面向物流工程的单片机融合光电子教学探究

严嘉彬，石 帆，秦飞飞，王永进 （南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003）

0 引 言

单片机具有集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、易拓展以及性价比优异的特点[1]，在物流业的仓储自动化管理、货物计件识别、人员健康监测以及运输过程控制等方面有广泛的应用[2-3]。鉴于单片机在物流业中的重要地位，单片机已成为高等院校物流工程专业的基础或重要的选修课程，并且与众多学生的毕业设计、学科竞赛等关系密切，能够为学生从事相关行业和进一步的科研深造奠定基础。随着物流产业和信息技术的不断发展，传统的单片机教学方法面临着严峻的挑战。首先，传统方法重理论轻实践[4]，具体表现在课程的理论课时与实验课时分配失衡，无法有效地开展较为系统的课程实验教学，理论部分基本按照单片机概述、单片机的硬件结构、单片机指令系统、单片机中断系统、单片机定时/计数器、单片机串行通信接口、单片机系统接口扩展及应用等内容有序开展，对学生而言教学内容与过程较为枯燥无聊，不利于激发学生的学习热情，并难以针对不同学生的水平开展多层次教学[5]。其次，传统方法重个体轻协作，形式上偏重于孤立地培养学生个体的能力并通过严格的笔试形式进行考核[6]，因学生个体的能力及精力有限，该模式导致在课程中难以开展能够提升学生的综合能力的单片机应用系统课题。最后，传统单片机教学只讲授51 单片机的内容，尤其是实践环节的单片机种类单一，不适应实际应用对单片机的多样化需求。针对上述一个或多个问题，不少单片机课程的一线教育工作者提出了一系列教学改革和探索方案，例如湖南大学的滕召胜等提出了“教-学-做-研”一体化“单片机技术”教学模式，实现了课堂学习与实训的同步,提升了学生学习单片机的兴趣，有利于大学生的创新意识培养和创新成果实现[7]；石家庄职业技术学院的刘瑞涛结合参加全国大学生电子设计竞赛的经验与体会，分析了电子设计竞赛暴露出来的传统单片机课程教学中的不足，提出了针对单片机课程的项目化教学模式，并对此教学模式的思路与具体实施过程进行了详细阐述[8]。

氮化镓光电子集成是6G、物联网等新一代信息技术领域的关键技术，国家“十四五”规划和2035 远景目标纲要中已经将氮化镓列为重点攻关的科技前沿方向[9]。南京邮电大学Peter 研究中心团队基于发现的量子阱二极管发光探测共存现象，依据将基础研究与器件、系统和应用研究相结合的思路，着力攻关与氮化镓光电子融合集成芯片相关的科学问题和关键技术，取得了具有国际领先水平的原创成果。结合单片机技术，以氮化镓光电子融合集成芯片为内核，团队已经成功设计并搭建了智慧显示屏、非接触式光感控按键和脉搏传感等系统。上述系统不仅在物流业中有着良好的应用前景，而且除去核心芯片的单片机系统难度适宜，非常适合打造为物流工程专业单片机教学的实验素材。围绕“双一流”学科建设中树立培养具有综合能力的创新型人才和促进科研水平的目标[10]，本文面向物流工程专业提出了一种单片机融合光电子的教学方案，拟将团队的最新成果与单片机教学进行深度融合，探索一种崭新的科教一体教学模式。

本文将重点从课程目标、课程内容安排、具体单片机系统实验内容设计以及考核方式等环节对所提出的单片机系统教学新模式进行具体探索。

1 课程目标

针对物流工程专业学生的职业需求，本课程的目标如下：了解单片机和光电应用系统在物流业的应用现状和发展趋势，树立科技创新引领的现代物流意识；通过本课程的理论学习，了解51 系列单片机的功能原理、硬件结构、指令系统和编程方法等方面；能够根据实际需求进行单片机的调研和选型；熟练掌握单片机的高级语言编程，以及具备中等复杂度单片机程序的开发能力；了解氮化镓光电子融合集成芯片的相关基础知识、研究背景及现状，形成基本的科学素养，认识将光电技术应用到物流业中单片机所发挥的作用；结合具体的实验课题，掌握单片机系统的开发流程和系统设计知识，培养在物流业中具体应用单片机技术的能力。

2 课程内容安排

作为面向物流工程专业的课程，课程内容一方面需要贴合物流行业的应用，有助于学生今后从事自动化和信息化的现代物流行业，另一方面课程内容应难度适宜，考虑物流工程专业学生的知识基础，突出单片机的应用性，具体安排如下。

2.1 单片机的基础知识以及在现代物流中的地位和作用介绍

除51 系列单片机型号外，补充介绍同学们在实验环节会用到的AVR 单片机和STM32 单片机。重点讲解单片机的内部结构、中断系统、定时器/计数器、串口通信和单片机系统接口拓展。结合实例讲述概念、原理、方式以及对应的C 语言编程方法。

2.2 介绍基于氮化镓光电子融合集成芯片的单片机系统在物流行业的潜在应用

示例系统包括用于非接触式物流签名的智慧显示屏、用于物流控制的非接触式光感控按键系统和用于物流人员体征监测的脉搏传感系统，基于这三种系统向同学们全面地展示单片机系统的开发流程。

