課程思政背景下單片機溫度檢測系統(tǒng)設計實驗綜述報告

耿婧

摘要：育人先育德，為了加強電子及電氣類專業(yè)人才的思政素養(yǎng)和職業(yè)道德，全方位地進行課程思政勢在必行，思政元素融入實驗教學及實驗實施，達到了潤物無聲的育人效果。本次實驗以單片機為控制器，設計一個智能溫度測量系統(tǒng)，涉及單片機I/O口控制、定時器/計數(shù)器及中斷的應用等內(nèi)容，提升學生職業(yè)素養(yǎng)，訓練解決問題的能力，提高專業(yè)技能。

關(guān)鍵詞：單片機;課程思政

1.引言

溫度測量在家庭中、工業(yè)生產(chǎn)中、農(nóng)業(yè)蔬菜大棚等都有重要作用，智能溫度測量系統(tǒng)與我們生活生產(chǎn)息息相關(guān)。設計一個智能溫度測量系統(tǒng)的實驗能夠激發(fā)了學生對單片機的學習興趣，提升學生對所學專業(yè)的自信感，提高對職業(yè)的認同。在實驗過程中，“工匠精神、團結(jié)互助、解決問題的思路及方法的訓練”等思政元素系統(tǒng)融入實驗任務，實現(xiàn)了價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)有機融合[1]。

2.實驗教學設計

本次實驗以實際的單片機產(chǎn)品設計流程為實驗教學的主體步驟，整個實驗教學分為“需求分析、元件選型、硬件設計、軟件設計、仿真調(diào)試、產(chǎn)品制作、產(chǎn)品測試”7個步驟，在這個實驗過程中，全過程融入思政元素。在“需求分析、元件選型”環(huán)節(jié)中，融入勤儉節(jié)約，按需選型，不可隨意浪費的教育;在“硬件設計、軟件設計，仿真調(diào)試”環(huán)節(jié)中，引導學生對設計方案進行優(yōu)化，不斷創(chuàng)新、精益求精，引導學生對設計思路、調(diào)試方法及步驟進行總結(jié)，鍛煉學生解決問題的能力;在“產(chǎn)品制作、產(chǎn)品測試”環(huán)節(jié)中，要求學生規(guī)范操作，培養(yǎng)學生的安全意識。

3.實驗過程

3.1需求分析、元件選型

本次實驗需完成一個以單片機為控制器的溫度測量系統(tǒng)的設計及制作，此系統(tǒng)需能夠每隔1秒自動進行溫度檢測并在顯示屏中顯示溫度值。經(jīng)過需求分析，在考慮滿足系統(tǒng)需求及性價比后，選擇Atmel公司的AT89C52單片機作為系統(tǒng)控制器，顯示部分只需顯示溫度值，選用結(jié)構(gòu)簡單的LED數(shù)碼管顯示器，溫度采集部分選擇改進型證溫度傳感器DS18B20為溫度采集器。從系統(tǒng)成本的溫度性及性價比的角度考慮，美國DALLAS半導體公司推出的DS18b20溫度傳感器是一款數(shù)字化傳感器，整個系統(tǒng)就可以省去講模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換的部分，系統(tǒng)更簡單穩(wěn)定，成本也更低。且DS18b20溫度傳感器精度高、體積小且抗干擾能力強，便于后期進行封裝及擴展。

3.2系統(tǒng)設計

3.2.1硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)設計要求，系統(tǒng)需完成溫度采集、溫度顯示兩個主要功能，為了保障單片機正常工作單片機的供電等最小系統(tǒng)電路也必須完整。溫度檢測部分采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換，電路設計簡單，體積小，占用單片機I/O 口少，程序設計簡單，開發(fā)周期短。顯示部分采用LED數(shù)碼管顯示，通過P0口控制。報警部分也采用發(fā)光二極管和蜂鳴器進行聲光報警。電路設計圖如圖2系統(tǒng)仿真效果圖所示。

3.2.2軟件設計

軟件設計先根據(jù)系統(tǒng)功能要求和硬件電路，確定主程序執(zhí)行流程及程序結(jié)構(gòu)，畫出程序流程圖，根據(jù)程序流程圖在KEIL軟件中進行程序編譯。程序編譯成功后在proteus中搭建好的硬件系統(tǒng)中進行仿真調(diào)試，若出現(xiàn)錯誤再進行程序修改及調(diào)試，直到調(diào)試成功為止。

主程序的主要功能是負責溫度的實時采集及報警顯示，溫度測量1s進行一次。根據(jù)系統(tǒng)設計要求主程序依次完成“初始化”和“溫度上下限的設置”后，循環(huán)進行“溫度值顯示”、“鍵盤掃描”、“啟動DS18B20溫度轉(zhuǎn)換”和“溫度超限判斷”。其中DS18B20溫度轉(zhuǎn)換及處理子程序主要完成溫度采集及數(shù)據(jù)處理工作。DS18B20 溫度傳感器是一個直接數(shù)字化的溫度傳感器，可將-55℃～+125℃之間的溫度值按9位、10位、11位、12位的分辨率進行量化，傳感器上電后默認值是12位[2]。DS18B20在接收到單片機發(fā)出的溫度轉(zhuǎn)換命令44H后，就開始進行溫度轉(zhuǎn)換操作[3]。具體的主程序流程圖如圖1所示。

3.3仿真調(diào)試

通過proteus軟件完成系統(tǒng)搭建后，將keil軟件編譯后的程序加載進proteus中搭建的系統(tǒng)，進行仿真調(diào)試，如果出現(xiàn)錯誤，根據(jù)錯誤的現(xiàn)象修改程序和電路直到仿真成功為止。仿真調(diào)試成功后，引導學生按照規(guī)范操作，進行產(chǎn)品制作及測試。系統(tǒng)仿真調(diào)試結(jié)果如圖2所示。

4.結(jié)束語

實驗教學根據(jù)實際的單片機產(chǎn)品設計開發(fā)過程進行教學過程設計，思政元素融入實驗的各個環(huán)節(jié)，實驗過程潤雨細無聲的進行了勤儉節(jié)約、安全意識、規(guī)范操作的教育，在實驗操作過程中引導學生反思總結(jié)解決問題的方法并鍛煉學生解決問題的能力。本次實驗，訓練了學生使用keil進行程序編譯、使用proteus進行系統(tǒng)搭建仿真調(diào)試及電路板制作的熟練度及準確度;鞏固了單片機系統(tǒng)開發(fā)步驟、I/O控制原理、定時/計數(shù)器及中斷應用等知識點。本次實驗貼近實際生產(chǎn)生活，采用理論和實踐相結(jié)合的教學方式，激發(fā)了學生的學習興趣。

參考文獻：

[1]靳曉燕.《既放眼“國之大者” 又關(guān)注“關(guān)鍵小事”》[N].光明日報，2021-07-22（版次：04版）.

[2]左現(xiàn)剛，劉艷昌.基于1-wire總線的溫度數(shù)據(jù)采集與硬件設計[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：128-134.

[3]李想.溫度傳感器DS18B20在溫室大棚中的實現(xiàn)[J].機電技術(shù)應用，2020（8）：182-183.

注：本文為安徽省質(zhì)量工程教學研究項目（2020jyxm0288）;提質(zhì)培優(yōu)行動計劃項目“單片機技術(shù)及應用課程思政教育典型案例”（tzpyszal02）。