項目教學法在單片機原理與接口技術課程教學中的應用

吳海青，張小強

（太原工業學院 機械工程系，山西太原 030008）

目前，微型計算機技術是機電一體化領域中十分活躍、影響很大的關鍵技術，單片機作為其中分支之一，已在機電測控、儀器儀表、家用電器等系列或產品中作為一種典型的微控制器得到迅速和廣泛的應用[1]。

學習單片機技術需要加強實踐，初學者應樹立在“學中做”、在“做中學”的思想[2]。通過研究發現，單片機原理與應用課程教學多以工作原理為主要內容，學生親自動手進行單片機系統設計的機會很少，學生停留在課堂的板書與實驗室的驗證試驗層面上[3]，不利于培養學生的硬件系統設計能力和軟件開發能力。

當今，隨著科學技術的發展，企業對人才的要求不僅要具備豐富的理論知識，同時還要有創新能力以及豐富的項目設計和實踐能力[4]。如何從工程應用角度進行教學案例設計，提高學生對實踐環節的興趣，從而提高實踐教學質量，是亟待解決的課題[5]。眾多高校從理念、方法、內容等多個方面進行了一系列的改革工作，其中，問題導向和項目驅動型教學方法能夠很好地調動學生的積極性，激發學生創造思維[6-9]。

1 基于Proteus的單片機實踐教學項目

為了更好地培養學生興趣，提高學生的工程應用能力，基于實際工程設計教學案例，選擇學生熟悉的家用電器洗衣機作為被控對象，因為其控制系統涵蓋了單片機課程的眾多知識點。學生通過查閱文獻，分析智能洗衣機的控制原理，了解正轉、反轉、洗滌、甩干等操作的運行機制及控制原理[10-11]。本文所設計的全自動洗衣機控制系統要求能夠實現以下洗衣流程的控制：

（1）進水過程。

在進行洗滌前，洗衣機盛水桶內的水量必須達到預設值。這就需要通過繼電器和水位傳感器來進行洗衣機的進水控制和水位判斷，如果桶內的水位沒有達到預設值，則單片機的控制程序將控制繼電器使進水閥一直打開，進行注水，達到預設值后，進水閥關閉，進入洗滌程序。

（2）洗滌過程。

當洗衣機通電后，若不手動選擇洗衣周期，則洗衣機會默認從洗滌過程開始。首先是進水，進水指示燈亮，開始供水，當供水達到預定水位時，將停止進水；接下來步進電機M接通，帶動波輪旋轉。步進電機M是一個能實現正反轉的電機，先正傳22s，再停止8s，然后再反轉22s，如此一來，便可以形成往返的水流，這樣就更有利于洗凈衣物。

（3）漂洗過程。

洗衣機的漂洗過程原理上與洗衣過程基本上一致，只是工作的時間相比要稍短一些而已。

（4）脫水過程。

當洗滌或漂洗結束時，步進電機M將停止轉動，開始進入脫水階段。當低水位傳感器檢測到排水完畢后，電機開始反轉，從而帶動洗衣機內桶高速旋轉，對桶中衣物進行甩干處理。

2 基于Proteus的硬件電路設計

根據設計要求，完成單片機型號和其他元器件型號的選型，利用Proteus軟件進行控制系統電路圖的繪制設計[12]，其總體電路設計原理如圖1所示。

圖1 總體電路設計原理圖

系統硬件主要由AT89C51單片機、數碼顯示管、蜂鳴報警器、步進電機、水位信號模擬開關、LED指示燈以及按鍵等組成。

3 單片機系統模塊

所設計的控制系統硬件電路主要包括以下電路模塊：

3.1 顯示電路模塊

顯示電路模塊的核心元件為2位共陽數碼管，它的作用在于顯示全自動洗衣機在指定工作模式下的工作倒計時，顯示電路如圖2所示。通過單片機的P2口（P2.0-P2.7）依次控制數碼管的ABCDEFG及DP腳，通過單片機P0口的P0.6、P0.7分別控制顯示數碼管的 1、2引腳。

圖2 顯示電路

3.2 指示電路模塊

指示電路主要由八個顏色不同的發光二極管以及電阻組成，用來指示洗衣機的工作模式和工作狀態，即標準、輕柔、快速、調試、洗滌、漂洗、進排水、結束，指示電路如圖3所示。發光二極管分別與單片機P1口、P0口連接，當對應口輸出為低電平時，相應的指示燈亮，用以指示洗衣機當前的工作狀態。

