OBE理念下的“单片机应用技术”实验案例设计

何秋生， 赵志诚

(太原科技大学 电子信息工程学院, 山西 太原 030024)

单片机原理及应用技术是一门实践性和工程性较强的课程,对培养自动化专业学生的实践能力和解决实际复杂工程问题能力有着十分重要的作用,同时有助于工程教育专业认证毕业要求的达成[1-5]。从前年我校自动化专业准备申请工程教育专业认证开始,就针对学生工程能力的达成进行案例教学的探索和实践。由于单片机原理及应用技术课程既能联系自动化专业理论知识,又能尽可能地涉及实际生产、生活的复杂工程问题,因此从该课程开始,通过案例的设计突出实践教学的特点,强调理论实践并重,激发学生学习兴趣,挖掘学生学习潜力,助力提高人才培养质量。

1 实验案例教学改革的紧迫性

1.1 工程教育专业认证的需要

工程教育专业认证是指专业认证机构针对高等教育机构开设的工程类专业教育实施的专门性认证,其核心是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求,是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价。工程教育专业认证中毕业要求的内涵,主要体现在专业毕业要求应能覆盖中国工程教育认证通用标准中的12条。实验案例设计有助于毕业要求中问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、个人和团队、沟通、项目管理以及终身学习的达成[6]。

1.2 我国高等教育发展的要求

2007年教育部颁发了《关于进一步深化本科教学改革,全面提高教学质量的若干意见》([2007]2号)中指出,要“大力加强实验、实习、实训、实践和毕业设计(论文)等实践教学环节,特别要加强专业实习和毕业实习等重要环节”[7-8]。2015年12月27日通过的《全国人民代表大会常务委员会关于修改〈中华人民共和国高等教育法〉的决定》(2016年6月1日起施行)中,将高等教育法中的第五条修改为：“高等教育的任务是培养具有社会责任感、创新精神和实践能力的高级专门人才”[9],特别要加强专业实习和毕业实习等重要环节。国家也提出了“大众创业,万人创新”的理念。创新的关键是培养具有创新能力的人才[10-11]。刘延东前副总理也提出“以服务需求、提高质量为主线”“更加突出创新精神和实践能力培养”的总体思路[12]。因此牢固树立育人为本的教育理念,以学生为中心,发挥教师的主导作用,把创新创业教育贯穿人才培养全过程,推进信息技术与教育教学深度融合。

2 实验案例的设计

2.1 案例1：数字心率计

在医疗行业中,体温、心律、血压、体重等作为每个人在体检时的必测参数,为了能实时、便捷地得到这些参数,设计了一个数字心率计的实验案例,该设计利用单片机(型号可以自己选择)作为控制器,能方便快捷地将一个人的心律以数字形式显示出来。

2.1.1 案例的设计指标和任务

数字心率计实现的功能和具体指标如下：

(1) 测量方便,测量精度达到±2次/分；

(2) 测量心律的报警上下限可以设置；

(3) 测量值超出报警上下限时能报警；

(4) 测量心律实时结果要以数字形式显示。

案例具体的设计任务包括：

(1) 分析任务,收集整理资料；

(2) 确定方案,并从功能角度给出总体设计；

(3) 选择器件,绘制电路图；

(4) 连接实物并编写软件；

(5) 系统调试。

2.1.2 电路设计

本心率计案例电路图如图1所示。电路主要包括单片机最小系统模块、显示模块、按键模块、信号接收模块和信号放大模块组成。

单片机最小系统模块主要包括方案所用的单片机(这里选择STC89C51单片机)、时钟电路、复位电路、晶振电路以及电源电路。要求理解典型电路的工作原理。

显示模块采用经典的LCD1602液晶显示器,主要负责将采集到的心跳速度以数字的形式显示在1602上,也显示上下限参数设置界面。

按键模块根据系统需求采用3个独立按键完成系统功能的设置和加减计数设置。3个按键分别连接到单片机的P3.0、P3.1、P3.2端口。键盘独立,彼此之间不存在相互干扰,同时单片机接口接线简单,直接通过读取单片机端口的电平判断相应键盘是否有输入,操作简单。

信号接收模块采用5 mm红外对管D1与D2组成红外传感器。红外光电传感器通过指尖来对脉搏信号进行检测。由于红外发射二极管中电流越大,发射光发射角度越小,产生的红外光发射强度越大,于是对R5的阻值的选取要求严格。R5选择220 Ω也考虑了红外接收管感应红外光的灵敏度。当R5阻值太大时,通过红外发光二极管的电流较小,发射光强度微弱,红外接收器光敏电阻接收到的光信号十分微弱,红外接收管无法准确区别有无心跳时的信号。同时,当R5电阻值选择过小时,红外发光二极管发射强度大,人体组织中因血液流速产生组织透明度变化的测量方法易被忽略不计,红外接收管也无法准确辨别有无心跳时的信号。

