前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的單片機原理及應用實驗教學設計研究，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：針對單片機原理及應用課程具有實踐性、應用性強的特點，因此實驗項目的開設直接影響整個課程的教學質量，為增強學生的開發設計與實際動手能力、改善教學效果，課程教學采用“理實一體化”教學，實現理論與實踐的緊密結合。實驗項目采用遞進式模式，即知識應用由淺入深、層層推進，硬件功能模塊化、實驗內容層次化。采用“樹形結構”設計實驗項目，使開設的基礎實驗、綜合實驗和設計實驗層次關系更加明晰。實驗過程采用虛擬仿真與實物制作相結合，課堂練習與課后制作相結合，線上與線下學習相結合。以全自動連續捕鼠器設計為實驗案例，采用項目驅動方式教學，學生學習興趣高，教學效果良好。
關鍵詞：實驗設計;理實一體化;遞進式教學模式;樹形結構;捕鼠器
單片機原理及應用是電子電氣類專業的一門專業技術課程，具有實踐性、應用性強的特點，其實驗項目的開設直接影響整個課程的教學質量。在近幾年的教學中，針對單片機原理及應用在實驗教學的教學模式、實驗項目設計、教學實施過程等方面進行了不斷探索。“項目驅動、以課促賽”以全自動連續捕鼠器設計為實驗案例，通過近年的實踐證明，其教學效果良好。
1單片機課程實驗項目設計總體思路
單片機原理及應用課程實驗教學目標是理論與實踐相結合，實現學生知識掌握的延伸性，培養學生的設計能力與創新能力［1］。教學方式采用“理實一體化”教學，即學中做、做中學［2］。實驗教學模式采用遞進式教學模式，即實驗教學重點與難點“循序漸進、由淺入深、層層推進”，并且硬件功能模塊化、實驗內容層次化，基礎實驗、綜合實驗和設計實驗前后銜接、融會貫通［3］。教學實施方法采用虛擬仿真與實物制作相結合，課堂練習與課后制作相結合，線上與線下學習相結合［4］。實驗項目的設計采用“樹形結構圖”進行設計，將基礎實驗構想為樹干，綜合實驗構想為樹技，設計實驗構想為樹葉，設計實驗根據實際需要不定期進行更新，起到以課促賽的作用。單片機原理及應用課程一共設計了33個實驗項目，其中基礎實驗19個，綜合實驗8個，設計實驗6個，單片機實驗項目樹形設計圖如圖1所示。以下以全自動連續捕鼠器設計作為一個實驗案例進行介紹，要完成這個設計型實驗還需要完成三個基礎實驗，分別是七段數碼管的靜態、動態顯示實驗和外部中斷的控制實驗。因此在實驗教學中往往不獨立開設計基礎實驗，而將相應的基礎實驗嵌入到設計實驗或綜合實驗中。
2實驗案例－全自動連續捕鼠器設計
2．1實驗內容與任務
以單片機AT98C51為核心，設計一個全自動捕鼠器，能實現可靠連續撲鼠功能，紅外傳感器檢測老鼠位置，驅動步進電機關閘，并移動閘門將老鼠推入容納箱中，LED數碼管顯示撲鼠數量以及無線通信向用戶手機終端發送撲鼠實時信息。以ULN2003步進電機電機驅動模塊驅動步進電機轉動關閉閘門，關閉閘門的時間小于0．3s。以HC－SR501熱釋電紅外傳感器檢測老鼠位置，當老鼠進入鼠籠時發出關閉閘門請求信息。單片機控制短信模塊SIM900A向用戶手機發送撲鼠信息。用七段數碼管顯示撲鼠數量。此外，還要完成七段數碼管的靜態顯示、動態顯示實驗和外部中斷的控制三個基礎實驗。
2．2實驗設計思想
實驗項目設計思想如圖2所示［5］。首先，進行硬件系統設計，整個設計分成三個層次進行，第一步在Proteus平臺上完成仿真設計，第二步在自主開發的開發板上進行設計，第三步是制作實物；其次，進行軟件系統設計，整個設計也分成三個層次進行，第一步設計程序流程圖，第二步編寫C51源程序，第三步程序調試；最后，進行系統調試，分析總結，撰寫報告。教師對學生的實驗開展情況進行考核。
2．3系統總體結構與原理圖設計
以AT98C51單片機為核心設計全自動連續捕鼠器，系統總體結構框圖如圖3所示，以單片機主控制芯片為核心，外圍主要包括紅外傳感模塊、電源模塊、振蕩模塊、復位模塊、無線傳輸模塊、電機驅動模塊和數碼顯示模塊等。以ULN2003模塊作為步進電機驅動模塊，驅動步進電機正轉或反轉，實現閘門的關閉或打開，或實現推板的推動與復原。以HC－SR501熱釋電紅外傳感器檢測老鼠位置，當老鼠進入鼠箱時發出關閉閘門請求信息。以SIM900A無線短信傳輸模塊在單片機的控制下向用戶手機發送撲鼠信息。用七段數碼管顯示撲鼠數量。
