基于51單片機的昆蟲誘捕滅殺控制裝置的教學項目設計①

王應彪

摘 ? 要：針對“單片機原理與應用”課程存在內容抽象、學習難度大、學生學習興趣不夠等問題。結合林業院校專業特色，文章以昆蟲誘捕滅殺控制裝置教學項目為例。將具體項目引入課程教學中并加以應用，激發了學生的學習興趣，提高了學生單片機技術課程實踐動手能力，對提高教學質量、改善教學條件具有重要意義。

關鍵詞：單片機 ?教學項目設計 ?林業院校 ?昆蟲誘捕

中圖分類號：TP368 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0192-03

1 ?項目背景

林業院校《單片機原理及應用》課程是機械電子、電氣自動化、車輛工程等工科專業的重要專業核心課程。由于該課程對于林業院校工科類專業學生來說，計算機硬件與軟件程序編寫調試能力比較薄弱，學生動手實踐的機會較少，理論知識比較抽象，教學過程中學生反映知識點難以理解，實踐動手機會較少，不能充分調動學生的主動學習的興趣，為此根據本課程的特點，結合林業院校的專業特色[1]。以具體項目為載體，引導學生主動思考，從而提高學生的實踐創新能力[2]。本教學項目以昆蟲誘捕滅殺控制裝置為例，利用單片機原理設計控制太陽光追蹤，自動追光調節模塊（包含時鐘和顯示模塊的硬件電路和程序設計）、高壓電擊電壓轉換模塊、誘蟲光源系統等電路，為進一步提高學生單片機應用能力創造條件。

2 ?項目內容及要求

2.1 項目目的

（1）掌握太陽能昆蟲誘捕滅殺控制裝置所采用的太陽光追蹤原理;（2）掌握電擊殺加風扇吹落收集昆蟲的昆蟲捕殺技術;（3）對比直流和步進電機兩種太陽能板驅動方案優缺點，并進行選擇;（4）進一步掌握單片機及其主要外設、步進電機、配套電子器件的選取和相關電路設計，對太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池等系統各部件進行選型和計算。（5）培養學生動手能力，團結合作和綜合運用等方面的能力[3]。

2.2 項目控制要求

（1）太陽能控制器：對蓄電池的充、放電條件加以規定和控制，并按照負載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能輸出。（2）STC89C51單片機：指揮決策中心，處理和控制各部分功能的正常運轉。（3）DS1302時鐘電路：外接時鐘電路，雙電源供電。（4）步進電機：在單片機控制下可精確轉動并調整太陽能板角度。（5）LED燈珠：365nm波長紫外光源，通過單片機控制燈珠“閃爍”。（6）風扇：為LED陣列散熱以及清理困在電網上的昆蟲。（7）高壓電網：根據電蚊拍電路進行改進，可反饋昆蟲受電擊狀況。（8）LCD1602液晶顯示器：顯示當前時間、時間調整、昆蟲數目等信息[4]。

3 ?項目實施過程

3.1 控制程序

本項目的軟件設計要求采用模塊化設計思路，即主控制程序由多個子程序模塊組成。主要實現的功能設計思路如下：（1）系統開機后，主程序首先要完成初始化，刷新LCD1602液晶顯示默認時間、初始化DS1302時鐘芯片寫入默認時間、開啟中斷并配置定時器。（2）系統初始化完成后，進入主循環程序，保持4×4矩陣鍵盤的按鍵監測、每間隔200ms刷新一次當前時間、每間隔600ms檢測一次定時任務。（3）定時任務子程序將一天劃分為3個時段：9：00～18：00為強光時段，設定步進電機每半小時工作一次，每次將使太陽能板轉動約7°，當時間為18：00時追光時間段結束，步進電機執行復位動作，將使太陽能板反向轉動約119°。19：00～00：00為昆蟲誘捕時段，將開啟誘蟲燈、風扇、高壓電擊網，運行昆蟲計數子程序，并通過PWM脈沖寬度調制實現LED光源“呼吸燈”閃爍的動態效果。其余時段為系統待機時段，保持時鐘芯片的計時和液晶屏的顯示等基礎功能，太陽能昆蟲誘捕殺滅控制裝置原理圖如圖1所示。