信号放大模块采用放大器LM358对信号进行放大。由于检测电路检测到的心跳脉冲信号是一种微弱到约为几十毫伏的低频率的信号,还伴随着多种信号干扰,因此心率信号通过电阻R8、电容C4进行低通滤波来去除掉高频信号的干扰。

2.1.3 程序设计

系统主程序流程图如图2所示。主程序先对系统初始化,包括定时器、液晶等模块,然后接收按键信息,判断是否有按键被按下,如果没有按键按下,那么报警上下限值采用默认的40和100,如果有按键按下,那么根据上下调节键调节上下限报警值,之后通过读取检测电路检测到的心律值,并判断心律值是否超过上下限,如果超过则显示测量值并报警,否则显示测量值,如此循环进行,直到退出。系统子程序包括显示子程序、报警子程序、测量子程序、键盘调节子程序以及中断子程序。

图1 心率计电路

图2 系统主程序流程图

2.1.4 实验测试

图3是心率计硬件电路及测试结果图。其中显示设置的最低心率值为40,最高心率值为70,当前测到的心率值为80,超过了设定的最高心率值,故报警指示灯闪烁并发出报警声音。

图3 硬件电路测试结果

2.2 实验案例2：简易电子秤设计

大多数用户需要少量物体的称重装置用来测量自己所购买物体的重量,但是实际生活中,这类装置要么价格高(性价比低),要么精度低。于是设计了一个基于单片机的数字式便携的简易电子秤案例。

2.2.1 案例的设计指标和任务

简易电子秤的设计指标和功能：

(1) 测量范围为0～5 kg；

(2) 测量误差不大于0.01 kg；

(3) 具有重量及总价显示功能；

(4) 具有单价设置功能；

(5) 具有超重报警功能；

(6) 具有去皮功能。

案例设计的主要任务是根据设计指标选择单片机型号、称重传感器等核心器件,并设计出相应电路和根据功能要求编写程序。

2.2.2 电路设计

根据案例设计指标和功能要求,简易电子秤主要包括主控系统模块、检测模块、键盘输入模块、显示模块以及报警模块。其中主控模块采用STC89C52最小系统。简易电子秤电路如图4所示。

图4 简易电子秤电路图

信号检测模块。根据测量精度和误差,该模块采用电阻应变式压力传感器,将采集到的微弱信号放大并通过A/D转换器HX711转换为数字信号送入单片机,其中HX711与单片机P2.0、P2.1引脚相连接。

键盘输入模块。考虑到设置参数时需要数字输入(包括单价、物体代码输入等),故设计为4*4矩阵式键盘,这样除了必要的10位数字外,还可以设置去皮、清零以及删除等功能键。键盘输入连接到单片机的P3.0—P3.7引脚。

显示模块主要负责显示单价、物体代码、重量、总价等信息,采用LCD1602以实现该功能,连接在单片机的P1.0—P1.2以及P0.0—P0.7。

报警模块主要负责在超重情况下发出警告,设计为PNP三极管的集电极与蜂鸣器直接相连,PNP三极管的基极与单片机的P1.3引脚相连,当基极为低电平时,PNP三极管导通,蜂鸣器发出警报。当基极为高电平时,PNP三极管断开,蜂鸣器停止警报。

2.2.3 程序设计

系统程序采用C语言在Keil环境下编写,主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

主流程图中,数据接收处理子程序部分包括启动AD转换器、读取转换值、数据转换处理；键盘处理程序主要包括数字键和功能键的处理程序；显示程序主要包括对显示内容的处理和显示；超重报警程序主要是控制单片机P1.3引脚以0.5 s高电平和0.5 s低电平循环输出,直到按下复位键或者称重的重量在称重范围内时停止报警。

2.2.4 实验测试

图6是简易电子秤的实物测试图,其中图6(a)是实际的哑铃,重量为0.75磅(0.340 2 kg),图6(b)是测试一个小哑铃重量的截图,小哑铃的单价设置为96.38元/kg,计算到的总价为33.34元。

从图6中可以看出,实际测到的哑铃重量为0.346 kg,误差为0.006 kg,误差满足设计要求。

3 案例说明

在实际教学过程中,设计了由初级案例、中级案例到复杂案例层次化的一系列案例,层次化的实验案例如图7所示。在案例教学过程中,引导学生分析每个关键模块如何选择、是否可以用其他芯片或者电路模块替换等,逐步培养学生学习的积极性和兴趣。案例教学结果说明,学生在学习过程中也不断提出了一些有创新性的问题。

图7 层次化实验案例

4 结语

以学生为中心的教学理念,就是要在教学过程中引导学生、把学习的权力交给学生,要尊重学生、相信学生,采用互动性较强的案例教学,激发学生的学习兴趣,让课堂教学充满活力,改变学生被动学习的学习状况,让学生能真正在课堂学习中找到学习乐趣,通过学生自己的创意让学生获得成功的体验。案例教学也可以在解决复杂工程问题中培养学生解决工程问题的能力。