基于能力培養(yǎng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔承毅， 王開宇， 趙冠男， 高慶華

(1. 大連理工大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 大連 116023； 2. 遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

0 引 言

實(shí)踐教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)[1-3]，以單片機(jī)為核心的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程可以將單片機(jī)原理、數(shù)字電路、模擬電路等知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來，對(duì)學(xué)生深入理解和掌握這些知識(shí)具有很好的作用[4-5]。在實(shí)踐教學(xué)過程中，怎樣科學(xué)合理地設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)將學(xué)過的知識(shí)融會(huì)貫通，并且接觸新技術(shù)、新應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)及工程實(shí)踐能力，是實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革需要考慮的主要問題[6-7]。

單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M項(xiàng)目開發(fā)過程，要求學(xué)生根據(jù)老師提出的要求，自己設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試實(shí)現(xiàn)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，面向的對(duì)象為電類專業(yè)高年級(jí)的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)形式為一人一組。為了使學(xué)生能夠得到更好的鍛煉，實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為本，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，模擬現(xiàn)實(shí)生活中的智能控制系統(tǒng)，結(jié)合手機(jī)APP應(yīng)用、藍(lán)牙無線通信、電機(jī)控制、傳感器等設(shè)計(jì)了單片機(jī)綜合訓(xùn)練題目。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

單片機(jī)智能控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示?？刂坪诵倪x擇STC15系列低功耗、高速度、高性能單片機(jī)IAP15W4K58S4，其具有在線仿真調(diào)試功能[8-10]；溫度傳感器使用18b20；光強(qiáng)采集使用光敏電阻；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用ULN2003；風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)使用L298N；此外，還設(shè)計(jì)了繼電器控制單元和LCD狀態(tài)顯示功能；在功能拓展上，設(shè)計(jì)手機(jī)APP的無線控制功能，手機(jī)APP使用“藍(lán)牙串口調(diào)試助手”等APP軟件，無線通信使用藍(lán)牙。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)采用28BYJ48型四相八拍電機(jī)，實(shí)物如圖2所示，其5根接線依次為：紅色，+5 V；橙色，A；黃色，B；粉色，C；藍(lán)色，D。

圖2 步進(jìn)電機(jī)28BYJ48

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇ULN2003，該芯片具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其連接電路如圖3所示。

當(dāng)單片機(jī)通過P2.0～P2.3發(fā)送一個(gè)組合脈沖信號(hào)時(shí)，即驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，即步進(jìn)角。當(dāng)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，就可以驅(qū)動(dòng)其連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍3種工作方式[11]。其中，八拍勵(lì)磁的方式為(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)，具體執(zhí)行方式如表1所示。

圖3 ULN2003驅(qū)動(dòng)電路連接圖

12345678A11000001B01110000C00011100D00000111

2.2 DS18b20溫度采集

DS18B20是單總線高精度溫度傳感器，溫度檢測(cè)范圍是-55～+125 ℃，可以程序設(shè)定9～12位的分辨率，可直接輸出數(shù)字量。DS18B20引腳圖如圖4所示，3個(gè)引腳分別為：GND為電源地；DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；VDD為電源輸入端(在寄生電源接線方式時(shí)接地)。DS18B20使用簡(jiǎn)單，DQ端接上拉電阻，與單片機(jī)引腳相連，VDD與GND進(jìn)行對(duì)應(yīng)的連接即可[12-14]。

2.3 藍(lán)牙無線通信

藍(lán)牙通信是很多手機(jī)必備的功能，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)有了藍(lán)牙功能，就可以通過手機(jī)APP向其發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制功能。藍(lán)牙使用主從一體的藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊HC05，實(shí)物如圖5所示。

圖4 DS18B20引腳圖圖5 HC05實(shí)物圖

HC05模塊與單片機(jī)的串口相連，連接方式為：RXD接單片機(jī)的TXD，TXD接單片機(jī)的RXD。當(dāng)手機(jī)藍(lán)牙與HC05模塊配對(duì)成功后，單片機(jī)可通過串口接收手機(jī)APP發(fā)送的指令，并根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。

