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摘要：“单片机原理及应用”是一门应用性很强的课程，针对“单片机原理及应用”课程设计在传统教学中存在的突出问题，提出面向实际工程项目的课程设计体系改革方案，该方案以学生为主体，建立了课程设计项目库，规范了课程设计的全过程，并充分利用网络教学平台，符合新形势下培养高素质自动化人才的需要。还对面向具体工程项目的单片机应用系统研制过程、方法及技巧进行了阐述。
关键词：工程项目；单片机原理及应用；自主选题；网络教学；仿真技术
作者简介：曲辉（1975-），女，山东蓬莱人，内蒙古农业大学机电工程学院，副教授；刘宇（1973-），男，锡伯族，辽宁铁岭人，内蒙古农业大学机电工程学院，实验师。（内蒙古 呼和浩特 010018）
基金项目：本文系内蒙古农业大学机电工程学院实验室建设项目（项目编号：JD201101）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）35-0076-02
如今单片机技术的应用遍及国民经济与生活的各个领域。随着现代微控制器技术的不断发展和日趋完善，掌握单片机应用系统设计技术具有划时代的意义。
“单片机原理及应用”是一门应用性很强的课程，要想学好这门课程，实验与课程设计环节起着非常重要的作用。“单片机原理及应用”课程设计环节，目的在于巩固课堂所学的理论知识，理论紧密联系，指导实践。通过课程设计可以有效地使学生掌握单片机应用系统设计和研发的方法和步骤，培养学生独立进行嵌入式控制系统的开发与设计能力，提高学生对所学专业知识的综合应用能力、分析能力、实践能力和创新能力，对于培养优秀的自动化人才具有重要意义。
一、传统教学中存在的问题
“单片机原理及应用”课程设计在传统教学中，存在的突出问题有以下四个：
问题一：“单片机原理及应用”课程授课学时较少，授课内容多，语言指令多，无公式可套，不易理解，而实践性又较强。因此，上完这门课之后，部分学生对教学内容掌握不够扎实，理解不够透彻，不知道课程设计应如何入手，主观能动性与创造性较差。
问题二：“单片机原理及应用”课程设计的要求、题目、进度、考核方法等没有规范化、系统化，无章可循，这样会造成不同老师指导课程设计题目难易不等，设计过程无人监管，成绩评价尺度不一，部分学生会出现积极性不高，应付了事的现象。
问题三：“单片机原理及应用”课程设计与“数字电子技术”、“模拟电子技术”、“微机原理及应用”、“程序设计语言”、“电子仿真技术”等课程相互交叉性、相关性、接续性强，“单片机原理及应用”课程设计没有和相关课程进行教学资源的整合。
问题四：现在的学生普遍思维活跃，好奇心、求知欲强，传统的课程设计方法很难完全吸引学生注意力，激发学生的学习兴趣。
课程组教师根据专业特色及课程设计教学要求，依托现有教学资源，以实际工程项目的设计和实现的过程为主线，对“单片机原理及应用”课程设计体系进行了规范化、科学化、系统化、网络化、人性化的改革，使其满足新形势下高等学校实践教学的要求，并充分体现专业特色。强调学生自主学习，使课程设计的过程更加科学、严谨、生动，以培养出实践能力强的优秀自动化人才。
二、研究内容与改革措施
1.精心选题，建立“单片机原理及应用”课程设计项目库。
课程设计选题从实际工程项目的实用性、难易程度、可操作性、工作量等因素考虑，兼顾科学性、新颖性、创造性，建立“单片机原理及应用”课程设计项目库。项目库中部分题目可根据开课专业特点，面向解决专业研究方向的实际问题有针对性的设计选题。例如：在内蒙古农业大学（以下简称“我校”）农电、电气专业“单片机原理及应用”课程设计中设置部分选题专门解决其它专业课（如“机电一体化”、“传感器技术”、“电机学”、“微机保护”等课程）中实际专业问题，经过教学过程的检验，学生的专业兴趣增强了，提高了学生系统分析、综合应用、解决实际专业问题的能力，并和相关课程进行了教学资源的整合，带动相关课程共同建设。项目库中建立若干样板项目，学生可以根据“单片机原理及应用”课程设计的一般步骤和要求完成，样板项目主要面向于基础较差的学生。
