《單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用》教學大綱

《單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用》教學大綱課程代碼：01140471課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學分：3.0學分學時：48學時（理論32學時、實驗16學時）先修課程：機械工程測試技術(shù)、機械控制工程等后續(xù)課程：機電綜合創(chuàng)新設(shè)計適用專業(yè)：機械電子工程開課單位：機械工程學院一、課程說明《單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用》是機械電子工程專業(yè)本科學生的專業(yè)必修課程。本課程內(nèi)容兼顧硬件和軟件兩個方面。該課程主要傳授單片機基本硬件結(jié)構(gòu)與工作原理、軟硬件資源配置和單片機應用系統(tǒng)開發(fā)等基本知識；通過理論和實驗教學結(jié)合，選擇生活中常見的工程項目為案例，使學生將程序設(shè)計、硬件電路設(shè)計及單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計應用與實際機電產(chǎn)品聯(lián)系起來，為學生畢業(yè)后從事控制工程的計算機檢測與控制、智能儀表、運動控制等相關(guān)工作打下比較扎實的理論與實踐基礎(chǔ)。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：理解單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用在系統(tǒng)中的作用和相互關(guān)系，掌握仿真工具的使用及程序下載方法；分析設(shè)計小型的單片機測控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和功能，能夠按照控制系統(tǒng)需求給出嵌入式控制系統(tǒng)的解決方案和評價。課程目標2：掌握單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用，針對特定需求的復雜機電裝備，能夠構(gòu)思合理的嵌入式控制系統(tǒng)解決方案，合理分配單片機軟硬件資源，設(shè)計開發(fā)實現(xiàn)特定功能的嵌入式控制系統(tǒng)，具備解決實際工程問題能力。課程目標3：掌握Keil編程及Proteus仿真工具，完成控制原理圖的設(shè)計，搭建復雜嵌入式系統(tǒng)的虛擬仿真模型，實現(xiàn)Keil與Proteus聯(lián)合仿真，分析仿真數(shù)據(jù)，驗證系統(tǒng)功能，進一步提高解決復雜工程中嵌入式系統(tǒng)問題的分析及設(shè)計能力。三、課程目標與畢業(yè)要求《單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用》課程教學目標對機械電子工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識：能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和機械電子類等專業(yè)知識用于分析解決機電工程領(lǐng)域的復雜工程問題。1.3能夠?qū)C電工程基礎(chǔ)知識用于分析機械電子相關(guān)復雜工程問題并提出解決方案。課程目標1：理解單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用在系統(tǒng)中的作用和相互關(guān)系，掌握仿真工具的使用及程序下載方法；分析設(shè)計小型的單片機測控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和功能，能夠按照控制系統(tǒng)需求制定嵌入式控制系統(tǒng)的解決方案和評價。H3.設(shè)計/開發(fā)解決方案：能夠設(shè)計針對機電工程領(lǐng)域復雜工程問題的解決方案，設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)與單元（部件），并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。3.1掌握機電工程設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)的基本方法和技術(shù)，能夠根據(jù)需求確定設(shè)計目標，并研究確定技術(shù)方案。