面向學生工程能力達成的“單片機技術”實驗案例設計

張承暢, 吳孟林, 張華譽, 羅 元, 何 豐

(重慶郵電大學 重慶市電工電子實驗教學示范中心, 重慶 400065)

“單片機技術”是國內高等學校電類專業的基礎核心課程,具有較強的實踐性和工程性,對培養學生實踐能力和創新能力、打造一批適應國際分工與合作的中國工程師有著十分重要的作用[1-4]。近年來,以學校工程教育專業認證為契機,圍繞電子信息技術人才的培養,持續、深化地進行實驗教學改革和創新。在“單片機技術”課程實驗案例設計中,引導學生關注生產、生活實際,以工程實現為目標,將學生實踐能力培養與課程知識并重、難點融合對接,突出實踐創新教學,激發學生學習興趣,發掘學生實驗探究能力,提升課程建設和人才培養質量。

1 工程教育專業認證內涵及意義

1.1 工程教育專業認證的內涵

工程教育專業認證是指專業認證機構針對高等教育機構開設的工程類專業教育實施的專門性認證,工程教育專業認證的核心是要確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求,是一種以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價[5-8]。其內涵主要體現在高校專業課程體系設置、師資隊伍配備、辦學條件配置等都圍繞學生畢業能力達成這一核心任務展開,并強調建立專業持續改進機制和文化以保證專業教育質量和專業教育活力。

1.2 工程教育專業認證的指導意義

工程教育專業認證以學生為中心,聚焦學生工程能力培養,對高校實驗課程實驗案例設計的指導意義主要體現在兩方面:一是從課程內容的設置看,實驗案例的選擇盡量面向生產、生活實際的科學實踐活動,旨在培養學生的科學素質,特別是解決實際問題的能力,從而奠定今后解決復雜工程問題所需的創造精神和創新能力[9]；二是從教與學的角度,教師能否通過實驗案例的設置,激發學生的學習興趣和熱情,激勵學生在解決工程問題的過程中,不斷積累和鞏固已有知識體系,挖掘主動探究問題的能力,培養學生的科學精神和人文情懷[10]。

“單片機技術”實驗案例開發,以解決生產、生活中的工程實際問題為導向,促進學生形成主動思考、自我創新的意識。將傳統以教師為中心、理論和課堂教學為主,轉變成以學生為中心、實踐能力培養為主。按照場景設定、需求分析、指標解析的漸進認知過程,到器件選型、開發模板與軟件環境搭建、硬件檢測、軟硬件一體化測試的實踐過程。教師在學生的認知和實踐過程中,答疑解惑,引導學生制訂完整、科學的設計與實現方案。學生在已有知識的基礎上,充分利用學校教學資源和開放網絡資源,自我管理、團結協作,通過不斷的學習、實踐、提高,收獲成功,提升自信心和創造力,同時不斷深化對自身和社會的認識,完善知識和人格體系。

2 數字溫度計設計

2.1 教學設計

在智能化生產過程中,溫度參數直接影響生產過程中的每一個環節,為了保證生產能夠順利進行,需要控制環境溫度參數[11]。本設計要求學生利用單片機作為微控制器,分組完成,設計一款數字溫度計,將溫度值以數字化的形式顯示,使其能夠準確、方便地進行讀數。

數字溫度計需要實現的功能和指標如下:

(1) 測量范圍為-55 ℃～125 ℃,測量精度為0.1 ℃。

(2) 通過按鍵設置報警的最高溫度TH和最低溫度TL。

(3) 當實際測量的溫度超出最高溫度和最低溫度范圍時,發出聲光報警信號。

學生接受設計任務后,在資料收集、小組討論、師生交流、方案確定的整個過程中,教師引導學生從系統功能出發,首先進行系統總體設計,包括設計任務和要求、功能及技術指標等,然后逐級將系統分成幾個功能模塊,再將每個功能模塊劃分成若干個子模塊,包括系統電路結構設計、系統工作原理描述等,最后完成每個功能模塊的具體電路設計。通過反復論證,確定采用所學的51單片機作為微控制器、DS18B20溫度傳感器采集溫度、LCD1602顯示采集的溫度值。根據需要實現的功能,初步確定整個設計需要溫度采集模塊、鍵盤設置模塊、顯示模塊、聲光報警模塊以及時鐘信號等功能模塊。