2.学生自主选题
课程组在每学年“单片机原理及应用”课程设计前两周将本次代课程设计教师的简历、联系方式、每位教师所代项目题目及设计要求公布出来。根据项目的难易程度及工作量的大小，学生可以一人或两人一题。学生可以根据自己的专业特点、兴趣、爱好和自身学习情况，自主选择老师，自主选择题目。如果学生感觉备选题目不适合自己，学生可以与指导老师协商讨论后自拟题目。
3.课程设计教学组织过程规范化
课程组对课程设计的过程进行规范化的要求，制订课程设计进程计划，阐述单片机应用系统设计的一般设计步骤及方法，介绍单片机应用系统常用接口电路设计方法。教师向学生下发课程设计任务书。教师下达课程设计任务的时候，要讲解必要的电路原理和程序设计思路，必要时可进行参观和调研，使学生充分理解、明确设计任务及要求。学生查阅资料，确定设计方案，经指导老师审核后，学生可以到实验室进行硬件的连接和软件调试。学生整理设计资料写出课程设计报告，并给出硬件原理框图、系统电路原理图、软件流程图、编写的程序、调试的方法、调试过程中数据的测量方法及参数等。
学生完成课程设计后，要进行答辩，答辩包括学生自述、现场调试、教师提问、答辩成绩评定等环节。通过答辩，老師可以对学生相关理论知识掌握情况、课程设计完成情况及独立设计创新能力，进行综合评价，对设计内容不完善的给出进一步修改完善的建议，并给与学生创新提高的启迪与空间。
4.成绩评定科学化
课程组建立健全成绩评定方法，学生课程设计的总成绩主要包括课程设计报告及图纸完成情况、系统调试及性能分析、答辩情况，每部分均制订具体的考核要求及考核细则，形成科学、公平、合理、严谨的成绩评价体系。 加入学生自评环节，通过学生自评能够让他们进一步正确认识自己在课程设计中的所得与不足，对其提高自身能力和正确认识自我是一个帮助。
5.规范“单片机原理及应用”课程实验室管理，建立工作日志制度
在课程设计期间，专门面对课程设计学生开放实验室，学生可以在值班教师或课程设计指导教师的指导下进行系统调试。值班教师要对每天实验室使用情况、学生的工作进度、存在的困难、对后续工作的提示进行必要的记录。
6.精心进行网络教学平台建设，开展远程交互反馈学习
课程组将“单片机原理及应用”课程设计的相关文字教学资料（如教学大纲、教学进度表、教案、教学课件、参考书目等）上传学校网络教学平台。建立“单片机原理及应用”课程设计网络项目库，并支持师生向项目库加题，经管理员按课程设计要求审核，批准后可纳入项目库。建立网上“单片机原理及应用”课程设计教学素材库，主要包括典型电路图例及动作过程、芯片管脚图、常用接口电路软、硬件设计方法等。
建立网上交互反馈教学模块，教师、学生进行交流的方式主要是通过BBS、讨论模块及电子邮件的方式进行。同学们通过讨论区相互探讨，交流经验，取长补短，合作学习；教师实时或定期上网了解学生的设计进程，解答学生设计过程中的疑难问题。
三、单片机应用系统的研制过程
以单片机为核心的产品或项目，虽然单片机的选型不尽相同，软件编写也千差万别，但系统研制步骤和方法是基本一致的，一般都分为总体功能设计、硬件电路原理设计、软件的编制和系统的仿真调试几个阶段，[1]具体单片机应用系统设计的一般流程如图1所示。
1.确定系统功能及性能指標
不论是过程控制系统还是智能仪器仪表的设计，都必须先分析和明确项目的总体任务及要求、输入信号的类型和数量、输出信号的控制对象及数量、辅助外设种类及要求、工作环境及电源要求、可靠性要求、系统抗干扰措施、产品的性价比等因素，通过对各种需求信息进行综合考量与分析，明确系统性能指标，制订出可行的系统设计方案。