課程目標2：掌握單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用，針對特定需求的復雜機電裝備，能夠構(gòu)思合理的嵌入式控制系統(tǒng)解決方案，合理分配單片機軟硬件資源，設(shè)計開發(fā)實現(xiàn)特定功能的嵌入式控制系統(tǒng)，具備解決實際工程問題能力。M5.使用現(xiàn)代工具：能夠針對機電工程領(lǐng)域復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。5.2能夠選擇和使用恰當?shù)膬x器、信息資源，工程工具和專業(yè)模擬軟件等，用于機電工程領(lǐng)域復雜工程問題的分析、計算與設(shè)計。課程目標3：掌握Keil編程及Proteus仿真工具，完成控制原理圖的設(shè)計，搭建復雜嵌入式系統(tǒng)的虛擬仿真模型，實現(xiàn)Keil與Proteus聯(lián)合仿真，分析仿真數(shù)據(jù)，驗證系統(tǒng)功能，進一步提高解決復雜工程中嵌入式系統(tǒng)問題的分析及設(shè)計能力。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學內(nèi)容、基本要求與學時分配1.理論部分理論部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內(nèi)容、基本要求與學時分配教學內(nèi)容教學要求，教學重點難點理論學時實驗學時對應的課程目標單片機概述1.1單片機的發(fā)展歷程及應用領(lǐng)域；1.2單片機的特點、應用及發(fā)展趨勢。教學要求：單片機的發(fā)展歷程及應用領(lǐng)域；掌握單片機的特點、應用及發(fā)展趨勢。重點:單片機的特點、應用及發(fā)展趨勢。難點:單片機的特點、應用及發(fā)展趨勢。21、3AT89C52單片機的片內(nèi)硬件構(gòu)成2.1AT89C52單片機的硬件組成；2.2AT89C52單片機的引腳功能。2.3AT89C52單片機的CPU2.4AT89C52單片機的存儲器結(jié)構(gòu)2.5AT89C52單片機的并行I/O端口2.6時鐘電路與時序2.7復位操作和復位電路2.8AT89C52單片機的最小應用系統(tǒng)2.9看門狗功能簡介2.10低功耗節(jié)電模式教學要求：了解AT89C52單片機的硬件組成；掌握AT89C52單片機的引腳功能；掌握AT89C52單片機的存儲器結(jié)構(gòu)及I/O端口；掌握時鐘電路、復位電路及操作；掌握AT89C52單片機的最小應用系統(tǒng)；了解看門狗功能；掌握低功耗節(jié)電模式的應用。重點:AT89C52單片機的引腳功能、單片機的存儲器結(jié)構(gòu)及I/O端口、時鐘電路和復位電路及操作、AT89C52單片機的最小應用系統(tǒng)、低功耗節(jié)電模式。難點:AT89C52單片機的引腳功能、單片機的存儲器結(jié)構(gòu)及I/O端口、AT89C52單片機的最小應用系統(tǒng)。801、3C51編程基礎(chǔ)及Proteus仿真軟件簡介3.1C51程序設(shè)計基礎(chǔ)及函數(shù)3.2KeilC51簡介3.3Proteus虛擬仿真平臺簡介3.4Proteus與Keil的聯(lián)調(diào)教學要求：了解C51程序設(shè)計基礎(chǔ)；掌握C51與C語言函數(shù)的不同之處；掌握KeilC51編程、調(diào)試及生成HEX二進制文件方法；掌握Proteus虛擬仿真平臺的操作；掌握Proteus與Keil的聯(lián)調(diào)操作。重點:C51與C語言函數(shù)的不同之處、KeilC51編程調(diào)試及生成HEX二進制文件方法、Proteus虛擬仿真平臺的操作、Proteus與Keil的聯(lián)調(diào)操作。難點:KeilC51編程調(diào)試及生成HEX二進制文件方法、Proteus與Keil的聯(lián)調(diào)操作。022、3單片機與顯示器件、開關(guān)及鍵盤接口設(shè)計4.1單片機控制發(fā)光二極管的顯示4.2開關(guān)狀態(tài)檢測4.3單片機控制LED數(shù)碼管的顯示4.4單片機控制LED點陣顯示器的顯示4.5單片機控制LCD1602液晶顯示模塊的顯示4.6鍵盤接口設(shè)計教學要求：掌握單片機控制發(fā)光二極管的顯示；掌握開關(guān)狀態(tài)檢測；掌握單片機控制LED數(shù)碼管的顯示；掌握單片機控制LED點陣顯示器的顯示；掌握單片機控制LCD1602液晶顯示模塊的顯示；掌握鍵盤接口設(shè)計。重點:單片機控制發(fā)光二極管的顯示、開關(guān)狀態(tài)檢測、單片機控制LED數(shù)碼管的顯示、單片機控制LED點陣顯示器的顯示、單片機控制LCD1602液晶顯示模塊的顯示、鍵盤接口設(shè)計。