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實(shí)踐課程的實(shí)施與效果的研究
摘 要:單片機系統設計是一門(mén)實(shí)踐性和應用性都很強的課程。為了充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )造力,使學(xué)生熟悉單片機應用系統的研制和開(kāi)發(fā)過(guò)程,掌握單片機的設計原理和開(kāi)發(fā)步驟,我們開(kāi)設了單片機系統設計綜合實(shí)踐課程。本文闡述了此綜合實(shí)踐課程的實(shí)施方案,給出了典型的設計范例。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐,本課程取得了良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:單片機系統;綜合實(shí)踐課程;實(shí)踐教學(xué)
1 前言
單片機系統設計是一門(mén)實(shí)踐性、應用性很強的課程。傳統的單片機系統設計實(shí)驗教學(xué),具有:①實(shí)驗應用機會(huì )少;②缺乏具體的實(shí)驗教學(xué)內容和完善的考試、考核方法;③驗證性多,創(chuàng )新性少;④實(shí)驗教學(xué)內容與實(shí)踐應用脫節的弊端[1]。這樣的教學(xué)模式和方法,很難讓學(xué)生完全掌握單片機系統設計的基本原理和開(kāi)發(fā)方法, 更不用說(shuō)培養學(xué)生的創(chuàng )新能力。因此,為了培養和訓練學(xué)生具備獨立設計簡(jiǎn)單的單片機應用系統、編寫(xiě)系統控制程序的能力和技能,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )造力,我校在學(xué)生完成了《單片機系統設計》的理論課和匯編程序設計、七段數碼顯示、鍵盤(pán)掃描、AD轉換、串行通訊等實(shí)驗教學(xué)后,特開(kāi)設了為期2周的綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節。此教學(xué)環(huán)節讓學(xué)生完成一個(gè)單片機系統的設計、開(kāi)發(fā)、調試的完整過(guò)程,整個(gè)綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節完成后,學(xué)生對單片機系統的學(xué)習和應用興趣更濃了,而且具備了自行設計、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的單片機系統的能力。
2 任務(wù)與要求
利用偉福Lab6000系列單片機仿真實(shí)驗系統構成簡(jiǎn)單實(shí)用的單片機系統,要求如下:
(1)充分應用MCS-51系列微處理器和偉福Lab6000系列單片機仿真實(shí)驗系統所提供的硬件資源,自由選題實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的單片機系統。
(2)要求具備必需的人機接口。
(3)可以選用匯編或C51語(yǔ)言進(jìn)行控制程序開(kāi)發(fā)。
設計的系統性能如下:
(1)系統運行穩定,具有一定的抗干擾和故障自測能力。
(2)系統設計安全可靠,具有出錯報警和應急關(guān)閉能力。
(3)系統精度達到一般民用品的基本要求。
(4)人機接口界面友好、直觀(guān)、操作簡(jiǎn)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(chē)計價(jià)器。
(2)溫度控制系統。
(3)可編程交通燈系統。
(4)PWM電機調速系統。
(5)數字溫度計。
(6)數字頻率計。
3 設計范例
3.1 PWM電機調速系統
PWM電機調速系統如圖1所示,系統包含電機驅動(dòng)電路和測速電路,兩者構成閉環(huán)系統。電機驅動(dòng)采用脈寬PWM調壓電路,測速電路的核心部件是霍爾元件。
圖1 PWM直流電機調速系統原理圖[2]
霍爾元件是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場(chǎng)及其變化,可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。在外磁場(chǎng)的作用下,當磁感應強度超過(guò)霍爾元件導通閾值BOP時(shí),霍爾元件輸出管導通,輸出低電平。若外加磁場(chǎng)的B值降低到BRP時(shí),輸出管截止,輸出高電平。在直流電機的轉盤(pán)上粘貼著(zhù)一枚小磁鐵,霍爾元件安裝在轉盤(pán)附近,每當磁鐵靠近霍爾元件時(shí)霍爾元件導通,輸出低電平,遠離時(shí)霍爾元件截至,輸出高電平。這樣,直流電機轉動(dòng)一圈,霍爾元件就會(huì )輸出一個(gè)脈沖,通過(guò)這個(gè)原理能夠測出電機的轉速。
