結(jié)合《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程設(shè)計綜合案例庫的研究*

張婧婧，李勇偉

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052）

一、引言

《單片機(jī)原理》屬于電子技術(shù)類專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，旨在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者軟、硬件結(jié)合的微控系統(tǒng)設(shè)計能力[1]。該專業(yè)學(xué)生在掌握部分程控原理的基本知識、智能電路的編程控制及仿真軟件的綜合運(yùn)用技能后，即可設(shè)計具有一定實用價值的智能控制系統(tǒng)，因此該課程內(nèi)容在電子技術(shù)專業(yè)全學(xué)程中工程實踐性較強(qiáng)，且備受推崇[2]。目前，單片機(jī)以其智能型、經(jīng)濟(jì)型優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子等領(lǐng)域，其教學(xué)設(shè)計與相關(guān)專業(yè)學(xué)科的關(guān)聯(lián)性顯著[3]，其中與《傳感器技術(shù)》課程的銜接具有代表性。

傳感器技術(shù)作為信息獲取的源頭技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，傳感器被定義為：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。由傳感器采集的信號將主要應(yīng)用于智能型系統(tǒng)的分析與處理，而結(jié)合《傳感器技術(shù)》與《單片機(jī)原理》課程內(nèi)容設(shè)計綜合案例，即可實現(xiàn)智能系統(tǒng)的前端采集與過程控制的教學(xué)銜接，有望為學(xué)習(xí)者搭建一個全景的智能系統(tǒng)設(shè)計平臺[4]。因此，建設(shè)兩門課程的綜合案例庫并以專題形式授課，可以視為提高專業(yè)學(xué)習(xí)者電子設(shè)計能力的有效途徑。此外，高質(zhì)量的案例庫還有助于強(qiáng)化兩門課程間的銜接，拓展專業(yè)知識體系的深度和廣度，進(jìn)而推動專業(yè)課程群的建設(shè)。

二、案例庫的建設(shè)方法

1.精選案例

依據(jù)兩門課程的知識結(jié)構(gòu)，以《單片機(jī)原理》先于《傳感器技術(shù)》授課為前提，案例的選取可參考的原則大致如下：

（1）甄選趣味性強(qiáng)、情景直觀、內(nèi)容完整的教學(xué)案例，以吸引專業(yè)學(xué)習(xí)者的興趣為宜。

（2）選取具備技術(shù)推廣價值且具有代表性的優(yōu)勢案例開發(fā)，力爭學(xué)以致用。

（3）結(jié)合C語言編程與電子仿真技術(shù)[5]，開發(fā)基于單片機(jī)控制的智能傳感系統(tǒng)，優(yōu)化案例的教學(xué)形式。

2.分析課程關(guān)聯(lián)方式

《單片機(jī)原理》課程以51系列單片機(jī)處理器為核心，其主要知識點可劃分為基礎(chǔ)知識模塊、輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、信號與算法模塊、I/O擴(kuò)展模塊、機(jī)電控制模塊等。

《傳感器技術(shù)》課程主要涉及的傳感器類型包括電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、半導(dǎo)體物性傳感器、智能溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器等。結(jié)合《傳感器技術(shù)》課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，課程教學(xué)中主要解決傳感器的數(shù)據(jù)測量及誤差處理、數(shù)據(jù)標(biāo)定與校準(zhǔn)、工程檢測與系統(tǒng)集成等問題。

圖1 課程聯(lián)合模塊的知識體系結(jié)構(gòu)

據(jù)此，綜合案例庫的開發(fā)需借助兩門課程知識體系的關(guān)聯(lián)，其關(guān)聯(lián)方式如圖1所示。圖1中虛線框內(nèi)覆蓋了單片機(jī)課程的主要知識點，傳感器技術(shù)部分則主要部署于課程聯(lián)合體系的前端與末端，結(jié)合兩門課程開發(fā)的綜合案例可呈現(xiàn)出基于單片機(jī)的智能控制系統(tǒng)的完整實例，且綜合案例選取與開發(fā)以結(jié)合圖1中更多知識模塊的內(nèi)容為最佳。

3.案例庫建設(shè)路線

目前，《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程屬于我院電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的主干課程，其各自的教學(xué)內(nèi)容與知識體系已趨于完整，課程的教學(xué)設(shè)計與教學(xué)用例也力求精致、統(tǒng)一。根據(jù)課程組已經(jīng)運(yùn)用的教學(xué)材料及教學(xué)方法，整合更為完善的綜合案例庫，將其建立在兩門課程已有的案例素材基礎(chǔ)之上，課程組通過改進(jìn)或加工案例使其知識結(jié)構(gòu)更加完整、授課內(nèi)容更加統(tǒng)一，進(jìn)而形成綜合案例庫。因此，綜合案例庫的建設(shè)大致包括收集素材、設(shè)計案例、整合資源及案例實施四個階段，如圖2所示。

圖2 案例庫建設(shè)的基本路線

三、案例庫的實例解析

為了有效結(jié)合兩門課程的主要知識模塊，綜合案例庫的取材盡可能涵蓋如下幾個方面：①具備傳感器采集技術(shù)的感知模塊，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)解析；②感知數(shù)據(jù)能夠采用單片機(jī)控制，轉(zhuǎn)換并處理成為數(shù)字信號；③系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出單元或系統(tǒng)集成檢測過程需配備交互式模塊。

