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單片機系統(tǒng)設計綜合實踐的實施與效果
摘 要:單片機系統(tǒng)設計是一門實踐性和應用性都很強的課程。為了充分激發(fā)學生的創(chuàng)造力,使學生熟悉單片機應用系統(tǒng)的研制和開發(fā)過程,掌握單片機的設計原理和開發(fā)步驟,我們開設了單片機系統(tǒng)設計綜合實踐課程。本文闡述了此綜合實踐課程的實施方案,給出了典型的設計范例。經過幾年的教學實踐,本課程取得了良好的教學效果。
關鍵詞:單片機系統(tǒng);綜合實踐課程;實踐教學
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)設計是一門實踐性、應用性很強的課程。傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)設計實驗教學,具有:①實驗應用機會少;②缺乏具體的實驗教學內容和完善的考試、考核方法;③驗證性多,創(chuàng)新性少;④實驗教學內容與實踐應用脫節(jié)的弊端[1]。這樣的教學模式和方法,很難讓學生完全掌握單片機系統(tǒng)設計的基本原理和開發(fā)方法, 更不用說培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。因此,為了培養(yǎng)和訓練學生具備獨立設計簡單的單片機應用系統(tǒng)、編寫系統(tǒng)控制程序的能力和技能,激發(fā)學生的創(chuàng)造力,我校在學生完成了《單片機系統(tǒng)設計》的理論課和匯編程序設計、七段數碼顯示、鍵盤掃描、AD轉換、串行通訊等實驗教學后,特開設了為期2周的綜合實踐教學環(huán)節(jié)。此教學環(huán)節(jié)讓學生完成一個單片機系統(tǒng)的設計、開發(fā)、調試的完整過程,整個綜合實踐教學環(huán)節(jié)完成后,學生對單片機系統(tǒng)的學習和應用興趣更濃了,而且具備了自行設計、開發(fā)簡單的單片機系統(tǒng)的能力。
2 任務與要求
利用偉福Lab6000系列單片機仿真實驗系統(tǒng)構成簡單實用的單片機系統(tǒng),要求如下:
(1)充分應用MCS-51系列微處理器和偉福Lab6000系列單片機仿真實驗系統(tǒng)所提供的硬件資源,自由選題實現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語言進行控制程序開發(fā)。
設計的系統(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)設計安全可靠,具有出錯報警和應急關閉能力。
(3)系統(tǒng)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、操作簡單。
另外,我們提供了一些選題供學生拓展思路,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
速系統(tǒng)。
(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(tǒng)
PWM電機調速系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)包含電機驅動電路和測速電路,兩者構成閉環(huán)系統(tǒng)。電機驅動采用脈寬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(tǒng)原理圖[2]
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的場合中使用。在外磁場的作用下,當磁感應強度超過霍爾元件導通閾值BOP時,霍爾元件輸出管導通,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。在直流電機的轉盤上粘貼著一枚小磁鐵,霍爾元件安裝在轉盤附近,每當磁鐵靠近霍爾元件時霍爾元件導通,輸出低電平,遠離時霍爾元件截至,輸出高電平。這樣,直流電機轉動一圈,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電壓呈近似線形關系,改變脈沖的占空比,就可以改變直流電機的轉速。
系統(tǒng)結構圖如圖2,閉環(huán)工作時,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MCS- 51的口線輸出給定占空比的脈沖,再通過轉換電路轉化成電壓來驅動直流電機。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(tǒng)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、T0 時的電阻值;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,這種變化經過差動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]