2.2 電路設計

數字溫度計電路如圖1所示。

圖1 數字溫度計電路

圖中電路主要分為5個功能模塊:

(1) 時鐘模塊。設計采用內部時鐘的方式為整個系統提供時鐘信號,在輸入端XTAL1和輸出端XTAL2跨接石英晶體振蕩器和微調電容,從而構成穩定的自激振蕩器。電路中使用33 pF的電容,晶體振蕩頻率6 MHz。

(2) 報警溫度設置模塊。利用“設置、增大、減小”(P3.3、P3.5、P3.7)3個按鍵預設報警最高溫度TH和最低TL,其中“設置”按鍵為TH、TL，設置轉換鍵,當用“設置”按鍵選定設置TH或TL時,用“增大”或“減小”按鍵遞增或遞減溫度設定值,遞差為1 ℃。

(3) 溫度檢測模塊。溫度傳感器為Dallas半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20,是一款支持“一線總線”接口的溫度傳感器。DS18B20可以程序設定9～12位的分辨率,精度為±0.5 ℃。DS18B20在讀取數據時,一次讀2字節,其中高8位的前5位是符號位。

(4) 聲光報警部分。當測試溫度在設定的溫度范圍內時,單片機端口P2.2輸出高電平“1”,壓電蜂鳴器不報警,端口P1.2輸出低電平“0”,綠燈亮；當溫度高于TH時,此時處于高溫報警狀態,單片機端口P2.2輸出低電平“0”,蜂鳴器報警,單片機端口P1.0輸出低電平“0”,紅燈亮；當溫度低于TL時,P2.2端口輸出“0”,蜂鳴器發出低溫報警聲音,P1.4端口輸出低電平“0”,黃燈亮。

(5) 數據顯示模塊。利用LCD1602顯示溫度,將TH、TL和測試溫度值數值顯示在同一畫面內。

2.3 程序設計

主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

利用Proteus軟件進行仿真,采用Keil C51集成編譯環境和C語言來進行系統軟件的設計,實現LCD1602顯示當前溫度值和限定溫度值,可以模擬修改DS18B20采集的溫度值,測試設計電路中的聲光報警功能。

主程序先對液晶和定時器進行初始化,然后通過調用DS18B20溫度采集程序、LCD1602顯示溫度值程序、按鍵控制最高(低)溫程序、聲光報警程序和數據存儲程序等5個子程序分別實現溫度采集、溫度顯示、按鍵控制、報警、數據存儲等功能,通過定時器T0(P3.4)的定時來實現報警功能和每隔1 s刷新所采集的溫度數據。

2.4 實驗測試

圖3是測試硬件電路和實時溫度顯示,設定最低溫度為21 ℃,最高溫度為31 ℃,測試得到當前溫度為26.9 ℃,測試電路工作穩定。

圖3 硬件電路調試

3 電子秤設計

3.1 教學設計

在實際生活中,傳統的稱量裝置因其笨重不方便在很多場合已經逐漸被電子稱所取代[12]。電子秤以其方便、便捷、精度高、人機交換簡單等優點受到了人們的喜愛。在“單片機技術”這門課程中,作為課程設計案例,安排學生自行設計一款電子秤。

電子秤功能和指標如下:

