OBE理念下的“單片機應用技術”實驗案例設計

何秋生， 趙志誠

(太原科技大學 電子信息工程學院, 山西 太原 030024)

單片機原理及應用技術是一門實踐性和工程性較強的課程,對培養(yǎng)自動化專業(yè)學生的實踐能力和解決實際復雜工程問題能力有著十分重要的作用,同時有助于工程教育專業(yè)認證畢業(yè)要求的達成[1-5]。從前年我校自動化專業(yè)準備申請工程教育專業(yè)認證開始,就針對學生工程能力的達成進行案例教學的探索和實踐。由于單片機原理及應用技術課程既能聯(lián)系自動化專業(yè)理論知識,又能盡可能地涉及實際生產(chǎn)、生活的復雜工程問題,因此從該課程開始,通過案例的設計突出實踐教學的特點,強調(diào)理論實踐并重,激發(fā)學生學習興趣,挖掘?qū)W生學習潛力,助力提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 實驗案例教學改革的緊迫性

1.1 工程教育專業(yè)認證的需要

工程教育專業(yè)認證是指專業(yè)認證機構針對高等教育機構開設的工程類專業(yè)教育實施的專門性認證,其核心是要確認工科專業(yè)畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質(zhì)量標準要求,是一種以培養(yǎng)目標和畢業(yè)出口要求為導向的合格性評價。工程教育專業(yè)認證中畢業(yè)要求的內(nèi)涵,主要體現(xiàn)在專業(yè)畢業(yè)要求應能覆蓋中國工程教育認證通用標準中的12條。實驗案例設計有助于畢業(yè)要求中問題分析、設計/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、個人和團隊、溝通、項目管理以及終身學習的達成[6]。

1.2 我國高等教育發(fā)展的要求

2007年教育部頒發(fā)了《關于進一步深化本科教學改革,全面提高教學質(zhì)量的若干意見》([2007]2號)中指出,要“大力加強實驗、實習、實訓、實踐和畢業(yè)設計(論文)等實踐教學環(huán)節(jié),特別要加強專業(yè)實習和畢業(yè)實習等重要環(huán)節(jié)”[7-8]。2015年12月27日通過的《全國人民代表大會常務委員會關于修改〈中華人民共和國高等教育法〉的決定》(2016年6月1日起施行)中,將高等教育法中的第五條修改為：“高等教育的任務是培養(yǎng)具有社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才”[9],特別要加強專業(yè)實習和畢業(yè)實習等重要環(huán)節(jié)。國家也提出了“大眾創(chuàng)業(yè),萬人創(chuàng)新”的理念。創(chuàng)新的關鍵是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才[10-11]。劉延東前副總理也提出“以服務需求、提高質(zhì)量為主線”“更加突出創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)”的總體思路[12]。因此牢固樹立育人為本的教育理念,以學生為中心,發(fā)揮教師的主導作用,把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿人才培養(yǎng)全過程,推進信息技術與教育教學深度融合。

2 實驗案例的設計

2.1 案例1：數(shù)字心率計

在醫(yī)療行業(yè)中,體溫、心律、血壓、體重等作為每個人在體檢時的必測參數(shù),為了能實時、便捷地得到這些參數(shù),設計了一個數(shù)字心率計的實驗案例,該設計利用單片機(型號可以自己選擇)作為控制器,能方便快捷地將一個人的心律以數(shù)字形式顯示出來。

2.1.1 案例的設計指標和任務

數(shù)字心率計實現(xiàn)的功能和具體指標如下：

(1) 測量方便,測量精度達到±2次/分；

(2) 測量心律的報警上下限可以設置；

(3) 測量值超出報警上下限時能報警；

(4) 測量心律實時結果要以數(shù)字形式顯示。

案例具體的設計任務包括：

(1) 分析任務,收集整理資料；

(2) 確定方案,并從功能角度給出總體設計；

(3) 選擇器件,繪制電路圖；

(4) 連接實物并編寫軟件；

(5) 系統(tǒng)調(diào)試。

2.1.2 電路設計

本心率計案例電路圖如圖1所示。電路主要包括單片機最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、按鍵模塊、信號接收模塊和信號放大模塊組成。