難點:開單片機控制LED數(shù)碼管的顯示、單片機控制LCD1602液晶顯示模塊的顯示、鍵盤接口設(shè)計。682、3AT89S52單片機的中斷系統(tǒng)5.1單片機中斷概述5.2AT89S52單片機的中斷系統(tǒng)5.3中斷允許與中斷優(yōu)先級的控制5.4響應中斷請求的條件5.5外部中斷的響應時間5.6外部中斷的出發(fā)方式選擇5.7中斷請求的撤銷5.8中斷系統(tǒng)應用設(shè)計案例。教學要求：掌握單片機中斷的概念；掌握AT89S52單片機的中斷系統(tǒng)機制；掌握單片機中斷允許與中斷優(yōu)先級的控制；掌握響應中斷請求的條件；掌握外部中斷的響應時間；掌握外部中斷的出發(fā)方式選擇；掌握中斷請求的撤銷；了解中斷系統(tǒng)應用設(shè)計案例。重點:單片機中斷的概念、AT89S52單片機的中斷系統(tǒng)機制、單片機中斷允許與中斷優(yōu)先級的控制、響應中斷請求的條件、外部中斷的響應時間、外部中斷的出發(fā)方式選擇、中斷請求的撤銷。難點:AT89S52單片機的中斷系統(tǒng)機制、單片機中斷允許與中斷優(yōu)先級的控制。821、2、3AT89S52單片機的定時器/計數(shù)器6.1定時器/計數(shù)器T0與T1的結(jié)構(gòu)6.2定時器/計數(shù)器T0與T1四種工作方式6.3計數(shù)器模式對外部輸入的計算信號要求6.4定時器/計數(shù)器T0與T1的編程應用6.5定時器/計數(shù)器T2的結(jié)構(gòu)與工作方式教學要求：了解定時器/計數(shù)器T0與T1的結(jié)構(gòu)；掌握定時器/計數(shù)器T0與T1四種工作方式；掌握計數(shù)器模式對外部輸入的計算信號要求；掌握定時器/計數(shù)器T0與T1的編程應用；掌握定時器/計數(shù)器T2的結(jié)構(gòu)與工作方式。重點:定時器/計數(shù)器T0與T1四種工作方式、中斷請求的撤銷。難點:AT89S52單片機的中斷系統(tǒng)機制、定時器/計數(shù)器T0與T1的編程應用。641、2、3串行口的工作原理與應用7.1串行口通信基礎(chǔ)7.2串行口的結(jié)構(gòu)7.3串行口的4中工作方式7.4多機通信7.5波特率的制定方法7.6串行口應用設(shè)計案例教學要求：了解單片機串行口通信的概念；掌握AT89S52單片機串行口的結(jié)構(gòu)；掌握單片機串行口的4中工作方式；掌握單片機多機通信；掌握波特率的制定方法；了解串行口應用設(shè)計案例；掌握串行口通訊方法及操作。重點:單片機中斷的概念、AT89S52單片機的中斷系統(tǒng)機制、單片機中斷允許與中斷優(yōu)先級的控制、響應中斷請求的條件、外部中斷的響應時間、外部中斷的出發(fā)方式選擇、中斷請求的撤銷。難點:AT89S52單片機的中斷系統(tǒng)機制、單片機中斷允許與中斷優(yōu)先級的控制。601、2、3合計32162.實驗部分實驗部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學時對應的課程目標KeilC51、Proteus聯(lián)合仿真及下載程序掌握KeilC51編程方法及Proteus仿真；掌握KeilC51與Proteus聯(lián)合仿真；掌握Hex文件的生成及下載方法。21、2、3LED指示燈閃爍及流水燈控制了解LED燈的工作原理；掌握點亮與熄滅LED燈編程要領(lǐng)；掌握流水燈的仿真及實際物理模型的演示過程。21、2、3數(shù)碼管的顯示掌握數(shù)碼管靜態(tài)和動態(tài)顯示的原理及硬件連接；掌握數(shù)碼管靜態(tài)和動態(tài)顯示編程要領(lǐng)；掌握數(shù)碼管靜態(tài)和動態(tài)顯示的仿真及實際物理模型的演示過程。21、2、3單片機控制LED點陣顯示器及LCD1602液晶顯示模塊的顯示掌握LED點陣及LCD1602工作原理；掌握LED點陣及LCD1602顯示編程方法；實現(xiàn)在LED及LCD1602顯示器上顯示特定字符。21、2、3鍵盤接口設(shè)計掌握鍵盤的結(jié)構(gòu)特點；掌握掃描程序的編寫方法。21、2、3外部中斷的應用掌握中斷原理及應用場合；掌握單中斷、多中斷的編程方法；掌握中斷嵌套的編程要領(lǐng)及應用。21、2、3定時器的應用掌握定時器的工作原理及工作模式；掌握定時器的初值設(shè)定和編程方法；利用定時器實現(xiàn)方波信號輸出的仿真及實際物理模型的演示過程。21、2、3計數(shù)器的應用掌握計數(shù)器的工作原理及工作模式；掌握計數(shù)器的初值設(shè)定和編程方法；利用數(shù)碼管實現(xiàn)秒表的仿真及實際物理模型的演示過程。