資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修2
機器人設計與制作
第三章　機器人的控制器
第 一 節 單芯片微控制器
教學設計
教學背景
黨的二十大明確指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開辟發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢”。
機器人是20世紀人類的偉大發明，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線上，并服務于我們的日常生活。
關于機器人，我國科學家認為機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。國際標準化組織認為工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。
教學目標：
知識與技能目標:
1.了解微控制器的基本結構及應用特點。
2.掌握微控制器的使用方法及最小應用系統的設計方法。
教學內容分析:
機器人是一種能夠按照預先設計程序而自動執行工作的機械裝置。當前機器人已經大規模地走進工業生產、軍事、政府管理、商業應用等領域，它們可以幫助或代替人類完成不同的工作，在各個方面影響著人類的生活。通過本章的學習，讓我們來初步了解和認識機器人吧。
控制器是機器人的大腦，它負責收集機器人周圍環境及其工作對象的各種有用信息，在程序控制下進行分析判斷并做出反應，控制相應執行機構完成相應動作。一般機器人的控制器都是由計算機系統組成，而簡易機器人的控制器則主要由稱為單片機的微型計算機系統組成。
學情分析:
生活在科技迅猛發展的21世紀，同學們有必要了解一些機器人的知識，因為未來的機器人將對我們的生活和工作產生巨大的影響。
　　自己動手制作機器人是讓同學們了解機器人的最好手段。同學們一起進入機器人設計與制作的精彩世界吧。
教學重難點:
了解微控制器的基本結構及應用特點。
掌握微控制器的使用方法及最小應用系統的設計方法。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中發展學生核心素養、培養實踐能力、提升創新意識、開闊認知視野；將自主學習、合作學習、探究學習等多種學習方式滲透進學生的學習和教師的教學當中；不斷嘗試現代教育技術和方法的運用。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景倒入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修2第三章　機器人的控制器第 一 節 單芯片微控制器。
情景
圖3-1是一個足球機器人，在進入比賽場并打開電源開關后，它可以自動尋找足球并判斷對方球門的位置，然后設法攜帶足球繞過對方球員和守門員的攔截，將足球推入對方球門。是什么讓機器人具有了“智能”呢？
一、什么是微控制器
觀察
通過觀察實物或相關的圖片，了解計算機主機有哪些主要部件（圖3-2）。
通過觀察，我們知道組成一臺計算機主機的主要部件有CPU（central processing unit，中文叫中央處理器）、內存儲器、輸入/輸出接口等。
計算機的發明給我們帶來了一場新的技術革命，現在計算機技術的應用已經滲透到社會的各個領域。
隨著技術的發展和應用的需要，人們設計和生產了一種微型的計算機芯片，這種芯片內部集成了計算機的主要部件（CPU、存儲器、I/O接口等），可以裝嵌在許多電子控制設備中實現自動控制。例如我們身邊的許多家用電器中就嵌入了這種芯片， 實現了自動或半自動控制方式，這種芯片被稱為單片機（圖3-3）。
單片機全稱是單片微型計算機（single chip microcomputer），也稱微控制器（microcontroller），國外稱MCU（micro control unit），它是一個大規模的集成電路芯片。在這個芯片里集成了計算機的一些基本部件，包括中央處理器（CPU）、存儲器（RAM和ROM）、定時振蕩器（時鐘）和輸入/輸出接口（I/O接口）等。我們只要將編寫好的程序固化到單片機內，它就能按程序執行，實現各種控制的功能。
二、單片機的特點與應用
案例
在某中學的足球機器人比賽活動中，高二（1）班的1號機器人和高二（2）班的2號機器人進行了兩局對抗賽。第一局2號機器人贏了。中間休息時，高二（1）班的同學針對2號機器人在場上的表現對1號機器人的程序進行修改。第二局一開始，1號機器人的表現與第一局相比判若兩人，很快就占據主動，獲得勝利。