2.4 繼電器控制

繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)元件，被廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備中。在本項(xiàng)目中，利用直流繼電器控制LED燈，以此來模擬對(duì)其他電器設(shè)備的控制。繼電器控制LED燈的一種典型電路如圖6所示。

圖6 繼電器控制LED燈電路

繼電器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)中，如當(dāng)溫度低到設(shè)定值時(shí)，繼電器控制LED燈亮，模擬對(duì)加熱設(shè)備的控制；或者，通過手機(jī)APP發(fā)送命令來點(diǎn)亮或關(guān)閉繼電器控制的LED燈，如圖7所示。

點(diǎn)亮第1個(gè)燈點(diǎn)亮第2個(gè)燈點(diǎn)亮第3個(gè)燈

圖7 手機(jī)APP控制LED燈

2.5 其他功能模塊

(1) LCD使用1602，根據(jù)功能設(shè)計(jì)情況，顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)、傳感器采集的數(shù)值、控制信息等，學(xué)生設(shè)計(jì)的LCD顯示功能如圖8所示。

圖8 LCD顯示功能

(2)光強(qiáng)采集使用光敏電阻，通過IAP15W4K58S4的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)值采集。A/D轉(zhuǎn)換器位于單片機(jī)的P1口，為10位A/D轉(zhuǎn)換器[15]。實(shí)驗(yàn)中，可通過光強(qiáng)值的采集來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，模擬對(duì)窗簾的開關(guān)控制。

(3)風(fēng)扇的電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊。實(shí)驗(yàn)中，可根據(jù)溫度采集來調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，模擬對(duì)溫度的調(diào)節(jié)[16]。

3 實(shí)踐教學(xué)

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

經(jīng)過幾年的學(xué)習(xí)，學(xué)生的動(dòng)手能力有了較大的差別，如果用同一標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生，面臨的問題是：部分同學(xué)第一次接觸單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能力有限，為了完成任務(wù)，他們往往進(jìn)行抄襲，得不到有效的鍛煉；而那些能力強(qiáng)的學(xué)生又受到限制，沒有充分施展的空間，提高有限。解決這一問題的辦法就是將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次化、開放化，在滿足設(shè)計(jì)基本要求的前提下，讓學(xué)生在功能設(shè)計(jì)上自由發(fā)揮和拓展。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程中，要求每位學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本功能包括：LCD顯示、傳感器應(yīng)用、電機(jī)控制，繼電器控制。在作品實(shí)現(xiàn)方式及功能設(shè)計(jì)上，則開放給學(xué)生，學(xué)生可以利用光敏電阻、溫度傳感器、步進(jìn)電機(jī)、風(fēng)扇、手機(jī)APP等進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，任意發(fā)揮，自由拓展。

3.2 實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣較高，設(shè)計(jì)了功能豐富的作品，部分學(xué)生作品如圖9所示。

圖9 部分學(xué)生作品

功能設(shè)計(jì)上，學(xué)生設(shè)計(jì)的主要功能如表2所示。

表2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過開放化、層次化的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中，能力稍微差一些的學(xué)生，通過設(shè)計(jì)一個(gè)完整的作品，掌握了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體方法，動(dòng)手能力有所提高；動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生設(shè)計(jì)了功能豐富的作品，在功能設(shè)計(jì)、控制方式上需要考慮的問題較多，創(chuàng)新思維得到了一定的訓(xùn)練。部分作品的功能設(shè)計(jì)如圖10所示。其中：圖10(a)實(shí)現(xiàn)功能對(duì)應(yīng)表2中1、3、8；圖10(b)對(duì)應(yīng)2、4、5、7、8；圖10(c)對(duì)應(yīng)1～8。

(a)(b)(c)

圖10 學(xué)生部分功能設(shè)計(jì)作品

4 結(jié) 語

單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力方面有著不可替換的重要作用。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，將多種知識(shí)點(diǎn)融入其中，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)際應(yīng)用來進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，有效地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。在方案設(shè)計(jì)和功能拓展上，給學(xué)生充分的自主性和自由發(fā)揮的空間，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有多方案、多功能的特點(diǎn)，較好地鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，教學(xué)質(zhì)量有一定的提高。