基于煙霧報警器的單片機教學項目設計

周立萍　周立紅

[摘 要]教學項目設計是項目教學的一個關鍵環節。通過項目開展，學生可以自己動手設計一個完整的單片機應用系統，掌握前面所學的各種知識和技能，并對單片機的應用有一個完整的認識和訓練。通過項目的實施，學生掌握系統結構設計、模塊型號選擇、軟硬件聯合設計與調試等重要的產品設計與開發知識。該教學方法在教學過程中取得理想教學效果。

[關鍵詞]單片機；項目教學法；煙霧報警器

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.41.151

21世紀以來，特別是工業4.0這個高科技戰略計劃提出后，培養高水平的技能人才迫在眉睫。近年來，我國高職教育在國外培養模式的啟發下，逐步加大校內生產實訓比例，引入企業參與教學過程和質量評價，開展項目教學。項目教學法是在開放式人才培養模式下，教學以育人為目標，以掌握知識和技能為根本，克服了以學科體系進行教學的缺點和不足，為學生的頂崗實習和順利就業創造了條件。

1 項目教學方法采用

單片機應用技術課程是高職院校自動化、電子工藝、機電一體化等專業基礎課[1]，也是工程實踐性很強的應用設計課。對于高職類院校來說，采用理實一體化的項目教學方法最為適合。通過讓學生動手實施項目內容，提高實際設計和應用開發能力，以適應社會的需求。

在開課前，將班級進行分組，每組3～4人，設立組長、質檢員、領料員、員工等，由組長制定詳細的任務并進行分工。通過布置任務、項目資訊、項目決策、項目實施、項目檢查、項目總結與評價等過程制定項目方案[2]。學生在煙霧報警器的設計與調試過程中，了解單片機系統開發的流程。實現從原理圖設計到PCB制版、硬件搭建、程序設計、軟硬件聯合調試的過程。讓學生了解單片機系統設計注意事項，建立控制系統概念。

2 煙霧報警控制項目描述

項目題目選定好后，指導教師需要為煙霧報警器提出相應的任務需求。在課堂中，通過模擬客戶提出設計需求。要求項目的實施場所為家庭廚房。

項目描述：日常生活中，泄漏的可燃氣體在一定范圍內很難被人們發現，對人們的生命財產安全構成很大的安全隱患[3]。隨著人們的安全意識逐漸提高，可燃氣體泄漏問題受到了極大重視。在家居環境中，煙霧報警器是一種必備的選擇，它可以檢測空氣中可燃氣體（如煤氣、甲烷）的含量，如果可燃氣體含量超出正常指標，系統會進行報警，提醒人們及早采取措施，避免事故發生[4]。

項目任務要求：設計一款供家居使用的煙霧報警器，它的氣體探測范圍300 ～ 10000ppm；主要適用氣體：可燃氣體、煙霧；環境溫度：-20℃～+55℃，采用數碼顯示溫度值。設計的煙霧報警器具有以下功能：

（1）火情探測功能：根據不同的防火場所，用戶可以選用溫度探測法、可燃氣體檢測法及煙霧探測法等合適的火災探測方法，來有效地探測火災。[5]

（2）燈光報警功能：當室內煙霧濃度過大、有火情等情況發生時，報警器要進行燈光報警。當煙霧超過最大設定值時，或是溫度超過閥值時，都可以聲光提示報警。

3 煙霧報警控制項目實施

經過充分分析任務需求，各小組組長組織成員討論并制定項目實施方案，經過系統方案設計、模塊選型、電路設計、PCB版繪制、電路焊接、程序設計與系統調試等過程完成項目的整體設計。

3.1 項目方案確定

由項目任務描述，小組成員開始著手設計控制系統結構框圖，經過討論設計后形成完整的設計思路。期間教師通過巡視指導，與學生共同討論確定項目系統設計方案。按照設計要求，煙霧報警控制系統分為控制器模塊、報警控制模塊、溫度檢測模塊、顯示控制模塊、鍵盤控制模塊、煙霧檢測模塊、指示燈模塊、電源模塊等部分。系統設計結構圖如圖1所示：

3.2 項目電路設計

項目的控制系統整體方案設計好后，需要對控制系統各個部分進行元件選擇和原理圖設計。通過查找技術手冊和相關參數，各個小組確定煙霧報警器控制系統的控制器為STC89C52型號的單片機。顯示部分采用價格合理滿足控制要求的數碼管進行溫度顯示，通過三種不同顏色的LED燈作為溫度、煙霧報警指示。氣體傳感器模塊采用MQ-2型號的傳感器，并由LM393作為氣體傳感器的放大電路，采用蜂鳴器作為報警模塊。溫度控制部分采用DS18B20作為溫度檢測傳感器。

3.3 項目硬件搭建

項目原理圖和元件選擇后，經過老師和學生們共同討論，確定項目設計的可行性，并通過仿真測試方法進行驗證。確定方案設計可行性后，開始進行電路的硬件搭接。實物如圖2中所示。

3.4 程序設計與系統調試

硬件焊接好后，需要各個小組進行控制系統編程，控制系統主要的控制流程如圖3中所示。首先進行系統初始化，開中斷；然后進行溫度顯示，并實時監測溫度和MQ-2氣體傳感器的感應變化，通過判斷溫度傳感器的溫度值與氣體傳感器的感應值得變化范圍，進行指示燈的控制與報警器報警工作。

通過程序編寫并在線調試，確定該煙霧報警器的程序控制，完成煙霧報警器制作與調試。最終，各個小組成員經過兩周的設計、硬件焊接、程序編寫、軟硬件聯調等工作后終于完成煙霧報警器的控制系統設計項目。

3.5 項目的測試與評估

經過小組互相測試作品的功能性、性能可靠程度，最終確定一組優秀的項目產品。該組的產品焊接工藝較好，能實現項目任務描述中的各項功能，具有一定的可靠性與實用性，合格產品。通過教師和小組成員進行項目產品評價和打分，確定各個小組及其成員的成績。

4 煙霧報警控制項目總結

單片機課程是一門實用性非常強的課程，通過將設計項目引入課堂，讓學生感受一個項目的整個環節。整個過程使學生體驗到企業各個工作環節，讓學生腦中產生系統的概念。經過項目的設計，學生對各種芯片選型、原理圖設計、硬件焊接與檢測、單片機中定時器、中斷等重點知識的理解更加透徹。

5 結 論

項目將單片機中的端口定義、定時器、中斷等知識融合，結合溫度、氣體傳感器等設計完成一個煙霧報警器控制。使學生完成煙霧報警器過程中，不僅學到了知識，也提高了技能水平。在今后的教學過程中，需要不斷的開發實際項目，將項目設計引入課堂，不斷提高學生技能。

參考文獻：

[1]王靜霞.單片機應用技術[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2]叢文龍.應用“六步教學法”的常見問題及對策[J].遼寧高職學報，2010.8（12）.

[3]許磊.傳感器技術與應用[M].北京：高等教育出版社，2014.

[4]陳衛.傳感器應用[M].北京：高等教育出版社，2014.

[5]孫巨勇.基于單片機的煙霧報警器的設計探究[J].微處理器與可編程控制器，2013（15）.