在上例中，1號機器人的硬件結構并沒有改變，只要修改原來的程序就可以獲得不同的效果。這是單片機的特點之一，可以通過修改程序來實現不同的控制策略。單片機的程序可反復修改，應用靈活。
單片機的另一個特點是體積小，它可裝嵌在各種設備、儀器儀表、家用電器和玩具當中，并通過程序的控制，大大簡化硬件電路，使產品的體積更小、成本更低、性能更優。
除此之外，單片機還具有價格便宜、功耗低、抗干擾能力強等特點。
立即行動
隨著科學技術的發展，目前，各式各樣的高性能的單片機如雨后春筍般不斷涌現，以滿足不同行業的不同需求。把你了解的一些單片機的應用例子填寫到表3-1中。
表3-1 單片機的應用例子
應用的行業 例子
三、單片機的最小系統
一片單片機芯片就是一臺微控制器，只要在外圍加上一些電子元器件就能構成一個微控制系統。
案例
如圖3-4所示是應用一片AT89C2051單片機控制8個發光二極管的硬件接線圖。8個發光二極管的陽極通過限流電阻后接在+5V電源上，其陰極分別接在P1.0～P1.7上，單片機只要控制P1接口的輸出電平就能控制相應發光二極管的亮（輸出低電平）或滅（輸出高電平）。
例如我們想要第一個發光二極管（接在P1.0引腳上）發亮，只要控制單片機在P1.0引腳上輸出低電平信號就可以實現，要它熄滅則輸出高電平信號。
實踐
設計并制作一個單片機最小系統，它可控制8個發光二極管實現分組交替閃爍。
要求:
①通過制作一個單片機最小應用系統，理解單片機各引腳的功能和應用方法。
②通過親歷匯編源程序的輸入、編譯成目標程序并寫入單片機的全過程，初步了解有關匯編語言和機器語言的含義。掌握一種單片機的程序固化方法。
方法指導
1．準備材料
AT89C2051單片機1片、20腳雙列直插（DIP）1個，集成電路（IC）插座1個、6MHz石英晶體振蕩器1 個、發光二極管8個、300Ω電阻8個、10kΩ電阻 1個、10μF電容1個、30pF電容2個、萬能印刷電路板1塊、連接導線若干（圖3-5）。
2．焊接線路板
參照圖3-4的接線圖，先將IC插座（不插單片機）插入印刷電路板的適當位置并進行焊接固定后，再將其他元件插入適當位置（注意發光二極管的極性不要插反）并進行連線焊接（圖3-6）。
3．檢查調試
第一步：檢查已焊好的電路板焊接是否有錯，可用萬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）的電源和接地引線與+5V的直流電源正負極相接， 并將萬用電表調到直流電壓10V檔，測量單片機插座上20號引腳是否為+5V，10號引腳是否可靠接地（0V）。
第三步：用1條導線一端接地，另一端去碰觸單片機插座的12號引腳，對應的發光二極管應該發亮，否則檢查相應的發光二極管的電路連接狀況直到可控制其亮或滅，并依次檢查其他發光二極管，直到8個發光二極管都正常工作。
4．在計算機輸入程序，編譯程序
在實驗室的計算機上打開MCS51匯編程序（或仿真系統），輸入下列匯編源程序：
輸入程序后，可利用仿真系統的編譯功能或MCS51匯編器的編譯功能將匯編源程序編譯為目標程序后存入磁盤（圖3-7）。
5．燒寫固化入單片機
在老師的幫助下，使用單片機燒錄器將目標程序燒寫到AT89C2051的程序存儲器中（圖3-8）
6．調試
將燒寫好程序的單片機插入電路板的IC插座上（注意方向不要插錯，單片機芯片上有一缺口，缺口朝左，則芯片的左下第一腳為1號引腳），讓老師檢查無誤后打開電源開關通電調試。若正常應見到發光二極管按奇數組或偶數組閃亮，否則檢查復位引腳的相關接線和晶體振蕩器的相關電路，可在老師的指導下進一步檢查調試。
板書設計
第 一 節 單芯片微控制器
一、什么是微控制器
二、單片機的特點與應用
三、單片機的最小系統
方法指導
1．準備材料
2．焊接線路板
3.檢查調試
4．在計算機輸入程序，編譯程序
5．燒寫固化入單片機
6.調試
教學反思
通用技術
選擇性必修2
電子控制技術
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：李 榕
本冊副主編：鄭永駒 鐘清華
編 寫 人 編：
張百睿 李 榕 鄭永駒 鐘清華　周 嘉 龔澤祥 胡智豪
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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