崔承毅， 王開宇， 趙冠男， 高慶華

(1. 大連理工大學(xué) 電工電子實驗中心，遼寧 大連 116023； 2. 遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

0 引 言

實踐教學(xué)是理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)[1-3]，以單片機為核心的綜合設(shè)計實驗課程可以將單片機原理、數(shù)字電路、模擬電路等知識有機地結(jié)合起來，對學(xué)生深入理解和掌握這些知識具有很好的作用[4-5]。在實踐教學(xué)過程中，怎樣科學(xué)合理地設(shè)計實踐教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生通過實驗將學(xué)過的知識融會貫通，并且接觸新技術(shù)、新應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識及工程實踐能力，是實踐教學(xué)內(nèi)容改革需要考慮的主要問題[6-7]。

單片機綜合設(shè)計實驗?zāi)M項目開發(fā)過程，要求學(xué)生根據(jù)老師提出的要求，自己設(shè)計、焊接、調(diào)試實現(xiàn)一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)，面向的對象為電類專業(yè)高年級的學(xué)生，實驗形式為一人一組。為了使學(xué)生能夠得到更好的鍛煉，實驗以學(xué)生為本，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，模擬現(xiàn)實生活中的智能控制系統(tǒng)，結(jié)合手機APP應(yīng)用、藍牙無線通信、電機控制、傳感器等設(shè)計了單片機綜合訓(xùn)練題目。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

單片機智能控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示?？刂坪诵倪x擇STC15系列低功耗、高速度、高性能單片機IAP15W4K58S4，其具有在線仿真調(diào)試功能[8-10]；溫度傳感器使用18b20；光強采集使用光敏電阻；步進電機驅(qū)動使用ULN2003；風(fēng)扇驅(qū)動使用L298N；此外，還設(shè)計了繼電器控制單元和LCD狀態(tài)顯示功能；在功能拓展上，設(shè)計手機APP的無線控制功能，手機APP使用“藍牙串口調(diào)試助手”等APP軟件，無線通信使用藍牙。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2 功能設(shè)計

2.1 步進電機控制

步進電機采用28BYJ48型四相八拍電機，實物如圖2所示，其5根接線依次為：紅色，+5 V；橙色，A；黃色，B；粉色，C；藍色，D。

圖2 步進電機28BYJ48

步進電機驅(qū)動選擇ULN2003，該芯片具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點。其連接電路如圖3所示。

當(dāng)單片機通過P2.0～P2.3發(fā)送一個組合脈沖信號時，即驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，即步進角。當(dāng)單片機對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，就可以驅(qū)動其連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍3種工作方式[11]。其中，八拍勵磁的方式為(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)，具體執(zhí)行方式如表1所示。

圖3 ULN2003驅(qū)動電路連接圖

12345678A11000001B01110000C00011100D00000111

2.2 DS18b20溫度采集

DS18B20是單總線高精度溫度傳感器，溫度檢測范圍是-55～+125 ℃，可以程序設(shè)定9～12位的分辨率，可直接輸出數(shù)字量。DS18B20引腳圖如圖4所示，3個引腳分別為：GND為電源地；DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；VDD為電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。DS18B20使用簡單，DQ端接上拉電阻，與單片機引腳相連，VDD與GND進行對應(yīng)的連接即可[12-14]。

2.3 藍牙無線通信

藍牙通信是很多手機必備的功能，當(dāng)單片機系統(tǒng)有了藍牙功能，就可以通過手機APP向其發(fā)送命令，實現(xiàn)手機控制功能。藍牙使用主從一體的藍牙轉(zhuǎn)串口模塊HC05，實物如圖5所示。

圖4 DS18B20引腳圖圖5 HC05實物圖

HC05模塊與單片機的串口相連，連接方式為：RXD接單片機的TXD，TXD接單片機的RXD。當(dāng)手機藍牙與HC05模塊配對成功后，單片機可通過串口接收手機APP發(fā)送的指令，并根據(jù)指令進行相應(yīng)的控制操作。

2.4 繼電器控制

繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，被廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備中。在本項目中，利用直流繼電器控制LED燈，以此來模擬對其他電器設(shè)備的控制。繼電器控制LED燈的一種典型電路如圖6所示。

