摘要：针对单片机原理及应用课程具有实践性、应用性强的特点，因此实验项目的开设直接影响整个课程的教学质量，为增强学生的开发设计与实际动手能力、改善教学效果，课程教学采用“理实一体化”教学，实现理论与实践的紧密结合。实验项目采用递进式模式，即知识应用由浅入深、层层推进，硬件功能模块化、实验内容层次化。采用“树形结构”设计实验项目，使开设的基础实验、综合实验和设计实验层次关系更加明晰。实验过程采用虚拟仿真与实物制作相结合，课堂练习与课后制作相结合，线上与线下学习相结合。以全自动连续捕鼠器设计为实验案例，采用项目驱动方式教学，学生学习兴趣高，教学效果良好。
关键词：实验设计;理实一体化;递进式教学模式;树形结构;捕鼠器
单片机原理及应用是电子电气类专业的一门专业技术课程，具有实践性、应用性强的特点，其实验项目的开设直接影响整个课程的教学质量。在近几年的教学中，针对单片机原理及应用在实验教学的教学模式、实验项目设计、教学实施过程等方面进行了不断探索。“项目驱动、以课促赛”以全自动连续捕鼠器设计为实验案例，通过近年的实践证明，其教学效果良好。
1单片机课程实验项目设计总体思路
单片机原理及应用课程实验教学目标是理论与实践相结合，实现学生知识掌握的延伸性，培养学生的设计能力与创新能力［1］。教学方式采用“理实一体化”教学，即学中做、做中学［2］。实验教学模式采用递进式教学模式，即实验教学重点与难点“循序渐进、由浅入深、层层推进”，并且硬件功能模块化、实验内容层次化，基础实验、综合实验和设计实验前后衔接、融会贯通［3］。教学实施方法采用虚拟仿真与实物制作相结合，课堂练习与课后制作相结合，线上与线下学习相结合［4］。实验项目的设计采用“树形结构图”进行设计，将基础实验构想为树干，综合实验构想为树技，设计实验构想为树叶，设计实验根据实际需要不定期进行更新，起到以课促赛的作用。单片机原理及应用课程一共设计了33个实验项目，其中基础实验19个，综合实验8个，设计实验6个，单片机实验项目树形设计图如图1所示。以下以全自动连续捕鼠器设计作为一个实验案例进行介绍，要完成这个设计型实验还需要完成三个基础实验，分别是七段数码管的静态、动态显示实验和外部中断的控制实验。因此在实验教学中往往不独立开设计基础实验，而将相应的基础实验嵌入到设计实验或综合实验中。
2实验案例－全自动连续捕鼠器设计
2．1实验内容与任务
以单片机AT98C51为核心，设计一个全自动捕鼠器，能实现可靠连续扑鼠功能，红外传感器检测老鼠位置，驱动步进电机关闸，并移动闸门将老鼠推入容纳箱中，LED数码管显示扑鼠数量以及无线通信向用户手机终端发送扑鼠实时信息。以ULN2003步进电机电机驱动模块驱动步进电机转动关闭闸门，关闭闸门的时间小于0．3s。以HC－SR501热释电红外传感器检测老鼠位置，当老鼠进入鼠笼时发出关闭闸门请求信息。单片机控制短信模块SIM900A向用户手机发送扑鼠信息。用七段数码管显示扑鼠数量。此外，还要完成七段数码管的静态显示、动态显示实验和外部中断的控制三个基础实验。
2．2实验设计思想
实验项目设计思想如图2所示［5］。首先，进行硬件系统设计，整个设计分成三个层次进行，第一步在Proteus平台上完成仿真设计，第二步在自主开发的开发板上进行设计，第三步是制作实物；其次，进行软件系统设计，整个设计也分成三个层次进行，第一步设计程序流程图，第二步编写C51源程序，第三步程序调试；最后，进行系统调试，分析总结，撰写报告。教师对学生的实验开展情况进行考核。
2．3系统总体结构与原理图设计
以AT98C51单片机为核心设计全自动连续捕鼠器，系统总体结构框图如图3所示，以单片机主控制芯片为核心，主要包括红外传感模块、电源模块、振荡模块、复位模块、无线传输模块、电机驱动模块和数码显示模块等。以ULN2003模块作为步进电机驱动模块，驱动步进电机正转或反转，实现闸门的关闭或打开，或实现推板的推动与复原。以HC－SR501热释电红外传感器检测老鼠位置，当老鼠进入鼠箱时发出关闭闸门请求信息。以SIM900A无线短信传输模块在单片机的控制下向用户手机发送扑鼠信息。用七段数码管显示扑鼠数量。
