基于51單片機(jī)的昆蟲誘捕滅殺控制裝置的教學(xué)項目設(shè)計①

王應(yīng)彪

摘 ? 要：針對“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程存在內(nèi)容抽象、學(xué)習(xí)難度大、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不夠等問題。結(jié)合林業(yè)院校專業(yè)特色，文章以昆蟲誘捕滅殺控制裝置教學(xué)項目為例。將具體項目引入課程教學(xué)中并加以應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生單片機(jī)技術(shù)課程實踐動手能力，對提高教學(xué)質(zhì)量、改善教學(xué)條件具有重要意義。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) ?教學(xué)項目設(shè)計 ?林業(yè)院校 ?昆蟲誘捕

中圖分類號：TP368 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0192-03

1 ?項目背景

林業(yè)院校《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程是機(jī)械電子、電氣自動化、車輛工程等工科專業(yè)的重要專業(yè)核心課程。由于該課程對于林業(yè)院校工科類專業(yè)學(xué)生來說，計算機(jī)硬件與軟件程序編寫調(diào)試能力比較薄弱，學(xué)生動手實踐的機(jī)會較少，理論知識比較抽象，教學(xué)過程中學(xué)生反映知識點(diǎn)難以理解，實踐動手機(jī)會較少，不能充分調(diào)動學(xué)生的主動學(xué)習(xí)的興趣，為此根據(jù)本課程的特點(diǎn)，結(jié)合林業(yè)院校的專業(yè)特色[1]。以具體項目為載體，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，從而提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力[2]。本教學(xué)項目以昆蟲誘捕滅殺控制裝置為例，利用單片機(jī)原理設(shè)計控制太陽光追蹤，自動追光調(diào)節(jié)模塊（包含時鐘和顯示模塊的硬件電路和程序設(shè)計）、高壓電擊電壓轉(zhuǎn)換模塊、誘蟲光源系統(tǒng)等電路，為進(jìn)一步提高學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力創(chuàng)造條件。

2 ?項目內(nèi)容及要求

2.1 項目目的

（1）掌握太陽能昆蟲誘捕滅殺控制裝置所采用的太陽光追蹤原理;（2）掌握電擊殺加風(fēng)扇吹落收集昆蟲的昆蟲捕殺技術(shù);（3）對比直流和步進(jìn)電機(jī)兩種太陽能板驅(qū)動方案優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行選擇;（4）進(jìn)一步掌握單片機(jī)及其主要外設(shè)、步進(jìn)電機(jī)、配套電子器件的選取和相關(guān)電路設(shè)計，對太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池等系統(tǒng)各部件進(jìn)行選型和計算。（5）培養(yǎng)學(xué)生動手能力，團(tuán)結(jié)合作和綜合運(yùn)用等方面的能力[3]。

2.2 項目控制要求

（1）太陽能控制器：對蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負(fù)載的電能輸出。（2）STC89C51單片機(jī)：指揮決策中心，處理和控制各部分功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（3）DS1302時鐘電路：外接時鐘電路，雙電源供電。（4）步進(jìn)電機(jī)：在單片機(jī)控制下可精確轉(zhuǎn)動并調(diào)整太陽能板角度。（5）LED燈珠：365nm波長紫外光源，通過單片機(jī)控制燈珠“閃爍”。（6）風(fēng)扇：為LED陣列散熱以及清理困在電網(wǎng)上的昆蟲。（7）高壓電網(wǎng)：根據(jù)電蚊拍電路進(jìn)行改進(jìn)，可反饋昆蟲受電擊狀況。（8）LCD1602液晶顯示器：顯示當(dāng)前時間、時間調(diào)整、昆蟲數(shù)目等信息[4]。

3 ?項目實施過程

3.1 控制程序

本項目的軟件設(shè)計要求采用模塊化設(shè)計思路，即主控制程序由多個子程序模塊組成。主要實現(xiàn)的功能設(shè)計思路如下：（1）系統(tǒng)開機(jī)后，主程序首先要完成初始化，刷新LCD1602液晶顯示默認(rèn)時間、初始化DS1302時鐘芯片寫入默認(rèn)時間、開啟中斷并配置定時器。（2）系統(tǒng)初始化完成后，進(jìn)入主循環(huán)程序，保持4×4矩陣鍵盤的按鍵監(jiān)測、每間隔200ms刷新一次當(dāng)前時間、每間隔600ms檢測一次定時任務(wù)。（3）定時任務(wù)子程序?qū)⒁惶靹澐譃?個時段：9：00～18：00為強(qiáng)光時段，設(shè)定步進(jìn)電機(jī)每半小時工作一次，每次將使太陽能板轉(zhuǎn)動約7°，當(dāng)時間為18：00時追光時間段結(jié)束，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行復(fù)位動作，將使太陽能板反向轉(zhuǎn)動約119°。19：00～00：00為昆蟲誘捕時段，將開啟誘蟲燈、風(fēng)扇、高壓電擊網(wǎng)，運(yùn)行昆蟲計數(shù)子程序，并通過PWM脈沖寬度調(diào)制實現(xiàn)LED光源“呼吸燈”閃爍的動態(tài)效果。其余時段為系統(tǒng)待機(jī)時段，保持時鐘芯片的計時和液晶屏的顯示等基礎(chǔ)功能，太陽能昆蟲誘捕殺滅控制裝置原理圖如圖1所示。

