實(shí)踐課程的實(shí)施與效果的研究

1、理論課程的施行與效果的研究摘 要:單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制和開發(fā)過(guò)程,掌握單片機(jī)的設(shè)計(jì)原理和開發(fā)步驟,我們開設(shè)了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合理論課程。本文闡述了此綜合理論課程的施行方案,給出了典型的設(shè)計(jì)范例。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)理論,本課程獲得了良好的教學(xué)效果。關(guān)鍵詞:單片機(jī)系統(tǒng);綜合理論課程;理論教學(xué)1 前言2 任務(wù)與要求利用偉福Lab6000系列單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單實(shí)用的單片機(jī)系統(tǒng),要求如下:(1)充分應(yīng)用MCS-51系列微處理器和偉福Lab6000系列單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所提供的硬件資源,自由選題實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的單片機(jī)

2、系統(tǒng)。(2)要求具備必需的人機(jī)接口。(3)可以選用匯編或C51語(yǔ)言進(jìn)展控制程序開發(fā)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能如下:(1)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,具有一定的抗干擾和故障自測(cè)才能。(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)平安可靠,具有出錯(cuò)報(bào)警和應(yīng)急關(guān)閉才能。(3)系統(tǒng)精度到達(dá)一般民用品的根本要求。(4)人機(jī)接口界面友好、直觀、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)出租車計(jì)價(jià)器。(2)溫度控制系統(tǒng)。(3)可編程交通燈系統(tǒng)。(4)PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。(5)數(shù)字溫度計(jì)。(6)數(shù)字頻率計(jì)。3 設(shè)計(jì)范例3.1 PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)PWM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和測(cè)速電路,兩者構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用脈寬PW

3、M調(diào)壓電路,測(cè)速電路的核心部件是霍爾元件?；魻栐且环N磁傳感器。用它可以檢測(cè)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(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)霍爾元件導(dǎo)通閾值BOP時(shí),霍爾元件輸出管導(dǎo)通,輸出低電平。假設(shè)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(jī)的轉(zhuǎn)盤上粘貼著一枚小磁鐵,霍爾元件安裝在轉(zhuǎn)盤附近,每當(dāng)磁鐵靠近霍爾元件時(shí)霍爾元件導(dǎo)通,輸出低電平,遠(yuǎn)離時(shí)霍爾元件截至,輸出高電平。這樣,直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,霍爾元件就會(huì)輸出一個(gè)脈沖,通過(guò)這個(gè)原理可以測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的模擬量輸出方法,通過(guò)外接的轉(zhuǎn)換電路,可以將脈沖的占空比轉(zhuǎn)化成電壓。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)

4、速和驅(qū)動(dòng)電壓呈近似線形關(guān)系,改變脈沖的占空比,就可以改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)構(gòu)造圖如圖2,閉環(huán)工作時(shí),測(cè)速電路測(cè)得的轉(zhuǎn)速和給定的轉(zhuǎn)速相減獲得差值e,根據(jù)差值e運(yùn)用PID增量控制算法獲得控制量,即占空比,通過(guò)MCS-51的口線輸出給定占空比的脈沖,再通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。系統(tǒng)控制算法采用增量型PID控制算法,假設(shè)k時(shí)刻電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速是y(k),給定轉(zhuǎn)速是r(k),PID控制器輸入信號(hào)為e(k),輸出信號(hào)為u(k),那么離散的PID遞推算法如下:圖2 PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)造圖3.2 數(shù)字溫度計(jì)數(shù)字溫度計(jì)的核心電路溫度傳感器調(diào)理電路如圖3所示,溫度傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(N

5、TC),NTC的阻值隨著溫度的上升而非線性下降,詳細(xì)溫度-阻值特性為(4)式中,RT 、 RT0是溫度分別為T、T0 時(shí)的電阻值;B為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的材料常數(shù)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,詳細(xì)轉(zhuǎn)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(shù)字溫度計(jì)原理圖2一般情況下,會(huì)事先根據(jù)NTC的溫度-阻值特性計(jì)算出一張溫度-阻值對(duì)應(yīng)表。根據(jù)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字值逆運(yùn)算獲得當(dāng)前NTC的阻值,再根據(jù)NTC的溫度特性表運(yùn)用分段查表和表項(xiàng)間線性運(yùn)算就可以

6、獲得當(dāng)前溫度值,把當(dāng)前溫度在輸出設(shè)備(如七段數(shù)碼管、LCD)上顯示出來(lái)就構(gòu)成了完好的數(shù)字溫度計(jì)。本范例也可在其他溫度測(cè)量的系統(tǒng)中應(yīng)用。3.3 出租車計(jì)價(jià)器出租車計(jì)價(jià)器是一個(gè)較實(shí)用的設(shè)計(jì)范例,它的構(gòu)造如圖4。出租車計(jì)價(jià)器包含里程測(cè)量電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和人機(jī)接口。出租車計(jì)價(jià)器里程測(cè)量的核心部件是霍爾元件,詳細(xì)電路和圖1的測(cè)速電路一樣。在輪胎的轉(zhuǎn)軸上粘貼了6個(gè)小磁鐵,輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,霍爾元件就會(huì)輸出6個(gè)脈沖,對(duì)脈沖進(jìn)展計(jì)數(shù)就可以獲得輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù),圈數(shù)乘以輪胎的周長(zhǎng)就可以獲得車輛行駛的里程數(shù)。圖4 出租車計(jì)價(jià)器構(gòu)造框圖顯示設(shè)備可以采用七段數(shù)碼管或LCD,用來(lái)顯示當(dāng)前時(shí)間、行駛里程數(shù)、里程單價(jià)、和行駛里

