嵌入式系统课程的案例设计

嵌入式系统应用课程以 " 专创融合 " 为指导思想，深度融合专业教育与创新创业教育，构建了 " 以赛促学、以创促教 " 的教学新模式。课程通过设计多层次、综合化的实践教学体系，为学生参加各类学科竞赛和未来创新创业奠定坚实基础[1]。

课程设计了单片机通过单总线协议采集温度的综合性实践案例，该案例具有知识覆盖面广、技术综合性强、实践要求高的特点。案例涉及单总线通信协议的时序分析、传感器驱动开发、数据采集与处理、温度校准算法、低功耗设计等关键技术点，要求学生从硬件电路设计到软件算法实现完成全流程开发。通过该案例的实施，学生不仅能够掌握嵌入式系统开发的核心技能，更能培养解决复杂工程问题的系统化思维能力和团队协作能力。本案例设计与 " 全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛 "、" 互联网 + 创新创业大赛 " 等权威赛事要求紧密结合，注重培养学生的创新意识和创业精神。

学生在完成该案例的基础上，后续可进一步拓展应用场景，如设计智能农业监测系统、工业设备温度监控平台等实际应用方案，从而体验从技术实现到产品化的完整过程。这种以真实项目为载体、以竞赛要求为标杆的教学方式，有效促进了专业知识与创新创业能力的深度融合[2]。

1 案例分析

本课程设计了一个基于单片机的温度监测系统案例，该系统采用 ST-C89C51 作为主控芯片，通过单总线协议读取 DS18B20 温度传感器的数据，并将采集到的温度值实时显示在 LCD1602 液晶显示屏上，同时通过串口通信将数据上传至上位机进行进一步处理和分析。

该案例系统性地整合了本课程的 IO 口操作、中断系统、定时器、串口通信等核心知识点。将案例分解为 51 最小系统、采集 DS18B20 温度值、显示屏、上位机通信这几部分。51 最小系统对应课程中51 最小系统组成知识点，2 学时；采集DS18B20 温度值部分对应课程中IO 口操作、模拟单总线协议、定时器知识点，6 学时；显示部分对应课程中 IO 口扩展知识点，2 学时；上位机通信部分对应课程中串口通信、中断系统知识点，4 学时。通过 IO 口模拟单总线协议实现与DS18B20 的通信；利用定时器精确控制时序和温度采集频率；运用中断系统处理实时任务；通过串口通信实现与上位机的数据传输。这些技术要点的综合应用，使学生能够全面掌握嵌入式系统中外设控制、时序管理和数据通信的关键技能，培养软硬件协同设计的工程实践能力[3][4]。

该案例教学目标包括：（1）掌握单总线通信协议的原理与实现方法，能够通过 IO 口模拟时序精确控制 DS18B20。（2）学习 LCD1602 液晶显示模块的驱动原理和编程方法，实现数据的本地可视化显示。（3）掌握串口通信的基本原理和编程实现，完成单片机与上位机之间的数据通信。（4）培养学生嵌入式系统软硬件协同设计能力，提升解决实际工程问题的综合实践技能。（5）通过完整的系统开发流程，为学生参加电子设计竞赛和创新创业项目奠定基础。

2 案例硬件设计

本案例硬件电路采用模块化设计理念，由四个核心功能模块组成：51 单片机最小系统模块、DS18B20 温度传感器模块、串口通信模块以及LCD1602液晶显示模块。整个电路在Proteus仿真软件环境中完成设计与验证。

51 最小系统模块包含 STC89C51 单片机、时钟电路和复位电路，为系统提供核心控制功能；DS18B20 传感器模块通过单总线接口与单片机 P1.1引脚连接，实现温度数据采集；单片机的 TXD 与 RXD 引脚通过 COMPIM与计算机进行串口通信；LCD1602 显示模块通过并口方式与单片机 P0 口连接，实现温度数据的实时显示。各模块间通过精心设计的电路连接，形成一个完整的温度监测系统。

3 案例系统软件设计

单片机系统上电后首先执行初始化程序，对 IO 口、定时器、中断系统及串口通信模块进行初始化配置。具体而言，定时器采用工作模式 1（16 位自动重装模式），设置初值实现 1ms 定时中断，为系统提供精确时基；中断系统开启定时器中断和串口中断，设置相应的中断优先级；串口通信采用模式1，波特率设置为9600bps，使用定时器1 作为波特率发生器。

初始化完成后，主程序进入循环执行状态。系统通过精确模拟单总线通信协议，按照初始化、ROM 命令、功能命令的流程与 DS18B20 温度传感器进行数据交互。温度采集过程中，单片机先发送温度转换命令，等待转换完成后读取温度寄存器数据，将获得的 16 位二进制数据进行精度处理和温度值计算，通过符号位判断正负温度，小数部分通过查表法进行转换。