圖6 繼電器控制LED燈電路

繼電器在系統(tǒng)設(shè)計中，可以應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)中，如當(dāng)溫度低到設(shè)定值時，繼電器控制LED燈亮，模擬對加熱設(shè)備的控制；或者，通過手機APP發(fā)送命令來點亮或關(guān)閉繼電器控制的LED燈，如圖7所示。

點亮第1個燈點亮第2個燈點亮第3個燈

圖7 手機APP控制LED燈

2.5 其他功能模塊

(1) LCD使用1602，根據(jù)功能設(shè)計情況，顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)、傳感器采集的數(shù)值、控制信息等，學(xué)生設(shè)計的LCD顯示功能如圖8所示。

圖8 LCD顯示功能

(2)光強采集使用光敏電阻，通過IAP15W4K58S4的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)值采集。A/D轉(zhuǎn)換器位于單片機的P1口，為10位A/D轉(zhuǎn)換器[15]。實驗中，可通過光強值的采集來控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，模擬對窗簾的開關(guān)控制。

(3)風(fēng)扇的電機驅(qū)動采用L298N驅(qū)動模塊。實驗中，可根據(jù)溫度采集來調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，模擬對溫度的調(diào)節(jié)[16]。

3 實踐教學(xué)

3.1 實驗教學(xué)實施

經(jīng)過幾年的學(xué)習(xí)，學(xué)生的動手能力有了較大的差別，如果用同一標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生，面臨的問題是：部分同學(xué)第一次接觸單片機系統(tǒng)設(shè)計，能力有限，為了完成任務(wù)，他們往往進行抄襲，得不到有效的鍛煉；而那些能力強的學(xué)生又受到限制，沒有充分施展的空間，提高有限。解決這一問題的辦法就是將實驗內(nèi)容層次化、開放化，在滿足設(shè)計基本要求的前提下，讓學(xué)生在功能設(shè)計上自由發(fā)揮和拓展。

實驗項目在實驗教學(xué)實施過程中，要求每位學(xué)生設(shè)計實現(xiàn)的基本功能包括：LCD顯示、傳感器應(yīng)用、電機控制，繼電器控制。在作品實現(xiàn)方式及功能設(shè)計上，則開放給學(xué)生，學(xué)生可以利用光敏電阻、溫度傳感器、步進電機、風(fēng)扇、手機APP等進行組合設(shè)計，任意發(fā)揮，自由拓展。

3.2 實驗效果

實驗過程中，學(xué)生的實驗興趣較高，設(shè)計了功能豐富的作品，部分學(xué)生作品如圖9所示。

圖9 部分學(xué)生作品

功能設(shè)計上，學(xué)生設(shè)計的主要功能如表2所示。

表2 系統(tǒng)功能設(shè)計

通過開放化、層次化的設(shè)計，實驗中，能力稍微差一些的學(xué)生，通過設(shè)計一個完整的作品，掌握了單片機系統(tǒng)設(shè)計的具體方法，動手能力有所提高；動手能力較強的學(xué)生設(shè)計了功能豐富的作品，在功能設(shè)計、控制方式上需要考慮的問題較多，創(chuàng)新思維得到了一定的訓(xùn)練。部分作品的功能設(shè)計如圖10所示。其中：圖10(a)實現(xiàn)功能對應(yīng)表2中1、3、8；圖10(b)對應(yīng)2、4、5、7、8；圖10(c)對應(yīng)1～8。

(a)(b)(c)

圖10 學(xué)生部分功能設(shè)計作品

4 結(jié) 語

單片機綜合設(shè)計實驗在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和鍛煉學(xué)生動手能力方面有著不可替換的重要作用。實驗項目注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，將多種知識點融入其中，讓學(xué)生結(jié)合實際應(yīng)用來進行功能設(shè)計，有效地提高了學(xué)生的實驗興趣。在方案設(shè)計和功能拓展上，給學(xué)生充分的自主性和自由發(fā)揮的空間，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識。實驗項目具有多方案、多功能的特點，較好地鍛煉了學(xué)生的動手能力，教學(xué)質(zhì)量有一定的提高。