时间：2023-05-29 18:00:08
关键词：单片机；改革；实践；考核
中图分类号：G642.0 文献标志码：A？摇 文章编号：1674-9324（2013）36-0062-02
从上个世纪70年代第一只单片机面市，短短三十多年的时间，单片机技术已成为计算机技术的一个重要分支，由于单片机体积小、性价比高、控制能力强等优点，广泛应用到工业控制、机电一体化、仪器仪表、消费产品、汽车、航空航天、办公自动化和通信等各个领域。在就业形势日益严峻的情况下，对我校机电类学生来讲，如果学好单片机原理及接口技术这门课程，学生就有更多的就业机会，对以后的个人发展具有十分重要的作用。但是如何使他们在短短的一学期学好这门课，是我们需要解决的主要问题，本文在教学内容、教学方法、实践环节、考核方式等方面进行有益的探索。
一、教学内容的改进
在单片机的开发过程中，常用的编程语言有汇编语言和C语言，每种语言有各自的特点。汇编语言编程具有代码紧凑、运行效率高、可直接对硬件内部进行控制等优点，但汇编语言也有一些缺点比如语句抽象、编程效率低，学习周期长，可移植性差。而C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。另外用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。因此，用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。但我们还在一成不变地进行汇编语言的学习，甚至教科书上也没有提及到C语言的单片机编程。因此为了学生毕业后能够更好的适应社会，满足企业的需要，我们要合理选择教材，教学内容转为以C语言教学为主，汇编为辅，同时兼顾两者的混合编程。这样既使学生容易学习，又适应了企业单片机开发的需求。
二、教学方法的改进
1.提高学生的学习积极性。兴趣是学好任何一门课程或技术的基础，所以，激发学生兴趣异常重要。针对这门课程在有限的教学课时内，学生难学，老师难教的特点，我们更新思想，转变观念，从提高学生对课程的学习兴趣出发，对于单片机课程来说，采用实例法教学是必不可少的。总结这么多年的教学经验，我个人认为第一次课简单介绍一下单片机，然后可以举一些学生常见的、经常用到的单片机应用的具体产品，比如学生经常见到的智能电子秤、智能存包柜、出租车计价器等。通过分析产品的原理，循序渐进地培养学生的学习兴趣。另外第一次课除了讲些实例以外可以给学生演示一下流水灯的实验，准备焊接好的实验板，用仿真器仿真流水灯的工作过程，再给学生讲解一下单片机的I/O口控制发光二极管点亮的原理，激发学生学习这门课程的兴趣。
2.转变观念，摆脱传统授课方式。一直以来，对于这门课程的教学都存在着偏重理论而忽视实践的问题，教师基本上都是按照传统的方法按章节授课，很少涉及实践部分的内容，造成了理论与实践严重脱节，调动不起学生的学习积极性，直接影响到授课效果，更谈不上培养学生的创新意识了。有的即使开设了实验课，实验设备的陈旧也使得学生一开始学到的知识就是过时的，无法直接应用于实际工作当中。所以，探讨新的教学方法势在必行。单片机教学采用形式多样的教学方法，形式多样的教学方法可以激发学生思维，使教学方法不局限于传统，传统的以教师为中心，教师讲、学生听、记笔记的教学方式，应结合更多的教学方法，讲授法、练习法、实验法、演示法等。
3.课余时间通过网络学习。学生课下可以利用网络资源进行自主学习，现已将教学资源全部传到校园网络教学平台，学生可以网上下载课件、学习资料。另外通过网络问卷、网上答疑，教师可及时了解学生的学习情况并给予指导。除此之外，给学生介绍多种形式的专业网站和参考资料、促进学生自主学习。如常用单片机、电子网站、论坛：21IC中国电子网（http：//）、周立功单片机世界（http：//）、凌阳单片机（http：//.cn）；著名电子公司、杂志网站：单片机爱好者（http：//）等。每次给学生布置一些作业让学生通过网络去查找资料，进行学习。这样作业不会枯燥无味，通过网络学习可以增加同学们的知识面，网站上的一些资料可以更好地帮助学生学习这门课程。
三、实践环节的改进
1.实践教学。单片机原理及接口技术对于机械工程学院机电类学生来说是一门实践性很强的专业课，学生不光要有扎实的理论知识，更要有过硬的动手能力，这就要在学习过程中利用一切可以利用的机会去实际操作。目前我们的实验课安排了10个学时，但是10个学时远远达不到锻炼学生动手能力的目的，根据以往的教学经验，因为以前做实验都是直接用实验箱来做，学生只需要根据电路图连线，编制程序，观察实验结果，学生学完这门课程以后只能根据电路要求编制一些简单的程序，但是动手能力较差，不会焊接电路板，不会调试电路，甚至有些常见的元器件都不认识，更不用说走向社会从事相关的工作。因此，我院购买了电路板、常用元器件，常用的工具如电烙铁、万用表等，给学生提供认识常用元器件、动手搭建电路、焊电路板的机会，给学生讲解完注意事项后让学生带回宿舍利用课余时间焊接电路板，然后进行仿真调试，增强学生的实际操作能力。
2.第二课堂。实验室开放是现代实践教学发展必由之路，在我们的实验室开放中，除了实验室管理上的开放，重点体现在开设第二课堂，支持学生课外科技活动，进行了以下几方面的努力：（1）积极参与电子竞赛，提高创新能力。各类大学生电子设计竞赛、机电产品创新大赛是展示学生创新能力的极好机会，为了搞好竞赛，我们教研室专门抽调几位教师，在赛前还组织了参赛队员的集训。在已参加的几届全国电子设计竞赛、山东省电子设计大赛、山东省机电产品创新大赛中，我系学生都获得了优异的成绩。通过参加竞赛活动，大学生的综合设计能力和科技制作能力大大提高。（2）自主立项，培养自身独立设计能力。为了培养学生独立工作能力和实践能力，在人力、物力上积极支持学生开展课外科技活动。鼓励学生自行开发设计线路板，完成课程设计题目。引导学生申请科研立项、找方向、写材料、定方案、开展项目研究。在每年的科研立项活动中分别获得多个立项，学生的综合能力得到提升。
四、改革考核方式
以前单片机的考核方式都是采用闭卷考试的形式，总成绩由考试成绩加上平时成绩组成，考试成绩占70%，平时成绩占30%，平时成绩中有包括课堂考勤、作业、实验。但是这样做的后果是学生只注重理论的学习，对实践学习不能够引起足够的重视，因而学完课程后动手能力差，不能单独进行单片机应用系统的开发，因此改革考核方式势在必行，除了传统的试卷考试外，增加实验技能的考核。闭卷部分的试题包括基本概念、基本理论、编写程序和画原理图，题型可采用填空、选择、简答、编程等方式。由于教学大纲上本课程的没有课程设计，所以实验技能只能通过平时的实验课来给学生打分。目前的实验是要求学生动手制作焊接电路板，然后编程进行仿真，可以根据学生在整个过程中的表现来评分，焊接、编程、仿真、调试等各项能力进行评价。焊接的电路板是否有短路、断路、虚焊现象，仿真软件是否熟练、不能实现所要实现的功能会不会调试、会不会查找错误进行修改处理等等作为评价的依据。
五、结论
本文从当今社会需求和实际应用的角度出发，本着激发学生学习兴趣、扩大知识面以及培养创新精神的原则，对单片机原理及接口技术课程的教学方法、考核方式等各方面进行了改革。教学手段的改革和实验教学已经在机械类本科班的教学和实验中得到应用。通过教学实践，学生不仅掌握了课本中的理论知识，锻炼了实际动手能力，达到预期的教学效果。
参考文献：
[1]赵全利.单片机原理及应用教程[M].北京：机械工业出版社，2012.
[2]陈亮，康娟，刘涛.单片机课程教学改革的几点看法[J].技术监督教育学刊，2006，（1）.
[关键词]单片机教学模式
[中图分类号]TN312.8[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0114-01
1 单片机课程的安排
近年来,我院把《单片机原理与接口技术》这门课作为电气类专业的必修课程,以前对高职学生在入学第二学期开设这门理论课,第六学期再开始实践课程。这样的课程安排是有原因的,作为理论教学方面,第一学期由于开设了《微机原理》,第二学期自然就开设《单片机原理与接口技术》,便于课题衔接。但单片机的实训课题作为控制单元只能放在相关专业课程之后,并且有了一定的技术基础才能进行实训。如经过电工的基本技能、模拟电子、数字电子等相关专业课程的训练之后才进行。这样我院就把单片机的实训课程安排在第六学期进行实训,理论课程结束太长时间,给实训教师和学生都带来了很大的压力和困难,并且学生普遍感觉到这么课程难学,部分学生产生厌学情绪。对此近年来我院对许多专业课程进行了调整,采用模块式教学。单片机也采用模块式教学。
2 教学方法
所谓模块式教学是把理论课与实训课放在一起进行,边理论边实训。
2.1 课程结构安排
单片机的概述;MCS-51单片机的基本结构;单片机的最小系统扩展;MCS-51单片机的指令系统;汇编语言程序设计;中断系统;MCS-51定时器/计数器;串行接口;MCS-51单片机的I/O口扩展;接口技术。
2.2 教学课程结构分析
在讲第一章单片机的概述的同时,就把单片机发给学生,我院采用的是启东计算机厂生产的DVCC-52JH++单片机箱。这样就比理论课单纯的一支粉笔一块黑板凭学生想象的教学容易多了,使教学直观化。
在讲第二章MCS-51单片机的基本结构的时候。有些内容如P1、P3口便对于学生进行实际演示,(1)、P3.3口做输入口,外接一脉冲,每输入一个脉冲,P1口按十六进制加一。(2)、P1口做输出口,编写程序,使P1口接的8个发光二极管L1―L8按16进制加一方式点亮发光二极管。实训说明由于P1口是准双向口,它作为输出口时与一般的双向口使用方法相同,由准双向口结构可知:当P1口作为输入口时,必须先对它置高电平,使内部MOS管截止,因内部上拉电阻是20KΩ―40KΩ,故不会对外部输入产生影响。若不先对它置高,且原来是低电平,则MOS管导通,读入的数据是不正确的。这样由原来的理论教学抽象的概念变得直观化。
在讲第三章单片机的最小系统扩展时,对全书的结构进行了调整,现在单片机原来与应用的教材琳琅满目,种类繁多。但课程结构大同小异,在讲完上述第一、二章后,第三章便是指令系统。但我感觉这时候讲指令系统会增加学生学习的难度。如果这时候讲单片机的最小系统扩展让学生先学习硬件系统,由于硬件系统直观、简单、易学,对单片机硬件工作原理和结构有了进一步的认识和理解后,有了一定的硬件基础,更容易让学生上手。为后续的课程实行一体化教学打下良好的基础,如在后面讲指令的时候,就可以做到边讲边练。课题就这样一环套一环的进行下去,把看不见的软件程序通过硬件显示出来。
后续的课题安排和其它书籍安排的一样,并且根据职业技术教育的特点和要求,在教材的使用上应适当降低教材的理论深度和难度,精选内容,突出重点,多举实例,多做实际训练,对于学生不易理解和容易混淆的概念,力求做到通俗易懂,边讲边练,理论与实际紧密的联系在一起。
2.3 采用多媒体和黑板结合授课
有些内容用黑板讲解效果好,有些采用多媒体讲解好,利用自己制作适用于课堂教学的多媒体课件。例如,在讲解堆栈等内容的时候,通过多媒体演示入栈操作和出栈操作的过程,可以取得良好的教学效果。其他知识点的讲解同样可以仿效。集动画、声音、图片、文本于一体的多媒体课件不仅能够使抽象的理论知识变得直观易懂识,而且能够活跃课堂气氛,从而激发起学生的学习兴趣。
2.4 活跃课堂氛围,调动学生的积极性
在单片机教学过程中,课题本身难度大,课堂气氛容易沉闷。因此应注意调动学生的积极性与主动性。教学的主体是学生,老师讲的再好,学生不认真听,不认真训练效果同样不好。只有学生对此课程产生兴趣,这门课程才有可能学好。因此在教学过程中要注意以下几点:(1)语言要生动,风趣。尽量联系实际,多举实际例子,多让学生的动手。对于难理解的内容,教师尽量用自己理解后的语言告诉学生。(2)树立榜样,建立激励机制,鼓励、激发学生学习的兴趣和热情。(3)课题开始的时候,课题内容由浅入深,待学生掌握以后可逐步加大难度。
2.5 教学媒体
一体化教学的教学媒体相对于理论教学有天然的优势,我们有大量的仪器、设备、元器件可以使用。本课程主要用到的教学媒体有计算机机、软件系统、单片机仿真系统。目前市场上单片机实训设备种类繁多,但总的来说,都能够完成相关的软件实训和硬件实训。我院采用DVCC-52JH++型单片机实训设备,我们从中精选了几个软件实训和硬件实训。软件实训可以提高学生编程水平,培养学生逻辑思维能力;硬件实训可以培养学生实践动手能力,两者相得益彰。
事实证明,通过以上教学方法的改进,我所教授的单片机课程,在教学质量方面有了显著地提高,教学效果收效明显,学生普遍反映良好。以上是我在教学过程中积累的一点经验,希望各位专家及同行予以批评指正!