(1) 稱重范圍為0～5 kg。

(2) 稱重功能且誤差控制在±0.005 kg。

(3) 超過最大載重則進行聲光報警。

(4) 有計量功能,即能夠通過輸入單價計算總價。

由技術指標要求,確定選用AT89C51單片機作為核心控制單元,配合外圍電路,用C語言來編程,實現電子秤的功能要求。系統由6個部分組成:控制器部分、測量部分、報警部分、數據顯示部分、4×4鍵盤矩陣部分和電源電路部分。設計包含外接電源、單片機最小系統(AT89C51單片機、復位電路和時鐘電路)、信號收集處理部分(壓力傳感器、24位高精度AD轉換芯片HX711)、人機交互部分(鍵盤,LCD1602顯示屏)、超重聲光報警電路。

3.2 電路設計

電子秤電路如圖4所示。

圖4 電子秤電路圖

電路主要包含以下模塊:

(1) 測量模塊。測量模塊是電阻應變式壓力傳感器將檢測到的壓力信號轉換為弱的電壓信號,放大電路和信號通過A/D轉換芯片HX711,將模擬信號轉換為數字信號輸出。在使用Proteus軟件繪制原理圖時,元件庫中不存在壓力傳感器,仿真過程中通過改變輸入到A/D芯片HX711中的電壓大小,從而模擬出物體的質量。

(2) 顯示模塊。選用LCD1602顯示單價、質量、計價金額等。

(3) 聲光報警電路。當被測物體質量超過電子秤的最大量程時,LED燈光開啟，且蜂鳴器開始報警,避免因過載而損害電子秤。在設計聲光報警時,將蜂鳴器與三極管與單片機P1.1相連接。當被測物體超過量程5 kg時,單片機引腳P1.1輸出為“0”,LED發光，并且聲音報警。

(4) 鍵盤電路。操作者通過鍵盤向系統發送各種指令或置入必要的數據信息。設計使用4×4矩陣鍵盤作為電子秤的鍵盤輸入模塊,主要完成輸入單價、計算總價和歸零指令。鍵盤的行和列分別由4條I/O線交叉構成,組成矩陣且每條I/O線交點有1個按鍵開關。

3.3 程序設計

系統程序設計使用C語言編程, Keil軟件進行編譯。分模塊分別編寫主函數、LCD1602顯示函數、矩陣鍵盤函數、AD轉換程序等。

系統主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

當程序啟動時,對各個模塊，包括定時器、LCD顯示模塊、按鍵模塊,進行初始化。當沒有被測物時,顯示歡迎界面。當秤量物品時,A/D轉換器將處理后的數值送入單片機中進行處理,運算后可以得到被測物的質量,在顯示屏的固定位置進行顯示。當被測物體的質量大于設計的范圍時,啟動聲光報警。通過調用按鍵子程序,由顯示電路顯示被測物的單價和總價。

3.4 實驗結果

啟動單片機,屏幕顯示系統初始化界面,此時質量和單價都為0,金額為空。在電子秤上放上物體,液晶顯示器顯示質量,通過數字鍵和小數點鍵輸入單價,完成后自動計算金額。硬件調試如圖6所示。

圖6 硬件調試圖

利用制作好的電子秤稱量標準砝碼的質量,同時與標準砝碼質量進行比較,確認其測量溫度值的準確性。測量比較的3組數據如表1所示。由測試結果可知,各功能完好,測量誤差為1 g。

表1 實物測量對比

4 結語

工程教育專業認證以學生為中心,聚焦學生工程能力培養,旨在引導建立與世界接軌的工程教育專業培養體系,培養具有國際適應能力的工程技術人才。工程教育專業認證對高校實驗課程教學改革具有重要的指導意義。以學校工程教育專業認證為契機,充分發揮大學生科研訓練計劃、國家大學生創新實踐計劃、電子設計競賽等活動的引領作用,扎實推進課程實驗、課程設計等實踐教學環節改革創新。在“單片機技術”實驗中,以解決工程實際問題為導向,引導學生關注生產、生活實際,不斷提升自身知識和能力,取得了良好的效果。

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