《单片机原理及应用》 教学大纲

单片机原理及应用课程教学大纲课程名称：单片机原理及应用 课程编号：213100013英文名称：PrincipiumandApplicationofMCU 适用专业：电子信息类课程性质：学科基础课/必修课 学时/学分：64/3.5开课学期：第四学期 课程负责人：刘文远先修要求：数字电路与逻辑设计、C语言程序设计教材和补充教材信息：•教材：李全利.《单片机原理及应用》，清华大学出版社，2014•补充教材：孙宝法.《单片机原理与应用技术》，清华大学出版社，2023一、课程说明《单片机原理及应用》是电子信息工程专业的学科基础课程，课程以80C51单片机的结构及原理为主线，以系统应用为目标，首先讲述51系列单片机的内部结构，以及驱动LED、数码管以及按键与键盘的基本方法，然后讲述单片机内部中断系统和定时/计数器以及串行口的结构、原理及其典型应用，最后讲述常用外围器件-数字温度传器DS18B20、串口存储器AT24C02、时钟/日历芯片DS1302和数据采集芯片PCF8591的原理及应用。课程着重培养学生逻辑思维能力和系统的概念，以及单片机应用系统设计能力，为后续设计和开发嵌入式系统、解决复杂工程问题打下坚实的基础。课程教学目标本课程的主要教学任务是通过课程教学以及对应的实验仿真环节，培养学生：能应用微处理技术分析基于单片机的软硬件系统，并通过文献研究分析现代系统中的复杂工程问题，以获得有效结论；能够针对系统指标需求，完成对应系统功能部件的设计及技术开发；能够综合运用微处理理论和技术对实际电子信息系统中的工程问题进行分析和设计，以适应现代信息社会对电子信息工程人才的需求。通过课程学习，拟使学生达到如下目标：课程目标1：掌握微处理系统的基本原理、基本技术和系统性能的基本分析方法，重点掌握微处理系统、指令系统、汇编语言程序设计和应用系统扩展的原理和方法；了解现代微处理技术及应用系统扩展技术的基本知识。培养学生能针对实际微处理应用系统中的信号转换、信号表征问题、系统的组成结构和各部分的功能和特性进行分析；能针对微处理系统的功能需求、信号连接、部件扩展、软件设计等问题进行系统设计与研究。课程目标2：培养学生能根据实际微处理系统的设计指标要求完成其系统各功能模块的设计，如典型的开关量输入输出、信号转换、模数转换、数模转换等模块，并能够在设计环节中体现创新意识，为形成综合职业能力奠定基础。课程目标3：培养学生能够运用现代系统仿真工具如Proteus对微处理系统进行分析测试、模拟仿真，并能够理解仿真工具的局限性。课程目标4：通过课程实验培养学生掌握微处理系统分析和设计的实验技能和实验方法，掌握常用仪器的使用方法，系统性能指标的测试方法，能够针对实际工程问题设计实验、分析实验数据，得出有效结论，并根据测试结果对系统进行评价和完善。课程目标5（思政目标）：深入理解单片机技术对社会的贡献，激发学生民族自豪感和爱国情怀、责任担当和对专业的认同感；关注单片机的先进技术，培养学生科学思维和勇于探索的科学精神，以及乐于奉献、开拓进取的工匠精神，树立科技兴邦之志。三、课程教学目标与毕业要求指标点的对应关系本课程为电子信息类专业学科基础课程，其课程教学目标与毕业要求指标点的对应关系分别如下：课程教学目标毕业要求指标点课程目标1：掌握微处理系统的基本原理、基本技术和系统性能的基本分析方法，重点掌握微处理系统、指令系统、汇编语言程序设计和应用系统扩展的原理和方法；了解现代微处理技术及应用系统扩展技术的基本知识。培养学生能针对实际微处理应用系统中的信号转换、信号表征问题、系统的组成结构和各部分的功能和特性进行分析；能针对微处理系统的功能需求、信号连接、部件扩展、软件设计等问题进行系统设计与研究。