王應(yīng)彪

摘 ? 要：針對(duì)“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程存在內(nèi)容抽象、學(xué)習(xí)難度大、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不夠等問(wèn)題。結(jié)合林業(yè)院校專業(yè)特色，文章以昆蟲誘捕滅殺控制裝置教學(xué)項(xiàng)目為例。將具體項(xiàng)目引入課程教學(xué)中并加以應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生單片機(jī)技術(shù)課程實(shí)踐動(dòng)手能力，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量、改善教學(xué)條件具有重要意義。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) ?教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì) ?林業(yè)院校 ?昆蟲誘捕

中圖分類號(hào)：TP368 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（b）-0192-03

1 ?項(xiàng)目背景

林業(yè)院?！秵纹瑱C(jī)原理及應(yīng)用》課程是機(jī)械電子、電氣自動(dòng)化、車輛工程等工科專業(yè)的重要專業(yè)核心課程。由于該課程對(duì)于林業(yè)院校工科類專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)硬件與軟件程序編寫調(diào)試能力比較薄弱，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)較少，理論知識(shí)比較抽象，教學(xué)過(guò)程中學(xué)生反映知識(shí)點(diǎn)難以理解，實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)較少，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，為此根據(jù)本課程的特點(diǎn)，結(jié)合林業(yè)院校的專業(yè)特色[1]。以具體項(xiàng)目為載體，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，從而提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力[2]。本教學(xué)項(xiàng)目以昆蟲誘捕滅殺控制裝置為例，利用單片機(jī)原理設(shè)計(jì)控制太陽(yáng)光追蹤，自動(dòng)追光調(diào)節(jié)模塊（包含時(shí)鐘和顯示模塊的硬件電路和程序設(shè)計(jì)）、高壓電擊電壓轉(zhuǎn)換模塊、誘蟲光源系統(tǒng)等電路，為進(jìn)一步提高學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力創(chuàng)造條件。

2 ?項(xiàng)目?jī)?nèi)容及要求

2.1 項(xiàng)目目的

（1）掌握太陽(yáng)能昆蟲誘捕滅殺控制裝置所采用的太陽(yáng)光追蹤原理;（2）掌握電擊殺加風(fēng)扇吹落收集昆蟲的昆蟲捕殺技術(shù);（3）對(duì)比直流和步進(jìn)電機(jī)兩種太陽(yáng)能板驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行選擇;（4）進(jìn)一步掌握單片機(jī)及其主要外設(shè)、步進(jìn)電機(jī)、配套電子器件的選取和相關(guān)電路設(shè)計(jì)，對(duì)太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、蓄電池等系統(tǒng)各部件進(jìn)行選型和計(jì)算。（5）培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，團(tuán)結(jié)合作和綜合運(yùn)用等方面的能力[3]。

2.2 項(xiàng)目控制要求

（1）太陽(yáng)能控制器：對(duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽(yáng)電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出。（2）STC89C51單片機(jī)：指揮決策中心，處理和控制各部分功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（3）DS1302時(shí)鐘電路：外接時(shí)鐘電路，雙電源供電。（4）步進(jìn)電機(jī)：在單片機(jī)控制下可精確轉(zhuǎn)動(dòng)并調(diào)整太陽(yáng)能板角度。（5）LED燈珠：365nm波長(zhǎng)紫外光源，通過(guò)單片機(jī)控制燈珠“閃爍”。（6）風(fēng)扇：為L(zhǎng)ED陣列散熱以及清理困在電網(wǎng)上的昆蟲。（7）高壓電網(wǎng)：根據(jù)電蚊拍電路進(jìn)行改進(jìn)，可反饋昆蟲受電擊狀況。（8）LCD1602液晶顯示器：顯示當(dāng)前時(shí)間、時(shí)間調(diào)整、昆蟲數(shù)目等信息[4]。

3 ?項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程

3.1 控制程序

本項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)要求采用模塊化設(shè)計(jì)思路，即主控制程序由多個(gè)子程序模塊組成。主要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)思路如下：（1）系統(tǒng)開機(jī)后，主程序首先要完成初始化，刷新LCD1602液晶顯示默認(rèn)時(shí)間、初始化DS1302時(shí)鐘芯片寫入默認(rèn)時(shí)間、開啟中斷并配置定時(shí)器。（2）系統(tǒng)初始化完成后，進(jìn)入主循環(huán)程序，保持4×4矩陣鍵盤的按鍵監(jiān)測(cè)、每間隔200ms刷新一次當(dāng)前時(shí)間、每間隔600ms檢測(cè)一次定時(shí)任務(wù)。（3）定時(shí)任務(wù)子程序?qū)⒁惶靹澐譃?個(gè)時(shí)段：9：00～18：00為強(qiáng)光時(shí)段，設(shè)定步進(jìn)電機(jī)每半小時(shí)工作一次，每次將使太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)約7°，當(dāng)時(shí)間為18：00時(shí)追光時(shí)間段結(jié)束，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行復(fù)位動(dòng)作，將使太陽(yáng)能板反向轉(zhuǎn)動(dòng)約119°。19：00～00：00為昆蟲誘捕時(shí)段，將開啟誘蟲燈、風(fēng)扇、高壓電擊網(wǎng)，運(yùn)行昆蟲計(jì)數(shù)子程序，并通過(guò)PWM脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)LED光源“呼吸燈”閃爍的動(dòng)態(tài)效果。其余時(shí)段為系統(tǒng)待機(jī)時(shí)段，保持時(shí)鐘芯片的計(jì)時(shí)和液晶屏的顯示等基礎(chǔ)功能，太陽(yáng)能昆蟲誘捕殺滅控制裝置原理圖如圖1所示。