处理后的温度数据通过并行接口传输至LCD1602 显示屏，以"Tempera-ture： XX.XC " 的格式进行实时显示。同时，系统通过串口将温度数据按照特定协议格式上传至上位机，传输数据包含帧头、温度数值、校验位和帧尾，确保数据传输的可靠性。整个系统采用低功耗设计，在完成一次温度采集和传输后进入空闲模式，等待定时中断唤醒进行下一次采集。

4 案例开发环境及实验流程

在案例开发过程中，采用 Proteus 与 Keil 联合开发模式，通过虚拟仿真技术实现完整的软硬件调试流程。首先在Proteus 仿真环境中搭建硬件电路，核心组件包括 STC89C51 单片机、DS18B20 温度传感器、COMPIM 串口通信模块以及必要的电阻电容等外围电路。特别注意COMPIM模块的参数配置：双击组件设置波特率为9600bps，数据位8 位，停止位1 位，无奇偶校验位，这些参数必须与串口调试助手的设置完全一致。

在Keil 开发环境中，使用C 语言编写嵌入式程序，主要实现以下功能：进行系统初始化，采用精确延时算法生成单总线协议时序，读取DS18B20 的温度数据，进行数据处理和格式转换，最后通过串口发送到上位机。代码编译生成HEX 文件后，在Proteus 中加载该文件到单片机模型。

为实现虚拟串口通信，需要安装 VSPD 虚拟串口软件，创建一对互联的虚拟串口（如 COM3 和 COM4）。在 Proteus 中将 COMPIM 模块绑定到其中一个串口（如COM3），同时在设备管理器中确认该串口未被其他设备占用。打开串口调试助手，选择另一个虚拟串口（COM4），设置与 COMPIM 相同的通信参数。

进行联调时，首先在 Proteus 中启动仿真运行，观察电路各节点的电平变化和信号时序。然后在串口调试助手中打开相应端口，即可接收到单片机发送的温度数据。调试过程中需要特别注意：单总线时序的微妙级精确性，串口通信的波特率误差控制，以及数据格式的规范性。

5 案例扩展及总结

在上述基础案例中，实现了温度数据的本地采集和串口传输，这已经涵盖了嵌入式系统的核心知识点。为深化“专创融合”、对接更高水平的学科竞赛，可引导学生对案例进行纵向和横向的扩展，将其演进为一个基于 Web的远程温度监控系统。将原有的有线串口通信升级为基于 ESP8266 等 WiFi模块的无线物联网传输方案，从而构建一个完整的远程监控系统：学生首先实现单片机通过 AT 指令与 WiFi 模块交互，将采集的温度数据以 TCP/IP 协议无线发送至指定网络地址；随后，在掌握基础 Web 后端技术（如 Flask、Django 或 Node.js）后，可自行搭建云服务器，编写 API 接口接收并存储温度数据，并进一步开发前端可视化界面（如实时曲线、数据看板、历史查询及报警功能），最终形成一个从终端感知、无线传输、云平台处理到应用层展示的全栈式项目，这不仅深化了嵌入式与网络通信的融合理解，更完整再现了工业物联网系统的核心架构，为学生参与“互联网 +^' ”、“嵌入式芯片与系统”“蓝桥杯”等创新创业竞赛提供了极具竞争力的综合实践平台 [5]。

参考文献

1. 张建， 李晓娜， 王甜， 等.“双创”背景下《嵌入式技术及实验》课程改革与实践 [J]. 办公自动化 ，2025，30（15）：35-38.

2. 郭慧娟 ， 王海燕 ， 郭新年 . 创新创业驱动下的嵌入式系统课程教学改革探讨 [J]. 电脑知识与技术 ，2025，21（17）：146-148

3. 邢钰 ， 许兵 ， 代文鹏 . 融合 TRIZ 理论的嵌入式系统实践教学案例研究——以基于串口通信的 LED 流水灯控制为例 [J]. 数字通信世界 ，2025，（07）：243-246.

4. 张加宏 ， 杨天民 ， 刘恒 ， 等 . 一种嵌入式 PID 恒温控制的教学实验设计 [J]. 实验技术与管理 ，2020，37（10）：211-215+219.

5. 黄艳 ， 刘昕宇 ， 权佳伟 . 大学生物联网实践竞赛引领下的嵌入式课程教学改革与研究 [J]. 科技风 ，2025，（20）：65-67.

作者简介：

邢艺兰（1987-），女，汉族，河北石家庄人，硕士，讲师，主要研究方向：物联网与无线传感器网络、嵌入式人工智能等。

刘朋（1990-），男，汉族，人，硕士，讲师，主要研究方向：自然语言处理技术、金融风向控制等。

魏祥丽（1987-），女，汉族，山东济宁人，硕士，馆员，主要研究方向：计算机应用，数据分析等。

河北省高校创新创业课程立项课题（编号：CXCYKC-2023-21）

北华航天工业学院教研课题（编号：JY-2024-13）