1.4能够利用电子、通信、计算机、信号处理等领域相关知识和数学模型方法，进行专业领域电子信息系统分析、设计中复杂工程问题解决方案的比较与综合。课程目标:2：培养学生能根据实际微处理系统的设计指标要求完成其系统各功能模块的设计，如典型的开关量输入输出、信号转换、模数转换、数模转换等模块，并能够在设计环节中体现创新意识，为形成综合职业能力奠定基础。2.4能运用工程科学基本原理，分析电子信息领域相关典型技术系统设计、生产、测试过程中的影响因素，理解其对主要技术功能的约束和限制，并能借助文献研究，获得问题解决的有效结论。课程目标:3：培养学生能够运用现代系统仿真工具如Proteus对微处理系统进行分析测试、模拟仿真，并能够理解仿真工具的局限性。3.3能够针对特定的复杂工程问题，综合运用电子信息工程专业知识，进行电子装置、信号/信息处理系统或电子信息系统相关技术系统设计或者测试流程设计，并具有一定的创新性。课程目标:4：通过课程实验培养学生掌握微处理系统分析和设计的实验技能和实验方法，掌握常用仪器的使用方法，系统性能指标的测试方法，能够针对实际工程问题设计实验、分析实验数据，得出有效结论，并根据测试结果对系统进行评价和完善。5.2能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具、专业相关的先进开发平台、仿真工具、测试平台以及模拟软件，对复杂工程问题进行分析、计算与设计。课程目标5：深入理解控制技术对社会的贡献，激发学生民族自豪感和爱国情怀、责任担当和对专业的认同感；关注控制先进技术，培养学生科学思维和勇于探索的科学精神，以及乐于奉献、开拓进取的工匠精神，树立科技兴邦之志。本目标为课程思政目标，不与具体的指标点对应四、课程教学内容、方法与课程目标的对应关系本课程理论教学内容涵盖单片机技术基础、80C51的结构和原理、80C51的C语言程序设计、80C51人机接口技术、80C51的中断系统及定时/计数器、80C51单片机的串行口等六个章节内容。课程理论教学48学时，实验教学16学时。理论教学内容具体包括：1、课程教学内容第1章绪论基本要求：（1）了解单片机的功能及特点；（2）了解单片机的发展历史；（3）熟悉MCS51单片机及AT89系列单片机的内部结构及I/O引脚。本章重点：（1）MCS51单片机及AT89系列单片机（2）课程重点及学习方法。创新性：（1）教学内容上，按照单片机的诞生、发展及应用的脉络，引导学生发现科学问题、通过现象分析产生问题的根本原因，帮助学生深度理解问题解决的技术；（2）教学形式上，采用教室授课及实践的形式，授课中利用学习通平台进行互动交流，配以适量的课学堂练习，以巩固教学效果。课后通过训练题，强化教学效果。挑战度知识点：科技文献的阅读理解：通过对国内外研究学者科技论文的阅读，了解该领域的最新研究成果、科学研究思路、以及科技论文的撰写规范。思政结合点：（1）专业自信：以单片机技术发展的现状为切入点，培养学生的专业使命感，增强学生的专业信心，教导学生在今后从事相关专业工作时，始终认识到自己的工作与国家的建设发展息息相关，培养学生的职业责任感和使命感；（2）科学精神：以课程的重要作用及要解决的核心问题为切入点，激发学生在原有知识、能力的基础上，探索未知的科学精神和创新意识。第2章80C51的结构和原理基本要求：（1）理解单片机的组成及内部结构；（2）掌握单片机的外部引脚及功能；（3）掌握单片机的存储器分配特点；（4）掌握时钟电路与复位电路。本章重点：（1）掌握单片机的外部引脚及功能；（2）掌握单片机的存储器分配特点；（3）掌握时钟电路与复位电路。本章难点：（1）理解单片机的组成及内部结构；（2）掌握时钟电路与复位电路。