2．4箱体结构设计
精美而可靠的扑鼠箱体设计同样十分重要，外形设计精美使其摆在屋里是一美丽的装饰品，各个机械传动要做到灵活可靠。全自动捕鼠器箱体设计3D图如图4所示。主要包括了闸门、推板、跷跷板、容纳箱、防卡三角结构、磁铁门等几个部分。
2．5基础实验内容及步骤
在完成整个全自动捕鼠器系统设计中，学生要提前完成以下三个基础实验：七段数码管的静态显示、动态显示实验和外部中断的控制实验。以下仅介绍七段数码管的动态显示实验。实验步骤：①在Proteus平台上设计8个七段数码管的动态显示电路；②设计程序流程图；③根据程序流程图编写程序；④调试［6］；⑤将程序下载到实验板上进行调试运行（图5为实验开发板上调试结果图）；⑥实物制作；⑦将程序下载到自制实物上进行调试运行；⑧分析、总结七段数码管动态显示的特点。
2．6全自动连续捕鼠器部分单元电路设计
（1）电源电路设计电源参数如下：单片机采用5V供电，SIM900采用4．8V、2A供电，电机采用5V、1A供电。（2）红外避障传感器设计避障传感器基本原理和循迹传感器原理基本相同，利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，以为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果没有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并发送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调捕鼠器系统，完成需要完成的工作。（3）短信模块短信模块采用SIM900A芯片。当有老鼠被捕获时，捕鼠器会向用户发来实时短信提醒。
2．7系统调试与实验
全自动连续捕鼠器实物图如图6所示。在完成了整个系统实物设计与制作后，分别对电路、跷跷板卡扣、防卡三角结构、防逃跑小磁铁门、收纳箱以及整体运行效果进行了调试和实验。2．8总结并撰写报告学生在撰写实验报告时需要反映以下几方面的工作：明确实验内容与实验目的，确定实验方案并论证，进行电路元件选型与分析，构建原理图，程序设计与优化，仿真实验与调试，实物制作，实物调试，实验结果分析与总结。
3考核内容与方式
1）仿真验收：功能完成情况与完成效率，成绩占比10％，当堂课内验收。2）实物验收：功能与性能指标的完成程度，成绩占比30％，下周课外验收。3）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺，成绩占比20％，下周课外验收。4）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力，成绩占比20％，下周课外验收。5）实验成本：是否充分利用实验室已有条件、材料与元器件选择合理性、性价比，成绩占比10％，下周课外验收。6）实验报告：实验报告的规范性与完整性，成绩占比100％，下周课外验收。
4结束语
实验项目设计为树形结构，使设计的33个实验项目前后衔接、融会贯通、层次清晰。实施方法采用了虚拟仿真与实物制作相结合，课堂练习与课后制作相结合，学生主动性与积极性得到有效调动。学习形式采用了线上与线下相结合，“以课促赛”，学生对知识的掌握实现了延伸性，实现了理论与实践有机结合，学生的实践动手能力、设计能力与创新能力得到明显提升。
参考文献
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［8］李宗平，王少坤，张宁，等．基于单片机的恒流源设计和实验［J］．实验室研究与探索，2017，36（1）：49－53
作者:包宋建 杨守良 单位:重庆文理学院电子电气工程学院