7、程價(jià)格等信息。還需要少量的按鍵或矩陣式鍵盤用于輸入里程單價(jià)、開始計(jì)價(jià)、清零、時(shí)間設(shè)置等操作。4 施行過(guò)程4.1 根據(jù)任務(wù)與要求進(jìn)展總體規(guī)劃與設(shè)計(jì)這個(gè)過(guò)程包括: 課題選擇。 硬件模塊的選擇和設(shè)計(jì)。 軟件整體流程的設(shè)計(jì)。 查找各種所需資料。綜合理論課題題目是不是新穎,是不是可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和好奇心,直接影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性,有的學(xué)生覺得做實(shí)驗(yàn)非常無(wú)聊,就是因?yàn)樗麄兊暮闷嫘暮蜔崆闆]有被激發(fā)起來(lái)。而集知識(shí)性、興趣性、創(chuàng)造性于一體,能應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決詳細(xì)問(wèn)題的綜合理論課題,是本綜合理論的最大亮點(diǎn),也是本教學(xué)環(huán)節(jié)區(qū)別于其他教學(xué)環(huán)節(jié)的標(biāo)志。我們要求學(xué)生考慮在實(shí)際生活中能應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)技術(shù)能解決的詳細(xì)問(wèn)題

8、,并且考慮偉福Lab6000系列單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所能提供的硬件資源,選擇一個(gè)有自己特色、能在兩周內(nèi)獨(dú)立完成的題目,題目要求新穎,鼓勵(lì)創(chuàng)造性的思維,并且能解決實(shí)際生活中的詳細(xì)問(wèn)題。受限于實(shí)驗(yàn)條件,硬件設(shè)計(jì)無(wú)法完全按照單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法和標(biāo)準(zhǔn)步驟來(lái)施行。在教學(xué)過(guò)程中,我們要求學(xué)生可以根據(jù)偉福Lab6000系列單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所提供的硬件資源自主地完成硬件部分的理論設(shè)計(jì),也可以不完全局限于此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)展理論設(shè)計(jì)。理論設(shè)計(jì)完全遵循單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程,學(xué)生自己查閱資料,設(shè)計(jì)硬件電路圖。指導(dǎo)老師對(duì)硬件部分的理論設(shè)計(jì)進(jìn)展評(píng)審后,再根據(jù)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)指導(dǎo)學(xué)生完成課題。軟件設(shè)計(jì)可以采用匯編語(yǔ)言或

9、Keil C51高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn),這兩種軟件開發(fā)環(huán)境是當(dāng)前MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的主流環(huán)境。根據(jù)學(xué)生選題的特點(diǎn),指導(dǎo)學(xué)生選擇較為容易實(shí)現(xiàn)的開發(fā)環(huán)境。4.2 根據(jù)總體規(guī)劃施行軟硬件的開發(fā)與設(shè)計(jì)這個(gè)過(guò)程包括: 硬件連接。 軟件編程。 軟硬件聯(lián)調(diào)。在這一過(guò)程中主要培養(yǎng)學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)才能、編程才能和積累軟硬件調(diào)試經(jīng)歷,純熟掌握單片機(jī)系統(tǒng)中人機(jī)接口的設(shè)計(jì)、控制算法設(shè)計(jì)、硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì),體會(huì)理論與理論之間的差異,對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)由理性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為感性認(rèn)識(shí),激發(fā)學(xué)生的求知欲望,鍛煉學(xué)生抑制困難解決問(wèn)題的才能。4.3 交流總結(jié)在2周的綜合理論中抽出一天時(shí)間讓才能較強(qiáng)的學(xué)生陳述他的設(shè)計(jì)思想

10、和設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中沒能解決的難題,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(xí),取長(zhǎng)補(bǔ)短,拓寬知識(shí)面,活潑思維,能在以后的工作和學(xué)習(xí)中更好地完成任務(wù)。4.4 完成理論報(bào)告及驗(yàn)收評(píng)分最后兩天是綜合理論報(bào)告的完成階段,在進(jìn)展了兩周的綜合理論以后有必要好好地總結(jié)一下,把自己在綜合理論中所學(xué)到的知識(shí)以文字的形式表述出來(lái),這樣更有助于程度和才能的進(jìn)步。理論報(bào)告完全按照畢業(yè)論文要求書寫,包含中英文摘要、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求、系統(tǒng)構(gòu)造及工作原理、主要單元電路的設(shè)計(jì)過(guò)程、控制軟件的編寫及調(diào)試、測(cè)試數(shù)據(jù)及調(diào)試中故障分析、收獲和

11、體會(huì)、參考文獻(xiàn)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)。綜合理論成績(jī)由平時(shí)表現(xiàn)、理論報(bào)告、設(shè)計(jì)成果、創(chuàng)新點(diǎn)4部分組成,成績(jī)構(gòu)成比例是2:3:4:14。5 效果經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)理論,單片機(jī)系統(tǒng)綜合理論教學(xué)環(huán)節(jié)獲得的效果主要表達(dá)在以下幾個(gè)方面:(1)讓學(xué)生掌握了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原理及其根本的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了從理論向?qū)嶋H的遷移,強(qiáng)化了學(xué)生所學(xué)的知識(shí)。(2)讓學(xué)生掌握了單片機(jī)系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)的根本方法,具備了軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本才能和調(diào)試經(jīng)歷。(3)本綜合理論的課題真實(shí)性很強(qiáng),讓學(xué)生經(jīng)歷了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程,進(jìn)步了學(xué)生的研制開發(fā)才能和創(chuàng)新才能。(4)本綜合理論涉及到多學(xué)科、多知識(shí)點(diǎn),是計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)的