2.单片机的选型
单片机的应用系统随其用途不同，硬件和软件均不相同。在面对一个具体工程项目设计的时候，单片机最初的选型很重要，主要考虑单片机的性能参数是否全部满足系统的功能要求，[2]例如：控制速度、精度、控制端口的数量、定时/计数器、中断源的数目、驱动外设的能力、存储容量的大小、软件编写的难易程度、开发工具的支持程度等。
3.硬件系统设计
根据总体设计中确立的系统功能特性要求，确定单片机的型号、所需外围扩展芯片、存储器、I/O接口电路、驱动电路，可能还有A/D和D/A转换电路及其他模拟电路，设计出应用系统的电路原理图，并制作出实现系统功能的电路板。
4.软件的编写
在单片机应用系统设计中，硬件和软件具有一定的互换性，有些功能既可以用硬件实现，也可以用软件编程完成。多利用硬件可以缩短研发周期，减少编写软件的工作量，但这样会增加成本。如果以软件代替硬件完成一些功能，可以降低成本，提高可靠性，缺点是增加了系统软件的复杂性，软件编写工作量大，研发周期长，系统运行的速度可能也会降低。[1]因此，必须综合分析，根据具体设计任务量体裁衣，合理地制订硬件和软件的功能、比例。
单片机应用系统的软件设计，任务可能很多，程序量可能很大，采用合理的结构化程序设计方法尤为重要，即从代表目标系统整体功能的单个处理着手，自顶向下，将复杂系统按功能分解为若干模块进行分析与设计，[3]这样可以分阶段地对单个模块进行设计和调试，然后再将它们有机地联系起来，构成完整的控制程序，并进行联合调试即可。结构化程序设计具有程序组成结构化、功能模块化、运行流程化的特点，有利于编写出合理、紧凑、高效的程序。
5.系统调试
硬件调试可分静态调试与动态调试两步进行。软件调试的一般方法是先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续。系统脱机运行过程中，可能会有很多系统缺陷被发现，如软、硬件的配合问题，程序各段落的过渡与衔接问题，事先没有考虑到的问题等，对此要反复修改，精益求精，不断完善设计内容。
四、基于Proteus的单片机仿真技术
利用Proteus虚拟仿真技术可以在单片机应用系统设计过程中，以软件方式模拟整个系统，即通过PC绘制原理图，并直接在原理图上编写调试应用程序，配合各种虚拟仪表来展现整个单片机系统的运行过程，能看到程序运行后的输入/输出效果。[4]
在单片机课程设计教学过程中，课程组要求学生利用Proteus软件成功进行虚拟仿真并获得期望结果之后，再制作实际硬件进行在线调试，这样可以获得事半功倍的效果。学生普遍反映，利用Proteus软件作为单片机应用系统设计和仿真平台，实现单片机系统的软、硬件同步仿真调试，使学习过程变得直观形象，使单片机应用系统设计变得简单、容易、有趣。
五、结束语
课题组根据“单片机原理及应用”课程设计的教学需求，依托现有教学资源，注重与相关专业课程的共建，充分利用现代网络教学手段及虚拟仿真技术，提出了一种科学严谨、生动可行的“单片机原理及应用”课程设计的方法。在教学中，使学生真正成为认知的主体，激发学生学习兴趣，发挥学生创造性，提高学生解决实际工程问题的能力，符合高等学校实践教学改革的要求。
参考文献：
[1]张齐，朱宁西.单片机应用系统设计技术——基于C51的Proteus仿真[M].第2版.北京：电子工业出版社，2009.
[2]刘焕成.工程背景下的单片机原理及系统设计[M].第2版.北京：清华大学出版社，2011.
[3]曲辉，李海军，吴利斌，等.单片机应用系统结构化程序设计方法与实现[J].内蒙古农业大学学报（自然科学版），2010，3（1）：158-161.