[参考文献]
[1] 李明,毕万新.《单片微型计算机及接口技术》.大连理工大学出版社.
[2] 张振荣,平.《单片机原理及实用技术》.人民邮电出版社.
摘 要：在分析汇编语言和接口技术课程内容与主流机型脱节的基础上，根据目前32位环境下微机技术的教学特点，提出专业基础教学仍应侧重基础原理方面的观点。结合接口技术课程实验多年的教学经验，引导学生建立对微机系统底层探索的兴趣，实践表明，这种方式在汇编语言编程与接口技术实验方面取得了很好的效果。
关键词：汇编语言；接口技术；专业基础；学习能力
作者简介：孙丹岭，女，工程师，研究方向为计算机专业实验教学；蒋方炎，男，高级工程师，研究方向为计算机专业实验教学。
微机技术飞跃发展，制造工艺水平飞速提高，计算机新技术日新月异。因此，学生要在学校的课程中学到所有微机的最新技术和知识是不现实的，对此，大学的一些课程内容主要定位在学习基础原理上。汇编语言和接口技术课程是一门专业基础课程，它对微机系统底层的探究是最直接的。本文就如何把握好基本原理与新技术之间的关系、如何使学生打好基础又掌握深入学习能力、既实现知识更新又提高应用能力等问题进行探讨。
1 实验方向的选择思路
微机技术的快速发展，80×86系列的接口芯片已难觅踪影。以80×86系列为背景的接口原理课程与当前32位的微机环境严重脱节，课程内容不能满足学生要求。但是，应该明确的是接口原理课程基础课程的学习内容应是原理性的，是专业课程学习的基础。如何使经典的基础原理与日益发展的芯片技术协调配合，正是当前该课程教学面临的困难和任务。实验课程的学习是对微机系统底层知识最直接的探究过程，要想对系统有更高更深的掌握，就必须学习和掌握好汇编语言和接口技术。因此，我们仍然以最基本的接口原理技术入手，由浅入深，逐步引导学生学会和掌握系统的基本原理，通过编程实现对系统的控制，感性地理解微机硬件系统的工作原理。
1.1 突出基本原理
注重原理的普遍性。目前的高校学生已很少有人愿意学习20世纪80年代陈旧的MS-DOS 体系结构、命令和传统的命令行或文本画面操作，随着传统16 位微机原理已为支持多任务、多用户的32 位原理所代替，16 位ISA 总线已从市场淘汰，32/ 64 位PCI 总线作为主要的接口总线代替了ISA总线，进入32 位接口方式。现在，PC 微机对外部设备扩展的接口主要是PCI总线和USB 总线接口, 所以在32 位微机实验教学中进行有关PCI总线和USB 总线接口扩展应用的教学内容是必要的。兼顾教学需要，我们在教学大纲和教学内容中引入32 位微机基础理论，实验部分保留易于理解掌握的16 位总线系统。怎样通过PCI、USB总线挂接设备, 就成为微机接口技术实验教学的高级部分，如PCI总线的资源如何获取、如何打开通道等。
在8086/8088 CPU系统中，为了说明基本原理需要一个依托、一个平台，我们需要针对原理性课程的需要设计实验内容。如并行端口可以是一个设定地址的寄存器，也可以是一个专用芯片，以便从端口原理的角度去理解它的硬件设计及编程驱动方法；又如中断是微机原理中的重要概念，但在不同系统中的中断机制是不完全相同的，需要根据系统的中断向量和返回方式的进行处理。
另外，从具体实验效果看，实验教学从16 位微机系统与接口技术过渡到32 位，可以使学生既了解当代操作系统的底层原理，也可以使实践教学内容贴近当前微机发展的实际内容，这样做不仅提高了教学层次，还可以提高师生科研和开发水平，为日后解决现代微机应用开发中存在的关键技术问题打下了坚实的基础。
1.2 培养学习和创新能力
接口技术课程是一门动手性及实践性很强的计算机课程。在科学技术日益发展的今天,社会需要很多既具备软件编程能力,又了解硬件知识的复合型人才。学好这门课程, 将会为学生后续计算机开发应用打下坚实基础。因此，我们要充分重视学习过程中的实验环节, 只有经过实践才能加深对理论课的学习和理解, 提高分析问题和解决问题的能力。对此，我们应在以下三个方面进行努力。
1) 引导学生学习。实验安排由浅入深、循序渐进。编程初始，训练学生掌握汇编语言的格式，逐步熟练汇编语言编程的技巧和方法。在实验开始前，先讲解解读硬件的实验设计思想以及芯片初始化和驱动的方法，用最直接的DEBUG监控命令练习基本的输入输出指令，以得到感性的理解，由此学习一般的硬件设计思想。通过多个芯片的多次讲解，使学生逐步掌握硬件系统的设计思路，并使能力强的学生掌握在遇到新的电路系统时，凭借手册等资料就能设计编程的能力。
2) 提高分析研究的能力。汇编语言的调试相对于高级语言要困难得多，调试工具较少，手段较低，许多程序要在监控命令下调试完成。但我们鼓励学生尽量在监控下进行调试，因为通过监控命令能全面地掌握系统的运行状态，遇到问题时用单步指令运行的方式，能精准地发现问题所在，进而找到解决问题的方法，并能更深刻地掌握汇编语言和硬件的性能，同时培养分析研究和解决问题的能力。如中断程序的调试，在Windows 环境下的中断实验比起DOS 环境下要复杂得多，由于中断控制芯片8259是系统相关的，不能在系统的保护模式下运行，调试最为困难，稍有错误就可能死机，要重新启动，费时费力。我们引导学生将问题分步解决。首先完成最基本的中断程序框架，在此基础上逐步增加其他的功能，分步调试，将问题细分解决。如果问题比较复杂，需要用单指令运行来监控程序状态，而硬件中断级别较高，不支持单指令中断，此时可将中断程序暂时设置成子程序，以子程序调用的方式来进行单步监控分析。在指导学生实验的过程中，引导学生积极思考，努力提高学生的分析研究能力。
3) 培养创新能力。在掌握基础实验的基础上，设计一些有具体要求的小系统实验。学生可以按老师的设计实验，也可以按自己的设计来完成实验，这样做既发挥了学生的创新能力，激发了学生的学习兴趣和主动性，又使得实验课程不再乏味。
2 实验的设计
我们的实验教学安排是与“汇编语言与微机接口技术”课程的教学进程相配合的，即根据课程的进度安排实验。课堂知识是实验讲解必要的基础，它也能使学生真正理解和掌握课堂上学的理论知识。课程前期教学是汇编语言，后部分是接口技术。因此，我们在实验前期安排了一些与系统接口有关的、有趣的汇编语言编程小实验，如最基本的键盘输入输出实验、屏幕的字符显示、全屏显示控制、PC机的发声控制，等等，以此让学生体会汇编语言的细致之处，使学生逐步掌握和熟悉汇编语言，掌握相关的DOS及BIOS的调用方法。对于目前习惯于高级语言的学生来说，这需要一个过程。
我们的接口实验设备是长沙胜西电子有限公司研制的SXL-100接口实验仪，它是由32位PCI总线扩展开发的，通过总线桥电路的控制将总线转换成16位低速总线来驱动接口电路的。因此，我们安排了32位环境下如何获取PCI资源的实验，使学生学会资源通道和端口的使用，同时为后续实验打好基础。对能力较强的学生可引导其进一步深入学习桥电路控制器的意义及其控制原理，以加深对系统的理解。
当理论课进程到接口芯片原理时，我们开始相应的硬件编程实验。
对于接口电路的实验，我们首先设计一些基本的、实现芯片单一功能的小实验。如简单的寄存器并行口、定时器等。讲解是从实验的角度入手，主要是选址设计、选片内寄存器和驱动。实验设计为在输入输出端连接开关或发光管，编程驱动端口时，能直接观察到工作状态，这样做能调动学生的学习兴趣。
课程学完一个芯片，做一个完整的芯片功能验证性实验，如并行口8255芯片。开始调试芯片时，可先借助DEBUG的I/O端口输入输出指令直接控制芯片，观察输入输出状态，确保芯片工作正常。在理解了控制芯片工作的基础上，设计一个开关矩阵组成的并行口键盘，通过对并行端口状态的设置及其状态不断变化的判断，编程完成一个键盘的设计。通过这个实验，能使学生较熟练地掌握并行口的使用。
中断课程讲解后，我们就可利用8255的工作方式1进行实验设计，将A、B端口分别设置成输入输出，并使输入或输出为中断方式来将输入的数据输出。这种方式可使两互传数据的设备不丢失数据，由此使学生学习理解一种可靠的数据传送方式原理。
我们还设计安排多个功能结合的实验，如硬件接口电路实验主要有定时器、并行口、串行口、中断，以及这些器件的应用电路实验，如A/D转换、D/A转换、步进电机、直流电机等。学生可按老师的要求做，也可自行设计完成达到同样要求的实验。如将发声实验与并行口键盘实验结合起来完成一个电子琴实验、并行口键盘与其驱动的步进电机组成一个可控的步进电机实验、并行口显示电路与定时器组成电子钟实验，等等，学生可以自由发挥，可用不同的编程方式，也可以添加或改进各种功能，或完成难度更大、更感兴趣的实验。
事实上，每一届学生进行实验时，我们都会根据当届学生学习的具体情况，对实验进行一些适当的调整，以提高学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，使实验达到最佳效果。如果时间允许，我们在学期的后期，安排少数学生在可编程门阵列FPGA实验台Spartan-3上做一些接口电路的设计实验，如简单的PS2键盘接口设计、简单的LCD显示控制等，尽量满足有能力有兴趣学生的学习需求。
3 结语
接口技术是一个复杂的综合性领域，涉及到多门课程甚至于多项学科的基础知识，只有掌握了宽泛的知识，才能真正学好。它需要教师在教学中积极引导，帮助学生开拓思路，不断探索新方法。微机技术与设备在不断地发展，教师要密切关注当前最新技术，适时补充当前技术中较新的内容，适当更新实验设备，从而培养出适应时展的优秀学生。
参考文献：
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[5] 夏宇闻. 复杂数字电路与系统的Verilog HDL设计技术[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,1998.
