3.1單芯片微控制器教學(xué)設(shè)計(jì)-高中通用技術(shù)粵科版選擇性必修2機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作

普通高中教科書(shū)《通用技術(shù)》選擇性必修2機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作第三章機(jī)器人的控制器第一節(jié)單芯片微控制器教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)背景黨的二十大明確指出，“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動(dòng)力，深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，開(kāi)辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動(dòng)能新優(yōu)勢(shì)”。機(jī)器人是20世紀(jì)人類的偉大發(fā)明，今天，它不僅能夠代替人類登陸火星和潛入幾千米以下的深海，還可以不知疲倦地工作在各種生產(chǎn)線上，并服務(wù)于我們的日常生活。關(guān)于機(jī)器人，我國(guó)科學(xué)家認(rèn)為機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)與技能目標(biāo):1.了解微控制器的基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)。2.掌握微控制器的使用方法及最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。教學(xué)內(nèi)容分析:機(jī)器人是一種能夠按照預(yù)先設(shè)計(jì)程序而自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)械裝置。當(dāng)前機(jī)器人已經(jīng)大規(guī)模地走進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)、軍事、政府管理、商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域，它們可以幫助或代替人類完成不同的工作，在各個(gè)方面影響著人類的生活。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，讓我們來(lái)初步了解和認(rèn)識(shí)機(jī)器人吧。控制器是機(jī)器人的大腦，它負(fù)責(zé)收集機(jī)器人周圍環(huán)境及其工作對(duì)象的各種有用信息，在程序控制下進(jìn)行分析判斷并做出反應(yīng)，控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作。一般機(jī)器人的控制器都是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，而簡(jiǎn)易機(jī)器人的控制器則主要由稱為單片機(jī)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。學(xué)情分析:生活在科技迅猛發(fā)展的21世紀(jì)，同學(xué)們有必要了解一些機(jī)器人的知識(shí)，因?yàn)槲磥?lái)的機(jī)器人將對(duì)我們的生活和工作產(chǎn)生巨大的影響。

自己動(dòng)手制作機(jī)器人是讓同學(xué)們了解機(jī)器人的最好手段。同學(xué)們一起進(jìn)入機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作的精彩世界吧。教學(xué)重難點(diǎn):了解微控制器的基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)。掌握微控制器的使用方法及最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。教學(xué)策略:本節(jié)課教學(xué)主要由教師通過(guò)實(shí)物和多媒體手段設(shè)置學(xué)習(xí)情境，并加以引導(dǎo)，讓學(xué)生在過(guò)程中發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)、培養(yǎng)實(shí)踐能力、提升創(chuàng)新意識(shí)、開(kāi)闊認(rèn)知視野；將自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)方式滲透進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)當(dāng)中；不斷嘗試現(xiàn)代教育技術(shù)和方法的運(yùn)用。教學(xué)準(zhǔn)備:展示用的圖片、其他技術(shù)產(chǎn)品、多媒體課件。教學(xué)過(guò)程:情景倒入:老師：本節(jié)課我們學(xué)習(xí)《通用技術(shù)》選擇性必修2第三章機(jī)器人的控制器第一節(jié)單芯片微控制器。情景圖31是一個(gè)足球機(jī)器人，在進(jìn)入比賽場(chǎng)并打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)后，它可以自動(dòng)尋找足球并判斷對(duì)方球門的位置，然后設(shè)法攜帶足球繞過(guò)對(duì)方球員和守門員的攔截，將足球推入對(duì)方球門。是什么讓機(jī)器人具有了“智能”呢？一、什么是微控制器觀察通過(guò)觀察實(shí)物或相關(guān)的圖片，了解計(jì)算機(jī)主機(jī)有哪些主要部件（圖32）。通過(guò)觀察，我們知道組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)主機(jī)的主要部件有CPU（centralprocessingunit，中文叫中央處理器）、內(nèi)存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口等。計(jì)算機(jī)的發(fā)明給我們帶來(lái)了一場(chǎng)新的技術(shù)革命，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需要，人們?cè)O(shè)計(jì)和生產(chǎn)了一種微型的計(jì)算機(jī)芯片，這種芯片內(nèi)部集成了計(jì)算機(jī)的主要部件（CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等），可以裝嵌在許多電子控制設(shè)備中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。例如我們身邊的許多家用電器中就嵌入了這種芯片，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)或半自動(dòng)控制方式，這種芯片被稱為單片機(jī)（圖33）。單片機(jī)全稱是單片微型計(jì)算機(jī)（singlechipmicroputer），也稱微控制器（microcontroller），國(guó)外稱MCU（microcontrolunit），它是一個(gè)大規(guī)模的集成電路芯片。