有關(guān)《單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計》綜合實踐課程的實施與效果研究

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1、有關(guān)?單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計?綜合理論課程的施行與效果研究 　　摘要：單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計是一門理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程。為了充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，使學(xué)生熟悉單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制和開發(fā)過程，掌握單片機(jī)的設(shè)計原理和開發(fā)步驟，我們開設(shè)了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計綜合理論課程。本文闡述了此綜合理論課程的施行方案，給出了典型的設(shè)計范例。經(jīng)過幾年的教學(xué)理論，本課程獲得了良好的教學(xué)效果。 　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)系統(tǒng)；綜合理論課程；理論教學(xué) 　　abstrat:single-hipsystedesignisapratialappliatinandhaveastrngurriulu.inrdertfullystiulatether

2、eativityfstudentssthatstudentsarefailiarithsingle-hipappliatinsysteanddevelpentpress,tasterthesingle-hipdesignanddevelpentfthepriniple,ereatedanintegratedsingle-hipsystedesignpratieurses.thisartiledesribesthepratiefintegratedurriuluipleentatinplan,givesatypialexaplefthedesign.afterseveralyearsfteahi

3、ngpratie,thisursehasbeenagdteahingresults. 　　keyrds:single-hipsyste;thepratiefintegratedurriulu;teahingpratie 　　1前言 　　單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計是一門理論性、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計實驗教學(xué)，具有：①實驗應(yīng)用時機(jī)少；②缺乏詳細(xì)的實驗教學(xué)內(nèi)容和完善的考試、考核方法；③驗證性多，創(chuàng)新性少；④實驗教學(xué)內(nèi)容與理論應(yīng)用脫節(jié)的弊端[1]。這樣的教學(xué)形式和方法，很難讓學(xué)生完全掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的根本原理和開發(fā)方法，更不用說培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新才能。因此，為了培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生具備獨立設(shè)計簡單的

4、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、編寫系統(tǒng)控制程序的才能和技能，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，我校在學(xué)生完成了?單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計?的理論課和匯編程序設(shè)計、七段數(shù)碼顯示、鍵盤掃描、ad轉(zhuǎn)換、串行通訊等實驗教學(xué)后，特開設(shè)了為期2周的綜合理論教學(xué)環(huán)節(jié)。此教學(xué)環(huán)節(jié)讓學(xué)生完成一個單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試的完好過程，整個綜合理論教學(xué)環(huán)節(jié)完成后，學(xué)生對單片機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用興趣更濃了，而且具備了自行設(shè)計、開發(fā)簡單的單片機(jī)系統(tǒng)的才能。 　　2任務(wù)與要求 　　利用偉福lab6000系列單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)成簡單實用的單片機(jī)系統(tǒng)，要求如下： 　　〔1〕充分應(yīng)用s-51系列微處理器和偉福lab6000系列單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)所提供的硬件資

5、源，自由選題實現(xiàn)一個簡單實用的單片機(jī)系統(tǒng)。 　　〔2〕要求具備必需的人機(jī)接口。 　　〔3〕可以選用匯編或51語言進(jìn)展控制程序開發(fā)。 　　設(shè)計的系統(tǒng)性能如下： 　　〔1〕系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有一定的抗干擾和故障自測才能。 　　〔2〕系統(tǒng)設(shè)計平安可靠，具有出錯報警和應(yīng)急關(guān)閉才能。 　　〔3〕系統(tǒng)精度到達(dá)一般民用品的根本要求。 　　〔4〕人機(jī)接口界面友好、直觀、操作簡單。 　　另外，我們提供了一些選題供學(xué)生拓展思路，主要有： 　　〔1〕出租車計價器。 　　〔2〕溫度控制系統(tǒng)。 　　〔3〕可編程交通燈系統(tǒng)。 　　〔4〕p電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 　　〔5〕數(shù)字溫度計。 　　〔6〕數(shù)字頻率

6、計。 　　3設(shè)計范例 　　3.1p電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 　　p電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包含電機(jī)驅(qū)動電路和測速電路，兩者構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動采用脈寬p調(diào)壓電路，測速電路的核心部件是霍爾元件。 　　圖1p直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖[2] 　　霍爾元件是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。在外磁場的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過霍爾元件導(dǎo)通閾值bp時，霍爾元件輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。假設(shè)外加磁場的b值降低到brp時，輸出管截止，輸出高電平。在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)盤上粘貼著一枚小磁鐵，霍爾元件安裝在轉(zhuǎn)盤附近，每當(dāng)磁鐵靠近霍爾元件時霍爾元件導(dǎo)通，輸出低電平，遠(yuǎn)離時霍爾元件截至，