Discussion on Experimental Teaching in Assembly Language and Interface Technology
SUN Danling, JIANG Fangyan
(College of Computer Science, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)
标养室温湿度控制系统主要采用STC12C5A60S2单片机作为主要微控制器。通过该单片机实时地采集标养室温度和湿度，并智能判断实测值与标养室设定标准值之间的差异，及时启动工业空调和超声波雾化器进行升温、降温、喷雾、加湿等相应措施，以确保标养室温度和湿度恒定在标准范围内。
【关键词】标养室 STC12C5A60S2单片机 控制 温度 湿度
1 系统总体设计
1.1 系统功能设计
系统主要完成的设计功能：（1）实现对标养室温湿度参数的实时采集，由单片机对采集的温湿度值进行数据处理、显示、并将温湿度数据通过工业RS485总线传输到工控现场服务器；（2）实现实测温湿度值与标准值之间的智能判断，并及时启动工业空调和超声波雾化器进行升温、降温、喷雾、加湿等相应措施，以确保标养室温度和湿度恒定在标准范围内；（3）实现上位机对标养室温湿度参数进行监控并展现。（4）标养室现场温湿度传感器具有相应快、抗干扰能力强，测温范围达到0～80；测温精度±1；测湿范围达到0～100%RH；测湿精度±5%RH；
1.2 系统的组成和工作原理
本系统以STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，主要采用温度平衡技术、传感器技术、单片机控制技术、串口通信技术等技术，以温湿度传感器作为温湿度测量元件，构成标养室温湿度控制系统，可分为主控制电路、液晶显示接口电路、按键输入电路、水位检测接口电路、串口通信接口电路、工业超声波雾化器驱动电路、水位阀门开关驱动电路、温湿度传感器接口电路。选用的主要器件有：STC12C5A60S2单片机、温湿度传感器SHT11、LCD12864液晶显示模块、工业超声波雾化器、风扇、水位检测器、工业空调、空调接受控制器、按键、继电器等。如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 STC12C5A60S2单片机最小系统组成原理
STC12C5A60S2单片机最小系统由微控制器器STC12C5A60S2单片机、时钟电路、复位电路组成，STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。有EEPROM功能，外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增加支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒。通用的全双工异步串行口。
2.2 温湿度传感器设计
SHT11系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。对于温湿度传感器与单片机接口电路，通过单片机的两个I/O口分别连接温湿度传感器的数据线和时钟线进行串行通信，在数据接口上拉一个5.1K的电阻保证数据的传输距离。
2.3 超声波雾化器驱动电路设计
单片机的I/O口P34为低电平的时候通过光电隔离耦合器驱动继电器开关闭合从而启动超声波雾化器的工作电源，当P34为高电平的时候同样通过光电隔离耦合器驱动继电器开关断开从而断开超声波雾化器的工作电源。
3 系统软件设计
软件系统设计过程：系统初始化、串口通信、按键扫描查询处理、液晶显示模块处理、温度平衡处理、水位检测、湿度处理、报警提示。
3.1 温度和湿度采集系统
温度和湿度采集系统主要由温湿度传感器负责完成温度和湿度的采集以及通过单片机串行数据线、时钟线获得数字信号的全过程，并将采集温湿度值通过单片机显示到LCD12864液晶屏幕同时把温湿度值传输到现场工控服务器。温度和湿度的采集主要是通过单片机和温湿度传感器组成的一个系统，温湿度传感器通过两串行的总线方式传输到单片机，单片机对数字信号进行处理进而转换相应的数值。
3.2 温度平衡处理技术
通过当前采集的温度值同标准值进行比较，如果当前采集值超过设定的上限值，单片机发送一条制冷命令帧（每条命令帧都是单片机与工业空调控制板设定好的协议）给工业空调控制板，工业空调控制板收到该命令后立即将相应信号反馈给单片机，并且工业空调立即启动制冷效应并进行降温处理。如果该值低于设定的下限值，此时单片机发送一条制热命令帧给工业空调控制板，工业空调控制板收到该命令后立即反馈给单片机，并且空调机开始对标养室进行制热、升温处理。如果当前采集的温度值正好处于标准值，单片机此时立即发送关机命令给工业空调控制板，工业空调控制板立即反馈相应信号给单片机同时将关掉工业空调机。这样一来可以平衡标养室的温度长期处于正常范围之内而且延长工业空调机的使用寿命。如图2所示。
3.3 超声波雾化器智能加湿技术
超声波雾化器智能加湿主要由水位检测和智能关闭、开启超声波雾化器的组成。超声波雾化器智能开关原理通过单片机采集当前的湿度值与设定的湿度值进行比较，如果采集的湿度值高于设定值则关闭超声波雾化器。如果低于设定值自动启动超声波雾化器对标养室进行加湿处理。水位检测原理首先通过水位检测器检查是否有水，如果有水则直接关闭阀门。如果没有水，启动阀门给容器加水，此时开启单片机中断定时器给加水时间开始计时；一旦加水的时间超过设定的加水时间（按键输入的信息单位为分钟，加水时间是根据容器设定的），则判定没有水源；此时自动关掉超声波加湿器以及启动报警电路装置，从而提醒现场工作人员是否断水等原因。
4 上位机标养室温湿度监控软件说明
主要利用Microsoft Visual Studio .NET 2003开发软件编写标养室温湿度监控系统的人机交互界面，该界面主要功能通过串口机制与基于单片机开发的下位机通信，将接收到的标养室温湿度数据显示在数据表上，并将数据表上的数据显示成曲线。如图3所示。
5 结束语
基于STC12C5A60S2单片机的标养室温湿度控制系统，经实验验证，标养室温湿度恒定在设定的标准范围内，设计运行稳定可靠。上位机监控软件展现温湿度变化曲线、数据统筹等方面，便于掌握标养室环境温湿度数据。
参考文献
[1]赵鸿图.基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（9）：54-56.
[2]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2008：12-14.
[3]陈桂友，柴远斌.单片机应用技术[M].北京：机械工业出版社，2008：53-58.
关键词：微机原理；接口技术；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）04-0127-02
“微机原理及接口技术”是一门关于计算机硬件基础知识、汇编语言程序设计及常用接口技术等知识的课程。是通信、电子、信息工程、自动化等非计算机专业的一门重要专业基础课。该课程软硬件并重，知识点丰富，具有很强的理论性、实践性与应用性。笔者所在的自动化系为该课程分配64学时，其中课堂教学58学时，实验6学时。如何在有限的学时内，尽快引导学生入门，激发学生的学习主动性和积极性，让学生了解和掌握授课重点是该门课程教学的关键。本文结合实际情况，从教学内容、教学方法、实验环节三个方面对该门课程的教学进行了探讨。
一、教学内容
“微机原理及接口技术”涉及的知识面较广，包含计算机预备知识、微处理器、指令系统、汇编语言程序设计、存储系统、输入/输出技术、常用接口芯片及应用等几大部分。[1]在对教学内容的把握上，坚持循序渐进的原则，从微机的基本概念、基本原理入手，逐渐过渡到汇编语言、微机接口，并在内容上把微机系统软硬件技术有机结合起来。整个教学内容分为七大章。
1.预备知识。本章重点讲授二进制、十进制、十六进制的相互转换及符号数的补码表示，强调“溢出”这一概念及其判断方法。使学生通过本章的学习深刻地认识到计算机内部所有信息都以二进制数的形式表示，从而为指令系统及汇编语言的学习打下基础。
2.微型计算机概述。本章重点讲授微型计算机内部的基本结构、8086CPU的外部引线及14个内部寄存器、存储器寻址。由于后续章节均以8088CPU为例讲授CPU与存储器、接口芯片的连接，因此在本章最后简要介绍了8088CPU系统总线结构。
3.指令系统。本章重点介绍操作数寻址方式以及七大类基本指令――传送指令、算术运算指令、逻辑运算和移位指令、串操作指令、程序控制指令、处理器控制指令、输入/输出指令。在讲授过程中和第2章结合，强调CPU内部14个寄存器的特殊用途。
4.汇编语言程序设计。本章重点讲授汇编语言源程序的结构及程序设计的基本方法，介绍顺序、分支及循环三种程序形式，并进行程序设计举例。
5.存储系统。本章重点介绍存储器的分类和基本性能指标，并以SRAM 6264为例介绍存储器芯片的连接使用，使学生掌握全地址译码方式下存储器与系统总线的连接方法。
6.输入输出技术。本章介绍接口的编址方式及无条件传送、查询传送、中断、DMA四种数据传输方式。其中，重点介绍中断传输方式。
7.常用接口芯片及应用。本章介绍三态门、锁存器等简单接口芯片及8255、8253等可编程接口芯片，重点讲授接口芯片的引线功能、工作方式、控制字、寻址及连接、初始化和应用。
由于计算机技术发展迅速，需要在原有教材基础上及时补充新的实用技术，如现代微机系统的总线技术、高速缓存技术、流水线技术、并行技术、虚拟存储器技术、闪存技术等。整个教学过程既注重基本知识和技术的讲解，又注重新技术、新芯片的发展动向和应用介绍，这样的教学内容既具有学科教学的完整性、系统性，又具有项目教学的目的性、实用性，设置得先进、合理。
二、教学方法