在這個(gè)芯片里集成了計(jì)算機(jī)的一些基本部件，包括中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM和ROM）、定時(shí)振蕩器（時(shí)鐘）和輸入/輸出接口（I/O接口）等。我們只要將編寫(xiě)好的程序固化到單片機(jī)內(nèi)，它就能按程序執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)各種控制的功能。二、單片機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用案例在某中學(xué)的足球機(jī)器人比賽活動(dòng)中，高二（1）班的1號(hào)機(jī)器人和高二（2）班的2號(hào)機(jī)器人進(jìn)行了兩局對(duì)抗賽。第一局2號(hào)機(jī)器人贏了。中間休息時(shí)，高二（1）班的同學(xué)針對(duì)2號(hào)機(jī)器人在場(chǎng)上的表現(xiàn)對(duì)1號(hào)機(jī)器人的程序進(jìn)行修改。第二局一開(kāi)始，1號(hào)機(jī)器人的表現(xiàn)與第一局相比判若兩人，很快就占據(jù)主動(dòng)，獲得勝利。在上例中，1號(hào)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變，只要修改原來(lái)的程序就可以獲得不同的效果。這是單片機(jī)的特點(diǎn)之一，可以通過(guò)修改程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制策略。單片機(jī)的程序可反復(fù)修改，應(yīng)用靈活。單片機(jī)的另一個(gè)特點(diǎn)是體積小，它可裝嵌在各種設(shè)備、儀器儀表、家用電器和玩具當(dāng)中，并通過(guò)程序的控制，大大簡(jiǎn)化硬件電路，使產(chǎn)品的體積更小、成本更低、性能更優(yōu)。除此之外，單片機(jī)還具有價(jià)格便宜、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。立即行動(dòng)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前，各式各樣的高性能的單片機(jī)如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，以滿足不同行業(yè)的不同需求。把你了解的一些單片機(jī)的應(yīng)用例子填寫(xiě)到表31中。表31單片機(jī)的應(yīng)用例子應(yīng)用的行業(yè)例子三、單片機(jī)的最小系統(tǒng)一片單片機(jī)芯片就是一臺(tái)微控制器，只要在外圍加上一些電子元器件就能構(gòu)成一個(gè)微控制系統(tǒng)。案例如圖34所示是應(yīng)用一片AT89C2051單片機(jī)控制8個(gè)發(fā)光二極管的硬件接線圖。8個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極通過(guò)限流電阻后接在+5V電源上，其陰極分別接在P1.0～P1.7上，單片機(jī)只要控制P1接口的輸出電平就能控制相應(yīng)發(fā)光二極管的亮（輸出低電平）或滅（輸出高電平）。例如我們想要第一個(gè)發(fā)光二極管（接在P1.0引腳上）發(fā)亮，只要控制單片機(jī)在P1.0引腳上輸出低電平信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)，要它熄滅則輸出高電平信號(hào)。實(shí)踐設(shè)計(jì)并制作一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)，它可控制8個(gè)發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)分組交替閃爍。要求:①通過(guò)制作一個(gè)單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，理解單片機(jī)各引腳的功能和應(yīng)用方法。②通過(guò)親歷匯編源程序的輸入、編譯成目標(biāo)程序并寫(xiě)入單片機(jī)的全過(guò)程，初步了解有關(guān)匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言的含義。掌握一種單片機(jī)的程序固化方法。方法指導(dǎo)1．準(zhǔn)備材料AT89C2051單片機(jī)1片、20腳雙列直插（DIP）1個(gè)，集成電路（IC）插座1個(gè)、6MHz石英晶體振蕩器1個(gè)、發(fā)光二極管8個(gè)、300Ω電阻8個(gè)、10kΩ電阻1個(gè)、10μF電容1個(gè)、30pF電容2個(gè)、萬(wàn)能印刷電路板1塊、連接導(dǎo)線若干（圖35）。2．焊接線路板參照?qǐng)D34的接線圖，先將IC插座（不插單片機(jī)）插入印刷電路板的適當(dāng)位置并進(jìn)行焊接固定后，再將其他元件插入適當(dāng)位置（注意發(fā)光二極管的極性不要插反）并進(jìn)行連線焊接（圖36）。3．檢查調(diào)試第一步：檢查已焊好的電路板焊接是否有錯(cuò)，可用萬(wàn)用表的電阻擋檢查是否有短路或斷路的地方，如電源引腳是否與地線短接等。第二步：將已焊好的電路板（先不要插上單片機(jī)）的電源和接地引線與+5V的直流電源正負(fù)極相接，并將萬(wàn)用電表調(diào)到直流電壓10V檔，測(cè)量單片機(jī)插座上20號(hào)引腳是否為+5V，10號(hào)引腳是否可靠接地（0V）。第三步：用1條導(dǎo)線一端接地，另一端去碰觸單片機(jī)插座的12號(hào)引腳，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管應(yīng)該發(fā)亮，否則檢查相應(yīng)的發(fā)光二極管的電路連接狀況直到可控制其亮或滅，并依次檢查其他發(fā)光二極管，直到8個(gè)發(fā)光二極管都正常工作。4．在計(jì)算機(jī)輸入程序，編譯程序在實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)上打開(kāi)MCS51匯編程序（或仿真系統(tǒng)），輸入下列匯編源程序：輸入程序后，可利用仿真系統(tǒng)的編譯功能或MCS51匯編器的編譯功能將匯編源程序編譯為目標(biāo)程序后存入磁盤（圖37）。5．燒寫(xiě)固化入單片機(jī)在老師的幫助下，使用單片機(jī)燒錄器將目標(biāo)程序燒寫(xiě)到AT89C2051的程序存儲(chǔ)器中（圖38）6．調(diào)試將燒寫(xiě)好程序的單片機(jī)插入電路板的IC插座上（注意方向不要插錯(cuò)，單片機(jī)芯片上有一缺口，缺口朝左，則芯片的左下第一腳為1號(hào)引腳），讓老師檢查無(wú)誤后打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)通電調(diào)試。若正常應(yīng)見(jiàn)到發(fā)光二極管按奇數(shù)組或偶數(shù)組閃亮，否則檢查復(fù)位引腳的相關(guān)接線和晶體振蕩器的相關(guān)電路，可在老師的指導(dǎo)下進(jìn)一步檢查調(diào)試。板書(shū)設(shè)計(jì)第一節(jié)單芯片微控制器一、什么是微控制器二、單片機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用三、單片機(jī)的最小系統(tǒng)方法指導(dǎo)1．準(zhǔn)備