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單片機系統(tǒng)設(shè)計綜合實踐的實施與效果
摘 要：單片機系統(tǒng)設(shè)計是一門實踐性和應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)的研制和開發(fā)過程,掌握單片機的設(shè)計原理和開發(fā)步驟,我們開設(shè)了單片機系統(tǒng)設(shè)計綜合實踐課程。本文闡述了此綜合實踐課程的實施方案,給出了典型的設(shè)計范例。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐,本課程取得了良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：單片機系統(tǒng);綜合實踐課程;實踐教學(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
單片機系統(tǒng)設(shè)計是一門實踐性、應(yīng)用性很強的課程。傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)設(shè)計實驗教學(xué),具有:①實驗應(yīng)用機會少;②缺乏具體的實驗教學(xué)內(nèi)容和完善的考試、考核方法;③驗證性多,創(chuàng)新性少;④實驗教學(xué)內(nèi)容與實踐應(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)生完全掌握單片機系統(tǒng)設(shè)計的基本原理和開發(fā)方法, 更不用說培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此,為了培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生具備獨立設(shè)計簡單的單片機應(yīng)用系統(tǒng)、編寫系統(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《單片機系統(tǒng)設(shè)計》的理論課和匯編程序設(shè)計、七段數(shù)碼顯示、鍵盤掃描、AD轉(zhuǎn)換、串行通訊等實驗教學(xué)后,特開設(shè)了為期2周的綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。此教學(xué)環(huán)節(jié)讓學(xué)生完成一個單片機系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試的完整過程,整個綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)完成后,學(xué)生對單片機系統(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、開發(fā)簡單的單片機系統(tǒng)的能力。
2、任務(wù)與要求
利用偉福Lab6000系列單片機仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)成簡單實用的單片機系統(tǒng),要求如下:
(1)充分應(yīng)用MCS-51系列微處理器和偉福Lab6000系列單片機仿真實驗系統(tǒng)所提供的硬件資源,自由選題實現(xiàn)一個簡單實用的單片機系統(tǒng)。
(2)要求具備必需的人機接口。
(3)可以選用匯編或C51語言進(jìn)行控制程序開發(fā)。
設(shè)計的系統(tǒng)性能如下:
(1)系統(tǒng)運行穩(wěn)定,具有一定的抗干擾和故障自測能力。
(2)系統(tǒng)設(shè)計安全可靠,具有出錯報警和應(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)人機接口界面友好、直觀、操作簡單。
另外,我們提供了一些選題供學(xué)生拓展思路,主要有:
(1)出租車計價器。
(2)溫度控制系統(tǒng)。
(3)可編程交通燈系統(tǒng)。
(4)PWM電機調(diào)速系統(tǒng)。
(5)數(shù)字溫度計。
(6)數(shù)字頻率計。
3 設(shè)計范例
3.1 PWM電機調(diào)速系統(tǒng)
PWM電機調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)包含電機驅(qū)動電路和測速電路,兩者構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。電機驅(qū)動采用脈寬PWM調(diào)壓電路,測速電路的核心部件是霍爾元件。
