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單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐的實(shí)施與效果
摘 要:單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門(mén)實(shí)踐性和應(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(kāi)發(fā)過(guò)程,掌握單片機(jī)的設(shè)計(jì)原理和開(kāi)發(fā)步驟,我們開(kāi)設(shè)了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng);綜合實(shí)踐課程;實(shí)踐教學(xué)
Abstract: Single-chip system design is a practical application and have a strong curriculum. In order to fully stimulate the creativity of students so that students are familiar with single-chip application system and development process, to master the single-chip design and development of the principle, we created an integrated single-chip system design practice courses. This article describes the practice of integrated curriculum implementation plan, gives a typical example of the design. After several years of teaching practice, this course has been a good teaching results.
Key words: single-chip system; the practice of integrated curriculum; teaching practice
1 前言
單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門(mén)實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué),具有:①實(shí)驗(yàn)應(yīng)用機(jī)會(huì)少;②缺乏具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和完善的考試、考核方法;③驗(yàn)證性多,創(chuàng)新性少;④實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)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(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和開(kāi)發(fā)方法, 更不用說(shuō)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此,為了培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生具備獨(dú)立設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、編寫(xiě)系統(tǒng)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(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》的理論課和匯編程序設(shè)計(jì)、七段數(shù)碼顯示、鍵盤(pán)掃描、AD轉(zhuǎn)換、串行通訊等實(shí)驗(yàn)教學(xué)后,特開(kāi)設(shè)了為期2周的綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。此教學(xué)環(huán)節(jié)讓學(xué)生完成一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試的完整過(guò)程,整個(gè)綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)完成后,學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用興趣更濃了,而且具備了自行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)的能力。
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)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)行控制程序開(kāi)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)能力。
(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全可靠,具有出錯(cuò)報(bào)警和應(yīng)急關(guān)閉能力。
(3)系統(tǒng)精度達(dá)到一般民用品的基本要求。
(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PWM調(diào)壓電路,測(cè)速電路的核心部件是霍爾元件。
圖1 PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖[2]
霍爾元件是一種磁傳感器。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。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(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)上粘貼著一枚小磁鐵,霍爾元件安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)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)原理能夠測(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)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)結(jié)構(gòu)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,如果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),則離散的PID遞推算法如下:
圖2 PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(NTC),NTC的阻值隨著溫度的上升而非線性下降,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(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,具體轉(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)成了完整的數(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,它的結(jié)構(gòu)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,具體電路和圖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)行計(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)器結(jié)構(gòu)框圖
一般情況下,出租車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(dāng)前時(shí)間。DS1307是一個(gè)I2C總線的實(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(jié)的非易失性SRAM(NV
SRAM),可以用來(lái)保存系統(tǒng)的設(shè)置信息。
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(jì)價(jià)、清零、時(shí)間設(shè)置等操作。
4 實(shí)施過(guò)程
4.1 根據(jù)任務(wù)與要求進(jìn)行總體規(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)。
⑶ 軟件整體流程的設(shè)計(jì)。
⑷ 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(yàn)的積極性,有的學(xué)生覺(jué)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](méi)有被激發(fā)起來(lái)。而集知識(shí)性、趣味性、創(chuàng)造性于一體,能應(yīng)用所學(xué)知識(shí)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(jié)區(qū)別于其他教學(xué)環(huán)節(jié)的標(biāo)志。我們要求學(xué)生思考在實(shí)際生活中能應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)技術(shù)能解決的具體問(wèn)題,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)際生活中的具體問(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)實(shí)施。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)行理論設(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)行評(píng)審后,再根據(jù)具體的實(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Keil C51高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn),這兩種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是當(dāng)前MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境。
4.2 根據(jù)總體規(guī)劃實(shí)施軟硬件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)
這個(gè)過(guò)程包括:
⑴ 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)能力、編程能力和積累軟硬件調(diào)試經(jīng)驗(yàn),熟練掌握單片機(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)理論與實(shí)踐之間的差別,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)生克服困難解決問(wèn)題的能力。
4.3 交流總結(jié)
在2周的綜合實(shí)踐中抽出一天時(shí)間讓能力較強(qiáng)的學(xué)生陳述他的設(shè)計(jì)思想和設(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(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(xí),取長(zhǎng)補(bǔ)短,拓寬知識(shí)面,活躍思維,能在以后的工作和學(xué)習(xí)中更好地完成任務(wù)。
4.4 完成實(shí)踐報(bào)告及驗(yàn)收評(píng)分
最后兩天是綜合實(shí)踐報(bào)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(jié)一下,把自己在綜合實(shí)踐中所學(xué)到的知識(shí)以文字的形式表述出來(lái),這樣更有助于水平和能力的提高。
實(shí)踐報(bào)告完全按照畢業(yè)論文要求書(shū)寫(xiě),包含中英文摘要、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiě)及調(diào)試、測(cè)試數(shù)據(jù)及調(diào)試中故障分析、收獲和體會(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)。
綜合實(shí)踐成績(jī)由平時(shí)表現(xiàn)、實(shí)踐報(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2:3:4:1[4]。
5 效果
經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐,單片機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)取得的效果主要體現(xiàn)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)的一般原理及其基本的實(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)的基本方法,具備了軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本能力和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。
(3)本綜合實(shí)踐的課題真實(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,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(shí)點(diǎn),是計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)的大綜合。經(jīng)過(guò)綜合實(shí)踐,學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)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(shí)的融會(huì)貫通。
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