[4]姜韬，江国学.基于仿真软件的单片机虚拟实验系统设计与应用[J].制造业自动化，2010，（11）：201-203.
（责任编辑：王意琴）
关键词：工程项目；单片机原理及应用；自主选题；网络教学；仿真技术
作者简介：曲辉（1975-），女，山东蓬莱人，内蒙古农业大学机电工程学院，副教授；刘宇（1973-），男，锡伯族，辽宁铁岭人，内蒙古农业大学机电工程学院，实验师。（内蒙古 呼和浩特 010018）
基金项目：本文系内蒙古农业大学机电工程学院实验室建设项目（项目编号：JD201101）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）35-0076-02
如今单片机技术的应用遍及国民经济与生活的各个领域。随着现代微控制器技术的不断发展和日趋完善，掌握单片机应用系统设计技术具有划时代的意义。
“单片机原理及应用”是一门应用性很强的课程，要想学好这门课程，实验与课程设计环节起着非常重要的作用。“单片机原理及应用”课程设计环节，目的在于巩固课堂所学的理论知识，理论紧密联系，指导实践。通过课程设计可以有效地使学生掌握单片机应用系统设计和研发的方法和步骤，培养学生独立进行嵌入式控制系统的开发与设计能力，提高学生对所学专业知识的综合应用能力、分析能力、实践能力和创新能力，对于培养优秀的自动化人才具有重要意义。
一、传统教学中存在的问题
“单片机原理及应用”课程设计在传统教学中，存在的突出问题有以下四个：
问题一：“单片机原理及应用”课程授课学时较少，授课内容多，语言指令多，无公式可套，不易理解，而实践性又较强。因此，上完这门课之后，部分学生对教学内容掌握不够扎实，理解不够透彻，不知道课程设计应如何入手，主观能动性与创造性较差。
问题二：“单片机原理及应用”课程设计的要求、题目、进度、考核方法等没有规范化、系统化，无章可循，这样会造成不同老师指导课程设计题目难易不等，设计过程无人监管，成绩评价尺度不一，部分学生会出现积极性不高，应付了事的现象。
问题三：“单片机原理及应用”课程设计与“数字电子技术”、“模拟电子技术”、“微机原理及应用”、“程序设计语言”、“电子仿真技术”等课程相互交叉性、相关性、接续性强，“单片机原理及应用”课程设计没有和相关课程进行教学资源的整合。
问题四：现在的学生普遍思维活跃，好奇心、求知欲强，传统的课程设计方法很难完全吸引学生注意力，激发学生的学习兴趣。
课程组教师根据专业特色及课程设计教学要求，依托现有教学资源，以实际工程项目的设计和实现的过程为主线，对“单片机原理及应用”课程设计体系进行了规范化、科学化、系统化、网络化、人性化的改革，使其满足新形势下高等学校实践教学的要求，并充分体现专业特色。强调学生自主学习，使课程设计的过程更加科学、严谨、生动，以培养出实践能力强的优秀自动化人才。
二、研究内容与改革措施
1.精心选题，建立“单片机原理及应用”课程设计项目库。
课程设计选题从实际工程项目的实用性、难易程度、可操作性、工作量等因素考虑，兼顾科学性、新颖性、创造性，建立“单片机原理及应用”课程设计项目库。项目库中部分题目可根据开课专业特点，面向解决专业研究方向的实际问题有针对性的设计选题。例如：在内蒙古农业大学（以下简称“我校”）农电、电气专业“单片机原理及应用”课程设计中设置部分选题专门解决其它专业课（如“机电一体化”、“传感器技术”、“电机学”、“微机保护”等课程）中实际专业问题，经过教学过程的检验，学生的专业兴趣增强了，提高了学生系统分析、综合应用、解决实际专业问题的能力，并和相关课程进行了教学资源的整合，带动相关课程共同建设。项目库中建立若干样板项目，学生可以根据“单片机原理及应用”课程设计的一般步骤和要求完成，样板项目主要面向于基础较差的学生。
