浅谈单片机实践教学的应用研究

一、引言

随着电子技术和物联网技术的飞速发展，单片机技术已发展成为一门关键的技术学科。近年来，高校单片机课程成了很多专业的必修课，成为微机类课程的主干课程。该课程是一门应用性很强的课程，如何让学生在学好基础知识的同时，迅速掌握设计应用技术，其中的实践教学起着非常重要的作用。单片机实践教学包括单片机基本理论实验、典型功能应用实验、应用开发实验以及新技术使用实验等多环节训练。

二、单片机类型研究

单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/ 专用型、总线型/ 非总线型及工控型/ 家电型。

1、通用型/ 专用型是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51 是通用型单片机，它不是为某种专用用途设计的;专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

2、总线型/ 非总线型是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、°控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

3、工控型/ 家电型是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强;用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不℃是惟一的和严的。例如，80C51 类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

除了以上分类，行业间大多以制造公司的名字命名，如：STC 单片机，PIC 单片机，EMC 单片机，ATMEL 单片机，TI 公司单片机，凌阳单片机等。

三、单片机的选择

80C51 单片机历史悠久，功能强大，兼容性好，能满足大多数高等学校的教学要求。主流单片机包括CPU、4KB 容量的ROM、128 B 容量的RAM、2 个16 位定时/ 计数器、4个8 位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。国内大部分高校都使用80C51 单片机作为单片机教学的主要使用对象。随着社会的进步和电子技术的发展，人们对单片机的处理速度、字长和存储容量提出更高的要求，传统的80C51 系列单片机渐渐不能满足人们各种各样的需要。

AVR 单片机是20 世纪90 年代开发出来的。是一款基于RISC 指令架构的8 位单片机。RISC。综合了半导体软件性能和集成技术的新构架。AVR 单片机采用RISC 构架，具有1MIPS/MHz 的快速运行处理能力。

AVR 单片机采用Harvard 结构，在上一条指令执行的时候就取出当前的指令，然后以一个周期执行指令。在其他的RISC 以及类似RISC 结构的单片机中， 外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达12 倍。AVR 单片机用一个时钟周期执行一条指令，它是8 位单片机中第一个真正的RISC 结构的单片机。

AVR 单片机采用了Harvard 结构，所以它的数据存储器和程序存储器是独立组织和寻址的，寻址空间分别为可直接访问8MB 的数据存储器和8MB 的程序存储器。同时，由32 个通用工作寄存器所构成的寄存器组被双向映射，因此可以采用读写寄存器和读写片内快速SRAM 存储器两种方式来访问32 个通用工作寄存器。

同时，AVR 单片机采用低功率非挥♀发的CMOS 工艺制造，内部分别集成Flash、E2PROM 和SRAM 三种不同性能和用途的存储器， 除了可以通过SPI 口和一般的编程器对AVR 单片机的Flash 程序存储器和E2PROM 数据存储器进行编程外，绝大多数的AVR 单片机还具有线编程的特点，为学习和使用ปAVR 单片机带来了极大的方便。

综上所诉，高校在单片机选择的问题上可以遵循以下原则。可选的单片机主要有两类：传统的80C51 单片机和AVR 单片机。80C51 单片机结构简单，功能强大，入门门槛较低，适合初学者和普通高校使用。相比AVR 单片机，结构复杂，功能更为强大，可以实现复杂的功能，应用范围更广。但学习门槛较高，不太适合初学者和普通高校。建议基础较好的学生可以学习AVR 单片机，重点大学也可考虑开设AVR 单片机的课程以取代传统的80C51 单片机课程。

四、实验例程的选择和设计

1、传统的单片机实验课主要以验证性实验为主。通过实验把教师在理论课上教授的内容验证一遍，让学生能更好的理解单片机的内部结构和各种功能。不可否认，传统的实验课有它的合理性和必要性，但是也有明显的弊端。

采用实验例程过于简单，实验内容索然无味，难以激发学生的学习兴趣和学习主动性;

对不同层次水平的学生采用相同的实验例程和评价标准，区分度不明显，不适合因材施教的理念;

实验课时间过少。单片机是一门实践性非常强的课程，仅靠理论课的学习是远远不够的。即使开设了相关的实验课，但实验课时也非常有限。

鉴于以上问题，需要从实验例程的选择和设计人手，合理安排分配时间。除了正常的实验课，更要合理利用课余时间。给学生布置有一定难度的具体任务，使学生在完成任务的同时，掌握单片机技术和相关的各种知识，提高学生的动手能力和解决实际问题的能力。由于单片机种类繁多、功能强大、应用广泛。有许多基于单片机的实验例程可供选择，能很好的满足实践教学的各种要求和需要。

2、本文受山西大学商务学院教改项目资助。作者在项目期间，对学生进行了单片机开发的培训，培训结束后参加了2014 年山西省大学生电子设计大赛。比赛结束ฏ后带领学生一起研究和开发了一些实用的单片机例程。通过以上一系列的活动积累了一定的单片机实践教学经验。

实验课上使用的实验例程难度不宜太大，基本还是一些验证性实验。可以从实验环节和实验内容上加以改进。采用案例教学法，教师可以先通过一个具体实验例程边讲解边调试程序，最终完成该例程。学生在该过程中能较好的掌握单片机的编程方法和外部I/O 口和内部资源的使用方法。然后使用任务驱动法，给学生布置一个类似的任务，让学生独立完成。作者在单片机培训期间就是采用的此方法，学生反映效果良好;

充分利用实验课以外的时间是学好单片机的关键。可以针对不同水平和层次的学生，提出不同的有一定实用价值的任务。激发学生的学习兴趣和主动性，培养学生创新能力。学生在完成任务的过程中可以掌握单片机的基本原理和培养一定的工程实践能力。参加各类电子设计大赛也是一个好的方法。作者带领学生参加了2014 年山西省大学生电子设计大赛，制作研发了自动消防小车。自动消防小车是以单片机为控制核心，外加各种传感器和相关电路实现的。通过大赛，激发了学生的学习兴趣和主动性，使学生真正了解了单片机的作用和设计开发的过程，起到了很好的示范作用。

大赛结束后作者和学生一起策划成立了电子设计创新协会。协会主要负责学生课余时间的学习。并且开放了一个实验室供学生课余时间使用。作者带领协会学生开发和设计了一批基于单片机的实用例程。例如：发现学校厕所经常有男生抽烟，就开发了基于单片机的烟感报警器;还有基于单片机的四旋翼飞机和驾车辅助系统等实用例程。

五、结束语

随着科学技术的发展和国家对技术技能型人才的不断需求，对高校实践教学提出了更高的要求。传统的单片机实践教学已不能满足要求。本文通过对单片机实践教学存在的问题进行了研究，结合自己的单片机实践教学经验，提出一些建设性的建议和方法，希望可以起到抛砖引玉的效果。