该课程使学生接触到较多硬件方面的知识，汇编语言的编程也直接与系统硬件相关，指令多且烦琐，容易给学生造成难学、枯燥的感觉，因此需要对教学方法进行改进完善，以提高学生的学习兴趣。针对上述问题，主要采取以下措施。
1.注重基本原理、方法的介绍。挖掘知识点背后涵盖的基本原理和方法，使学生深刻理解并掌握所学内容。计算机知识涉及不少英文缩写，如芯片引脚、指令系统等，在介绍时需让学生了解英文全称，从而记住引脚或指令的含义。如芯片引脚中，R通常为读（Read），W通常为写（Write），E通常为使能（Enable），A通常为地址（Address），D通常为数据（Data），CS为片选（Chip Selection），等等。如此一来，学生在学习8086/8088CPU、存储器、接口等不同硬件芯片时，能根据引线名称推测出其含义，了解其作用。在介绍操作数的不同寻址方式时，不要求学生记住每种寻址方式的具体名称，而是让学生掌握操作数可能存放的几种位置。在介绍A/D变换芯片时，重点介绍芯片的输入动态范围及转换精度等性能指标，让学生知道怎样根据不同需求选择合适的A/D变换芯片。此外，芯片的工作时序在8086 CPU、接口技术部分均有涉及，需要重点介绍，理解时序才能真正理解计算机硬件的工作方式，才有可能针对具体芯片进行编程。
2.重视课程内容间的横向比较和纵向连贯性。在介绍指令系统时，重点强调8086CPU内部14个寄存器的特殊用途，使学生在编程时能正确、灵活运用不同的寄存器。在介绍常用接口芯片及应用时，结合前章输入输出技术，将8255可编程并行接口与三态门、锁存器等构成的接口电路进行比较，让学生直观感受可编程芯片使用的便捷性。在介绍接口技术时，详细讲解查询这一数据传输方式的软件实现，便于学生加强对时序的理解，并学会正确运用输入输出指令。
3.利用学生求知欲，激发学习兴趣。大学电脑普及程度高，在教学中要有效利用学生对于计算机软硬件的求知欲望，激发他们的学习兴趣。例如，为了使学生理解计算机内部所有数据都以二进制数的形式表示，以图像为例，采用画图工具打开一幅图像，每个像素点的颜色可分解为红、绿、蓝三个值，取值范围均是0～255，在计算机内部用8位二进制数表示。又例如，在介绍微型计算机内部基本结构时，采用提问法，让学生说说他们买电脑时会考虑哪些方面，从而引出CPU、内存、接口、系统总线等微型计算机基本组成模块。
4.化解知识难点，变抽象为具象。[2]在讲授较难理解的内容时，可采用类比法，将其与生活实例相结合，化抽象为具象。在介绍补码时，将其与时钟系统类比，调整时间可采用正拨、反拨两种方法，正如补码运算能将减法化为加法。介绍存储器寻址时，以小区门牌号为例，假设小区有10栋楼，每栋楼有10个住户，为能够识别每一个住户，需要100个门牌号。若直接分配门牌号，则需用一个二位数（0～99）表示；若以“楼号+楼内门牌号”的方式分配，则只需要两个一位数。此外，介绍存储器芯片连接使用时，可把高位地址与存储器芯片片选芯号间的译码电路看作是单元门上的门铃系统，按下一个门牌号，对应房间内的门铃就会响。
5.完善电子教案，重视多媒体课件研发。通过将多媒体技术引入课堂，把抽象、枯燥、难以理解的知识点变为形式活泼、生动形象的动画演示，实现了互动教学，解决了传统教学中无法表现的问题。例如，在讲解移位指令时，通过动画可将移位过程反映出来，加深学生对不同移位指令用途的理解。在多媒体课件研发过程中，避免泛，力求精，控制每页字数和字体大小，注意提炼关键知识点，对难点做出直观讲解。
三、实验环节
笔者所在的自动化系统为该课程分配6学时实验，需要最大化利用这6学时，培养学生编程兴趣，通过实验对理论知识有更深刻的认识。笔者在教学过程中发现，由于该课程需要记忆的知识点太多，单纯的书本讲授无法让学生将这些知识点完全联系起来，因此，大部分学生在一开始接触时对该门课程比较感兴趣，但到了学期中间，有一部分学生因为难以跟上教学进度，没有学习成就感，学习兴趣就逐渐丧失了。通过与学生交流，向有经验的教师请教，以及个人体验等三个途径，笔者发现实验环节的内容和时间安排起着非常重要的作用。为了激发学生的学习积极性，教师应将实验课程适时穿理论教学当中，帮助学生熟悉实验的硬件和软件环境，引导学生在实验过程中验证课堂上讲授的理论知识，掌握程序阅读和编写的方法和技巧，指导学生举一反三、触类旁通地去学习并掌握实验内容，进而巩固理论知识。此外，为了在实验中培养学生分析问题和解决问题的能力，教师在实验检查时不能只关注实验结果，而是应该重视实验过程。为了解学生对实验的理解程度，可人为设置故障，让学生分析故障产生原因，提出解决方案，对程序进行修改和调试。为实现上述目标，笔者设计了三个实验。[3]
1.编程实现求最大数。通过该实验，学生能掌握汇编语言源程序的结构，会进行汇编程序的简单查错和调试，能正确使用传送指令、算术运算指令、程序控制指令以及循环程序结构。在该实验基础上，可让学生编程实现求最小数，也可改变数据格式，如将8位数换成16位数，将无符号数换成有符号数，通过这些变化加强学生对算法的理解。
2.8255可编程并行接口实验。该实验以8255为接口芯片，要求学生编程实现若干开关对若干LED的控制。通过该实验，让学生掌握8255工作方式。同时，为了让学生灵活运用不同指令，可改变开关的控制策略，如部分开关拨上对应LED亮，反之灭；部分开关拨下对应LED亮，反之灭。
3.8253可编程定时器实验。通过该实验让学生掌握8253的编程原理，同时，学会用示波器观察不同模式下的输出波形。
参考文献：
[1]李伯成，侯伯亨，等.微型计算机原理及应用[M].第2版.西安电子科技大学出版社，2008.
【关键词】接口技术 教改
【Abstract】 This course content from the interface technology， analyzes the status of the interface technology courses and problems， targeted ideas and methods of teaching， learning， experiment， examination of several aspects of reform methods proposed
【Keywords】interface technology Teaching Improvement
一、引言
微机接口技术是计算机专业和电子信息专业的一门专业课程。是集数字电路、微机原理、汇编语言、接口技术一体的综合性较强的一门专业技术课程。普遍反映老师难教，学生难学，但又是一门非常重要和实用的专业技术课程。
二、现状分析及问题分析
1.由于接口技术属于偏硬件类课程，课程内容抽象、枯燥乏味，多数学生学习兴趣低，主动性差。
2. 认识环节的脱节。由于该课程的前半段有着许多基础知识，许多学生在学习了近半个学期还不知道所学内容是什么，有何用 [4]。
3.实验系统老化，大多数院校采用的均为箱式实验系统，所提供的实验项目大多为对单个芯片的验证性实验，并且实验系统中均固化有相应的实验程序，部分学生实验时直接调用程序就可以完成实验内容。
4.实验项目大多为验证性实验，缺乏设计性、综合性的实验项目。所用实验系统与目前微机的发展使用现状相距较远，未能利用目前通用微机的资源。
5.接口技术课程中各种接口芯片种类繁多，知识零碎杂乱，安排的课时数一般也较少。
三、教改方法及措施
1.改进教学方法及教学思路
以教师为主导，学生为主体，采用任务引领，实例驱动。既重理论，更重实践。理论以够用就行，理论是实践的指导，实践进一步加深理论的理解。接口技术课程中看似各种接口芯片种类繁多，知识零碎，其实这些接口芯片知识之间存在相当多的共通性。因此教学每种接口芯片的一般思路：先讲适量的相关知识和每个接口的结构组成及工作原理，接着讲相关的寄存器设置、判断（包括方式选择寄存器、工作命令字寄存器、状态字寄存器等），然后是应用实例，课堂练习。在注重各种接口共性教学时，也注重每个接口的对比教学。比如先讲了8253接口芯片，再讲8255、8251、8259、8237等接口芯片时通过类推和对比的方法来教学，从而可以做到举一反三，事半功倍的效果，当如果课时较少用这种方法把几个核心接口芯片讲懂、讲透，剩下的知识内容，给学生提供一定参考资料和一些互动平台叫学生去自学。这样不但解决了学时数少问题，还培养了学生的自学能力。
2.因材施教，差异化教学
针对不同类型的学生采取的差导化教学，比如针对计科专业的学生可能学习中补讲一些数子电路的知识，针对电信的专业要补讲程序设计和算法设计思想内容。还有教学中要做到面向大多数，同时还要做到因材施教，进行辅优和辅差。
3.实验（实践）环节改进
必须改革传统的实验项目，将实验项目分为验证性实验、综合和设计性实验三类，由浅到深，由简单到复杂。每次实验分为两个阶段，第一段完成验证性实验，领会相关知识和原理，掌握本操作技能，在教师指导下完成；第二段是改进和提高性实验，由教师设置题目或学生提出，学生独立完成。
除了采用接口技术实验箱来做接口实验，还可以尽量考虑用通用微机系统来做。比如，用通用微机系统编制驱动主机箱内的扬声器发音乐声，学生不但有兴趣，还综合实验了8255和8253接口芯片。
4.考核方式改进
改变以往那种以笔试考试为主，重知识、轻能力，重结果、轻过程。改为以笔试与实作考核相结合，能力与态度考核相结合，平时与期末考试相结合。
四、结束语
整个接口技术课程的教学，注重理论联系实际，更注重实践教学，培养学生的动手能力，解决实际问题的能力；注重软硬结合，既注重软件编程又注重硬件电路工作原理；注重举一反三和归纳总结，即学习了一种接口，就归纳出学习其他接口的一般方法，同时还注意它们之间的对比。采取了上述教改方法后教师好教，学生反映学起来容易，学习有兴趣，有动力，培养了解决实际应用问题的能力。
【参考文献】
[1]马武刚.微机原理及接口技术实验教学改革探讨. 广西：大众科技，2007（7）.
[2]张弥左等.微型机接口技术. 北京：机械工业出版社 2004.