2．4箱體結構設計
精美而可靠的撲鼠箱體設計同樣十分重要，外形設計精美使其擺在屋里是一美麗的裝飾品，各個機械傳動要做到靈活可靠。全自動捕鼠器箱體設計3D圖如圖4所示。主要包括了閘門、推板、蹺蹺板、容納箱、防卡三角結構、磁鐵門等幾個部分。
2．5基礎實驗內容及步驟
在完成整個全自動捕鼠器系統設計中，學生要提前完成以下三個基礎實驗：七段數碼管的靜態顯示、動態顯示實驗和外部中斷的控制實驗。以下僅介紹七段數碼管的動態顯示實驗。實驗步驟：①在Proteus平臺上設計8個七段數碼管的動態顯示電路；②設計程序流程圖；③根據程序流程圖編寫程序；④調試［6］；⑤將程序下載到實驗板上進行調試運行（圖5為實驗開發板上調試結果圖）；⑥實物制作；⑦將程序下載到自制實物上進行調試運行；⑧分析、總結七段數碼管動態顯示的特點。
2．6全自動連續捕鼠器部分單元電路設計
（1）電源電路設計電源參數如下：單片機采用5V供電，SIM900采用4．8V、2A供電，電機采用5V、1A供電。（2）紅外避障傳感器設計避障傳感器基本原理和循跡傳感器原理基本相同，利用物體的反射性質。在一定范圍內，如果沒有障礙物，發射出去的紅外線，以為傳播距離越遠而逐漸減弱，最后消失。如果沒有障礙物，紅外線遇到障礙物，被反射到傳感器接收頭。傳感器檢測到這一信號，就可以確認正前方有障礙物，并發送給單片機，單片機進行一系列的處理分析，協調捕鼠器系統，完成需要完成的工作。（3）短信模塊短信模塊采用SIM900A芯片。當有老鼠被捕獲時，捕鼠器會向用戶發來實時短信提醒。
2．7系統調試與實驗
全自動連續捕鼠器實物圖如圖6所示。在完成了整個系統實物設計與制作后，分別對電路、蹺蹺板卡扣、防卡三角結構、防逃跑小磁鐵門、收納箱以及整體運行效果進行了調試和實驗。2．8總結并撰寫報告學生在撰寫實驗報告時需要反映以下幾方面的工作：明確實驗內容與實驗目的，確定實驗方案并論證，進行電路元件選型與分析，構建原理圖，程序設計與優化，仿真實驗與調試，實物制作，實物調試，實驗結果分析與總結。
3考核內容與方式
1）仿真驗收：功能完成情況與完成效率，成績占比10％，當堂課內驗收。2）實物驗收：功能與性能指標的完成程度，成績占比30％，下周課外驗收。3）實驗質量：電路方案的合理性，焊接質量、組裝工藝，成績占比20％，下周課外驗收。4）自主創新：功能構思、電路設計的創新性，自主思考與獨立實踐能力，成績占比20％，下周課外驗收。5）實驗成本：是否充分利用實驗室已有條件、材料與元器件選擇合理性、性價比，成績占比10％，下周課外驗收。6）實驗報告：實驗報告的規范性與完整性，成績占比100％，下周課外驗收。
4結束語
實驗項目設計為樹形結構，使設計的33個實驗項目前后銜接、融會貫通、層次清晰。實施方法采用了虛擬仿真與實物制作相結合，課堂練習與課后制作相結合，學生主動性與積極性得到有效調動。學習形式采用了線上與線下相結合，“以課促賽”，學生對知識的掌握實現了延伸性，實現了理論與實踐有機結合，學生的實踐動手能力、設計能力與創新能力得到明顯提升。
參考文獻
［1］梁麗．構建分層次實驗教學體系培養創新型人才［J］．實驗室研究與探索，2014，33（1）：217－219
［2］王麗麗．單片機原理及應用教學的有效途徑探究［J］．教育現代化，2016（22）：116－118
［3］李冰．單片機原理及應用課程的項目化改革與探索［J］．教學研究，2015，38（1）：70－73
［4］丁保華，張有忠，陳軍，等．單片機原理與接口技術實驗教學改革與實踐［J］．實驗技術與管理，2010，27（1）：117－119
［5］彭昕昀，陳錦儒，韓竺秦．基于工程訓練的單片機原理及應用課程的教學改革與研究［J］．韶關學院學報，2016，37（6）：95－97
［6］熊曉松，董逸君．Protues仿真軟件在單片機原理課程中的應用［J］．科教導刊，2017（10）：127－128
［7］鄧力．基于Keil時序邏輯和Proteus的電路仿真［J］．實驗室研究與探索，2017，36（1）：80－83
［8］李宗平，王少坤，張寧，等．基于單片機的恒流源設計和實驗［J］．實驗室研究與探索，2017，36（1）：49－53
作者:包宋建 楊守良 單位:重慶文理學院電子電氣工程學院