一般情況下,會事先根據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(tǒng)中應用。
3.3 出租車計價器
出租車計價器是一個較實用的設計范例,它的結構如圖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。在輪胎的轉軸上粘貼了6個小磁鐵,輪胎轉動一圈,霍爾元件就會輸出6個脈沖,對脈沖進行計數就可以獲得輪胎轉動的圈數,圈數乘以輪胎的周長就可以獲得車輛行駛的里程數。
圖4 出租車計價器結構框圖
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)的設置信息。
顯示設備可以采用七段數碼管或LCD,用來顯示當前時間、行駛里程數、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、時間設置等操作。
4 實施過程
4.1 根據任務與要求進行總體規(guī)劃與設計
這個過程包括:
⑴ 課題選擇。
⑵ 硬件模塊的選擇和設計。
⑶ 軟件整體流程的設計。
⑷ 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)學生的創(chuàng)造性和好奇心,直接影響學生實驗的積極性,有的學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,能應用所學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,也是本教學環(huán)節(jié)區(qū)別于其他教學環(huán)節(jié)的標志。我們要求學生思考在實際生活中能應用單片機系統(tǒng)技術能解決的具體問題,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,硬件設計無法完全按照單片機系統(tǒng)設計的一般方法和標準步驟來實施。在教學過程中,我們要求學生可以根據偉福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計,也可以不完全局限于此實驗平臺進行理論設計。理論設計完全遵循單片機系統(tǒng)設計的一般流程,學生自己查閱資料,設計硬件電路圖。指導老師對硬件部分的理論設計進行評審后,再根據具體的實驗平臺指導學生完成課題。
軟件設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,這兩種軟件開發(fā)環(huán)境是當前MCS-51系列單片機系統(tǒng)開發(fā)的主流環(huán)境。根據學生選題的特點,指導學生選擇較為容易實現的開發(fā)環(huán)境。
4.2 根據總體規(guī)劃實施軟硬件的開發(fā)與設計
這個過程包括:
⑴ 硬件連接。
⑵ 軟件編程。
⑶ 軟硬件聯調。
在這一過程中主要培養(yǎng)學生的硬件設計能力、編程能力和積累軟硬件調試經驗,熟練掌握單片機系統(tǒng)中人機接口的設計、控制算法設計、硬件驅動程序設計,體會理論與實踐之間的差別,對單片機系統(tǒng)的設計與實現由理性認識轉化為感性認識,激發(fā)學生的求知欲望,鍛煉學生克服困難解決問題的能力。
4.3 交流總結
在2周的綜合實踐中抽出一天時間讓能力較強的學生陳述他的設計思想和設計過程、設計中的難題和解決方法以及自己的心得體會。讓進展不順的學生提出他在設計中沒能解決的難題,全班同學共同討論,集思廣益,找到解決問題的方法。這樣可以使學生互相學習,取長補短,拓寬知識面,活躍思維,能在以后的工作和學習中更好地完成任務。
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,在進行了兩周的綜合實踐以后有必要好好地總結一下,把自己在綜合實踐中所學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、設計任務與要求、系統(tǒng)結構及工作原理、主要單元電路的設計過程、控制軟件的編寫及調試、測試數據及調試中故障分析、收獲和體會、參考文獻等部分。要求學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、實踐報告、設計成果、創(chuàng)新點4部分組成,成績構成比例是2:3:4:1[4]。
5 效果
經過幾年的教學實踐,單片機系統(tǒng)綜合實踐教學環(huán)節(jié)取得的效果主要體現在以下幾個方面:
(1)讓學生掌握了單片機系統(tǒng)設計的一般原理及其基本的實現過程,實現了從理論向實際的遷移,強化了學生所學的知識。
(2)讓學生掌握了單片機系統(tǒng)硬件、軟件設計的基本方法,具備了軟硬件相結合的系統(tǒng)設計的基本能力和調試經驗。
(3)本綜合實踐的課題真實性很強,讓學生經歷了單片機系統(tǒng)設計的全過程,提高了學生的研制開發(fā)能力和創(chuàng)新能力。
(4)本綜合實踐涉及到多學科、多知識點,是計算機軟硬件知識的大綜合。經過綜合實踐,學生運用所學知識分析解決問題的能力有了較大的提高,完成了多學科知識的融會貫通。
參考文獻
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