【关键词】专用单片机；通用单片机；MCS-51单片机；串行通讯口
1.关于MCS-51单片机的介绍
单片机，它是现在应用最广泛的集成电路芯片的一种，通常利用超大规模集成电路技术把中央处理器（也就是人们常说的CPU）、随机存储器、只读存储器以及多种I/O口和中断系统等部分集成于一体，而成为一个微型的计算机芯片。在HMOS技术迅猛发展的前提下，Intel公司基于早年研发的单片机MCS-48系列的基础上，又于1980年相继推出了8位MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机相较于之前开发的一系列单片机来说，功能以及速度方面都有了前所未有的突破，成为工业控制系统中一种相当理想的机型，至今为止都作为单片机的理想机型应用于各个领域。MCS-51单片机的基本机型包括8051、8751、8031和8951这四种型号，而由于8031的性价比较高，并且易于研发，所以利用率也相对较高。MCS-51单片机的特点包括以下几个方面：
（1）MCS-51单片机是一个有较强处理能力具有8位cpu，并且同时具备范围在1.2MHz～12MHz的振荡器，通常采用的是单一+5V电源。
（2）MCS-51单片机的片内采用的是单总线结构，带有128B的寻址空间为64KB的数据存储器以及4KB的寻址空间为64KB的程序存储器。
（3）MCS-51单片机具有128个用户位的寻址空间以及21个字节特殊功能寄存器并且具有8位的I/O并行接口四个。
2.MCS-51单片机多串口通讯的实现技术
目前为止也只有极为少数的几种单片机可以实现多串口通信，而有些单片机与MCS-51系列单片机是可以相互兼容的，所以一些新增的串口和原有的串口是基本吻合的。根据目前单片机的发展来看，MCS-51系列单片机也只有Intel8250以及Intel8251两种接口芯片可以选择。根据单片机价格低廉性价比高的特点，也可以利用多个单串口的单片机也来实现多串口通信，这种多串口的实现技术会比其他方案更容易实现，而且在价格方面也较低，这种方法叫做多单片机的协同工作。而HSI和HSO功能又是另一种可行的多串口通讯实现技术，因为某些类型的单片机即可以实现高速输入又可以同时完成高速输出，所以利用这种技术实现多串口通讯也是可行的。但是如果单片机没有扩展功能同时也不具备HSI和HSO功能，那么软件模拟就可以实现单片机多串口通讯。根据软件模拟来实现多串口通讯的流程是先根据通讯的频率来确定在发送每一位时的时间间隔，然后再依据数据的内容以及格式来进行进一步的操作。MCS-51系列单片机的八位定时器在定时间常数初值通常为160。最后还有一种方法是多路模拟开关实现单片机多串口通讯技术，这种方法是将单片机的串口通过分别于多路的模拟开关于各路的线路相连接。这种技术适用于多串口通讯分别进行时，这种技术方法比较可靠，一般情况下技术条件容易满足。
3.MCS-51单片机多串口通讯的多路采集系统
MCS-51系列单片机多串口通讯的多路采集系统是由上位机以及各个采集节点所构成的系统，都采用的是型号为RS232的一种标准串行通信口。这种单片机多路采集系统是以一台单片机系统作为该系统的主机，各个采集点作为从机而进行一种一对多的方式来进行数据的传输。51系列单片机的串口有4个基本模式，它有三种基本的作用诸如串并转换、并串转换以及异步串行通信。在异步串行通信中，是有两种帧格式的，他们分别是1+8+1和1+8+1+1。多机通信是特殊的通信方式。MCS-51系列单片机多串口通讯的多路采集的基本原理是采用两组移位寄存器使并行的通信模式转换成串行的通信模式。下面介绍一下主从机的工作流程。
4.综述
因为现如今单片机由于其较小的体积和很高的性价比，而在各种电子产品中受到广泛的应用和发展，但是单片机的研发也有几个瓶颈比如高频布线（一般高频指的是处理速度达100MHz以上），MCS-51单片机就是一种一般情况下可以满足多数系统的需求的通用单片机，现如今市场上的众多品牌电子产品，诸如诺基亚，华为，西门子等利用的就是MCS-51系列单片机。其中MCS-51系列单片机多串口通讯技术是一类较为特殊的应用技术，它有众多的实现方法，上文已经做了简要的介绍。现如今，单片机对两个或者两个以上的串行口的要求也越来越高。目前单片机的发展已经朝着单片化、网络化、微型化的方向迈进，来解决一些复杂的计算机系统的应用。而单片机最明显的优势就是凭借其体积小可以嵌入电器内部来控制整个电气系统。
【参考文献】
[1]李朝青.8051串行口及串行通讯技术[M].北京航空航天大学出版社，2008，08（04）：68-79.
[2]余永权.世界流行单片机技术手册[M].北京航空航天大学出版社，2010，01（02）：124-134.
磁悬浮列车上有很多基于DSP芯片的模块和系统。目前，DSP芯片程序的加载与运行都主要依赖于仿真器，而DSP仿真器价格高、体积大，这使得磁悬浮列车系统的调试很不灵活方便；且这些基于DSP芯片的系统一旦脱离仿真器就只能运行事前载入的单一的程序，也使系统的灵活性受到了很大的限制。
本文研究了DSP芯片程序加载的基本原理，并根据这些原理，基于CAN总线，实现了DSP芯片程序的受控加载，使得DSP芯片程序的加载与启动可直接受控于上位主控机。由于主控机的灵活性很大，磁悬浮列车系统在调试时就可根据需要对其上各个控制模块的主控DSP芯片加载不同的程序，控制它的启动运行，非常方便灵活。
1 CAN总线的特点及工作原理
CANControl Area Network，即控制器局域网总线是一种有效支持分布式控制或定时控制的串行通讯网络它以半双工的方式工作一个节点发送信息多个节点接收信息实现了全分布式多机系统提高了数据在网络中传输的可靠性。其结构形式如图1所示。CAN总线的信息存取利用了广播式的存取工作方式信息可以在任何时候由任何节点发送到空闲的总线上每个节点的CAN总线接口必须接收总线上出现的所有信息因此各节点都设置有一个接收寄存器该寄存器接收信息然后根据信息标文符决定是否读取信息包中的数据以判断是否使用这一信息。
CAN总线的特点是以通信数据块编码代替传统的地址编码CAN总线面向的是数据而不是节点这种方式的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制加入或减少设备不影响整个系统的工作。基于CAN总线的各种系统可以根据用户需要任意改变节点数量。CAN总线收发数据的长度最多为8个字节因而不存在占线时间问题可以保证通信的实时性通信速率最高可达1Mb／s距离为40m最远可达10km速率为5kb／s。对通信介质的要求较低可以是光纤或同轴电缆甚至双绞线。
2 DSP芯片的程序加载与运行原理
在本项技术中，DSP的程序加载与启动运行是通过对其HPI 8位并行口的操作实现的。下面先简单介绍一下DSP的HPI 8位并行口以及如何对它进行读写操作，然后介绍本文研究的这种DSP程序加载技术。
2．1 DSP芯片的并口（HPI）简介
HPI并行口的读写操作主要由DSP的三个16位寄存器控制，它们分别是：HPICHPI Control Register，控制寄存器、HPIDHPI Data Register，数据寄存器、HPIAHPI Adress Register，地址寄存器。写HPIC寄存器控制HPI并口的读写方式以及数据高低字节的读写顺序等；写HPIA寄存器控制写入或读出数据的具体地址（自增模式下2为数据写入／读出时的初始地址）；从HPID直接写入／读出数据。
HPI有两种读写方式：普通模式下的读写按照HPIA的地址将HPID的数据写入内存或将该地址的数据读入HPID；自增模式下HPIA则是首地址，每次读或写操作后它都会自动指向下一个待读写的地址。
2．2 DSP芯片的程序加载与启动
由CCS编译器生成的DSP可执行文件是一种．out文件。本方法中首先调用TI公司提供的hex500．exe程序，将其转换为．hex文件3，这种．hex文件的组织结构具体如下：
它由一个一个的块（block）组成，每一个块的第一个字节表示当前块包含的待加载的有效数据的长度，第二、第三个字节表示这些有效数据写入DSP内存时的首地址，从第五个字节开始是待写入DSP内存的有效数据（第四个字节通常为0x00，是无效数据），超出当前有效数据长度的数据不需要处理。需要注意的是，文件的结尾（也就是最后一个块）的第一个字节的数据是0，表示当前块为文件的结尾，其后的任何数据都是无效数据。
知道这种．hex文件的组织结构后，就可以分离出其中的有效数据，然后就可将这些有效数据写入DSP的内存。本技术是通过DSP的HPI口来完成写操作的。具体如下：
首先对DSP复位，清除原来的数据；然后在单片机的控制下从．hex文件读出每次写入的初始地址，从这些初始地址开始不断地将有效数据写入DSP的内存；写操作完成后，向DSP的内存地址0x007f写数据0x8000，程序即启动，开始执行。
3 系统的组成
系统组成框图如图2所示。ISA插卡通过ISA插槽与PC机（即相当于磁悬浮系统上的主控机）连接，受PC机的控制，接收来自PC机的数据，向PC机转发收到的数据。插卡上有SJA1000芯片，通过它与PCB板上的SJA1000实现数据交换。PCB板上的SJA1000的数据／地址信号线与单片机的P0并口相连，同时P0并口也与DSP的HPI并口数据线HD0～7相连。在单片机的控制下，SJA1000接收来自PC机的数据，并将其通过P0并口发送给单片机，然后单片机再将这些数据通过HPI发送给DSP。
4 系统的实现
4．1 硬件实现
根据系统组成框图，各个具体模块的硬件实现如图3、图4、图5所示。
图3为单片机的接口电路，并口P0与SJA1000的并行数据口D0～D7（如图4所示）及DSP的HPI口（如图5所示）相连，实现数据交换：SJA1000接收来自CAN总线的数据，通过并行数据口D0～D7及P0口发送给单片机，单片机接收到数据并经过处理后又通过P0口和HPI口转发给DSP。
HBIL、HCT0、CHT1、HR／W为HPI口的控制信号2，故HPI的读写等操作都受控于单片机。
CSCAN为SJA1000的选通信号，／RST为SJA1000与DSP的复位信号；RD、WR分别为读写控制信号。
4．2 软件实现
PC机程序负责对．hex文件的分析，并根据分析结果，通过SJA1000，将每一个块的“头部”和有效数据有区别地向CAN总线上发送，直到遇到文件结束符为止。