创新性：（1）教学内容上，按照“单片机的组成及内部结构”为出发点，将依次分析CPU组成、存储器分配和时钟和复位功能及关键技术，以及引导学生理解的时钟操作，帮助学生理解CPU的内部结构特点及功能；（2）教学形式上，采用教室授课，讲授型+启发型+类比式形式，授课中利用学习通平台进行互动交流，配以适量的思考题，以巩固教学效果。课后通过课后作业，完成内化。挑战度知识点：单片机80C51的CPU内部结构的特点。从系统开发角度，分析MCU、ARM和DSP之间CPU的优势和缺点；思政结合点：（1）科学精神：通过掌握80C51的CPU架构的重要性，分析单片机在嵌入式系统中所起的作用，增强学生的民族自豪感。具备开阔、灵活的思维能力；具备积极、主动的探索精神；具备严谨、细致的工作态度。（2）科学思维：通过对单片机典型应用场景的设计，培养学生的职业素养和创新精神，引导学生善于思考及增强节能减排的意识，培养学生的团队协作精神和工匠精神。第3章80C51的C语言程序设计基本要求：（1）掌握C51的语法知识和特点、各种数据类型的特点和使用方法；（2）理解常量和变量、C51数据存储类型与单片机存储结构关系；（3）理解51单片机硬件资源的C51定义及使用方法；（4）掌握C51程序结构特点和典型程序结构.本章重点：（1）C51数据类型；（2）C51程序结构及语法特点。本章难点：（1）C51数据类型；（2）C51程序结构及语法特点。创新性：（1）教学内容上，按“提出问题-分析问题-解决问题”的逻辑，引导学生发现科学问题、通过现象分析产生问题的根本原因，帮助学生深度理解问题解决的技术；（2）教学形式上，采用教室授课，讲授型+启发型+类比式形式，授课中利用学习通平台进行互动交流，配以适量的思考题，以巩固教学效果。课后通过课后作业，完成内化。挑战度知识点：C51和标准C语言的区别是什么？为什么80C51会选择C51语言作为其程序设计语言？思政结合点：（1）科学精神：通过了解C51程序设计语言的特点，分析中国在程序语言设计中所处的地位和所起的作用，增强学生的民族责任感感。具备开阔、灵活的思维能力；具备积极、主动的探索精神；具备严谨、细致的工作态度。（2）科学思维：通过对C51程序设计的分析，培养学生的职业素养和创新精神，引导学生善于思考及增强节能减排的意识，培养学生的团队协作精神和工匠精神。第4章80C51人机接口技术基本要求：（1）掌握LED数码管及蜂鸣器的接口技术；（2）掌握键盘及按键接口技术；（3）了解字符型LCD显示器接口技术。本章重点：（1）掌握LED数码管及蜂鸣器的接口技术；（2）掌握键盘及按键接口技术。本章难点：（1）掌握键盘及按键接口技术；（2）了解字符型LCD显示器接口技术。创新性：（1）教学内容上，按“提出问题-分析问题-解决问题”的逻辑，引导学生发现科学问题、通过现象分析产生问题的根本原因，帮助学生深度理解问题解决的技术；（2）教学形式上，采用教室授课，讲授型+启发型+类比式形式，授课中利用学习通平台进行互动交流，配以适量的思考题，以巩固教学效果。课后通过课后作业，完成内化。挑战度知识点：应用80C51的人机接口模块，设计多功能的LED显示器。思政结合点：（1）科学精神：通过了解80C51的人机接口结构，分析中国在微电子设计中所处的地位和所起的作用，增强学生的民族责任感感。具备开阔、灵活的思维能力；具备积极、主动的探索精神；具备严谨、细致的工作态度。（2）科学思维：通过对80C51硬件结构的分析和相关模块的设计，培养学生的职业素养和创新精神，引导学生善于思考及增强节能减排的意识，培养学生的团队协作精神和工匠精神。第5章80C51的中断系统及定时/计数器基本要求：（1）理解与有关中断的控制寄存器；（2）理解定时/计数器的工作方式与控制；（3）掌握技术初值的计算；（4）掌握中断程序设计。本章重点：（1）与有关中断的控制寄存器；（2）定时/计数器的工作方式与控制，技术初值的计算.