PWM是單片機系統中常用的模擬量輸出方法,通過(guò)外接的轉換電路,可以將脈沖的占空比轉化成電壓。直流電機的轉速和驅動(dòng)電壓呈近似線(xiàn)形關(guān)系,改變脈沖的占空比,就可以改變直流電機的轉速。
系統結構圖如圖2,閉環(huán)工作時(shí),測速電路測得的轉速和給定的轉速相減獲得差值e,根據差值e運用PID增量控制算法獲得控制量,即占空比,通過(guò)MCS-51的口線(xiàn)輸出給定占空比的脈沖,再通過(guò)轉換電路轉化成電壓來(lái)驅動(dòng)直流電機。系統控制算法采用增量型PID控制算法,如果k時(shí)刻電機當前轉速是y(k),給定轉速是r(k),PID控制器輸入信號為e(k),輸出信號為u(k),則離散的PID遞推算法如下:
圖2 PWM直流電機調速系統結構圖
3.2 數字溫度計
數字溫度計的核心電路——溫度傳感器調理電路如圖3所示,溫度傳感器采用負溫度系數的熱敏電阻(NTC),NTC的阻值隨著(zhù)溫度的上升而非線(xiàn)性下降,具體溫度-阻值特性為
(4)
式中,RT 、 RT0是溫度分別為T(mén)、T0 時(shí)的電阻值;B為負溫度系數熱敏電阻的材料常數[3]。
固定電阻和NTC組成的電阻橋輸出電壓隨NTC阻值的變化而變化,這種變化經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器的放大后送給AD轉換器轉換成數字量,具體轉換遵循以下公式:
(1) 電橋輸出電壓u
(5)
(2) 差動(dòng)放大器輸出電壓 u'(一般R7=R8,R9=R10)
圖3 數字溫度計原理圖[2]
共2頁(yè): 1 [2] 下一頁(yè)
一般情況下,會(huì )事先根據NTC的溫度-阻值特性計算出一張溫度-阻值對應表。根據AD轉換的數字值逆運算獲得當前NTC的阻值,再根據NTC的溫度特性表運用分段查表和表項間線(xiàn)性運算就可以獲得當前溫度值,把當前溫度在輸出設備(如七段數碼管、LCD)上顯示出來(lái)就構成了完整的數字溫度計。本范例也可在其他溫度測量的系統中應用。
3.3 出租車(chē)計價(jià)器
出租車(chē)計價(jià)器是一個(gè)較實(shí)用的設計范例,它的結構如圖4。出租車(chē)計價(jià)器包含里程測量電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和人機接口。
出租車(chē)計價(jià)器里程測量的核心部件是霍爾元件,具體電路和圖1的測速電路一樣。在輪胎的轉軸上粘貼了6個(gè)小磁鐵,輪胎轉動(dòng)一圈,霍爾元件就會(huì )輸出6個(gè)脈沖,對脈沖進(jìn)行計數就可以獲得輪胎轉動(dòng)的圈數,圈數乘以輪胎的周長(cháng)就可以獲得車(chē)輛行駛的里程數。
圖4 出租車(chē)計價(jià)器結構框圖
一般情況下,出租車(chē)白天和晚上的里程單價(jià)并不一樣,因此需要一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)獲得當前時(shí)間。DS1307是一個(gè)I2C總線(xiàn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC),在外部電池的供電下,它能提供高精度的年月日時(shí)分秒BCD碼時(shí)間。另外,它還包含56字節的非易失性SRAM(NV SRAM),可以用來(lái)保存系統的設置信息。
顯示設備可以采用七段數碼管或LCD,用來(lái)顯示當前時(shí)間、行駛里程數、里程單價(jià)、和行駛
里程價(jià)格等信息。還需要少量的按鍵或矩陣式鍵盤(pán)用于輸入里程單價(jià)、開(kāi)始計價(jià)、清零、時(shí)間設置等操作。
4 實(shí)施過(guò)程
4.1 根據任務(wù)與要求進(jìn)行總體規劃與設計
這個(gè)過(guò)程包括:
、 課題選擇。
、 硬件模塊的選擇和設計。
、 軟件整體流程的設計。
、 查找各種所需資料。
綜合實(shí)踐課題題目是不是新穎,是不是能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )造性和好奇心,直接影響學(xué)生實(shí)驗的積極性,有的學(xué)生覺(jué)得做實(shí)驗非常無(wú)聊,就是因為他們的好奇心和熱情沒(méi)有被激發(fā)起來(lái)。而集知識性、趣味性、創(chuàng )造性于一體,能應用所學(xué)知識解決具體問(wèn)題的綜合實(shí)踐課題,是本綜合實(shí)踐的最大亮點(diǎn),也是本教學(xué)環(huán)節區別于其他教學(xué)環(huán)節的標志。我們要求學(xué)生思考在實(shí)際生活中能應用單片機系統技術(shù)能解決的具體問(wèn)題,并且考慮偉福Lab6000系列單片機仿真實(shí)驗系統所能提供的硬件資源,選擇一個(gè)有自己特色、能在兩周內獨立完成的題目,題目要求新穎,鼓勵創(chuàng )造性的思維,并且能解決實(shí)際生活中的具體問(wèn)題。