[关键词]课程教学 教学改革 独立实验 单片机
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）01-0158-03
随着计算机应用技术的迅速普及，单片机原理与接口技术课程是作为机电等相关专业的主干课程开设的，是理论与实践结合非常紧密的课程。[1]主要介绍一种典型类型单片机的基本硬件组成，指令系统和程序结构，单片机常用接口芯片的接口电路及编程，单片机的实际系统应用等。[2]通过该课程的学习，学生具有开发单片机应用系统的初步能力，包括软件、硬件及系统等，为后续的专业课程设计和毕业设计打下良好的基础。为了提高单片机的教学效果，人们也不断进行教学方法、内容、手段的改革与探索实践，取得了一定的成绩。[3] [4]不过学生仍感觉到课程内容抽象，建立单片机系统的概念困难。当然这与学生自身的相关知识储备有关，但从单片机教学的角度出发仍然有许多方面值得教师研究和探索，切实有效提高课程的教学质量。
一、单独开设单片机理论课程和实验课程
单片机课程的传统教学模式是把理论教学和实验教学作为一门课程来进行的，也就是常说的理论和实验混编课程，实验形式叫课内实验，这是大多数课程采用的教学模式。[5] [6]这种模式对实验内容多、实践要求很高的单片机课程教学明显不足。
首先，是实验学时数明显不足且难以协调。原来的单片机课程总学时为48，其中包括安排了10个学时的实验。这对于课程实验学时的占比来说已经是比较高的了，但对于单片机这类课程要进行较全面系统的实践训练是远不够的，只能安排少学时的验证性实验，同时也给出了参考程序和实验步骤。这样虽然加快了实验周期，但学生独立思考能力、动手实践能力和创新能力得不到有效的锻炼。同样随着单片机技术的发展，串行通讯及低功耗串行器件在微控制器中的广泛应用，要求掌握的内容也在增加和变化，38学时的课堂理论学时也是不够的。在课程总学时确定的情况下，调整实验与理论之间的学时分配也很困难。
其次，理论教学限定了实验时间的灵活性和内容的扩展性。对于混编课程，课堂理论教学和实验教学最终给出一个总成绩，理论和实验各占一部分，两者在时间上就存在制约。一般是课堂教学结束，实验也基本上要完成，否则将会影响考试的时间安排和成绩的评定。这样就造成实验周期较短且相对集中，在这段时间实验室的负荷非常高，实验的时间安排非常紧密，灵活性受到很大的限制，甚至影响正常的实验开展。
为了加强单片机课程的教学，特别是加强实验教学，将原单片机原理及应用混编课程改为单片机原理与接口技术理论课（学时48）和实验课（学时24），两门在形式上完全独立的课程。这不仅仅是学时数和内容的增加，而且使得课堂理论教学和实验教学能够根据各自的不同特点和差异，改革完善各自的教学模式及教学方法，有助于实验教学改革，改变实验长期作为课堂理论教学辅助地位的状况，实现理论教学和实践教学两条腿走路。
二、单片机课堂理论教学模式及方法探索
对初学者来讲单片机的内容抽象，同时需要一定的电子技术知识支撑，对知识综合性、实践性要求都比较高，学生总感觉内容零散难以构成系统应用。因此在大力加强实践教学的同时，对单片机课堂理论教学的模式及方法等许多方面同样需要改革和探索。
（一）模块及层次化的教学内容组合
单片机常规教学一般都是按照教材的先后顺序讲授单片机的硬件结构、指令系统，汇编语言程序设计方法和技巧、定时计数器及中断系统、串行口通讯，单片机的扩展、人机和机电接口应用等，知识点较多，前后知识有机联系弱，难以构成完整系统性的概念。为此，从系统角度出发将单片机内容划分为硬件结构、软件程序、外部扩展、应用实例等四大模块，每个内容模块中又划分有不同的知识层次子模块。[7]如硬件结构模块划分为单片机核心基础层（包括寄存器、存储器结构、端口等）和片内功能层子模块（包括中断、定时器、串口等）;软件程序模块包括指令基础子模块和基础程序设计子模块等。在课程讲授的开始就让学生对单片机三大模块的关系有初步的感受，并在后期交叉讲授过程中不断强化认识，建立知识与系统的概念。
如何建立软硬件之间的联系对理解单片机是非常重要的，教学中要加强软硬件模块之间联系的讲解。指令是编程的基础，但一条条指令的讲解又是非常枯燥的事情，因此要求学生强化课下的指令记忆，课堂上着重讲解典型指令、指令对比以及和硬件存储关系等。如传送指令MOV、MOVX和MOVC的区别和对应存储空间的位置;堆栈指令PUSH、POP对指针的影响及调整初始指针的原因;比较指令CJNE和减法指令SUB实现同样功能的编程等;对于功能部件及扩展器件则加强软件与硬件结合的讲解，如何实现接口的编程。这样使学生逐步建立单片机软硬件系统结合的方法。
（二）适当引入虚拟仿真教学
单片机的广泛应用使得其软件的虚拟仿真技术也得到了迅猛的发展。Keil软件是单片机开发软件，它支持包括51系列等流行单片机的宏汇编及C语言的程序编译、连接及仿真调试等;Proteus软件电路设计和分析软件，可以进行硬件电路原理图设计、PCB电路板布线及电路仿真，还可以结合单片机的软件实现软硬件的联合仿真。因此通过Keil软件环境中编写单片机程序，Proteus软件环境中设计相应的单片机硬件电路，然后通过两个软件的关联就可以模拟将程序加载到单片机中进行仿真了。[8]
在单片机的课堂教学中适当引入Keil和Proteus软件，用它们编写软件、设计电路和虚拟仿真，不仅可以培养学生严谨仔细地编写指令和设计硬件电路的态度，还可以使枯燥的单片机学习变得直观、形象和生动，激发学生学习的兴趣和主动性，提高教学的效果。当然，软件仿真和单片机的实际系统还是有差异的，只是验证其逻辑关系。但在单片机应用系统的开发过程中先在PC电脑上进行软硬件结合的虚拟仿真，不仅可以缩短开发时间，节约硬件成本，而且使开发的初期过程变得简单、直观，对于既要学习单片机并不需要进行实物开发的广大学生来说更是很好的学习软件。
（三）一个应用实例贯穿教学始终
学生对单片机比较困惑的是相关的内容学完后认识还是比较零散，不知道该如何应用。老师在讲授过程中，不同的章节也会举一些局部的应用实例，各个实例仅仅是局部详细的，但缺乏整体性，不同章节例题很少有关联性，老师感觉基本应用都讲解了，但学生仍难以有效建立整体系统应用的观念。
为了强化学生单片机系统应用的理解，在教学的开始就提出一个具体的应用实例，并贯穿整个课堂教学活动中。例如温度对学生来说是一个很熟悉的，因此就提出单片机温度测量系统设计的实例，可以是教室的、宿舍的温度测量，给出实时温度显示，并模拟给出控制信号（模拟空调电机控制）、超限报警等。教师还可将相关的内容分散到各个章节中介绍，最后构成一个完整的系统。在讲解软件程序设计时，介绍如何根据已知数（模拟采集的温度数据）通过查找比较编程来确定温度;在讲解中断及定时器时，介绍如何用定时中断的方法进行定时温度信号的采样;在讲解键盘及显示时，如何设定温度值，显示键盘功能及数据，然后再返回显示实时温度等接口编程;在讲解A/D时，以AD590集成温度传感器讲解电压与温度的关系（输出电压可以用电位器模拟），A/D转换后的数字量对应关系;在讲解D/A时，讲如何输出电压或电流信号，以模拟控制调节空调电机。然后进行问题实例总结，给出完整的软件编程和硬件电路，并进行Keil和Proteus软件的仿真。这样学生比较容易将单片机的知识点串成一个有机的系统，有效掌握设计的基本方法。
三、单片机独立实验教学模式改革
独立开设单片机实验课程的学时数大大增加了，实验内容的系统性得到了充分的保证，可以使学生对单片机的存储器结构、汇编程序编写设计、定时/计数器和中断应用、并行/串行通讯方式、A / D和D / A转换、键盘和显示、系统实际应用等方面得到较为完整系统的训练。与原来的单片机课内实验的模式相比优势是显见的，更能反映学生实验的本质特点。独立课程的实验使得实验在时间安排上更宽泛和灵活了，不再受课堂教学的严格束缚，实验时间可以安排在整个学期内。学生选做实验项目的自由度大大提高了，前期有充足的时间对实验内容进行预习和软件仿真，有助于学生自主实验的开展，实行开放式的实验教学[9]，也促进实验教学管理模式及方法的改革。
单片机的实验教学中除开发系统的使用及基本编程操作实验进行集中指导之外，大多数实验是学生以实验小组为单位自由与实验室联系，自主地决定实验时间。不再按课堂教学时间，而是按上、下午及晚上三个单元安排实验，这样使学生有充足的时间进行实验操作、分析，同时也考虑到学生快慢层次上的差异。
在单片机实验独立开设课程之前，实验的学时少且实验的时间跨度有限，实验内容一般都是由指导教师安排的，学生主动选择实验内容的机会很少。而独立开设实验课程后，大大增加了选修实验的内容，实验安排上指定实验和选做实验的学时数基本上各占50%左右。这样即能够保障学生对单片机主要内容实践的基本要求，又能让学生可以根据自己的兴趣选择不同的实验内容，培养自主实验的意识和主动探究知识的动力。
四、结束语
单片机的理论教学和实验教学分别独立开课，使得理论和实验的教学内容得到了加强。特别是独立实验课的开设，除了实验内容更加系统化，时间更加灵活，提高学生做实验的主动性和兴趣，还有效提升了实验教学的地位，有利于加强学生对实验教学的重视。教学课堂采用软件仿真和系统的实例，使得枯燥呆板的指令、电路变得生动形象，有效提高学生单片机知识的综合和实际应用能力。单片机课程的教学改革虽然也取得了较好的效果，但对于这类实践性要求很强的课程，需要进一步加强实验和实验室教学，改变传统的课堂与实验的认识，深化高等教育的改革。
[ 注 释 ]
[1] 胡晶晶，李娟.虚实结合的单片机实践教学探讨[J].赤峰学院学报（自然科学版），2013（4）：206-208.
[2] 李朝青，刘艳玲.单片机原理及接口技术（第4版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.
[3] 姜宁，樊延虎.单片机教学改革与实践[J].延安大学学报（自然科学版），2011（1）：45-46.
[4] 张江印.高校单片机教学模式的研究[J].实验室研究与探索，2011（9）：103-106.
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[7] 朱敏杰，罗珩，余亚东.改革单片机教学培养应用型人才[J].实验室研究与探索，2012（2）：144-147.