圖3 指示電路

3.3 按鍵控制電路模塊

控制電路主要用以控制洗衣機的啟停和工作狀態的選擇，分為菜單鍵、停止鍵、開始鍵和模式選擇鍵，依次與單片機的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7相連接，按鍵的另一端接地，控制電路如圖4所示。

圖4 按鍵控制電路

4個按鍵的具體控制功能如下：

菜單鍵：在按下模式選擇鍵前，需先按下菜單鍵，以防止不當的操作而導致系統不能正常運行；

開始鍵：用于啟動洗衣機，使洗衣機開始進入工作狀態；

停止鍵：用于結束洗衣機的運行；

模式選擇鍵：用于選擇所需的洗滌模式。

3.4 結束報警電路模塊

結束報警電路主要由10K電阻、三極管和蜂鳴器組成。其電路如圖5所示，蜂鳴器為結束報警電路設計中的核心元件，用于當洗衣機完成所有工作流程時提示用戶，它與單片機的P3.5口相連，當P3.5口為低電平時，三極管響應，將電流放大，驅動蜂鳴器發聲報警。

圖5 結束報警電路

3.5 電機控制電路模塊

電機控制電路主要由步進電機和L298型電機驅動芯片組成，其電路如圖6所示。將驅動芯片的IN1、IN2引腳分別與單片機的P3.2和P3.3連接，ENA腳通過SW1開關連接到單片機的P3.0，步進電機的兩端分別與L298的OUT1和OUT2連接。

圖6 電機控制電路

4 系統仿真

在Keil uVision5中編寫完所有程序代碼后，對所編程序進行錯誤檢查。若在操作界面下方的狀態窗口中有錯誤提示（如語法、字符錯誤等），則需要再次編輯和修改，直至程序沒有錯誤。程序檢查無誤后，生成Washing.hex文件。

4.1 程序導入

在Proteus軟件中打開全自動洗衣機控制系統總體設計電路圖，雙擊電路圖中的AT89C51單片機，彈出圖7所示的對話框。

圖7 編輯元件

點擊“Program File”中的文件夾圖標，找到Washing.hex文件，點擊打開，再點擊“確定”，所編寫的程序便導入到了電路圖中。點擊Proteus工作界面下方的按鈕，進行洗衣機的仿真模擬運行。

4.2 仿真運行

本文所設計的全自動洗衣機控制系統主要能夠實現洗滌、漂洗、脫水三大功能，且具有不同的工作模式，具體要求如下：

（1）標準模式：洗滌12min，每5min2次漂洗，脫水3 min；

（2）快速模式：洗滌4 min，每1min2次漂洗，脫水2 min；

（3）輕柔模式：洗滌3 min，每3min2次漂洗，脫水2 min。

為方便過程演示，洗衣機的洗滌、漂洗及脫水時長均設為1min。仿真過程如下：

（1）先按下菜單鍵，再按模式選擇鍵，選擇測試模式，此時，測試燈亮，顯示屏顯示1min，洗滌燈亮，進水燈亮，洗衣機進入洗衣狀態，1min洗滌結束后，依次進入漂洗、脫水狀態，仿真運行圖見圖8。

圖8 仿真運行

（2）當洗衣機處于工作狀態時，可按下停止鍵停止。

（3）當洗衣機完成洗滌衣物的全部過程時，蜂鳴器會發出蜂鳴器聲提示用戶洗衣完畢。

5 結語

學生通過自行設計實現對家用智能洗衣機的各種工作模式控制，使課程學習脫離了枯燥的試驗臺，走入了豐富的實際生活，大大提高了實驗課程的生動性和靈活性，很好地調動了學生的積極性，培養了學生創新實踐的興趣，提升了學生的工程實踐素養[13-14]。通過項目驅動教學法的引入，基于Proteus的仿真教學，以智能洗衣機控制系統設計項目來說，學生能夠清晰地認識到所學課程與實際應用技術的緊密關系[15-16]，使得學生很好地將理論知識應用到實踐中，培養了學生的工程實踐能力，提高了教學質量，有利于應用型、專業型人才的培養。