7、輸出高電平。這樣，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈，霍爾元件就會輸出一個脈沖，通過這個原理可以測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 　　p是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的模擬量輸出方法，通過外接的轉(zhuǎn)換電路，可以將脈沖的占空比轉(zhuǎn)化成電壓。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動電壓呈近似線形關(guān)系，改變脈沖的占空比，就可以改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 　　系統(tǒng)構(gòu)造圖如圖2，閉環(huán)工作時，測速電路測得的轉(zhuǎn)速和給定的轉(zhuǎn)速相減獲得差值e，根據(jù)差值e運用pid增量控制算法獲得控制量，即占空比，通過s-51的口線輸出給定占空比的脈沖，再通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電壓來驅(qū)動直流電機(jī)。系統(tǒng)控制算法采用增量型pid控制算法，假設(shè)k時刻電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速是y(k)，給定轉(zhuǎn)速是r(k)，pid控制器輸入

8、信號為e(k)，輸出信號為u(k)，那么離散的pid遞推算法如下： 　　圖2p直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)造圖 　　3.2數(shù)字溫度計 　　數(shù)字溫度計的核心電路——溫度傳感器調(diào)理電路如圖3所示，溫度傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻〔nt〕，nt的阻值隨著溫度的上升而非線性下降，詳細(xì)溫度-阻值特性為 　　〔4〕 　　式中，rt、rt0是溫度分別為t、t0時的電阻值；b為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的材料常數(shù)[3]。 　　固定電阻和nt組成的電阻橋輸出電壓隨nt阻值的變化而變化，這種變化經(jīng)過差動放大器的放大后送給ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，詳細(xì)轉(zhuǎn)換遵循以下公式： 　　(1)電橋輸出電壓u 　　〔5〕 　　(

9、2)差動放大器輸出電壓u'〔一般r7=r8，r9=r10〕 　　 　　圖3數(shù)字溫度計原理圖[2] 　　一般情況下，會事先根據(jù)nt的溫度-阻值特性計算出一張溫度-阻值對應(yīng)表。根據(jù)ad轉(zhuǎn)換的數(shù)字值逆運算獲得當(dāng)前nt的阻值，再根據(jù)nt的溫度特性表運用分段查表和表項間線性運算就可以獲得當(dāng)前溫度值，把當(dāng)前溫度在輸出設(shè)備〔如七段數(shù)碼管、ld〕上顯示出來就構(gòu)成了完好的數(shù)字溫度計。本范例也可在其他溫度測量的系統(tǒng)中應(yīng)用。 　　3.3出租車計價器 　　出租車計價器是一個較實用的設(shè)計范例，它的構(gòu)造如圖4。出租車計價器包含里程測量電路、實時時鐘電路和人機(jī)接口。 　　出租車計價器里程測量的核心部件是霍爾元件

10、，詳細(xì)電路和圖1的測速電路一樣。在輪胎的轉(zhuǎn)軸上粘貼了6個小磁鐵，輪胎轉(zhuǎn)動一圈，霍爾元件就會輸出6個脈沖，對脈沖進(jìn)展計數(shù)就可以獲得輪胎轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，圈數(shù)乘以輪胎的周長就可以獲得車輛行駛的里程數(shù)。 　　圖4出租車計價器構(gòu)造框圖 　　一般情況下，出租車白天和晚上的里程單價并不一樣，因此需要一個實時時鐘來獲得當(dāng)前時間。ds1307是一個i2總線的實時時鐘〔rt〕，在外部電池的供電下，它能提供高精度的年月日時分秒bd碼時間。另外，它還包含56字節(jié)的非易失性sra〔nvsra〕，可以用來保存系統(tǒng)的設(shè)置信息。 　　顯示設(shè)備可以采用七段數(shù)碼管或ld，用來顯示當(dāng)前時間、行駛里程數(shù)、里程單價、和行駛 　　里

11、程價格等信息。還需要少量的按鍵或矩陣式鍵盤用于輸入里程單價、開始計價、清零、時間設(shè)置等操作。 　　4施行過程 　　4.1根據(jù)任務(wù)與要求進(jìn)展總體規(guī)劃與設(shè)計 　　這個過程包括： 　?、耪n題選擇。 　?、朴布K的選擇和設(shè)計。 　?、擒浖w流程的設(shè)計。 　　⑷查找各種所需資料。 　　綜合理論課題題目是不是新穎，是不是可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和好奇心，直接影響學(xué)生實驗的積極性，有的學(xué)生覺得做實驗非常無聊，就是因為他們的好奇心和熱情沒有被激發(fā)起來。而集知識性、興趣性、創(chuàng)造性于一體，能應(yīng)用所學(xué)知識解決詳細(xì)問題的綜合理論課題，是本綜合理論的最大亮點，也是本教學(xué)環(huán)節(jié)區(qū)別于其他教學(xué)環(huán)節(jié)的標(biāo)志。我們

12、要求學(xué)生考慮在實際生活中能應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)技術(shù)能解決的詳細(xì)問題，并且考慮偉福lab6000系列單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)所能提供的硬件資源，選擇一個有自己特色、能在兩周內(nèi)獨立完成的題目，題目要求新穎，鼓勵創(chuàng)造性的思維，并且能解決實際生活中的詳細(xì)問題。 　　受限于實驗條件，硬件設(shè)計無法完全按照單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的一般方法和標(biāo)準(zhǔn)步驟來施行。在教學(xué)過程中，我們要求學(xué)生可以根據(jù)偉福lab6000系列單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)所提供的硬件資源自主地完成硬件部分的理論設(shè)計，也可以不完全局限于此實驗平臺進(jìn)展理論設(shè)計。理論設(shè)計完全遵循單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的一般流程，學(xué)生自己查閱資料，設(shè)計硬件電路圖。指導(dǎo)老師對硬件部分的理論設(shè)計進(jìn)展評審