2.学生自主选题
课程组在每学年“单片机原理及应用”课程设计前两周将本次代课程设计教师的简历、联系方式、每位教师所代项目题目及设计要求公布出来。根据项目的难易程度及工作量的大小，学生可以一人或两人一题。学生可以根据自己的专业特点、兴趣、爱好和自身学习情况，自主选择老师，自主选择题目。如果学生感觉备选题目不适合自己，学生可以与指导老师协商讨论后自拟题目。
3.课程设计教学组织过程规范化
课程组对课程设计的过程进行规范化的要求，制订课程设计进程计划，阐述单片机应用系统设计的一般设计步骤及方法，介绍单片机应用系统常用接口电路设计方法。教师向学生下发课程设计任务书。教师下达课程设计任务的时候，要讲解必要的电路原理和程序设计思路，必要时可进行参观和调研，使学生充分理解、明确设计任务及要求。学生查阅资料，确定设计方案，经指导老师审核后，学生可以到实验室进行硬件的连接和软件调试。学生整理设计资料写出课程设计报告，并给出硬件原理框图、系统电路原理图、软件流程图、编写的程序、调试的方法、调试过程中数据的测量方法及参数等。
学生完成课程设计后，要进行答辩，答辩包括学生自述、现场调试、教师提问、答辩成绩评定等环节。通过答辩，老師可以对学生相关理论知识掌握情况、课程设计完成情况及独立设计创新能力，进行综合评价，对设计内容不完善的给出进一步修改完善的建议，并给与学生创新提高的启迪与空间。
4.成绩评定科学化
课程组建立健全成绩评定方法，学生课程设计的总成绩主要包括课程设计报告及图纸完成情况、系统调试及性能分析、答辩情况，每部分均制订具体的考核要求及考核细则，形成科学、公平、合理、严谨的成绩评价体系。 加入学生自评环节，通过学生自评能够让他们进一步正确认识自己在课程设计中的所得与不足，对其提高自身能力和正确认识自我是一个帮助。
5.规范“单片机原理及应用”课程实验室管理，建立工作日志制度
在课程设计期间，专门面对课程设计学生开放实验室，学生可以在值班教师或课程设计指导教师的指导下进行系统调试。值班教师要对每天实验室使用情况、学生的工作进度、存在的困难、对后续工作的提示进行必要的记录。
6.精心进行网络教学平台建设，开展远程交互反馈学习
课程组将“单片机原理及应用”课程设计的相关文字教学资料（如教学大纲、教学进度表、教案、教学课件、参考书目等）上传学校网络教学平台。建立“单片机原理及应用”课程设计网络项目库，并支持师生向项目库加题，经管理员按课程设计要求审核，批准后可纳入项目库。建立网上“单片机原理及应用”课程设计教学素材库，主要包括典型电路图例及动作过程、芯片管脚图、常用接口电路软、硬件设计方法等。
建立网上交互反馈教学模块，教师、学生进行交流的方式主要是通过BBS、讨论模块及电子邮件的方式进行。同学们通过讨论区相互探讨，交流经验，取长补短，合作学习；教师实时或定期上网了解学生的设计进程，解答学生设计过程中的疑难问题。
三、单片机应用系统的研制过程
以单片机为核心的产品或项目，虽然单片机的选型不尽相同，软件编写也千差万别，但系统研制步骤和方法是基本一致的，一般都分为总体功能设计、硬件电路原理设计、软件的编制和系统的仿真调试几个阶段，[1]具体单片机应用系统设计的一般流程如图1所示。
1.确定系统功能及性能指標
不论是过程控制系统还是智能仪器仪表的设计，都必须先分析和明确项目的总体任务及要求、输入信号的类型和数量、输出信号的控制对象及数量、辅助外设种类及要求、工作环境及电源要求、可靠性要求、系统抗干扰措施、产品的性价比等因素，通过对各种需求信息进行综合考量与分析，明确系统性能指标，制订出可行的系统设计方案。
2.单片机的选型
