资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修2
机器人设计与制作
第三章　机器人的控制器
第 一 节 单芯片微控制器
教学设计
教学背景
党的二十大明确指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势”。
机器人是20世纪人类的伟大发明，今天，它不仅能够代替人类登陆火星和潜入几千米以下的深海，还可以不知疲倦地工作在各种生产线上，并服务于我们的日常生活。
关于机器人，我国科学家认为机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。国际标准化组织认为工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解微控制器的基本结构及应用特点。
2.掌握微控制器的使用方法及最小应用系统的设计方法。
教学内容分析:
机器人是一种能够按照预先设计程序而自动执行工作的机械装置。当前机器人已经大规模地走进工业生产、军事、政府管理、商业应用等领域，它们可以帮助或代替人类完成不同的工作，在各个方面影响着人类的生活。通过本章的学习，让我们来初步了解和认识机器人吧。
控制器是机器人的大脑，它负责收集机器人周围环境及其工作对象的各种有用信息，在程序控制下进行分析判断并做出反应，控制相应执行机构完成相应动作。一般机器人的控制器都是由计算机系统组成，而简易机器人的控制器则主要由称为单片机的微型计算机系统组成。
学情分析:
生活在科技迅猛发展的21世纪，同学们有必要了解一些机器人的知识，因为未来的机器人将对我们的生活和工作产生巨大的影响。
　　自己动手制作机器人是让同学们了解机器人的最好手段。同学们一起进入机器人设计与制作的精彩世界吧。
教学重难点:
了解微控制器的基本结构及应用特点。
掌握微控制器的使用方法及最小应用系统的设计方法。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中发展学生核心素养、培养实践能力、提升创新意识、开阔认知视野；将自主学习、合作学习、探究学习等多种学习方式渗透进学生的学习和教师的教学当中；不断尝试现代教育技术和方法的运用。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景倒入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修2第三章　机器人的控制器第 一 节 单芯片微控制器。
情景
图3-1是一个足球机器人，在进入比赛场并打开电源开关后，它可以自动寻找足球并判断对方球门的位置，然后设法携带足球绕过对方球员和守门员的拦截，将足球推入对方球门。是什么让机器人具有了“智能”呢？
一、什么是微控制器
观察
通过观察实物或相关的图片，了解计算机主机有哪些主要部件（图3-2）。
通过观察，我们知道组成一台计算机主机的主要部件有CPU（central processing unit，中文叫中央处理器）、内存储器、输入/输出接口等。
计算机的发明给我们带来了一场新的技术革命，现在计算机技术的应用已经渗透到社会的各个领域。
随着技术的发展和应用的需要，人们设计和生产了一种微型的计算机芯片，这种芯片内部集成了计算机的主要部件（CPU、存储器、I/O接口等），可以装嵌在许多电子控制设备中实现自动控制。例如我们身边的许多家用电器中就嵌入了这种芯片， 实现了自动或半自动控制方式，这种芯片被称为单片机（图3-3）。
单片机全称是单片微型计算机（single chip microcomputer），也称微控制器（microcontroller），国外称MCU（micro control unit），它是一个大规模的集成电路芯片。在这个芯片里集成了计算机的一些基本部件，包括中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、定时振荡器（时钟）和输入/输出接口（I/O接口）等。我们只要将编写好的程序固化到单片机内，它就能按程序执行，实现各种控制的功能。
二、单片机的特点与应用
案例
在某中学的足球机器人比赛活动中，高二（1）班的1号机器人和高二（2）班的2号机器人进行了两局对抗赛。第一局2号机器人赢了。中间休息时，高二（1）班的同学针对2号机器人在场上的表现对1号机器人的程序进行修改。第二局一开始，1号机器人的表现与第一局相比判若两人，很快就占据主动，获得胜利。