【关键词】GPS/GSM；汽车；智能防丢报警系统；硬件
1.系统硬件体系结构设计
基于GPS/GSM的汽车智能防丢报警系统主要由：车载终端（微控制器，GPS模块，GSM模块、传感电路）、传输网络（GSM网络）、控制模块、显示模块、监控中心、用户手机组成。GPS模块负责接收定位数据；GSM模块在单片机控制下收发短信；传感器模块负责采集汽车的状态信息；控制模块根据单片机的给出信息控制汽车的停止或汽车的锁死；显示模块为了显示系统的工作状态以及便于用户输入控制信息。在对系统的通信平台、定位技术、功能和性能要求分析的基础上，提出系统的整体设计方案。
2.定位系统硬件设计
定位系统主要由四部分组成，即GSM模块、GPS接收机模块、单片机控制电路和电源电路。GPS模块负责接收定位数据；GSM模块在单片机的控制下收发短信；单片机控制电路对GPS定位数据进行分析，并根据用户的设置做出相应的处理。电源电路由7805和LM294lCS分别产生为+5V和+4.2v直流电压。+5V直流电压作为单片机、GPS模块的工作电源，+4.2V直流电压提供给GSM模块使用。
3.硬件的主要技术指标
（1）需要2个UART串口。
（2）由于程序较为复杂，需要支持在线仿真。
（3）GPS定位时要求定位精度10m以内。
（4）要求单片机处理速度较高。
（5）由于整个系统从汽车电瓶取电，要求系统功耗较低。
（6）采用信号灯反映系统状态，需要电源指示灯，GSM搜网指示灯和GPS定位指示灯。
4.单片机控制电路
MSP430单片机简介：
设计中所选用的控制核心为MSP430F149单片机是TI公司推出的MSP430系列单片机中的一种，该系列单片机具有16位RISC结构，能够达到很高的代码效率，除此之外，MSP430系列单片机还具有以下的显著特点：
（1）低电压、低功耗，在稳定的工作在1.8 ～3.6V之间，在系统时钟频率较低的情况下，其消耗电流能降低到400μA以下。
（2）强大的处理能力。MSP430系列单片机具有16位RISC结构，简洁的内核指令系统，当工作在8MHz系统时钟下时，指令周期为125μs。
（3）稳定的工作性能。MSP430单片机中，内置看门狗，同时系统能够在多个时钟源之间切换，保证系统正常工作。
（4）丰富的片内资源。MSP430系列内置了丰富的片内资源模块，主要包括看门狗（WDT）、定时器A（TimerA）、定时器B（TimerB）、比较器、串口0、串口1，硬件乘法器、模数转换（ADC）、基本I/O口、基本定时器等。
（5）工业级产品。MSP430系列单片机都是工业级产品，具有-40度到+85度的工作温度范围，并具有较强的抗干扰能力。
系统选用广泛应用的AT89C52单片机作为MCU。其内部有8k字节的Flash程序存储器和1256字节的RAM。该单片机内部仅有一个通用异步串口。为了能够同时与GPS以及GSM模块通信，单片机需要两个串口。所以本系统利用串口扩展芯片GM8123实现对GPS数据和GSM数据的同时收发。串口扩展芯片GM8123工作在多通道工作模式下时，模式控制引脚MS=0。多通道模式允许3个子串口同时全双工地工作。在此工作模式下，芯片的地址线 STADDl～O是输入口，由MCU控制选择希望发送数据的子串口，地址线SRADDl～0是输出口，用于向MCU返回接收到数据的子串口地址。通过对该芯片的控制，单片机可以同时与GPS模块和GSM模块全双工通信。
5.GSM模块
GSM系统可以提供两大业务，即基本业务和补充业务。基本业务包括电信业务和承载业务；补充业务则不单独提供，是对基本业务的补充。GSM提供的电信业务有电话、短消息和传真等。短消息业务是GSM系统中唯一不要求建立端端业务路径的业务，即使移动台已处于完全电路性通信情形下，亦可进行短消息传输。也就是说，一个消息的传输就构成了一次通信。
GSM模块TC35：
TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务（ShortMessageService）和传真，TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。
GSM模块负责在被保护对象和监控用户之间传递信息。本系统采用德国西门子工业的GSM模块TC35i。TC35i模块是一个的工业级GSM模块，工作在GSM900和GSMl800双频段，支持中文短信息。TC35i的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据，它支持Text和PDU格式的SMS（短消息）。
6.GPS定位模块
定位模块主要由GPS完成，但是GPS在高大建筑物下会没有信号，因此辅助GSM的蜂窝基站定位可以弥补GPS的不足，尽管定位精度不高，但是足以使车主找到丢失车辆。GPS定位主要采用伪距定位法。GPS伪距定位的基本定位原理：卫星不间断的发送自身的星历参数和时间信息。GPS接收机通过接收观测范围内的几个卫星，可以得到几个关于伪距的方程，将这几个方程结合所接收的卫星星历数据，经过处理可以得到接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。
GPS接收机：
作为GPS用户主要部件的GPS接收机，用来接收处理GPS卫星送来的卫星位置信息。接收机由主机天线、运算单元、输出通道等部分组成。主机的核心是由低噪放大器、信道电路、中央处理器、存储器等组成。在软件的操作下，接收机将卫星信息接收、采集、放大、识别、存储、处理，并输出有用的定位信息、速度信息和时间信。在GPS接收机的二次开发过程中，采用了TarmINGPS25-LVC接收机。
本系统采用的GPS模块为SIRF第三代高灵敏度引线式GPS接收模块SIRF starⅢ。该芯片定位精度在10m以内，最多可以同时追踪20个卫星信道。其内部有可充电电池，可以保存星历数据，便于快速定位。串口数据格式为TTL电平数据输出，通讯速率为4800通讯波特率，每秒输出一次GPS全数据。该模块GPS天线采用MMCX接口，数据线接口为6线接插件，排线输出，使用简单，一般情况下只需用到三根输出线，第一脚接3.5～5.5V的直流正电源，第五脚是电源地，第二脚是GPS的输出线，它是TTL电平的串口信号，高电平大于2.4V，低电平小于0.4V，输出驱动能力为2mA，可以直接和单片机接口。如果只使用默认设置，单片机只从该模块读取数据即可。
关键词： AT89S51; 串口通信; 分布式温度控制; 电路设计
中图分类号： TN919?34; V211.74 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0073?04
Design and implementation of temperature control system based on MCU
CHEN Yong?lu ， ZHANG Li
（Chinese Fight Test Establishment，Xi’an 710089， China）
Abstract： According to the temperature regulation and control requirements in current chemical， medical， aviation， aerospace and other high?tech fields， a set of distributed temperature control and acquisition system was designed. The specific hardware circuit design and software implementation methods are given. A digital temperature sensor is used to collect temperature. Compared with the traditional temperature measurement device， it has more simple structure， higher temperature measurement precision， wider application rang， etc. In combination with AT89S51 and PC communication mechanism， the serial communication based on multi?thread technology is adopted to extend the functions of serial communication with PC and remote monitoring， and achieve the real?time temperature automatic monitoring， automatic adjustment and intelligent alarm in object region. Experimental results show that the system has the characteristics of low cost， convenient application and extension， which can be widely used in people's daily life， industry， agriculture and scientific research， and can provide a reference for the extensive application.
Key words： AT89S51; series?port communication; distributed temperature control; circuit design
0 引 言
在工业控制过程中，例如航空、航天、石油等领域对温度有着较高的要求。在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场依据实际需要进行较精确的控制，是当前温控系统需要迫切关注并给予解决的重要问题之一。本文研究的传感器结合单片机嵌入式控制、采集一体化技术，具有能耗低、便携、高精度的特点，克服了传统温度检测系统的校准复杂、精度低等缺点，能够实现多通道、高精度以及大容量的要求。
1 系统工作原理及架构
温度控制与采集系统主要是针对制定区域或空间进行温度实时的监测，实时地采集记录温度信息，并实现对温度的自动化智能控制、调节，以确保温度一直保持在预计的范围内。系统设计模块包括温控范围的设定模块、温度检测模块、加温控制模块、温度信息采集模块、记录模块、温度信息显示模块及超温报警模块。系统设计架构图见图1所示。
由图1可知，被控对象区域的温度可通过一线制数字温度传感器感应获得，再由AT89S51单片机将数字温度传感器输出的电压信号通过串口传送至便携式计算机，便携式计算机上位机软件将电压信号转换为温度信号，打上时间标记，实时显示并存储。同时，上位机软件依据设定的温度范围及控制算法，自动判断当前被控对象区域温度是否在预计的温控范围内，通过串口向AT89S51单片机发送控制指令，单片机依据控制指令自动调节继电器控制指令，以决定是否通过加热炉对被控对象区域加温，最终实现对被控对象区域温度的全自动闭环控制。若被控对象区域温度在规定的时间段内没有达到预计温度，则上位机软件会自动向AT89S51单片机发送告警指令，由单片机控制蜂鸣器实现报警功能[1]。
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图1 系统设计架构图
2 硬件电路设计
2.1 串口通信电路设计
AT89S51单片机具有串口RXD和TXD，而PC机上也具有RXD和TXD两个端口。通过串口通信可实现单片机与PC机之间的控制和采集功能。由于单片机的TTL逻辑中的2～5 V和0～0.8 V与PC机的RS 232标准定义的高低电平-3～-25 V和3～25 V不匹配，需通过MAX232接口芯片实现二者之间的通信链路连接[2]。单片机与PC机串口通信电路设计原理图见图2所示。AT89S51单片机的TXD与
MAX232的第2组电平转换器的输入端T2IN（10管脚）相连，
经过MAX232转换后，输出端T2OUT（7管脚）输出的信号进入计算机串口的RXD。同样地，计算机串口的TXD与MAX232的R2IN（8管脚）相连，经过电平转换后，由R2OUT（9管脚）输出到单片机的RXD上。
2.2 温度信号调理电路设计
温度信号调理电路主要是根据K型热电偶的特点进行设计的。由于K型热电偶使用温度范围为使用温度范围为-200～1 200 ℃，其输出电压信号为mV级，因此，信号调理电路包括信号放大电路、滤波电路以及冷端补偿电路。针对热电偶测试的冷端补偿，本文采用软件补偿的方式。
温度信号调理电路原理图如图3所示。
3 系统软件设计
3.1 单片机软件设计
单片机的主要功能（数据采集、通信、控制）分别在不同的程序模块中实现，依据实现功能，单片机的软件设计可分为采集控制模块和串口通信模块。
根据测控系统的特点，针对进行调理、A/D转换后送来的温度信号，在单片机主程序中采取查询法进行循环采集。在程序编写过程中，针对温度信号，结合K型热电偶的温度范围，采用上、下限判断的方法进行二次软件滤波，消除干扰，确保数据采集的可靠性及真实性。同时，判断串口通信模块送来的加温控制信号，实时通过继电器控制加热炉工作，以确保被控区域温度在规定的范围内。
图2 串口通信电路设计原理图
串口通信模块主要是与上位机进行数据及控制命令的通信传输。上位机每隔50 ms发一个命令字，要求单片机上传数据。当要修改温度控制范围等参数时，上位机先发一个命令字，再发数据，串口通信模块根据命令字和数据首先判断修改的温度范围数据是否合理，如果数据错误，则向上位机反馈错误信息，如果合理，则完成相应的控制采集操作。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼29t3.tif>
图3 温度信号调理电路设计原理图
单片机软件设计流程图见图4所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼29t4.tif>
图4 单片机软件设计流程图
3.2 上位机软件设计
根据系统设计的功能，上位机软件主要包括串口通信模块、数据存储模块、实时数据显示模块及信号控制模块。系统采用VC++ 6.0平台编写，采用了多线程技术，在软件界面运行的同时开启串口通信、数据存储工作线程，代码如下：
void Start（）
{
CWinThread* pThread;
//开启串口通信、数据存储线程
pThread = AfxBeginThread（Thread， this）;
}
//串口通信、数据存储线程
UINT Thread（）
{
//采用分时工作方式
ThreadFun1（）; //串口通信函数
ThreadFun2（）; //数据存储函数
return 0;
}
3.2.1 串口通信模块设计
数据通信程序使用PC机Com1口与单片机通信，在Visual C++6.0中利用Windows API接口函数编程实现[3]。根据通信协议，上位机软件使用WriteFile（）函数将控制命令传送给单片机，单片机在后续进行循环采集、发送，将数据送至PC机串口缓冲区，上位机软件以缓冲区中有数据到来为判断条件，采用中断方式，使用ReadFile（）函数，实时将缓冲区中的数据取出，进而进行实时保存及显示。同时，串口通信模块循环监测信号控制模块送来的控制命令，以确保实时将控制命令传送至单片机。
3.2.2 数据存储模块设计
数据存储模块主要是使用SQL数据库数据库实现，将从串口缓冲区中获取的数据实时保存至数据库中。主要使用VC++中的ADO Data控件和DataGrid控件实现与数据库的连接及数据的调阅显示，同时需要配置ODBC数据源，以确保数据库连接成功[4]。ADO Data控件主要用来连接和配置数据源，DataGrid控件用于调阅、查看数据库中的数据信息。
3.2.3 实时数据显示模块设计
实时数据显示模块主要是用于实时监测温度信息，以便工程人员实时掌握被控区域的温度变化趋势，根据实际情况需要实时进行温度调整或分析。实时数据显示程序设计界面见图5所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼29t5.tif>
图5 实时数据显示程序界面
3.2.4 信号控制模块设计
信号控制模块设计主要是在显示界面上设置温度控制的上、下限和极限报警时间。当被控区域的温度超出下限时，由信号控制模块自动通过串口通信模块向单片机发送加温控制信号，以控制加温炉向被控区域加温，同时实时监测由串口通信模块接收到的温度信息，当温度达到预定值时，再次通过串口通信模块向单片机发送控制信号，停止向被控区域加温。当被控区域的温度长时间超出预定的温度上、下限时，信号控制模块向单片机发送报警控制信号，以供工程技术人员进行现场检查和确认。信号控制模块的设计流程图见图6所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼29t6.tif>
图6 信号控制模块设计流程图
4 结 语
本文设计的温度控制与采集系统可实现对被控区域温度的有效实时监测，能够根据预定的温度上、下限范围实现温度的自动化调节、控制，并能够对温度信息进行存储和二次处理分析。该系统具有研制成本低、精度高、可靠性强、操作灵活、可扩展性强的特点，可以广泛应用于工业控制领域。
参考文献
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2版.武汉：华中科技大学出版社，2006.