本章难点：中断程序设计创新性：教学过程中结合实际单片机系统设计，通过对系统需求分析、方案设计、关键技术设计和实现等等进行剖析，加深学生对单片机系统设计理解的深度，拓展学生研究思路，助力学生分析问题、解决实际问题的综合能力培养。挑战度知识点：以实际应用案例为蓝本，通过对国内外相关资料的阅读，分析设计需求，设计系统方案，了解该领域的最新研究成果、科学研究思路以及单片机中断和定时器模块设计的原则。思政结合点：培养学生的抽象思维能力、逻辑推导能力，增强学生分析问题、解决问题的能力，加强学生勇于创新的意识，增加科技自信、民族自信，增强学生对本专业的信心。第6章80C51单片机的串行口基本要求：（1）了解计算机串行通信基本概念和接口标准；（2）掌握80C51单片机的串行口的结构和工作方式；（3）熟悉80C51单片机串行口与PC机、单片机之间的串行通信应用。本章重点：（1）80C51单片机的串行口的结构和工作方式；（2）80C51单片机串行口与PC机的通信应用。创新性：教学过程中结合实际单片机系统设计，通过对系统需求分析、方案设计、关键技术设计和实现等等进行剖析，加深学生对单片机系统设计理解的深度，拓展学生研究思路，助力学生分析问题、解决实际问题的综合能力培养。挑战度知识点：以实际应用案例为蓝本，通过对国内外相关资料的阅读，分析设计需求，设计系统方案，了解该领域的最新研究成果、科学研究思路以及单片机串行口模块设计的原则。思政结合点：培养学生的抽象思维能力、逻辑推导能力，增强学生分析问题、解决问题的能力，加强学生勇于创新的意识，增加科技自信、民族自信，增强学生对本专业的信心。实验一系统认识实验学习小组设计一个完整的实验，掌握KeilC51操作等，要求：（1）学习KeilC51集成开发环境的操作；（2）熟悉单片机开发板的结构及使用；（3）完成数据测量与数据分析；（4）撰写实验报告。实验二键盘扫描及显示设计实验学习小组设计一个完整的实验，掌握单片机中的GPIO接口实现键盘扫描和显示等功能，要求：（1）掌握键盘扫描显示的基本原理（2）掌握独立按皱和矩阵键盘的驱动方法。（3）撰写实验报告。实验三A/D转换实验编写程序，编写实验程序，将ADC单元中提供的0V～5V信号源作为ADC0809的模拟输入量，进行A/D转换，转换结果通过变量进行显示，要求：（1）熟悉模/数信号转换的基本原理，以及模/数转换芯片ADC0809的使用方法；（2）完成实验电路连线方案；（3）编写驱动程序，运行及调试程序，观察实验结果；（4）完成结果记录与分析；（5）撰写实验报告。实验四D/A转换实验编写程序，设计实验电路图实验线路并编写程序，实现D/A转换，要求产生锯齿波、脉冲波，并用示波器观察电压波形，要求：（1）熟悉数/模转换的基本原理，掌握DAC0832的使用方法；（2）完成实验线路连接；（3）编写程序，运行及调试程序，观察实验结果；（4）完成结果记录与分析；（5）撰写实验报告。实验五中断系统实验学习小组设计一个完整的实验，掌握利用单片机中断功能实现优先级的判断等功能，要求：（2）熟悉MCS-51单片机中断的结构；（2）掌握中断程序的设计方法；（3）完成数据测量与数据分析；（4）撰写实验报告。实验六定时/计数器实验学习小组设计一个完整的实验，利用单片机定时器实现定时等功能，要求：（1）熟悉MCS-51单片机定时/计数器的结构与工作方式（2）掌握定时/计数器T1在定时和计数两种方式下的编程方法（3）了解定时/计数器T2（4）完成数据测量与数据分析；（5）撰写实验报告。实验七电子钟实验学习小组设计一个完整的实验，利用定时器和中断等功能实现电子钟，要求：（1）掌握定时器及中断的运用；（2）熟悉电子钟的编程方法；（3）完成功能测试与数据分析；（4）撰写实验报告。