21、2、3合計16五、教學方法及手段《單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用》課程具有理論性、工程性、實驗性相結(jié)合的特點，教學手段和方法要盡量呈現(xiàn)多元化。本課程以課堂講授為主，采用啟發(fā)式、討論式、問題導向、和案例教學等多種教學方式，促進學生積極思考，開發(fā)學生的潛能，培養(yǎng)學生思考問題、分析問題和解決問題的能力；以“少而精”為原則，精選教學內(nèi)容，精講多練；安排習題課，鞏固課堂所學知識；通過對典型微機的技術(shù)原理和設(shè)計方法的學習，使學生學會設(shè)計常見得微機控制系統(tǒng)，并能夠?qū)碗s微機控制系統(tǒng)的設(shè)計提出合理的設(shè)計思路和解決方案。實驗教學環(huán)節(jié)中，通過啟發(fā)式教學、討論式教學，培養(yǎng)學生設(shè)計微機控制系統(tǒng)的基本理論、基本知識和基本技能，培養(yǎng)學生自主學習能力、實際動手能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。采用教師講授和學生動手操作的方法；在實驗前學生應復習和掌握與實驗項目有關(guān)的教學內(nèi)容、認真閱讀實驗指導書；實驗要求5-6人一組，按要求獨立完成規(guī)定的實驗項目。有解決簡單控制線路故障的能力；在實驗過程中要嚴格遵守紀律，按操作規(guī)程使用儀器；實驗結(jié)束后，按規(guī)定對儀器進行維護保養(yǎng)；每完成一項實驗，要認真完成一份實驗報告。六、課程資源1.推薦教材：（1）張毅剛.單片機原理及接口技術(shù)（C51編程）[M].人民郵電出版社.2020．2.參考書：（1）王賢辰.單片機應用技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社.2015（2）蘭建軍.單片機原理、應用與Proteus仿真[M].機械工業(yè)出版社.2014（3）余發(fā)山.單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用[M].煤炭工業(yè)出版社出版.2020.（4）李精華.單片機與嵌入式系統(tǒng)原理及應用[M].電子工業(yè)出版社出版.2020.3.期刊：（1）機電一體化，上海科技文獻出版社.（2）機電工程，浙江省機電集團有限公司、浙江大學.（3）MECHANICALENGINEERING，中國機械工業(yè)學會.（4）機器人，中國自動化學會、中國科學院沈陽自動化研究所.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）機電之家：/（2）電子發(fā)燒友：/（3）愛課程網(wǎng)：/course/CSMZXY-1001602001（4）外文文獻：/doi/10.1145/3568739.3568797七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關(guān)系見表3。表3課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂測試10（1）根據(jù)課堂測試情況進行考核，滿分100分。（2）每次課堂測試單獨評分，取各次課堂測試成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以課堂測試成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?33實驗成績40（1）根據(jù)每次實驗操作完成情況單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗操作單獨評分，取各次課堂測試成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗操作成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?01010期末作業(yè)50（1）主要考核學生對項目知識點的復習、理解和掌握程度，滿分100分；（2）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。1064合計：100分443927八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂測試、實驗成績、期末作業(yè)等方式對學生進行考核評價。考核基本要求：考核總成績由課堂測試（占比10%）、實驗成績（占比40%）、期末作業(yè)（占比50%）等過程性考核成績（滿分100