《单片机应用技术》-项目四 任务4.2：I2C总线与EEPROM（24C02）读写操作

《单片机应用技术》教案《单片机应用技术》教案项目四任务4.2I2C总线与EEPROM（24C02）读写操作【授课信息】授课内容I2C总线与EEPROM（24C02）读写操作授课时数4学时授课班级授课人数人授课地点授课时间【教学内容】本节课为“项目四交互通信与中断系统”中的拓展任务——“I2C总线与EEPROM（24C02）读写操作”。教学内容以串行EEPROM芯片AT24C02为载体，深入讲解I2C总线协议的基本原理、硬件结构、时序要求，以及通过I2C总线对24C02进行读写操作的具体方法。AT24C02概述：学习AT24C02的特点、引脚功能以及芯片寻址方式I2C总线介绍：理解I2C总线的概念、硬件结构、主从通信方式，以及I2C总线的时序要素——起始信号、停止信号、数据有效性、应答信号。AT24C02操作时序：掌握单字节写入、页写入、指定地址读、指定地址连续读四种操作的时序格式，理解每个步骤中主机和从机的角色及信号交互。【学情分析】知识与技能基础1.学生已完成项目四任务4的学习，掌握了串行通信的基本概念，对通信的规则性有一定认识。2.对存储器有初步了解，但未接触过EEPROM这类通过总线访问的器件。3.通过前序课程反馈，学生对时序图的理解能力有待提升，需要从基本信号组合开始引导。认知与实践能力1.具备阅读芯片数据手册的能力，能够查找关键信息。2.能够编写基本的I/O口操作程序，但对“协议”层面的编程缺乏经验。3.对多字节传输、地址自动增量等概念理解较慢，需要分解练习。学习特点优点：1.对存储器类器件有感性认识，愿意了解其工作原理。2.习惯于通过仿真验证程序，对波形图有一定观察能力。不足：1.对时序图中多个信号的配合容易产生混乱，需要分步拆解。2.对“应答信号”的必要性理解不深，容易忽略。【教学目标】素质目标1.通过I2C总线协议的学习，培养学生“遵规守约”的规则意识——通信必须共同遵守约定，才能可靠传输。2.通过I2C总线开放的结构，引导学生建立“开放共享”的思维模式——接口开放、资源共享，才能构建更强大的系统。3.在小组协作模拟I2C通信的过程中，培养沟通协作能力，体会有序协作的价值。知识目标1.能说出AT24C02的存储容量、引脚功能及芯片地址的构成方式。2.能描述I2C总线的硬件结构及主从通信方式。3.能画出I2C总线的起始信号、停止信号、数据有效性、应答信号的时序波形。4.能复述AT24C02单字节写入、页写入、指定地址读、连续读的时序流程。能力目标1.能根据AT24C02的芯片地址和片内地址，正确构造读写操作的寻址字节。2.能编写模拟I2C时序的底层函数。3.能在Proteus中搭建AT24C02与单片机的仿真电路，并编写程序实现单字节的写入与读出验证。4.能通过示波器或逻辑分析仪观察I2C总线波形，分析读写过程的正确性。【教学重难点】教学重点1.I2C总线的硬件结构及信号时序。2.AT24C02的芯片寻址方式及四种读写操作的时序流程。3.模拟I2C时序的编程思想与实现方法。教学难点1.理解I2C总线中“线与”特性及上拉电阻的作用。2.掌握应答信号的产生与检测机制，以及非应答信号在连续读中的作用。3.区分单字节写入与页写入的时序差异，理解页写入时地址自动增量的边界处理。

【课程思政】思政元素遵规守约、开放共享【教学方法】教法规则解构→信号拆解→角色模拟→时序推演→项目实践→价值内化学法规则分析法、时序分解法、角色扮演法、合作实践法、反思迁移法【教学资源】教学环境单片机一体化实训室（配备投影、电脑）、教学平台（如学习通）。软硬件资源教学课件（PPT）、微课视频、任务单、AT24C02数据手册、Proteus工程模板（含24C02模型）、虚拟逻辑分析仪软件、I2C时序卡片、在线测试题。【教学活动安排】教学环节教学内容及步骤教师活动学生活动设计意图规则解构【20min】1.展示生活场景：两个人约定用特定手势传递信息。2.引出I2C总线：它也是一种约定，只需要两根线就能让多个器件通信。1.提问：如果没有这些约定，信息还能准确传递吗？引出“协议”的必要性。2.展示I2C总线应用图，强调“开放共享”的特点。1.思考并回答，体会约定对通信的重要性。2.观察图片，感受两线制的高效。1.运用规则分析法，从生活类比过渡到技术协议。2.对接思政。信号拆解