3.2 仿真電路設計

本教學項目基于Proteus7.0軟件進行仿真電路的設計，該軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。軟件擁有強大的單片機仿真功能，也是目前電路仿真應用最廣泛的單片機仿真軟件。本項目仿真電路分為多塊進行分別設計，然后通過89C51單片機核心控制單元進行輸入輸出控制，主要控制模塊如下：

（1）電擊控制模塊。電擊控制模塊的電路主要由高頻振蕩電路、三倍壓整流電路和高壓電擊網三部分組成如圖2所示。當電源接通時，由三極管Q1（型號為S8050）和變壓器TR1構成的高頻振蕩器通電工作，把5V直流電變成18kHz左右的高頻交流電，經T升壓到500V，再經二極管D2～D4、電容器C1～C3三倍壓整流升高至1500V，加到金屬網上。當昆蟲觸及到高壓電網時，電流通過蟲體釋放可造成昆蟲暈厥或被擊斃。

（2）時間設定及昆蟲計數模塊。系統開機后，顯示默認初始值：2019-01-01 00：00：00星期二，需要通過按鍵調整設定當前正確的時間，默認LCD1602液晶正常工作狀態顯示當前DS1302時鐘芯片所儲存的時間，通過按鍵可切換當前時間、設置時間、昆蟲計數三種顯示狀態。系統正常運行時昆蟲計數功能會定時打開，保持后臺計數，但初始狀態顯示屏默認顯示當前時間，可以通過按鍵切換顯示狀態查看本次開機以來所捕獲的昆蟲數目，LCD1602液晶的昆蟲計數顯示狀態，如圖3a～3b所示。

（3）風扇、LED陣列工作模塊。

通過設定時間在19：00-00：00為系統設定的昆蟲誘捕時段，此時間段內將開啟風扇、LED陣列、高壓電擊和計數電路對昆蟲進行誘捕并電擊，風扇和LED陣列運行狀態電路仿真圖如圖4所示。

（4）步進電機工作電路模塊。

根據每天自然光照時段特點，9：00～18：00為強光時段，其中9：00～17：30為追光程序工作時段，從9：00開始每半小時控制步進電機轉動7°，當18：00時追光程序執行完畢，步進電機將反轉119°復位，完成每天的追光工作控制，步進電機準時工作仿真電路如圖5所示。

4 ?項目考核與評價

本教學項目通過分為不同小組進行設計，在規定的時間內各個小組通過完成軟件、硬件設計以及項目設計說明書的編寫，最后通過現場分組答辯和演示，教師對完成項目的完成情況進行考核與評價。考核標準如下：（1）設計制作50分：包括硬件電路設計、軟件程序調試等，考核時要查看原始設計資料，包括硬件的布置與連接、程序語法規范、元器件布局是否合理等;（2）設計報告書寫30分：設計報告必須獨立完成，格式字數符合規定要求，圖形繪制規范，不得到網上下載;（3）平時及答辯20分：主要考核學生在項目完成期間的表現，包括考勤、學習態度、答辯匯報情況等方面。

5 ?結語

通過對51單片機昆蟲誘捕滅殺控制裝置的教學項目案例設計，在提高學生學習興趣的基礎上，使學生掌握了電擊殺加風扇吹落收集昆蟲的昆蟲捕殺技術，在項目實施過程中，學會部件選型、設計，熟練運用編程軟件、指令。項目實踐證明，項目案例教學切實提高了學生的學習興趣及動力能力，在實施過程中還培養了學生團隊協作、發現問題、解決問題等綜合能力。

參考文獻

[1] 何惠湘.基于PLC的交通燈控制教學項目設計[J].無線互聯科技，2018，15（23）：69-70.

[2] 梁雄友.項目式教學法在PROTEL教學中的應用[J].廣東技術師范學院學報，2008（9）：82-86.

[3] 武予清，段云，蔣月麗.害蟲的燈光防治研究與應用進展[J].河南農業科學，2009，38（9）：127-130.

[4] 楊景發，徐光婷，張瑋，等.基于單片機多源LED景觀捕蟲裝置的設計[J].廣東農業科學，2013，40（10）：195-197.