面向学生工程能力达成的“单片机技术”实验案例设计

张承畅, 吴孟林, 张华誉, 罗 元, 何 丰

(重庆邮电大学 重庆市电工电子实验教学示范中心, 重庆 400065)

“单片机技术”是国内高等学校电类专业的基础核心课程,具有较强的实践性和工程性,对培养学生实践能力和创新能力、打造一批适应国际分工与合作的中国工程师有着十分重要的作用[1-4]。近年来,以学校工程教育专业认证为契机,围绕电子信息技术人才的培养,持续、深化地进行实验教学改革和创新。在“单片机技术”课程实验案例设计中,引导学生关注生产、生活实际,以工程实现为目标,将学生实践能力培养与课程知识并重、难点融合对接,突出实践创新教学,激发学生学习兴趣,发掘学生实验探究能力,提升课程建设和人才培养质量。

1 工程教育专业认证内涵及意义

1.1 工程教育专业认证的内涵

工程教育专业认证是指专业认证机构针对高等教育机构开设的工程类专业教育实施的专门性认证,工程教育专业认证的核心是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求,是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价[5-8]。其内涵主要体现在高校专业课程体系设置、师资队伍配备、办学条件配置等都围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开,并强调建立专业持续改进机制和文化以保证专业教育质量和专业教育活力。

1.2 工程教育专业认证的指导意义

工程教育专业认证以学生为中心,聚焦学生工程能力培养,对高校实验课程实验案例设计的指导意义主要体现在两方面:一是从课程内容的设置看,实验案例的选择尽量面向生产、生活实际的科学实践活动,旨在培养学生的科学素质,特别是解决实际问题的能力,从而奠定今后解决复杂工程问题所需的创造精神和创新能力[9]；二是从教与学的角度,教师能否通过实验案例的设置,激发学生的学习兴趣和热情,激励学生在解决工程问题的过程中,不断积累和巩固已有知识体系,挖掘主动探究问题的能力,培养学生的科学精神和人文情怀[10]。

“单片机技术”实验案例开发,以解决生产、生活中的工程实际问题为导向,促进学生形成主动思考、自我创新的意识。将传统以教师为中心、理论和课堂教学为主,转变成以学生为中心、实践能力培养为主。按照场景设定、需求分析、指标解析的渐进认知过程,到器件选型、开发模板与软件环境搭建、硬件检测、软硬件一体化测试的实践过程。教师在学生的认知和实践过程中,答疑解惑,引导学生制订完整、科学的设计与实现方案。学生在已有知识的基础上,充分利用学校教学资源和开放网络资源,自我管理、团结协作,通过不断的学习、实践、提高,收获成功,提升自信心和创造力,同时不断深化对自身和社会的认识,完善知识和人格体系。

2 数字温度计设计

2.1 教学设计

在智能化生产过程中,温度参数直接影响生产过程中的每一个环节,为了保证生产能够顺利进行,需要控制环境温度参数[11]。本设计要求学生利用单片机作为微控制器,分组完成,设计一款数字温度计,将温度值以数字化的形式显示,使其能够准确、方便地进行读数。

数字温度计需要实现的功能和指标如下:

(1) 测量范围为-55 ℃～125 ℃,测量精度为0.1 ℃。

(2) 通过按键设置报警的最高温度TH和最低温度TL。

(3) 当实际测量的温度超出最高温度和最低温度范围时,发出声光报警信号。

学生接受设计任务后,在资料收集、小组讨论、师生交流、方案确定的整个过程中,教师引导学生从系统功能出发,首先进行系统总体设计,包括设计任务和要求、功能及技术指标等,然后逐级将系统分成几个功能模块,再将每个功能模块划分成若干个子模块,包括系统电路结构设计、系统工作原理描述等,最后完成每个功能模块的具体电路设计。通过反复论证,确定采用所学的51单片机作为微控制器、DS18B20温度传感器采集温度、LCD1602显示采集的温度值。根据需要实现的功能,初步确定整个设计需要温度采集模块、键盘设置模块、显示模块、声光报警模块以及时钟信号等功能模块。

2.2 电路设计

数字温度计电路如图1所示。

图1 数字温度计电路

图中电路主要分为5个功能模块:

(1) 时钟模块。设计采用内部时钟的方式为整个系统提供时钟信号,在输入端XTAL1和输出端XTAL2跨接石英晶体振荡器和微调电容,从而构成稳定的自激振荡器。电路中使用33 pF的电容,晶体振荡频率6 MHz。

(2) 报警温度设置模块。利用“设置、增大、减小”(P3.3、P3.5、P3.7)3个按键预设报警最高温度TH和最低TL,其中“设置”按键为TH、TL，设置转换键,当用“设置”按键选定设置TH或TL时,用“增大”或“减小”按键递增或递减温度设定值,递差为1 ℃。

(3) 温度检测模块。温度传感器为Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20,是一款支持“一线总线”接口的温度传感器。DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率,精度为±0.5 ℃。DS18B20在读取数据时,一次读2字节,其中高8位的前5位是符号位。

(4) 声光报警部分。当测试温度在设定的温度范围内时,单片机端口P2.2输出高电平“1”,压电蜂鸣器不报警,端口P1.2输出低电平“0”,绿灯亮；当温度高于TH时,此时处于高温报警状态,单片机端口P2.2输出低电平“0”,蜂鸣器报警,单片机端口P1.0输出低电平“0”,红灯亮；当温度低于TL时,P2.2端口输出“0”,蜂鸣器发出低温报警声音,P1.4端口输出低电平“0”,黄灯亮。

(5) 数据显示模块。利用LCD1602显示温度,将TH、TL和测试温度值数值显示在同一画面内。

2.3 程序设计

主程序流程图如图2所示。

图2 主程序流程图

利用Proteus软件进行仿真,采用Keil C51集成编译环境和C语言来进行系统软件的设计,实现LCD1602显示当前温度值和限定温度值,可以模拟修改DS18B20采集的温度值,测试设计电路中的声光报警功能。

主程序先对液晶和定时器进行初始化,然后通过调用DS18B20温度采集程序、LCD1602显示温度值程序、按键控制最高(低)温程序、声光报警程序和数据存储程序等5个子程序分别实现温度采集、温度显示、按键控制、报警、数据存储等功能,通过定时器T0(P3.4)的定时来实现报警功能和每隔1 s刷新所采集的温度数据。

2.4 实验测试

图3是测试硬件电路和实时温度显示,设定最低温度为21 ℃,最高温度为31 ℃,测试得到当前温度为26.9 ℃,测试电路工作稳定。

图3 硬件电路调试

3 电子秤设计

3.1 教学设计

在实际生活中,传统的称量装置因其笨重不方便在很多场合已经逐渐被电子称所取代[12]。电子秤以其方便、便捷、精度高、人机交换简单等优点受到了人们的喜爱。在“单片机技术”这门课程中,作为课程设计案例,安排学生自行设计一款电子秤。

电子秤功能和指标如下:

(1) 称重范围为0～5 kg。

(2) 称重功能且误差控制在±0.005 kg。

(3) 超过最大载重则进行声光报警。

(4) 有计量功能,即能够通过输入单价计算总价。

由技术指标要求,确定选用AT89C51单片机作为核心控制单元,配合外围电路,用C语言来编程,实现电子秤的功能要求。系统由6个部分组成:控制器部分、测量部分、报警部分、数据显示部分、4×4键盘矩阵部分和电源电路部分。设计包含外接电源、单片机最小系统(AT89C51单片机、复位电路和时钟电路)、信号收集处理部分(压力传感器、24位高精度AD转换芯片HX711)、人机交互部分(键盘,LCD1602显示屏)、超重声光报警电路。

3.2 电路设计

电子秤电路如图4所示。

图4 电子秤电路图

电路主要包含以下模块:

(1) 测量模块。测量模块是电阻应变式压力传感器将检测到的压力信号转换为弱的电压信号,放大电路和信号通过A/D转换芯片HX711,将模拟信号转换为数字信号输出。在使用Proteus软件绘制原理图时,元件库中不存在压力传感器,仿真过程中通过改变输入到A/D芯片HX711中的电压大小,从而模拟出物体的质量。