实验八DS18B20温度采集实验学习小组设计一个完整的实验，利用单片机单总线实现温度采集等功能，要求：（1）熟悉数字温度传感器DS18B20的使用方法和工作原理，掌握单总线的读写时序；（2）掌握DS18B20的温度数据采集的编程方法。（3）完成数据测量与数据分析；（4）撰写实验报告。思政结合点：（1）科学精神：以理论联系实际为切入点，激发学生思考探索、实践创新的科学热情，培养学生们科技创新的思路与能力，增强学习科学理论知识的兴趣和团队协作能力；（2）工匠精神：培养学生严谨认真、诚实守信的科学态度；以允许实验失败为切入点，锻炼学生的意志力，激励学生勇于挑战困难的精神。2、课程教学方法（1）本课程特点之一是系统性强，教师在教学中注重强调单片机的系统性，让学生从单片机系统的角度辨证地分析和学习，如以单片机系统的组成框图为主线，按照系统基本组成、编程语言结果顺序讲解，通过对知识点的讲解，培养学生的系统观和工程观，提高学生分析、设计单片机系统的能力；特点之二是课程内容知识点多，教学时应注意知识点之间的融会贯通。在教授新的知识点时，特别注意说明它和已学知识的内在关系和相似性，让学生在学习过程中能感受到书越读越薄的道理。（2）对内容讲授环节，在教学方法上采用课堂讲授教学为主，辅以启发、案例式教学方法。在讲授式教学过程中，教师应指出每章的重点和难点部分，以建立概念、形成整体思路为基础。适当的举例与类比可以帮助学生理解比较抽象的定义与推理过程；讲授式的同时注重结合启发式，并通过对典型问题的分析、对应实际工程案例的讲解，引导学生课外主动学习，使其从被动学习转化为主动学习。（3）在实验课堂，组织学生根据单片机原理课所学的知识，验证在什么情况下应该采用什么样的设计方式，并判断干扰因素将会怎样影响单片机系统的稳定性。这样有利于加深对所学知识的理解。要充分了解单片机信号传输方式的特性，最好的方法是把它做出来，再对其进行测量，鼓励学生进行典型单片机系统设计及仿真分析，通过仿真实验的演示及学生的仿真训练使学生深入体会所学的知识点。（4）理论与实践相结合。本课程实践性强，因此通过大量的实例、案例分析、小项目的演示、剖析、练习等加深对课程内容的理解和掌握。（5）在教学中将传统与现代教学手段相结合，利用现代教学手段（包括利用多媒体、动画、Proteus仿真等）的辅助，把重点和难点内容讲清讲透。如数学推导性强、学生需要较多反应和思考时间的内容采用板书；而涉及到陈述性、直观性强的各种单片机原理应用框图、表格、信号则适合采用视觉表现力强的多媒体课件和适当的计算机仿真实验，从而有效调动学生的学习积极性，促进学生的积极思考，激发学生的潜能。（6）学生分成小组。通过小组集体完成一些小项目开发实践，培养学生的团队精神和协作能力，使学生体会团队的力量。3、教学内容、方法与教学目标的对应关系课程理论教学主要实现对课程目标1至课程目标5的支撑，课程实验教学主要实现对教学目标3的支撑。课程教学内容、方法和教学目标的对应关系如下表所示：课程教学目标对应的教学内容采取的教学方法课程目标1：掌握微处理系统的基本原理、基本技术和系统性能的基本分析方法，重点掌握微处理系统、指令系统、汇编语言程序设计和应用系统扩展的原理和方法；了解现代微处理技术及应用系统扩展技术的基本知识。培养学生能针对实际微处理应用系统中的信号转换、信号表征问题、系统的组成结构和各部分的功能和特性进行分析；能针对微处理系统的功能需求、信号连接、部件扩展、软件设计等问题进行系统设计与研究。单片机技术基础；80C51的结构和原理；80C51的C语言程序设计课前：以学生线上自主学习为主；课堂：结合授课内容和学前分析结果，精准教学设计，开展问题探究、成果分享等多种形式的教学活动；课后：通过线上测试、思维导图、作业等检验学习效果。