单片机的应用系统随其用途不同，硬件和软件均不相同。在面对一个具体工程项目设计的时候，单片机最初的选型很重要，主要考虑单片机的性能参数是否全部满足系统的功能要求，[2]例如：控制速度、精度、控制端口的数量、定时/计数器、中断源的数目、驱动外设的能力、存储容量的大小、软件编写的难易程度、开发工具的支持程度等。
3.硬件系统设计
根据总体设计中确立的系统功能特性要求，确定单片机的型号、所需外围扩展芯片、存储器、I/O接口电路、驱动电路，可能还有A/D和D/A转换电路及其他模拟电路，设计出应用系统的电路原理图，并制作出实现系统功能的电路板。
4.软件的编写
在单片机应用系统设计中，硬件和软件具有一定的互换性，有些功能既可以用硬件实现，也可以用软件编程完成。多利用硬件可以缩短研发周期，减少编写软件的工作量，但这样会增加成本。如果以软件代替硬件完成一些功能，可以降低成本，提高可靠性，缺点是增加了系统软件的复杂性，软件编写工作量大，研发周期长，系统运行的速度可能也会降低。[1]因此，必须综合分析，根据具体设计任务量体裁衣，合理地制订硬件和软件的功能、比例。
单片机应用系统的软件设计，任务可能很多，程序量可能很大，采用合理的结构化程序设计方法尤为重要，即从代表目标系统整体功能的单个处理着手，自顶向下，将复杂系统按功能分解为若干模块进行分析与设计，[3]这样可以分阶段地对单个模块进行设计和调试，然后再将它们有机地联系起来，构成完整的控制程序，并进行联合调试即可。结构化程序设计具有程序组成结构化、功能模块化、运行流程化的特点，有利于编写出合理、紧凑、高效的程序。
5.系统调试
硬件调试可分静态调试与动态调试两步进行。软件调试的一般方法是先独立后联机、先分块后组合、先单步后连续。系统脱机运行过程中，可能会有很多系统缺陷被发现，如软、硬件的配合问题，程序各段落的过渡与衔接问题，事先没有考虑到的问题等，对此要反复修改，精益求精，不断完善设计内容。
四、基于Proteus的单片机仿真技术
利用Proteus虚拟仿真技术可以在单片机应用系统设计过程中，以软件方式模拟整个系统，即通过PC绘制原理图，并直接在原理图上编写调试应用程序，配合各种虚拟仪表来展现整个单片机系统的运行过程，能看到程序运行后的输入/输出效果。[4]
在单片机课程设计教学过程中，课程组要求学生利用Proteus软件成功进行虚拟仿真并获得期望结果之后，再制作实际硬件进行在线调试，这样可以获得事半功倍的效果。学生普遍反映，利用Proteus软件作为单片机应用系统设计和仿真平台，实现单片机系统的软、硬件同步仿真调试，使学习过程变得直观形象，使单片机应用系统设计变得简单、容易、有趣。
五、结束语
课题组根据“单片机原理及应用”课程设计的教学需求，依托现有教学资源，注重与相关专业课程的共建，充分利用现代网络教学手段及虚拟仿真技术，提出了一种科学严谨、生动可行的“单片机原理及应用”课程设计的方法。在教学中，使学生真正成为认知的主体，激发学生学习兴趣，发挥学生创造性，提高学生解决实际工程问题的能力，符合高等学校实践教学改革的要求。
参考文献：
[1]张齐，朱宁西.单片机应用系统设计技术——基于C51的Proteus仿真[M].第2版.北京：电子工业出版社，2009.
[2]刘焕成.工程背景下的单片机原理及系统设计[M].第2版.北京：清华大学出版社，2011.
[3]曲辉，李海军，吴利斌，等.单片机应用系统结构化程序设计方法与实现[J].内蒙古农业大学学报（自然科学版），2010，3（1）：158-161.
[4]姜韬，江国学.基于仿真软件的单片机虚拟实验系统设计与应用[J].制造业自动化，2010，（11）：201-203.
（责任编辑：王意琴）