【20min】1.讲解I2C硬件结构：SDA/SCL线、上拉电阻、线与特性。2.分步讲解四种基本信号：起始信号：SCL高时SDA下降沿。停止信号：SCL高时SDA上升沿。数据有效：SCL高时SDA必须稳定，SCL低时SDA可变化。应答信号：第9个时钟，从机拉低SDA表示收到。1.用动画演示线与逻辑，说明空闲状态为高电平，任何器件可拉低。2.结合时序图，逐一讲解起始、停止、数据有效、应答的波形特征，并说明在程序中的实现方法。1.观看动画，理解线与的概念。2.在教师引导下，画出四种信号的波形简图，并记录关键点。1.运用时序分解法，拆解基础信号。2.落实知识目标，突破难点。角色模拟【40min】1.将全班分为若干组，每组三人分别扮演主机、从机24C02、观察员。2.模拟一次单字节写入过程：主机发起始→发器件地址（含写）→从机应答→发片内地址→从机应答→发数据→从机应答→主机发停止。3.讨论：如果从机不应答，主机该怎么办？引出错误处理机制。1.发放角色卡片，明确每个角色的任务。2.教师旁白，引导各角色按步骤行动，并让观察员记录每一步SDA/SCL的电平变化。3.引导学生思考协议的健壮性。1.领取角色，熟悉任务。2.按照指令模拟，观察员记录波形。3.参与讨论，理解应答对可靠性的意义。1.运用角色扮演法，将抽象时序转化为具身体验。2.突破难点，深刻理解应答机制。3.渗透“遵规守约”不遵守规则就会出错。时序推演【20min】1.以AT24C02单字节写入为例，展示完整时序图，并逐段分析各字节的含义。2.对比页写入、指定地址读、连续读的时序，强调页写入时地址自动增量的边界。3.简单介绍WP写保护引脚的作用，强调硬件防护的重要性。1.结合时序图，讲解器件地址的构成，以及片内地址的范围。2.用表格对比四种操作的异同，重点说明连续读时最后一个数据需要非应答。3.提问：如果WP接高电平，还能写入吗？为什么？1.跟随分析，计算给定地址的寻址字节。2.填写对比表格，加深理解。3.思考回答，理解保护机制。1.运用时序分解法，掌握地址构造。2.落实知识目标。3.培养安全意识。项目实践【60min】分组任务（2-3人/组）1.基础要求：向24C02的地址0x10写入一个字节0x55，然后读出并显示在LED或数码管上（可用P1口LED显示）。2.进阶要求：连续写入4个字节到起始地址0x20，再读出验证。3.挑战要求：实现页写入，并观察如果跨页写入会怎样？4.完成后，各小组提交一份简短视频说明，展示电路、代码和波形图。

1.发布任务单：在Proteus中搭建单片机+AT24C02电路，编写程序实现：先向指定地址写入一个字节；再从同一地址读出并验证。2.巡视指导，重点关注时序函数的正确性、应答检测的实现。3.鼓励小组间互相观摩，分享调试经验。1.小组内部分工：一人负责底层时序函数编写，一人负责主程序逻辑，一人负责电路搭建与仿真调试。2.硬件工程师搭建电路，软件工程师编写时序函数，测试工程师准备验证。3.遇到问题时，小组内先讨论，无法解决时求助。4.测试工程师用虚拟逻辑分析仪观察SDA/SCL波形，对比理论时序。5.整理成果，准备分享。1.运用合作实践法，综合运用知识。2.基础要求落实单字节读写。3.进阶要求体验页写入与连续读。4.挑战要求培养探究精神。5.培养总结汇报能力。价值内化【20min】1.成果展示：邀请1-2个小组展示视频，分享调试中遇到的典型问题及解决办法。2.组织讨论：为什么I2C总线能支持多个器件？它的开放性体现在哪里？3.思政升华：从I2C协议的严谨规则到其开放的结构，引出“遵规守约、开放共享”的深刻内涵——只有共同遵守规则，才能实现资源共享；只有开放接口，才能构建更大系统。4.布置作业：（1）预习：直流电机PWM调速原理与控制。（2）优化：改进程序，加入WP引脚的硬件写保护控制。（3）拓展：查阅资料，了解I2C总线的多主机通信模式，并与单主机模式对比。1.点评各小组表现，总结常见错误。2.引导学生从地址唯一、总线共享等角度思考。3.结合物联网时代设备互联的案例，强调规则与开放并重的重要性。4.布置分层作业。1.观看展示，学习他组经验。2.参与讨论，理解开放共享的优势。3.聆听思考，感受技术背后的哲理。4.记录作业。1.运用反思迁移法，从实践中提炼规律。2.深化思政“开放共享”。3.实现价值引领。4.巩固拓展。【总结与反思】教学效果知识目标达成度：通过课堂提问和任务检查，大部分学生能准确说出I2C基本信号的时序，掌握AT24C02的寻址方式。约80%的学生能区分四种读写操作的时序差异。能力目标达成度：基础任务完成率约90%，进阶任务完成率约70%，挑战任务完成率约40%。学生在时序函数编写和应答检测上耗时较多，但最终多数能实现基本读写。仿真波形观察能力得到锻炼。素质目标达成度：通过角色模拟和项目实践，学生对“遵规守约、开放共享”的认同感增强。小组协作氛围良好，多数学生能积极参与讨论和调试。特色创新角色扮演模拟I2C通信：让学生扮演主机、从机，亲手模拟起始、应答等过程，将抽象的时序转化为身体动作和记录，极大降低了理解难度，同时增强了课堂趣味性。虚实结合，波形验证：在项目实践中引入虚拟逻辑分析仪，要求学生观察实际波形并与理论对比，培养严谨的工程验证习惯，同时加深对时序的理解。双线思政融合：一条线是I2C协议的“规则”引申出“遵规守约”，另一条线是总线的“共享”引申出“开放共享”，两条线在角色模拟和项目讨论中自然交汇，实现知识传授与价值引领的统一。对比表格助力难点突破：通过四种读写操作的对比表格，清晰呈现各步骤的异同，帮助学生快速抓住要点，有效突破页写入和连续读的边界难点。诊断改进存在问题1.部分学生在模拟I2C时序时，对起始信号和停止信号的产生条件掌握不牢，导致程序中的时序错误。2.少数学生在构造器件地址时，忘记考虑R/W位，导致读写方