以上述要求為依據(jù)，綜合案例庫的建設(shè)可參考實例如下：

1.溫控系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機(jī)的智能溫控系統(tǒng)設(shè)計在傳感器應(yīng)用方面具備典型性[6]。如圖3所示，以DS18B20溫度傳感器為采集終端，連接相應(yīng)硬件模塊并在單片機(jī)中載入智能溫度傳感器的驅(qū)動程序、溫度采集及處理程序、溫度查詢及電機(jī)控制程序、液晶驅(qū)動及數(shù)據(jù)顯示程序等，即可完成案例的教學(xué)設(shè)計。

圖3 智能溫控系統(tǒng)的電路

該案例始于智能溫度傳感器的數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)過單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸出、機(jī)電控制等模塊，實現(xiàn)溫度控制的基本功能。在此案例中，學(xué)習(xí)者首先需要掌握數(shù)字溫度傳感器的采集技術(shù)，然后通過單片機(jī)的編程控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、輸出、顯示、控制等相關(guān)功能，屬于《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》相結(jié)合的代表性用例。

2.壓力稱重系統(tǒng)

圖4 壓力稱重系統(tǒng)的電路

與溫度控制系統(tǒng)類似，基于壓力傳感器的電子稱重系統(tǒng)設(shè)計也屬于單片機(jī)與傳感器技術(shù)相結(jié)合的典型用例[7]。如圖4所示，MPX4115傳感器是壓力稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，送入單片機(jī)中處理并于液晶1602中顯示交易價格。當(dāng)稱重系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后，需結(jié)合鍵盤輸入模塊，輸入稱重物品的單價，由單價乘以重量得到物品的價格并完成顯示輸出，實現(xiàn)電子稱重功能的設(shè)計。

該案例將輸入模塊、A/D采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊與氣體壓力傳感器的應(yīng)用相結(jié)合，其功能與實際應(yīng)用中的電子秤類似，同時學(xué)習(xí)者還要求掌握MPX4115輸出特性以及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)修正方法，實現(xiàn)了《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程內(nèi)容的綜合設(shè)計。

3.綜合案例庫的參考項目

通過梳理《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程的知識模塊，基于不同類型傳感器的功能，以工程應(yīng)用為主要設(shè)計目標(biāo)，筆者甄選的綜合案例庫參考項目如表1所示。

表1 綜合案例項目一覽表

四、綜合案例庫的授課

鑒于我院目前實施的專業(yè)培養(yǎng)方案，《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程在授課內(nèi)容與開設(shè)時間上緊密銜接，前者作為后者的先修課程，會在第四、第五兩學(xué)期分別開設(shè)，為兩個專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供可能。就綜合案例的教學(xué)形式而言，其理論與實驗授課方式可根據(jù)不同專業(yè)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)者知識儲備情況而定。

在《傳感器技術(shù)》課程后期講授案例，學(xué)習(xí)者在掌握部分敏感元件感知技術(shù)和單片機(jī)的應(yīng)用技能后，以專題形式講授即可實現(xiàn)綜合系統(tǒng)的完整性教學(xué)設(shè)計。

在《單片機(jī)原理》課程后期開展綜合案例教學(xué)，限于傳感器技術(shù)的知識儲備不足，授課中需部分弱化信號采集模塊的分析，而著眼于智能控制部分的講授。

與此同時，不同程度的綜合案例授課內(nèi)容將決定其實踐環(huán)節(jié)采用的授課形式也不盡相同。就《單片機(jī)原理》課程教學(xué)目標(biāo)而言，學(xué)生以掌握程控技術(shù)、編程能力為主旨，其綜合案例的配套實驗可以通過電子仿真平臺完成。如果綜合案例的實踐環(huán)節(jié)以校內(nèi)綜合實踐形式開展，那么設(shè)計一款功能齊備的智能控制裝置就需要以實物作品形式來完整呈現(xiàn)。

需要注意的是，綜合案例教學(xué)實施過程中，案例的講解與實踐的內(nèi)容應(yīng)避免完全一致。教學(xué)實踐中，可以通過調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)或拓展部分邏輯功能，強(qiáng)化學(xué)習(xí)者對系統(tǒng)設(shè)計的理解與變通能力。同時，為了避免學(xué)習(xí)者對網(wǎng)絡(luò)資源的過度依賴，還需加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)的過程考核與監(jiān)督，以確保實踐內(nèi)容的真實、有效。

五、結(jié)論

結(jié)合《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》的綜合案例設(shè)計貫穿著電子設(shè)計活動的始終，從元器件認(rèn)知、敏感元件功能分析、儀器儀表使用、電路設(shè)計與仿真、硬件制作、軟件編程、軟硬件聯(lián)調(diào)等方面，綜合培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的工程設(shè)計能力。對于缺乏工程經(jīng)驗的部分學(xué)習(xí)者而言，綜合案例的學(xué)習(xí)與實踐是一次不可多得的設(shè)計經(jīng)歷，為其增強(qiáng)電子設(shè)計技能，順利完成畢業(yè)要求相關(guān)指標(biāo)奠定了較好的基礎(chǔ)。