Reform of MCU Curriculum Design Base on the Competition Platform

Zhao Guoshu1， Zhou Liying2， Zhai Lixin1
1. School of Intelligence Science and Control Engineering， JinLing Institute of Technology， Nanjing 211169， China；2. School of Mechanical and Electrical Engineering， JinLing Institute of Technology， Nanjing 211169， China

Principles and applications of MCU is a practical course for the undergraduates majoring in electrical engineering and automation. The comprehensive curriculum design of MCU occupies an important place in practice teaching. This paper introduces competition platform and contents into MCU curriculum design， students complete design projects in this platform， and the design projects come from the design problem in recent years. It raises most of the students' practice ability， and it is also advantageous to the construction of academic competition team， the two are complimentary， these measures have achieved good practice teaching effect.

MCU； curriculum design； competition platform

2015-06-16

赵国树，硕士，讲师。

金陵科技学院补充申报教育教改课题（编号：2014JYJGZB06）；金陵科技学院补充申报教育教改课题（编号：2014JYJGZB01）；江苏省现代教育技术研究2014年度重点课题（编号：2014-R-31984）。