3.2 仿真電路設(shè)計

本教學(xué)項目基于Proteus7.0軟件進(jìn)行仿真電路的設(shè)計，該軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。軟件擁有強(qiáng)大的單片機(jī)仿真功能，也是目前電路仿真應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)仿真軟件。本項目仿真電路分為多塊進(jìn)行分別設(shè)計，然后通過89C51單片機(jī)核心控制單元進(jìn)行輸入輸出控制，主要控制模塊如下：

（1）電擊控制模塊。電擊控制模塊的電路主要由高頻振蕩電路、三倍壓整流電路和高壓電擊網(wǎng)三部分組成如圖2所示。當(dāng)電源接通時，由三極管Q1（型號為S8050）和變壓器TR1構(gòu)成的高頻振蕩器通電工作，把5V直流電變成18kHz左右的高頻交流電，經(jīng)T升壓到500V，再經(jīng)二極管D2～D4、電容器C1～C3三倍壓整流升高至1500V，加到金屬網(wǎng)上。當(dāng)昆蟲觸及到高壓電網(wǎng)時，電流通過蟲體釋放可造成昆蟲暈厥或被擊斃。

（2）時間設(shè)定及昆蟲計數(shù)模塊。系統(tǒng)開機(jī)后，顯示默認(rèn)初始值：2019-01-01 00：00：00星期二，需要通過按鍵調(diào)整設(shè)定當(dāng)前正確的時間，默認(rèn)LCD1602液晶正常工作狀態(tài)顯示當(dāng)前DS1302時鐘芯片所儲存的時間，通過按鍵可切換當(dāng)前時間、設(shè)置時間、昆蟲計數(shù)三種顯示狀態(tài)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時昆蟲計數(shù)功能會定時打開，保持后臺計數(shù)，但初始狀態(tài)顯示屏默認(rèn)顯示當(dāng)前時間，可以通過按鍵切換顯示狀態(tài)查看本次開機(jī)以來所捕獲的昆蟲數(shù)目，LCD1602液晶的昆蟲計數(shù)顯示狀態(tài)，如圖3a～3b所示。

（3）風(fēng)扇、LED陣列工作模塊。

通過設(shè)定時間在19：00-00：00為系統(tǒng)設(shè)定的昆蟲誘捕時段，此時間段內(nèi)將開啟風(fēng)扇、LED陣列、高壓電擊和計數(shù)電路對昆蟲進(jìn)行誘捕并電擊，風(fēng)扇和LED陣列運(yùn)行狀態(tài)電路仿真圖如圖4所示。

（4）步進(jìn)電機(jī)工作電路模塊。

根據(jù)每天自然光照時段特點(diǎn)，9：00～18：00為強(qiáng)光時段，其中9：00～17：30為追光程序工作時段，從9：00開始每半小時控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動7°，當(dāng)18：00時追光程序執(zhí)行完畢，步進(jìn)電機(jī)將反轉(zhuǎn)119°復(fù)位，完成每天的追光工作控制，步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)時工作仿真電路如圖5所示。

4 ?項目考核與評價

本教學(xué)項目通過分為不同小組進(jìn)行設(shè)計，在規(guī)定的時間內(nèi)各個小組通過完成軟件、硬件設(shè)計以及項目設(shè)計說明書的編寫，最后通過現(xiàn)場分組答辯和演示，教師對完成項目的完成情況進(jìn)行考核與評價?？己藰?biāo)準(zhǔn)如下：（1）設(shè)計制作50分：包括硬件電路設(shè)計、軟件程序調(diào)試等，考核時要查看原始設(shè)計資料，包括硬件的布置與連接、程序語法規(guī)范、元器件布局是否合理等;（2）設(shè)計報告書寫30分：設(shè)計報告必須獨(dú)立完成，格式字?jǐn)?shù)符合規(guī)定要求，圖形繪制規(guī)范，不得到網(wǎng)上下載;（3）平時及答辯20分：主要考核學(xué)生在項目完成期間的表現(xiàn)，包括考勤、學(xué)習(xí)態(tài)度、答辯匯報情況等方面。

5 ?結(jié)語

通過對51單片機(jī)昆蟲誘捕滅殺控制裝置的教學(xué)項目案例設(shè)計，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的基礎(chǔ)上，使學(xué)生掌握了電擊殺加風(fēng)扇吹落收集昆蟲的昆蟲捕殺技術(shù)，在項目實施過程中，學(xué)會部件選型、設(shè)計，熟練運(yùn)用編程軟件、指令。項目實踐證明，項目案例教學(xué)切實提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及動力能力，在實施過程中還培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題等綜合能力。

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