[2] 蒋辉平，周国雄.单片机原理与应用设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[3] 李景峰，潘恒.Visual C++串口通信技术详解[M].2版.北京：机械工业出版社，2013.
[4] 明日科技. SQL Server从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.
关键词：机电一体化 教学 仿真 PROTEUS
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）08（a）-0135-02
“机电一体化技术”课程是机械制造及其自动化和机械电子工程等专业的一门专业必修课，因此，学好该课程能为学生毕业后择业打下良好基础。而该课程的微机控制部分和检测部分是以单片微机（MCU）接口技术为核心的实践性很强的学习环节，因此，本课程需重点强化人机、机电、计测等环节的实践教学内容，结合仿真软件能够使学生充分掌握单片微机接口系统的电路设计和仿真方法，是提高机电专业教学质量和培养机电工程开发型人才的一个重要内容。
1 课程教学环节中存在的问题
目前，涉及“机电一体化技术”课程中微机接口控制方面的核心教学环节是接口电路设计与程序设计，微机控制系统设计内容贯穿于课堂教学、课程实验、课程设计及毕业设计等教学环节中。而在这几个方面都不同程度存在一些问题。
1.1 课堂理论教学
在课堂教学中，主要介绍微机系统中的片内资源及典型接口电路。传统教学中，机电专业学生一开始接触这些知识点时，知识体系抽象，学习起来不好理解、费力，而且单片微机内部资源的应用、接口和程序运行过程等没有有效直观的展示和表现，仍然停留在云里雾里的阶段，甚至有些学生在学习完该内容后，还不知道各类中断服务程序是如何被执行，其主要原因是缺乏有效的演示方法。
1.2 课程实验与课程设计
在课程实验和课程设计中实践环节，大多数学校都会采用单片机实验箱（台）来完成实验内容，并且主要完成一些验证性实验，实验过程单一，主要的硬件连接以及主程序都是现成的，学生要完成的任务就是：上电后做一些简单连线，下载固件程序，记录实现结果。学生完成若干实验后，对电路实验中所使用的硬件电路，芯片间的关系以及程序流程内容并不怎么了解，并没深入掌握其本质内容，所以当学生初次接触实验箱（台）时，一旦接错线或电路出现问题时，非常容易造成实验设备的损坏。另外，在使用单片机实验箱（台）时，一旦出现不能远行的实验问题，原因查找更为困难。由于实验箱（台）系统比较复杂，维护也很困难，难以对损坏的部件维修，只能更换设备，会带来费用上的增加。
1.3 毕业设计
常规的毕业设计流程是：对机电系统进行总体规划和设计，并按照自己的设计方向（如机械结构部分、电控系统部分、系统控制软件部分）细化设计内容。对于电控系统设计方向题目，一般根据机电系统的各个功能模块，首先设计出整体理论电路原理图，并以该电路为参考，购买元器件；其次，按照电路原理图在面包板上进行电路搭建，最后，把写好的程序用编程器下载到单片微机实验板上运行调试。在实际操作过程中，由于学生电路设计和实践经验很少，会出现各种各样的问题，如电路设计的缺陷、电路搭建过程中出现的漏焊、错焊以及元器件的故障问题，都会给设计过程带来很大的麻烦，因此，有必要寻找一种简单有效的工具来解决这些问题，PROTEUS仿真软件的出现能够为毕业设计过程带来有效的帮助。
2 PROTEUS仿真软件
伴随着计算机软、硬件技术的发展，各种仿真系统为实际应用系统的设计与开发提供了有力的保证，极大的节约了人力和物力。在以往的MCS51系列、PIC系列、ARM系列单片微机学习、单片微机系统的设计开发中，常用的软件主要有Keil C51、Wave 等相应的专用开发软件。对于Keil C51软件来说，主要是进行MCS51单片微机控制软件的编译调试，Wave可以进行软件仿真，也可以在系统板上调试，并需要有相应的仿真器而且需要先设计出系统目标板才行。而能仿真微处理器的软件PROTEUS，是目前能够很好的进行单片微机及器件仿真的工具。
PROTEUS仿真软件的功能特点如下：
（1）符合单片微机软件仿真系统的标准，可以仿真的单片微机包括目前常见的MCS51系列、MicroChip PIC系列、AVR系列和ARM7等。并支持微机系统开发过程中所使用的大量存储器件和和接口芯片。
（2）仿真基于PROTEUS，能进行模拟电路分析、数字电路仿真、混合信号分析及频率信号分析等电路分析。
（3）提供虚拟示波器、逻辑分析仪、信号发生器、计数器、电表及虚拟终端等虚拟仪器仪表供选用，方便对仿真电路的虚拟测试分析。
（4）利用该软件还可以方便的进行电路原理图（SCH）的绘制和印刷电路板（PCB）的设计。
（5）PROTEUS能和Keil C51无缝集成，实现直接联调，在程序设计的过程中将程序虚拟下载到仿真电路中进行运行状态的测试和结果分析。
3 PROTEUS在单片微机教学中的应用[2]
3.1 仿真工具在机电一体化课程微机控制教学环节的意义
针对以往教学环节中的各类问题，仿真工具为实践教学提供了一个有效的辅助手段。借助PROTEUS可以对MCU和其电路进行有效的功能及过程仿真，并带有丰富的资源库，学生可以实现更多的实验项目，改变传统实验项目的局限性。并且PROTEUS能够替代硬件实验板和仿真器实现“软硬件联机”调试，到仿真结果与预期设计结果一致时，便可以购置硬件，进行硬件电路搭建调试。采用这种设计和开发方式效率高，控制电路调整便捷，不需要购置额外大量的实验材料，就能够完成前期大量的预实验过程和测试过程，可以极大的拓展学生的设计创新能力。
3.2 PROTEUS虚拟实验室引入机电课程的课堂教学
在机电一体化技术课程的接口设计环节中：
第一，应先采用PROTEUS进行实例演示，增强教学生动性和直观性。教师可以提前制作好一些典型的应用系统，如流水灯电路（对应户外建筑物的霓虹灯控制电路）、交通信号灯控制电路及户外LED显示屏控制电路、LCD显示电路（对应各类智能仪器仪表中的显示控制电路）、步进电机控制电路等，并进行现场实验演示。让学生对微机及接口系统有一个直观认识，明白局部系统和完整的控制系统的含义，清楚微机在机电系统中的作用和应用情况。
第二，利用PROTEUS快速明确微机系统中的基本概念，并掌握微机系统控制体系的难点，例如：MCS51系列单片微机中的P3口作为准双向口的概念，如何应用是较难掌握的一个问题；中断如何产生并进行终端响应的概念；八段LED显示器的位选和线选如何区别；串行通信如何实现等接口设计过程中的重点和难点，均可借助PROTEUS进行演示，并且在演示过程中，可以用不同（红蓝）颜色显示芯片引脚状态变化的功能，可以通过单步调试的方法观察微机接口各引脚电平变化情况，通过改变程序内容或指令，观察运行效果，从而掌握各程序语句含义，最终实现学生的有效快速掌握。
第三，实验过程中也可借助信号发生器、波形发生器、虚拟示波器、虚拟分析仪、发光管、电压电流表、LCD与LED显示器、虚拟串口、虚拟计数器对实验进行控制信号的输入、运行过程中的实时检测和状态显示，很直观判断和了解不同电路的作用。
第四，在机电一体化课程接口设计的实验环节，借助PROTEUS仿真软件提供的丰富仿真器件资源，打破学生每次实验时只能用到实验箱（台）的固定模块、实验项目简单、实验过程单调且实验内容少的局面，使学生深入了解接口电路的硬件原理及设计步骤，创造了更多的分析问题、解决问题的机会，提高了学生做实验的兴趣，并且学生的机电一体化系统控制系统设计能力得到很好的锻炼。
3.3 机电专业学生的课程设计和毕业设计环节综合能力提升
学生的课程设计环节，学生应根据实验室现有硬件实验条件，利用PROTEUS进行电路原理图的设计与仿真，并在相应的硬件电路上进行进一步实验，仿真程序在现有实验环境下运行，验证实物效果；借助此环节，系统和熟练掌握PROTEUS各个功能。在进行毕业设计时，导师可以让学生根据毕业设计题目，规划和设计机电系统或微机控制的总体结构，在师生之间共同讨论方案可行性之后，由学生进行后期的详细设计，这将最大限度的培养学生的自主创新意识。在详细设计环节，学生采用PROTEUS进行电路原理图设计，编制测试程序、系统控制程序并调试，等各项仿真目标实现后再购置器件进行电路焊接和系统调试。采用这种形式可以降低因方案不正确或电路搭接错误而造成硬件投入，提高学生实验能力和开发能力。
4 结语
将PROTEUS软件引入机电一体化技术课程的各个实践教学环节中，提高了学生的实验兴趣和创新能力，提高了教学效率，对学生实践能力的培养具有现实意义。而且由于其仿真过程直观，操作灵活，必将收到良好的教学效果，为机电一体化技术接口设计教学环节提供了良好的实验平台。
参考文献
[1] 代启化.基于PROTEUS的电路设计与仿真[J].现代电子技术，2006，234（19）：82-84.