受限于實(shí)驗條件,
硬件設計無(wú)法完全按照單片機系統設計的一般方法和標準步驟來(lái)實(shí)施。在教學(xué)過(guò)程中,我們要求學(xué)生可以根據偉福Lab6000系列單片機仿真實(shí)驗系統所提供的硬件資源自主地完成硬件部分的理論設計,也可以不完全局限于此實(shí)驗平臺進(jìn)行理論設計。理論設計完全遵循單片機系統設計的一般流程,學(xué)生自己查閱資料,設計硬件電路圖。指導老師對硬件部分的理論設計進(jìn)行評審后,再根據具體的實(shí)驗平臺指導學(xué)生完成課題。
軟件設計可以采用匯編語(yǔ)言或Keil C51高級語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現,這兩種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是當前MCS-51系列單片機系統開(kāi)發(fā)的主流環(huán)境。根據學(xué)生選題的特點(diǎn),指導學(xué)生選擇較為容易實(shí)現的開(kāi)發(fā)環(huán)境。
4.2 根據總體規劃實(shí)施軟硬件的開(kāi)發(fā)與設計
這個(gè)過(guò)程包括:
、 硬件連接。
、 軟件編程。
、 軟硬件聯(lián)調。
在這一過(guò)程中主要培養學(xué)生的硬件設計能力、編程能力和積累軟硬件調試經(jīng)驗,熟練掌握單片機系統中人機接口的設計、控制算法設計、硬件驅動(dòng)程序設計,體會(huì )理論與實(shí)踐之間的差別,對單片機系統的設計與實(shí)現由理性認識轉化為感性認識,激發(fā)學(xué)生的求知欲望,鍛煉學(xué)生克服困難解決問(wèn)題的能力。
4.3 交流總結
在2周的綜合實(shí)踐中抽出一天時(shí)間讓能力較強的學(xué)生陳述他的設計思想和設計過(guò)程、設計中的難題和解決方法以及自己的心得體會(huì )。讓進(jìn)展不順的學(xué)生提出他在設計中沒(méi)能解決的難題,全班同學(xué)共同討論,集思廣益,找到解決問(wèn)題的方法。這樣可以使學(xué)生互相學(xué)習,取長(cháng)補短,拓寬知識面,活躍思維,能在以后的工作和學(xué)習中更好地完成任務(wù)。
4.4 完成實(shí)踐報告及驗收評分
最后兩天是綜合實(shí)踐報告的完成階段,在進(jìn)行了兩周的綜合實(shí)踐以后有必要好好地總結一下,把自己在綜合實(shí)踐中所學(xué)到的知識以文字的形式表述出來(lái),這樣更有助于水平和能力的提高。
實(shí)踐報告完全按照畢業(yè)論文要求書(shū)寫(xiě),包含中英文摘要、設計任務(wù)與要求、系統結構及工作原理、主要單元電路的設計過(guò)程、控制軟件的編寫(xiě)及調試、測試數據及調試中故障分析、收獲和體會(huì )、參考文獻等部分。要求學(xué)生重點(diǎn)講述清楚故障分析和收獲體會(huì )。
綜合實(shí)踐成績(jì)由平時(shí)表現、實(shí)踐報告、設計成果、創(chuàng )新點(diǎn)4部分組成,成績(jì)構成比例是2:3:4:1[4]。
5 效果
經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐,單片機系統綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節取得的效果主要體現在以下幾個(gè)方面:
(1)讓學(xué)生掌握了單片機系統設計的一般原理及其基本的實(shí)現過(guò)程,實(shí)現了從理論向實(shí)際的遷移,強化了學(xué)生所學(xué)的知識。
(2)讓學(xué)生掌握了單片機系統硬件、軟件設計的基本方法,具備了軟硬件相結合的系統設計的基本能力和調試經(jīng)驗。
(3)本綜合實(shí)踐的課題真實(shí)性很強,讓學(xué)生經(jīng)歷了單片機系統設計的全過(guò)程,提高了學(xué)生的研制開(kāi)發(fā)能力和創(chuàng )新能力。
(4)本綜合實(shí)踐涉及到多學(xué)科、多知識點(diǎn),是計算機軟硬件知識的大綜合。經(jīng)過(guò)綜合實(shí)踐,學(xué)生運用所學(xué)知識分析解決問(wèn)題的能力有了較大的提高,完成了多學(xué)科知識的融會(huì )貫通。
參考文獻
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