霍爾元件是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化,可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。在外磁場的作用下,當(dāng)磁感應(yīng)強度超過霍爾元件導(dǎo)通閾值BOP時,霍爾元件輸出管導(dǎo)通,輸出低電平。若外加磁場的B值降低到BRP時,輸出管截止,輸出高電平。在直流電機的轉(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霍爾元件導(dǎo)通,輸出低電平,遠(yuǎn)離時霍爾元件截至,輸出高電平。這樣,直流電機轉(zhuǎn)動一圈,霍爾元件就會輸出一個脈沖,通過這個原理能夠測出電機的轉(zhuǎn)速。
PWM是單片機系統(tǒng)中常用的模擬量輸出方法,通過外接的轉(zhuǎn)換電路,可以將脈沖的占空比轉(zhuǎn)化成電壓。直流電機的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動電壓呈近似線形關(guān)系,改變脈沖的占空比,就可以改變直流電機的轉(zhuǎn)速。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2,閉環(huán)工作時,測速電路測得的轉(zhuǎn)速和給定的轉(zhuǎn)速相減獲得差值e,根據(jù)差值e運用PID增量控制算法獲得控制量,即占空比,通過MCS- 51的口線輸出給定占空比的脈沖,再通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電壓來驅(qū)動直流電機。系統(tǒng)控制算法采用增量型PID控制算法,如果k時刻電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速是y(k), 給定轉(zhuǎn)速是r(k),PID控制器輸入信號為e(k),輸出信號為u(k),則離散的PID遞推算法如下:
3.2 數(shù)字溫度計數(shù)字溫度計的核心電路——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。
(4)式中,RT 、 RT0是溫度分別為T、T0 時的電阻值;B為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的材料常數(shù)。
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)過差動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
(2) 差動放大器輸出電壓 u'(一般R7=R8,R9=R10)
一般情況下,會事先根據(jù)NTC的溫度-阻值特性計算出一張溫度-阻值對應(yīng)表。根據(jù)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字值逆運算獲得當(dāng)前NTC的阻值,再根據(jù)NTC的溫度特性表運用分段查表和表項間線性運算就可以獲得當(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)上顯示出來就構(gòu)成了完整的數(shù)字溫度計。本范例也可在其他溫度測量的系統(tǒng)中應(yīng)用。
3.3 出租車計價器
出租車計價器是一個較實用的設(shè)計范例,它的結(jié)構(gòu)如圖4。出租車計價器包含里程測量電路、實時時鐘電路和人機接口。
出租車計價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(zhuǎn)軸上粘貼了6個小磁鐵,輪胎轉(zhuǎn)動一圈,霍爾元件就會輸出6個脈沖,對脈沖進(jìn)行計數(shù)就可以獲得輪胎轉(zhuǎn)動的圈數(shù),圈數(shù)乘以輪胎的周長就可以獲得車輛行駛的里程數(shù)。
一般情況下,出租車白天和晚上的里程單價并不一樣,因此需要一個實時時鐘來獲得當(dāng)前時間。DS1307是一個I2C總線的實時時鐘(RTC),在外部電池的供電下,它能提供高精度的年月日時分秒BCD碼時間。另外,它還包含56字節(jié)的非易失性SRAM(NV SRAM),可以用來保存系統(tǒng)的設(shè)置信息。
顯示設(shè)備可以采用七段數(shù)碼管或LCD,用來顯示當(dāng)前時間、行駛里程數(shù)、里程單價、和行駛里程價格等信息。還需要少量的按鍵或矩陣式鍵盤用于輸入里程單價、開始計價、清零、時間設(shè)置等操作。
4、實施過程
4.1 根據(jù)任務(wù)與要求進(jìn)行總體規(guī)劃與設(shè)計
這個過程包括:
⑴ 課題選擇。
⑵ 硬件模塊的選擇和設(shè)計。
�、� 軟件整體流程的設(shè)計。
�、� 查找各種所需資料。
綜合實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)生實驗的積極性,有的學(xué)生覺得做實驗非常無聊,就是因為他們的好奇心和熱情沒有被激發(fā)起來。而集知識性、趣味性、創(chuàng)造性于一體,能應(yīng)用所學(xué)知識解決具體問題的綜合實踐課題,是本綜合實踐的最大亮點,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)生思考在實際生活中能應(yīng)用單片機系統(tǒng)技術(shù)能解決的具體問題,并且考慮偉福Lab6000系列單片機仿真實驗系統(tǒng)所能提供的硬件資源,選擇一個有自己特色、能在兩周內(nèi)獨立完成的題目,題目要求新穎,鼓勵創(chuàng)造性的思維,并且能解決實際生活中的具體問題。