(2) 显示模块。选用LCD1602显示单价、质量、计价金额等。

(3) 声光报警电路。当被测物体质量超过电子秤的最大量程时,LED灯光开启，且蜂鸣器开始报警,避免因过载而损害电子秤。在设计声光报警时,将蜂鸣器与三极管与单片机P1.1相连接。当被测物体超过量程5 kg时,单片机引脚P1.1输出为“0”,LED发光，并且声音报警。

(4) 键盘电路。操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息。设计使用4×4矩阵键盘作为电子秤的键盘输入模块,主要完成输入单价、计算总价和归零指令。键盘的行和列分别由4条I/O线交叉构成,组成矩阵且每条I/O线交点有1个按键开关。

3.3 程序设计

系统程序设计使用C语言编程, Keil软件进行编译。分模块分别编写主函数、LCD1602显示函数、矩阵键盘函数、AD转换程序等。

系统主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图

当程序启动时,对各个模块，包括定时器、LCD显示模块、按键模块,进行初始化。当没有被测物时,显示欢迎界面。当秤量物品时,A/D转换器将处理后的数值送入单片机中进行处理,运算后可以得到被测物的质量,在显示屏的固定位置进行显示。当被测物体的质量大于设计的范围时,启动声光报警。通过调用按键子程序,由显示电路显示被测物的单价和总价。

3.4 实验结果

启动单片机,屏幕显示系统初始化界面,此时质量和单价都为0,金额为空。在电子秤上放上物体,液晶显示器显示质量,通过数字键和小数点键输入单价,完成后自动计算金额。硬件调试如图6所示。

图6 硬件调试图

利用制作好的电子秤称量标准砝码的质量,同时与标准砝码质量进行比较,确认其测量温度值的准确性。测量比较的3组数据如表1所示。由测试结果可知,各功能完好,测量误差为1 g。

表1 实物测量对比

4 结语

工程教育专业认证以学生为中心,聚焦学生工程能力培养,旨在引导建立与世界接轨的工程教育专业培养体系,培养具有国际适应能力的工程技术人才。工程教育专业认证对高校实验课程教学改革具有重要的指导意义。以学校工程教育专业认证为契机,充分发挥大学生科研训练计划、国家大学生创新实践计划、电子设计竞赛等活动的引领作用,扎实推进课程实验、课程设计等实践教学环节改革创新。在“单片机技术”实验中,以解决工程实际问题为导向,引导学生关注生产、生活实际,不断提升自身知识和能力,取得了良好的效果。

参考文献(References)

[1] 王东霞, 温秀兰, 黄家才,等. 工程教育专业认证指导下的微机、单片机原理与应用课程教学改革[J]. 中国现代教育装备, 2016(21):32-34.

[2] 贾萍, 丁向荣, 胡美兰. “教、学、做”一体化单片机教学实验平台的设计与应用[J]. 实验技术与管理, 2012, 29(6):139-142.

[3] 王晓燕, 秦海鹏, 丁启胜. 传感信号检测与智能仪表一体化实验装置研制[J]. 实验技术与管理, 2014,31(3):66-69.

[4] 张飞, 钱金法. 基于单片机和虚拟仪器的粉尘浓度检测装置[J]. 实验室研究与探索, 2017, 36(4):137-140.

[5] 教育部高等教育教学评估中心. 中国工程教育质量报告(2013年度)[Z].2014.

[6] 陆勇. 浅谈工程教育专业认证与地方本科高校工程教育改革[J]. 高等工程教育研究, 2015(6):157-161.

[7] 李志义. 对我国工程教育专业认证十年的回顾与反思之一:我们应该坚持和强化什么[J]. 中国大学教学, 2016(11):10-16.

[8] 钱慧敏, 李丛. 工程教育专业认证视角下我国高等工程教育质量提升研究[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(5):166-168.

[9] 曹剑辉. 实验教学与大学生文化素质教育刍论[J]. 实验技术与管理, 2010, 27(2):116-118.

[10] 沈秀, 张黎, 戎红仁,等. 深化实验教学改革 提升大学生科学素养[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(3):163-165.

[11] 高红霞. 基于AT89S52的数字温度计设计[J]. 太原师范学院学报(自然科学版), 2014(1):48-52.

[12] 童珈珈, 沈国根. 加强对电子秤的“全程”治理[J]. 中国质量技术监督, 2017(2):142-144.