3.2 仿真電路設(shè)計(jì)

本教學(xué)項(xiàng)目基于Proteus7.0軟件進(jìn)行仿真電路的設(shè)計(jì)，該軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。軟件擁有強(qiáng)大的單片機(jī)仿真功能，也是目前電路仿真應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)仿真軟件。本項(xiàng)目仿真電路分為多塊進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，然后通過(guò)89C51單片機(jī)核心控制單元進(jìn)行輸入輸出控制，主要控制模塊如下：

（1）電擊控制模塊。電擊控制模塊的電路主要由高頻振蕩電路、三倍壓整流電路和高壓電擊網(wǎng)三部分組成如圖2所示。當(dāng)電源接通時(shí)，由三極管Q1（型號(hào)為S8050）和變壓器TR1構(gòu)成的高頻振蕩器通電工作，把5V直流電變成18kHz左右的高頻交流電，經(jīng)T升壓到500V，再經(jīng)二極管D2～D4、電容器C1～C3三倍壓整流升高至1500V，加到金屬網(wǎng)上。當(dāng)昆蟲觸及到高壓電網(wǎng)時(shí)，電流通過(guò)蟲體釋放可造成昆蟲暈厥或被擊斃。

（2）時(shí)間設(shè)定及昆蟲計(jì)數(shù)模塊。系統(tǒng)開機(jī)后，顯示默認(rèn)初始值：2019-01-01 00：00：00星期二，需要通過(guò)按鍵調(diào)整設(shè)定當(dāng)前正確的時(shí)間，默認(rèn)LCD1602液晶正常工作狀態(tài)顯示當(dāng)前DS1302時(shí)鐘芯片所儲(chǔ)存的時(shí)間，通過(guò)按鍵可切換當(dāng)前時(shí)間、設(shè)置時(shí)間、昆蟲計(jì)數(shù)三種顯示狀態(tài)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)昆蟲計(jì)數(shù)功能會(huì)定時(shí)打開，保持后臺(tái)計(jì)數(shù)，但初始狀態(tài)顯示屏默認(rèn)顯示當(dāng)前時(shí)間，可以通過(guò)按鍵切換顯示狀態(tài)查看本次開機(jī)以來(lái)所捕獲的昆蟲數(shù)目，LCD1602液晶的昆蟲計(jì)數(shù)顯示狀態(tài)，如圖3a～3b所示。

（3）風(fēng)扇、LED陣列工作模塊。

通過(guò)設(shè)定時(shí)間在19：00-00：00為系統(tǒng)設(shè)定的昆蟲誘捕時(shí)段，此時(shí)間段內(nèi)將開啟風(fēng)扇、LED陣列、高壓電擊和計(jì)數(shù)電路對(duì)昆蟲進(jìn)行誘捕并電擊，風(fēng)扇和LED陣列運(yùn)行狀態(tài)電路仿真圖如圖4所示。

（4）步進(jìn)電機(jī)工作電路模塊。

根據(jù)每天自然光照時(shí)段特點(diǎn)，9：00～18：00為強(qiáng)光時(shí)段，其中9：00～17：30為追光程序工作時(shí)段，從9：00開始每半小時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)7°，當(dāng)18：00時(shí)追光程序執(zhí)行完畢，步進(jìn)電機(jī)將反轉(zhuǎn)119°復(fù)位，完成每天的追光工作控制，步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)時(shí)工作仿真電路如圖5所示。

4 ?項(xiàng)目考核與評(píng)價(jià)

本教學(xué)項(xiàng)目通過(guò)分為不同小組進(jìn)行設(shè)計(jì)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)各個(gè)小組通過(guò)完成軟件、硬件設(shè)計(jì)以及項(xiàng)目設(shè)計(jì)說(shuō)明書的編寫，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分組答辯和演示，教師對(duì)完成項(xiàng)目的完成情況進(jìn)行考核與評(píng)價(jià)?？己藰?biāo)準(zhǔn)如下：（1）設(shè)計(jì)制作50分：包括硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序調(diào)試等，考核時(shí)要查看原始設(shè)計(jì)資料，包括硬件的布置與連接、程序語(yǔ)法規(guī)范、元器件布局是否合理等;（2）設(shè)計(jì)報(bào)告書寫30分：設(shè)計(jì)報(bào)告必須獨(dú)立完成，格式字?jǐn)?shù)符合規(guī)定要求，圖形繪制規(guī)范，不得到網(wǎng)上下載;（3）平時(shí)及答辯20分：主要考核學(xué)生在項(xiàng)目完成期間的表現(xiàn)，包括考勤、學(xué)習(xí)態(tài)度、答辯匯報(bào)情況等方面。

5 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)51單片機(jī)昆蟲誘捕滅殺控制裝置的教學(xué)項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上，使學(xué)生掌握了電擊殺加風(fēng)扇吹落收集昆蟲的昆蟲捕殺技術(shù)，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)會(huì)部件選型、設(shè)計(jì)，熟練運(yùn)用編程軟件、指令。項(xiàng)目實(shí)踐證明，項(xiàng)目案例教學(xué)切實(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)力能力，在實(shí)施過(guò)程中還培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題等綜合能力。

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