提高单片机课程设计实验教学效果方法探索

杨佳　高晓红　王超

（吉林建筑大学，吉林 长春 130000）

【摘要】分析单片机课程设计在实践教学中的重要性，设计一个目的明确、设计方案伸缩性强的单片机课程设计题目。在所设计的题目中，给出实验原理、设计方案指导、教学模式强化等内容。实践表明，所设计的课程设计题目可以提高学生学习兴趣、增强学生的创新意识等。

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关键词 单片机；课程设计；探索

0　引言

单片机技术是电子信息专业的学生必须掌握的基本技术。在重视实践环节、强调培养学生创新能力的今天，设计出一个好的单片机课程设计题目，对提高教学效果、培养学生兴趣，在教学改革中具有一定的意义。好的课程设计题目，对培养应用型人才，培养学生发现问题、分析和解决问题的能力，树立实践观念，提高学生综合分析和创新能力具有重要意义。

单片机已经由8位技术，提升到32位技术，乃至64位技术，生产单片机的厂家也由当年Inter的一家独大，到现在的百家争鸣。现在主要的单片机生产厂家有AVR、ST、Freescale、Microchip等，他们生产多应用领域的单片机，更有ARM内核的单片机，与之51内核的8位单片机比较，运算速度快、功能强大。同时，时代变迁，各个领域都可以用到单片机，如何选择贴近生活而又全面反映单片机的功能应用，是我们设计一个号的单片机课程设计题目所要思考的。传统单片机课程设计，要求学生在实验室依据老师给的资料，完成部分设计，主要是把几个较大的程序，改变几个参数，观察现象，学生无法知道程序如何书写，更少有知道原理独自写出程序的学生。造成学生不知道单片机在实践中是如何设计、如何编写程序。为此，对课程设计从选题、设计软件和硬件到调试出正确结果，都做了改革。设计一个实用性强的题目，既体现单片机课程自身特色，又很好培养学生对单片机的兴趣，提高学生的应用技能，收到良好的教学效果。

1　单片机课程设计方案

单片机原理及应用课程的教学内容以实用性和应用技能培养为主线。教学中要理论与实践相结合，并且要提高内容的趣味性。教学中，单片机课程设计是关键环节，单片机课程设计的效果对单片机学习效果具有决定性意义。

1.1　课程设计的目的

单片机课程设计教学环节的目的在于培养学生熟练掌握单片机系统的开发与设计能力，培养优秀的电子信息工程学科人才。具体地说，通过这一新的实践教学的途径，达到以下目标：巩固和掌握单片机技术的基本原理，在此基础上培养学生的综合设计能力；培养、训练理工科学生的创新应用能力，使学生通过这一实践环节的训练，能够独立的设计一个单片机系统，并实现系统的各项功能；着重从以下几个方面培养学生理论联系实际的能力：单片机的应用开发能力；软硬件综合应用能力；单片机应用中的故障判断及排除能力；单片机系统的设计能力；提高学生理论与实践相结合的能力。

1.2　课程设计内容

下面给出设计的参考题目，学生可以根据兴趣进行选择题目，在两周内完成设计。脉搏血氧仪设计；无线传感网络的温湿度采集及控制系统设计。

1.3　课程设计任务要求

针对题目要求进行功能分析。首先对系统的原理进行分析，对硬件电路进行设计，使用Altium Designer软件绘图，对单元电路使用Multisim软件仿真。制作Pcb图后焊接完成硬件的制作。其次根据系统功能要求设计软件并调试。第三步是系统整体调试和脱机运行，这是设计中最为困难和关键的一步。最后要求学生写出系统的详细说明和设计报告。

2　脉搏血氧仪设计实例

下面是以脉搏血氧仪的设计为实例，来说明设计的单片机课程设计题目的要求、教学过程等。

2.1　脉搏血氧仪原理

无创脉搏血氧饱和度测量是以朗伯-比尔定律和血液中还原血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)对光的吸收特性不同为基础的。通过两种不同波长的红光600～700nm和红外光800～1000nm分别照射组织经反射（或者透射）后再由光电接收器转换成电信号。组织中的其他成分吸收光信号是恒定的，经过光电接收器后得到直流分量DC，而动脉血中的HbO2和Hb对光信号的吸收是随着心跳作周期性变化，经过光电接收器后得到交流分量AC，由于HbO2和Hb对同一种光线的吸收率各不相同，通过测量红光和红外光的光吸收比率便可以计算出两种血红蛋白含量的百分比。血氧饱和度的计算公式如下：

SpO2=A-BR+CR2

式中，A、B、C为定标常数，可以由定标实验得到，两个波长的光吸收比率R为：

其中，Vredac为红光的交流分量；Vreddc为红光的直流分量；Viredac为红外光的交流分量；Vireddc为红外光的直流分量。

2.2 　电路设计指导

系统设计总体框图如图1所示，图中给出了设计的指导性建议，并不是一定要按照这个框图设计，可以根据学生自身的情况，适当修改。单片机要求学生使用16位单片机或者32位单片机。

2.3　软件设计指导

要求使用C语言或者C++语言来进行软件设计，在设计过程中，要使用模块化思想进行设计。脉搏的计算只依赖红外光的光波信号，通过3个机器周期的采样点的个数来计算脉搏。在所有采样点的数据中，做一个类似模拟迟滞比较器。经过迟滞比较器，脉搏信号变成了矩形波型号，近似测量相邻两个上升沿的时间，最后得出脉搏。如果把脉搏信号看成周期信号，测量上升沿的时间可以转换为测量脉搏信号的频率，由定时器周期查询信号状态并完成查询次数计数，这样可以方便完成脉搏测量。

2.4　教学模式

设计好一个单片机课程设计的实验，老师要用怎样的教学模式把相关的信息传达给学生，至关重要。老师教学的模式，就是学生的学习模式，好的教学模式，才能培养出学生好的学习模式。教育家乔伊斯在《教学模式》一书中，介绍了很多教学模式，我们把三种教学模式综合起来用于我们的课程设计教学中：信息加工型教学模式，构建学习群体教学模式，个人型教学模式。信息加工型教学模式是向学生提供相应的信息和概念，老师给学生布置任务、说明实验目的，讲解实验原理，这是一个概念、理论传达的教学过程；构建学习群体教学模式，实际上就是一个团体学习的模式，实验是三个人一组，大家可以一起讨论，知识共享，火花一起碰撞，同时也是分工明确、各司其职；个人型教学模式，就是要发挥个人潜力，鼓励独立思维、自主创新，学生可以根据自己的知识，创新设计，这时，可以有针对性的对学生进行指导。

3　结论

《单片机课程设计》是实践环节课程，我们所选择的题目，从2012年开设以来得到了学生的好评，取得了非常好的教学效果。用学生的话说：贴近生活的题目进行实践教学，把几年所学数字电路，模拟电路，光电技术，传感器技术等知识综合起来，把所学的知识在实践中应用。在满足了教学任务的同时，学到了更有竞争力的能力。

实践证明，选择合适的单片机课程设计题目，有助于提高学生学习兴趣、有效地掌握所学知识，有效的把理论学习过渡到实际应用。开放式的课程设计题目，有利于增强学生的创新意识，提高学生实践应用能力。

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参考文献

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［责任编辑：薛俊歌］