课程目标:2：培养学生能根据实际微处理系统的设计指标要求完成其系统各功能模块的设计，如典型的开关量输入输出、信号转换、模数转换、数模转换等模块，并能够在设计环节中体现创新意识，为形成综合职业能力奠定基础。80C51人机接口技术；80C51的中断系统及定时/计数器课前：以学生线上自主学习为主，依据学习任务，开展以小组为单位的科学研究实践；课堂：结合授课内容和学前分析结果，精准教学设计，开展问题探究、成果分享、案例介绍等多种形式的教学活动；课后：通过线上测试、思维导图、作业等检验学习效果。课程目标:3：培养学生能够运用现代系统仿真工具如Proteus对微处理系统进行分析测试、模拟仿真，并能够理解仿真工具的局限性。80C51单片机的串行口课前：以学生线上自主学习为主；课堂：结合授课内容和学前分析结果，精准教学设计，开展理论讲解、实践操作、案例分析等多种形式的教学活动；课后：通过线上测试、思维导图、作业等检验学习效果。课程目标:4：通过课程实验培养学生掌握微处理系统分析和设计的实验技能和实验方法，掌握常用仪器的使用方法，系统性能指标的测试方法，能够针对实际工程问题设计实验、分析实验数据，得出有效结论，并根据测试结果对系统进行评价和完善。实验1、实验2、实验3、实验4、实验5、实验6、实验7课前：以学生自主学习为主；课堂/实验室：结合授课内容和学前分析结果，精准教学设计，开展理论讲解、实践操作、案例分析等多种形式的教学活动；课后：通过线上测试、思维导图、作业等检验学习效果。课程目标5：深入理解控制技术对社会的贡献，激发学生民族自豪感和爱国情怀、责任担当和对专业的认同感；关注控制先进技术，培养学生科学思维和勇于探索的科学精神，以及乐于奉献、开拓进取的工匠精神，树立科技兴邦之志。将思政教学内容融入到各章节的课程内容中，将培养学生感恩、励志、担当的思想品德与严谨、求实、创新的科学精神贯穿整个教学过程。五、课程考核方法、评分标准与课程目标的对应关系1、课程考核方法根据《陕西科技大学关于加强课程过程考核评价实施意见（暂行）》有关规定，结合本课程实际，制定考核方法如下：（1）课程总成绩分为：期末考试成绩（50%），过程化考核评价成绩（30%），实验成绩（20%）。（2）利用学习通平台进行过程化考核评价，考核方式及占比如下所示：评价方式评价标准评价内容与要求占比学习通成绩章节测验：答题获得的分数占总测验分数的百分比◊10025%作业：作业获得的分数占总作业分数的百分比◊10025%出勤：签到数与总考勤数的百分比◊10025%随堂练习：练习获得的分数占总练习分数的百分比◊10025%期末考试在结课后采取闭卷方式进行。实验成绩：根据实验预习、实验过程、实验报告等做出评定，实验考核由教师按照实验报告和现场操作进行评价。2、课程考核方法与课程目标的对应关系过程化考核、期末考试用于教学目标1、2、3的达成情况评价；期末考试和实验用于教学目标4的达成情况评价。考核方式及成绩占比如表1所示。表1课程考核方法与教学目标的对应关系课程目标目标1目标2目标3目标4目标5考核环节成绩比例合计（%）毕业要求指标点1.42.43.35.2考核环节及成绩比例（%）平时成绩课后作业22230考勤223课堂表现222单元测验448期末成绩期末考试10201550实验成绩实验设计与结果分析2020毕业要求指标点所占比例合计（%）20303020100课程考核的评分标准（1）章节作业的评分标准。每一章节的作业主要为分析论述题，用于对课程目标1的考核评价，具体的评分标准如下：章节作业评分标准90-100分75-89分60-74分0-59分按时交作业；态度认真，字迹工整，基本概念正确；回答问题全面、完整，表达清晰，结构严谨，条理分明论述准确科学合理；见解具有一定新意。按时交作业；态度认真，字迹工整，基本概念正确；回答问题较全面、完整，表达清晰，结构较为严谨，条理分明论述准确科学合