單片機最小系統(tǒng)模塊主要包括方案所用的單片機(這里選擇STC89C51單片機)、時鐘電路、復位電路、晶振電路以及電源電路。要求理解典型電路的工作原理。

顯示模塊采用經(jīng)典的LCD1602液晶顯示器,主要負責將采集到的心跳速度以數(shù)字的形式顯示在1602上,也顯示上下限參數(shù)設置界面。

按鍵模塊根據(jù)系統(tǒng)需求采用3個獨立按鍵完成系統(tǒng)功能的設置和加減計數(shù)設置。3個按鍵分別連接到單片機的P3.0、P3.1、P3.2端口。鍵盤獨立,彼此之間不存在相互干擾,同時單片機接口接線簡單,直接通過讀取單片機端口的電平判斷相應鍵盤是否有輸入,操作簡單。

信號接收模塊采用5 mm紅外對管D1與D2組成紅外傳感器。紅外光電傳感器通過指尖來對脈搏信號進行檢測。由于紅外發(fā)射二極管中電流越大,發(fā)射光發(fā)射角度越小,產(chǎn)生的紅外光發(fā)射強度越大,于是對R5的阻值的選取要求嚴格。R5選擇220 Ω也考慮了紅外接收管感應紅外光的靈敏度。當R5阻值太大時,通過紅外發(fā)光二極管的電流較小,發(fā)射光強度微弱,紅外接收器光敏電阻接收到的光信號十分微弱,紅外接收管無法準確區(qū)別有無心跳時的信號。同時,當R5電阻值選擇過小時,紅外發(fā)光二極管發(fā)射強度大,人體組織中因血液流速產(chǎn)生組織透明度變化的測量方法易被忽略不計,紅外接收管也無法準確辨別有無心跳時的信號。

信號放大模塊采用放大器LM358對信號進行放大。由于檢測電路檢測到的心跳脈沖信號是一種微弱到約為幾十毫伏的低頻率的信號,還伴隨著多種信號干擾,因此心率信號通過電阻R8、電容C4進行低通濾波來去除掉高頻信號的干擾。

2.1.3 程序設計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。主程序先對系統(tǒng)初始化,包括定時器、液晶等模塊,然后接收按鍵信息,判斷是否有按鍵被按下,如果沒有按鍵按下,那么報警上下限值采用默認的40和100,如果有按鍵按下,那么根據(jù)上下調(diào)節(jié)鍵調(diào)節(jié)上下限報警值,之后通過讀取檢測電路檢測到的心律值,并判斷心律值是否超過上下限,如果超過則顯示測量值并報警,否則顯示測量值,如此循環(huán)進行,直到退出。系統(tǒng)子程序包括顯示子程序、報警子程序、測量子程序、鍵盤調(diào)節(jié)子程序以及中斷子程序。

圖1 心率計電路

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

2.1.4 實驗測試

圖3是心率計硬件電路及測試結果圖。其中顯示設置的最低心率值為40,最高心率值為70,當前測到的心率值為80,超過了設定的最高心率值,故報警指示燈閃爍并發(fā)出報警聲音。

圖3 硬件電路測試結果

2.2 實驗案例2：簡易電子秤設計

大多數(shù)用戶需要少量物體的稱重裝置用來測量自己所購買物體的重量,但是實際生活中,這類裝置要么價格高(性價比低),要么精度低。于是設計了一個基于單片機的數(shù)字式便攜的簡易電子秤案例。

