基于能力培养的单片机控制系统设计

崔承毅， 王开宇， 赵冠男， 高庆华

(1. 大连理工大学 电工电子实验中心，辽宁 大连 116023； 2. 辽宁师范大学 物理与电子技术学院，辽宁 大连 116029)

0 引 言

实践教学是理论联系实际的重要环节[1-3]，以单片机为核心的综合设计实验课程可以将单片机原理、数字电路、模拟电路等知识有机地结合起来，对学生深入理解和掌握这些知识具有很好的作用[4-5]。在实践教学过程中，怎样科学合理地设计实践教学内容，使学生通过实验将学过的知识融会贯通，并且接触新技术、新应用，培养学生创新意识及工程实践能力，是实践教学内容改革需要考虑的主要问题[6-7]。

单片机综合设计实验模拟项目开发过程，要求学生根据老师提出的要求，自己设计、焊接、调试实现一个单片机应用系统，面向的对象为电类专业高年级的学生，实验形式为一人一组。为了使学生能够得到更好的锻炼，实验以学生为本，以能力培养为目标，模拟现实生活中的智能控制系统，结合手机APP应用、蓝牙无线通信、电机控制、传感器等设计了单片机综合训练题目。

1 系统总体设计

单片机智能控制系统的总体架构如图1所示。控制核心选择STC15系列低功耗、高速度、高性能单片机IAP15W4K58S4，其具有在线仿真调试功能[8-10]；温度传感器使用18b20；光强采集使用光敏电阻；步进电机驱动使用ULN2003；风扇驱动使用L298N；此外，还设计了继电器控制单元和LCD状态显示功能；在功能拓展上，设计手机APP的无线控制功能，手机APP使用“蓝牙串口调试助手”等APP软件，无线通信使用蓝牙。

图1 系统功能框图

2 功能设计

2.1 步进电机控制

步进电机采用28BYJ48型四相八拍电机，实物如图2所示，其5根接线依次为：红色，+5 V；橙色，A；黄色，B；粉色，C；蓝色，D。

图2 步进电机28BYJ48

步进电机驱动选择ULN2003，该芯片具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点。其连接电路如图3所示。

当单片机通过P2.0～P2.3发送一个组合脉冲信号时，即驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，即步进角。当单片机对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，就可以驱动其连续不断地转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍3种工作方式[11]。其中，八拍励磁的方式为(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)，具体执行方式如表1所示。

图3 ULN2003驱动电路连接图

12345678A11000001B01110000C00011100D00000111

2.2 DS18b20温度采集

DS18B20是单总线高精度温度传感器，温度检测范围是-55～+125 ℃，可以程序设定9～12位的分辨率，可直接输出数字量。DS18B20引脚图如图4所示，3个引脚分别为：GND为电源地；DQ为数字信号输入/输出端；VDD为电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。DS18B20使用简单，DQ端接上拉电阻，与单片机引脚相连，VDD与GND进行对应的连接即可[12-14]。

2.3 蓝牙无线通信

蓝牙通信是很多手机必备的功能，当单片机系统有了蓝牙功能，就可以通过手机APP向其发送命令，实现手机控制功能。蓝牙使用主从一体的蓝牙转串口模块HC05，实物如图5所示。

图4 DS18B20引脚图图5 HC05实物图

HC05模块与单片机的串口相连，连接方式为：RXD接单片机的TXD，TXD接单片机的RXD。当手机蓝牙与HC05模块配对成功后，单片机可通过串口接收手机APP发送的指令，并根据指令进行相应的控制操作。

2.4 继电器控制

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，被广泛应用于智能设备中。在本项目中，利用直流继电器控制LED灯，以此来模拟对其他电器设备的控制。继电器控制LED灯的一种典型电路如图6所示。

图6 继电器控制LED灯电路

继电器在系统设计中，可以应用到温度控制系统中，如当温度低到设定值时，继电器控制LED灯亮，模拟对加热设备的控制；或者，通过手机APP发送命令来点亮或关闭继电器控制的LED灯，如图7所示。

点亮第1个灯点亮第2个灯点亮第3个灯

图7 手机APP控制LED灯

2.5 其他功能模块

(1) LCD使用1602，根据功能设计情况，显示当前的工作状态、传感器采集的数值、控制信息等，学生设计的LCD显示功能如图8所示。

图8 LCD显示功能

(2)光强采集使用光敏电阻，通过IAP15W4K58S4的内置A/D转换器进行数值采集。A/D转换器位于单片机的P1口，为10位A/D转换器[15]。实验中，可通过光强值的采集来控制步进电机的正反转，模拟对窗帘的开关控制。

(3)风扇的电机驱动采用L298N驱动模块。实验中，可根据温度采集来调节风扇转速，模拟对温度的调节[16]。

3 实践教学

3.1 实验教学实施

经过几年的学习，学生的动手能力有了较大的差别，如果用同一标准要求学生，面临的问题是：部分同学第一次接触单片机系统设计，能力有限，为了完成任务，他们往往进行抄袭，得不到有效的锻炼；而那些能力强的学生又受到限制，没有充分施展的空间，提高有限。解决这一问题的办法就是将实验内容层次化、开放化，在满足设计基本要求的前提下，让学生在功能设计上自由发挥和拓展。

实验项目在实验教学实施过程中，要求每位学生设计实现的基本功能包括：LCD显示、传感器应用、电机控制，继电器控制。在作品实现方式及功能设计上，则开放给学生，学生可以利用光敏电阻、温度传感器、步进电机、风扇、手机APP等进行组合设计，任意发挥，自由拓展。

3.2 实验效果

实验过程中，学生的实验兴趣较高，设计了功能丰富的作品，部分学生作品如图9所示。

图9 部分学生作品

功能设计上，学生设计的主要功能如表2所示。

表2 系统功能设计

通过开放化、层次化的设计，实验中，能力稍微差一些的学生，通过设计一个完整的作品，掌握了单片机系统设计的具体方法，动手能力有所提高；动手能力较强的学生设计了功能丰富的作品，在功能设计、控制方式上需要考虑的问题较多，创新思维得到了一定的训练。部分作品的功能设计如图10所示。其中：图10(a)实现功能对应表2中1、3、8；图10(b)对应2、4、5、7、8；图10(c)对应1～8。

(a)(b)(c)

图10 学生部分功能设计作品

4 结 语

单片机综合设计实验在培养学生创新思维和锻炼学生动手能力方面有着不可替换的重要作用。实验项目注重学生能力的培养，将多种知识点融入其中，让学生结合实际应用来进行功能设计，有效地提高了学生的实验兴趣。在方案设计和功能拓展上，给学生充分的自主性和自由发挥的空间，增强学生的创新意识。实验项目具有多方案、多功能的特点，较好地锻炼了学生的动手能力，教学质量有一定的提高。