2.3 在三套示例单片机系统的基础上，让同学根据所选的具体物流应用场景进行拓展，提供多层次的教学空间

对学生进行分组，后期的实验、报告和答辩环节以组为单位开展，给组内成员合理地分配任务，要求相互协作完成单片机系统的设计；为每个课题组发放所选系统相关的参考资料，包括文献资料、集成芯片信息和系统方案等。对于氮化镓光电子融合集成芯片的物流应用有独到见解的同学，允许开发不同于示例的物流应用系统。在前期理论教学环节，要求学生在课后时间完成单片机实验的前期调研和准备工作，并通过小组答辩的形式把握学生进度。

2.4 以组为单位指导学生进行系统的设计

该内容的教学课时不少于总课时的二分之一，且安排集中课时为学生提供指导。为每组学生提供封装好的氮化镓光电子融合集成芯片和所用单片机，在教学助理的帮助下指导学生完成系统电路设计和PCB 制备。

3 贴合物流应用的单片机系统实验内容设计

3.1 用于非接触式物流签名的智慧显示屏

3.1.1 系统要求

在物流收货签名时，通过手指在智慧显示屏附近描写姓名，单片机系统可以识别手指描写的字符并在显示屏上进行展现。为简化系统硬件的复杂程度，课程要求系统在同一时刻能够识别和显示单一字符。该系统用于签名时更加方便，识别的字符能够用于物流数据管理，并且降低了物流环节的皮肤接触几率、提高了卫生安全水平。

3.1.2 系统组成

用于非接触式物流签名的智慧显示屏主要由4×4 量子阱二极管阵列芯片、电路单元和单片机（MCU）构成。示例单片机为STM 32。显示屏通过单片机的定时器设置字符显示和扫描时间占比。在扫描操作时，单片机通过行或列扫描形式，在对应量子阱二极管上施加偏置电压，当手指靠近对应的二极管时由于遮光效应会影响器件的光电流，生成的光电流通过处理电路后输入单片机进行判决和识别，根据识别出的字符形成输出信号，通过LED 驱动电路点亮对应的二极管实现字符显示。

3.2 用于物流控制的非接触式光感控按键系统

3.2.1 系统要求

按键开关作为控制部件在物流领域应用广泛，传统的机械式开关在高强度的操作中容易损坏，而非接触式光感控按键系统不存在机械开合，当手指接近按键时，系统即可识别，随后在增强按键亮度的同时控制外部电机或其他部件的工作，控制部件及操作可根据学生选定的物流应用场景进行具体设定，比如货运电梯运行或传送带控制。另外该按键可极大地减少物流管理环节的病毒交叉感染。

3.2.2 系统组成

非接触式光感控按键系统主要由量子阱二极管、跨阻放大器、LED 驱动电路、单片机构成。示例中选用AT89S51 单片机。初始状态，单片机在定时器的控制下以一定的时间间隔读取光电流处理电路输入的信号；当检测到光电流发生改变时，生成输出信号，一方面控制外部部件工作，另一方面增强对应按键的亮度；外部部件完成相应操作后，状态传感器产生反馈信号，单片机根据反馈信号恢复到初始状态或进行下一步设定操作。

3.3 用于物流人员体征监测的脉搏传感系统

3.3.1 系统要求

物流人员的工作强度大，是心血管疾病的易发群体，利用可穿戴式的脉搏传感系统监测物流人员在工作中的心率状态可有效预防猝死等突发事故。光电容积脉搏波描记法、脉搏传感器的LED 和光探测器（PD）采用相同的量子阱二极管结构并使用兼容的制造工艺集成在同一块芯片上，当手指靠近芯片时，系统输出脉搏频率和波形，能够用于对快递人员的健康诊断和监测。

3.3.2 系统组成

脉搏传感系统主要由氮化镓光电子融合集成芯片（同时集成LED 和PD）、滤波放大电路、单片机和显示系统构成。示例采用Arduino 平台进行数据的计算与处理，学生亦可以选择自己熟悉的单片机型号。将硬件电路的输出信号读入处理器并进行模数转换，数字信号在处理器中进行放大处理，再经过适当的加权和滤波算法来消除电源波纹或其他噪声，使心率传感器能够报告准确的数据，数字信号经过时域分析后可以得出当前的心率，处理模块与显示器相连，从而显示实时的脉搏波型和当前的心率数值。

4 考核方式

作为一门应用型较强的课程，在兼顾理论认知考核的基础上，侧重考查学生在物流工程领域应用单片机的能力。评定成绩的比例如下：平时成绩占20 %，期末理论考试成绩占30 %，课题设计占50 %。其中，平时成绩主要依据学生平时的考勤、作业以及课堂报告情况；期末理论考试主要考察单片机的基础知识，减少对机械记忆内容的考核；课题设计以小组答辩和课题报告的形式进行考核，重点考察学生课题的完成情况以及每个学生在课题中发挥的作用。对能力较强的学生或者课题内容优秀的小组成员，鼓励他们参加相关的竞赛或通过创业形式在具体的物流场合推广其设计的单片机系统，在成绩评定中给予这部分学生以适当的课程附加分。

5 结 语

南京邮电大学Peter 研究中心团队将氮化镓光电子融合集成芯片方面最新的科研成果同单片机教学进行了深度融合，设计出了多种在现代物流领域具有重要应用价值的单片机系统，为物流工程专业的单片机教学开辟出了科教一体教学模式。实验内容紧密贴合科学前沿热点与物流业的应用需求，在提升学生科学素养和眼界的同时还容易激发他们的学习兴趣，不仅有利于学生提前了解行业的最新动态，亦有助于学生进一步深造，有效避免了教学与社会的脱节。