受限于實驗條件,硬件設(shè)計無法完全按照單片機系統(tǒng)設(shè)計的一般方法和標(biāo)準(zhǔn)步驟來實施。在教學(xué)過程中,我們要求學(xué)生可以根據(jù)偉福Lab6000系列單片機仿真實驗系統(tǒng)所提供的硬件資源自主地完成硬件部分的理論設(shè)計,也可以不完全局限于此實驗平臺進(jìn)行理論設(shè)計。理論設(shè)計完全遵循單片機系統(tǒng)設(shè)計的一般流程,學(xué)生自己查閱資料,設(shè)計硬件電路圖。指導(dǎo)老師對硬件部分的理論設(shè)計進(jìn)行評審后,再根據(jù)具體的實驗平臺指導(dǎo)學(xué)生完成課題。
軟件設(shè)計可以采用匯編語言或Keil C51高級語言開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn),這兩種軟件開發(fā)環(huán)境是當(dāng)前MCS-51系列單片機系統(tǒng)開發(fā)的主流環(huán)境。根據(jù)學(xué)生選題的特點,指導(dǎo)學(xué)生選擇較為容易實現(xiàn)的開發(fā)環(huán)境。
4.2 根據(jù)總體規(guī)劃實施軟硬件的開發(fā)與設(shè)計
這個過程包括:
⑴ 硬件連接。
�、� 軟件編程。
�、� 軟硬件聯(lián)調(diào)。
在這一過程中主要培養(yǎng)學(xué)生的硬件設(shè)計能力、編程能力和積累軟硬件調(diào)試經(jīng)驗,熟練掌握單片機系統(tǒng)中人機接口的設(shè)計、控制算法設(shè)計、硬件驅(qū)動程序設(shè)計,體會理論與實踐之間的差別,對單片機系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)由理性認(rèn)識轉(zhuǎn)化為感性認(rèn)識,激發(fā)學(xué)生的求知欲望,鍛煉學(xué)生克服困難解決問題的能力。
4.3 交流總結(jié)
在2周的綜合實踐中抽出一天時間讓能力較強的學(xué)生陳述他的設(shè)計思想和設(shè)計過程、設(shè)計中的難題和解決方法以及自己的心得體會。讓進(jìn)展不順的學(xué)生提出他在設(shè)計中沒能解決的難題,全班同學(xué)共同討論,集思廣益,找到解決問題的方法。這樣可以使學(xué)生互相學(xué)習(xí),取長補短,拓寬知識面,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 完成實踐報告及驗收評分
最后兩天是綜合實踐報告的完成階段,在進(jìn)行了兩周的綜合實踐以后有必要好好地總結(jié)一下,把自己在綜合實踐中所學(xué)到的知識以文字的形式表述出來,這樣更有助于水平和能力的提高。
實踐報告完全按照畢業(yè)論文要求書寫,包含中英文摘要、設(shè)計任務(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)計過程、控制軟件的編寫及調(diào)試、測試數(shù)據(jù)及調(diào)試中故障分析、收獲和體會、參考文獻(xiàn)等部分。要求學(xué)生重點講述清楚故障分析和收獲體會。
綜合實踐成績由平時表現(xiàn)、實踐報告、設(shè)計成果、創(chuàng)新點4部分組成,成績構(gòu)成比例是2:3:4:1。
5、 經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐,單片機系統(tǒng)綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)取得的效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)讓學(xué)生掌握了單片機系統(tǒng)設(shè)計的一般原理及其基本的實現(xiàn)過程,實現(xiàn)了從理論向?qū)嶋H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(tǒng)硬件、軟件設(shè)計的基本方法,具備了軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計的基本能力和調(diào)試經(jīng)驗。
(3)本綜合實踐的課題真實性很強,讓學(xué)生經(jīng)歷了單片機系統(tǒng)設(shè)計的全過程,提高了學(xué)生的研制開發(fā)能力和創(chuàng)新能力。
(4)本綜合實踐涉及到多學(xué)科、多知識點,是計算機軟硬件知識的大綜合。經(jīng)過綜合實踐,學(xué)生運用所學(xué)知識分析解決問題的能力有了較大的提高,完成了多學(xué)科知識的融會貫通。
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