2.2.1 案例的設計指標和任務

簡易電子秤的設計指標和功能：

(1) 測量范圍為0～5 kg；

(2) 測量誤差不大于0.01 kg；

(3) 具有重量及總價顯示功能；

(4) 具有單價設置功能；

(5) 具有超重報警功能；

(6) 具有去皮功能。

案例設計的主要任務是根據(jù)設計指標選擇單片機型號、稱重傳感器等核心器件,并設計出相應電路和根據(jù)功能要求編寫程序。

2.2.2 電路設計

根據(jù)案例設計指標和功能要求,簡易電子秤主要包括主控系統(tǒng)模塊、檢測模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊以及報警模塊。其中主控模塊采用STC89C52最小系統(tǒng)。簡易電子秤電路如圖4所示。

圖4 簡易電子秤電路圖

信號檢測模塊。根據(jù)測量精度和誤差,該模塊采用電阻應變式壓力傳感器,將采集到的微弱信號放大并通過A/D轉(zhuǎn)換器HX711轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機,其中HX711與單片機P2.0、P2.1引腳相連接。

鍵盤輸入模塊?？紤]到設置參數(shù)時需要數(shù)字輸入(包括單價、物體代碼輸入等),故設計為4*4矩陣式鍵盤,這樣除了必要的10位數(shù)字外,還可以設置去皮、清零以及刪除等功能鍵。鍵盤輸入連接到單片機的P3.0—P3.7引腳。

顯示模塊主要負責顯示單價、物體代碼、重量、總價等信息,采用LCD1602以實現(xiàn)該功能,連接在單片機的P1.0—P1.2以及P0.0—P0.7。

報警模塊主要負責在超重情況下發(fā)出警告,設計為PNP三極管的集電極與蜂鳴器直接相連,PNP三極管的基極與單片機的P1.3引腳相連,當基極為低電平時,PNP三極管導通,蜂鳴器發(fā)出警報。當基極為高電平時,PNP三極管斷開,蜂鳴器停止警報。

2.2.3 程序設計

系統(tǒng)程序采用C語言在Keil環(huán)境下編寫,主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

主流程圖中,數(shù)據(jù)接收處理子程序部分包括啟動AD轉(zhuǎn)換器、讀取轉(zhuǎn)換值、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理；鍵盤處理程序主要包括數(shù)字鍵和功能鍵的處理程序；顯示程序主要包括對顯示內(nèi)容的處理和顯示；超重報警程序主要是控制單片機P1.3引腳以0.5 s高電平和0.5 s低電平循環(huán)輸出,直到按下復位鍵或者稱重的重量在稱重范圍內(nèi)時停止報警。

2.2.4 實驗測試

圖6是簡易電子秤的實物測試圖,其中圖6(a)是實際的啞鈴,重量為0.75磅(0.340 2 kg),圖6(b)是測試一個小啞鈴重量的截圖,小啞鈴的單價設置為96.38元/kg,計算到的總價為33.34元。

從圖6中可以看出,實際測到的啞鈴重量為0.346 kg,誤差為0.006 kg,誤差滿足設計要求。

3 案例說明

在實際教學過程中,設計了由初級案例、中級案例到復雜案例層次化的一系列案例,層次化的實驗案例如圖7所示。在案例教學過程中,引導學生分析每個關鍵模塊如何選擇、是否可以用其他芯片或者電路模塊替換等,逐步培養(yǎng)學生學習的積極性和興趣。案例教學結果說明,學生在學習過程中也不斷提出了一些有創(chuàng)新性的問題。

圖7 層次化實驗案例

4 結語

以學生為中心的教學理念,就是要在教學過程中引導學生、把學習的權力交給學生,要尊重學生、相信學生,采用互動性較強的案例教學,激發(fā)學生的學習興趣,讓課堂教學充滿活力,改變學生被動學習的學習狀況,讓學生能真正在課堂學習中找到學習樂趣,通過學生自己的創(chuàng)意讓學生獲得成功的體驗。案例教學也可以在解決復雜工程問題中培養(yǎng)學生解決工程問題的能力。