在上例中，1号机器人的硬件结构并没有改变，只要修改原来的程序就可以获得不同的效果。这是单片机的特点之一，可以通过修改程序来实现不同的控制策略。单片机的程序可反复修改，应用灵活。
单片机的另一个特点是体积小，它可装嵌在各种设备、仪器仪表、家用电器和玩具当中，并通过程序的控制，大大简化硬件电路，使产品的体积更小、成本更低、性能更优。
除此之外，单片机还具有价格便宜、功耗低、抗干扰能力强等特点。
立即行动
随着科学技术的发展，目前，各式各样的高性能的单片机如雨后春笋般不断涌现，以满足不同行业的不同需求。把你了解的一些单片机的应用例子填写到表3-1中。
表3-1 单片机的应用例子
应用的行业 例子
三、单片机的最小系统
一片单片机芯片就是一台微控制器，只要在外围加上一些电子元器件就能构成一个微控制系统。
案例
如图3-4所示是应用一片AT89C2051单片机控制8个发光二极管的硬件接线图。8个发光二极管的阳极通过限流电阻后接在+5V电源上，其阴极分别接在P1.0～P1.7上，单片机只要控制P1接口的输出电平就能控制相应发光二极管的亮（输出低电平）或灭（输出高电平）。
例如我们想要第一个发光二极管（接在P1.0引脚上）发亮，只要控制单片机在P1.0引脚上输出低电平信号就可以实现，要它熄灭则输出高电平信号。
实践
设计并制作一个单片机最小系统，它可控制8个发光二极管实现分组交替闪烁。
要求:
①通过制作一个单片机最小应用系统，理解单片机各引脚的功能和应用方法。
②通过亲历汇编源程序的输入、编译成目标程序并写入单片机的全过程，初步了解有关汇编语言和机器语言的含义。掌握一种单片机的程序固化方法。
方法指导
1．准备材料
AT89C2051单片机1片、20脚双列直插（DIP）1个，集成电路（IC）插座1个、6MHz石英晶体振荡器1 个、发光二极管8个、300Ω电阻8个、10kΩ电阻 1个、10μF电容1个、30pF电容2个、万能印刷电路板1块、连接导线若干（图3-5）。
2．焊接线路板
参照图3-4的接线图，先将IC插座（不插单片机）插入印刷电路板的适当位置并进行焊接固定后，再将其他元件插入适当位置（注意发光二极管的极性不要插反）并进行连线焊接（图3-6）。
3．检查调试
第一步：检查已焊好的电路板焊接是否有错，可用万用表的电阻挡检查是否有短路或断路的地方，如电源引脚是否与地线短接等。
第二步：将已焊好的电路板（先不要插上单片机）的电源和接地引线与+5V的直流电源正负极相接， 并将万用电表调到直流电压10V档，测量单片机插座上20号引脚是否为+5V，10号引脚是否可靠接地（0V）。
第三步：用1条导线一端接地，另一端去碰触单片机插座的12号引脚，对应的发光二极管应该发亮，否则检查相应的发光二极管的电路连接状况直到可控制其亮或灭，并依次检查其他发光二极管，直到8个发光二极管都正常工作。
4．在计算机输入程序，编译程序
在实验室的计算机上打开MCS51汇编程序（或仿真系统），输入下列汇编源程序：
输入程序后，可利用仿真系统的编译功能或MCS51汇编器的编译功能将汇编源程序编译为目标程序后存入磁盘（图3-7）。
5．烧写固化入单片机
在老师的帮助下，使用单片机烧录器将目标程序烧写到AT89C2051的程序存储器中（图3-8）
6．调试
将烧写好程序的单片机插入电路板的IC插座上（注意方向不要插错，单片机芯片上有一缺口，缺口朝左，则芯片的左下第一脚为1号引脚），让老师检查无误后打开电源开关通电调试。若正常应见到发光二极管按奇数组或偶数组闪亮，否则检查复位引脚的相关接线和晶体振荡器的相关电路，可在老师的指导下进一步检查调试。
板书设计
第 一 节 单芯片微控制器
一、什么是微控制器
二、单片机的特点与应用
三、单片机的最小系统
方法指导
1．准备材料
2．焊接线路板
3.检查调试
4．在计算机输入程序，编译程序
5．烧写固化入单片机
6.调试
教学反思
通用技术
选择性必修2
电子控制技术
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：李 榕
本册副主编：郑永驹 钟清华
编 写 人 编：
张百睿 李 榕 郑永驹 钟清华　周 嘉 龚泽祥 胡智豪
广东教育出版社
广东科技出版社

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