13、后，再根據(jù)詳細(xì)的實驗平臺指導(dǎo)學(xué)生完成課題。 　　軟件設(shè)計可以采用匯編語言或keil51高級語言開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)，這兩種軟件開發(fā)環(huán)境是當(dāng)前s-51系列單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的主流環(huán)境。根據(jù)學(xué)生選題的特點，指導(dǎo)學(xué)生選擇較為容易實現(xiàn)的開發(fā)環(huán)境。 　　4.2根據(jù)總體規(guī)劃施行軟硬件的開發(fā)與設(shè)計 　　這個過程包括： 　?、庞布B接。 　　⑵軟件編程。 　?、擒浻布?lián)調(diào)。 　　在這一過程中主要培養(yǎng)學(xué)生的硬件設(shè)計才能、編程才能和積累軟硬件調(diào)試經(jīng)歷，純熟掌握單片機(jī)系統(tǒng)中人機(jī)接口的設(shè)計、控制算法設(shè)計、硬件驅(qū)動程序設(shè)計，體會理論與理論之間的差異，對單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)由理性認(rèn)識轉(zhuǎn)化為感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的求知欲

14、望，鍛煉學(xué)生抑制困難解決問題的才能。 　　4.3交流總結(jié) 　　在2周的綜合理論中抽出一天時間讓才能較強(qiáng)的學(xué)生陳述他的設(shè)計思想和設(shè)計過程、設(shè)計中的難題和解決方法以及自己的心得體會。讓進(jìn)展不順的學(xué)生提出他在設(shè)計中沒能解決的難題，全班同學(xué)共同討論，集思廣益，找到解決問題的方法。這樣可以使學(xué)生互相學(xué)習(xí)，取長補短，拓寬知識面，活潑思維，能在以后的工作和學(xué)習(xí)中更好地完成任務(wù)。 　　4.4完成理論報告及驗收評分 　　最后兩天是綜合理論報告的完成階段，在進(jìn)展了兩周的綜合理論以后有必要好好地總結(jié)一下，把自己在綜合理論中所學(xué)到的知識以文字的形式表述出來，這樣更有助于程度和才能的進(jìn)步。 　　理論報告完全按

15、照畢業(yè)論文要求書寫，包含中英文摘要、設(shè)計任務(wù)與要求、系統(tǒng)構(gòu)造及工作原理、主要單元電路的設(shè)計過程、控制軟件的編寫及調(diào)試、測試數(shù)據(jù)及調(diào)試中故障分析、收獲和體會、參考文獻(xiàn)等部分。要求學(xué)生重點講述清楚故障分析和收獲體會。 　　綜合理論成績由平時表現(xiàn)、理論報告、設(shè)計成果、創(chuàng)新點4部分組成，成績構(gòu)成比例是2：3：4：1[4]。 　　5效果 　　經(jīng)過幾年的教學(xué)理論，單片機(jī)系統(tǒng)綜合理論教學(xué)環(huán)節(jié)獲得的效果主要表達(dá)在以下幾個方面： 　　〔1〕讓學(xué)生掌握了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的一般原理及其根本的實現(xiàn)過程，實現(xiàn)了從理論向?qū)嶋H的遷移，強(qiáng)化了學(xué)生所學(xué)的知識。 　　〔2〕讓學(xué)生掌握了單片機(jī)系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計的根本方法，

16、具備了軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計的根本才能和調(diào)試經(jīng)歷。 　　〔3〕本綜合理論的課題真實性很強(qiáng)，讓學(xué)生經(jīng)歷了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的全過程，進(jìn)步了學(xué)生的研制開發(fā)才能和創(chuàng)新才能。 　　〔4〕本綜合理論涉及到多學(xué)科、多知識點，是計算機(jī)軟硬件知識的大綜合。經(jīng)過綜合理論，學(xué)生運用所學(xué)知識分析解決問題的才能有了較大的進(jìn)步，完成了多學(xué)科知識的融會貫穿。 　　參考文獻(xiàn) 　　[1]羅鈞，廖紅華，付麗，黃勇.單片機(jī)實驗教改與創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的關(guān)系[j].實驗室研究與探究，2022，25〔8〕：958-959 　　[2]南京偉福實業(yè).偉福lab6000系列單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)實驗說明書[eb/l]. 　　[3]何希才.傳感器及其應(yīng)用[].北京：國防工業(yè)出版社，2022 　　[4]厲榮衛(wèi)，傅中君.計算機(jī)控制技術(shù)綜合實驗及其效果[j].實驗室研究與探究，2001，20〔6〕：50-51