結合《單片機原理》與《傳感器技術》課程設計綜合案例庫的研究

張婧婧　李勇偉

摘 要：《單片機原理》是一門工程實踐性較強的程控類課程，《傳感器技術》則屬于結合各類傳感器應用的技術密集型課程，結合《單片機原理》與《傳感器技術》課程設計綜合案例庫，旨在加強專業(yè)課程間教學設計的銜接，強化專業(yè)課程群的建設。文章以兩門課程的關聯(lián)方式為紐帶，闡述了綜合案例庫的建設方法;基于溫控系統(tǒng)和壓力稱重系統(tǒng)的案例分析，呈現(xiàn)綜合案例庫的建設樣例;針對專業(yè)教學目標和知識儲備各異的現(xiàn)狀，規(guī)劃了綜合案例庫的理論與實踐課程授課方式，以案例的完整性設計為視角，力爭為學習者搭建一個全景的智能系統(tǒng)設計平臺。

關鍵詞：案例庫;單片機原理;傳感器技術;電子設計

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2019）14-0051-03

一、引言

《單片機原理》屬于電子技術類專業(yè)的基礎課程之一，旨在培養(yǎng)學習者軟、硬件結合的微控系統(tǒng)設計能力[1]。該專業(yè)學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用技能后，即可設計具有一定實用價值的智能控制系統(tǒng)，因此該課程內容在電子技術專業(yè)全學程中工程實踐性較強，且備受推崇[2]。目前，單片機以其智能型、經(jīng)濟型優(yōu)勢廣泛應用于儀器儀表、家用電器、網(wǎng)絡通信、工業(yè)控制、醫(yī)療設備、汽車電子等領域，其教學設計與相關專業(yè)學科的關聯(lián)性顯著[3]，其中與《傳感器技術》課程的銜接具有代表性。

傳感器技術作為信息獲取的源頭技術，是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的基礎課程之一。依據(jù)國家標準，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用于智能型系統(tǒng)的分析與處理，而結合《傳感器技術》與《單片機原理》課程內容設計綜合案例，即可實現(xiàn)智能系統(tǒng)的前端采集與過程控制的教學銜接，有望為學習者搭建一個全景的智能系統(tǒng)設計平臺[4]。因此，建設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)學習者電子設計能力的有效途徑。此外，高質量的案例庫還有助于強化兩門課程間的銜接，拓展專業(yè)知識體系的深度和廣度，進而推動專業(yè)課程群的建設。

二、案例庫的建設方法

1.精選案例

依據(jù)兩門課程的知識結構，以《單片機原理》先于《傳感器技術》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、情景直觀、內容完整的教學案例，以吸引專業(yè)學習者的興趣為宜。

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

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

2.分析課程關聯(lián)方式

《單片機原理》課程以51系列單片機處理器為核心，其主要知識點可劃分為基礎知識模塊、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擴展模塊、機電控制模塊等。

《傳感器技術》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。結合《傳感器技術》課程的學習目標，課程教學中主要解決傳感器的數(shù)據(jù)測量及誤差處理、數(shù)據(jù)標定與校準、工程檢測與系統(tǒng)集成等問題。

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聯(lián)，其關聯(lián)方式如圖1所示。圖1中虛線框內覆蓋了單片機課程的主要知識點，傳感器技術部分則主要部署于課程聯(lián)合體系的前端與末端，結合兩門課程開發(fā)的綜合案例可呈現(xiàn)出基于單片機的智能控制系統(tǒng)的完整實例，且綜合案例選取與開發(fā)以結合圖1中更多知識模塊的內容為最佳。

3.案例庫建設路線

目前，《單片機原理》與《傳感器技術》課程屬于我院電子技術、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的主干課程，其各自的教學內容與知識體系已趨于完整，課程的教學設計與教學用例也力求精致、統(tǒng)一。根據(jù)課程組已經(jīng)運用的教學材料及教學方法，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之上，課程組通過改進或加工案例使其知識結構更加完整、授課內容更加統(tǒng)一，進而形成綜合案例庫。因此，綜合案例庫的建設大致包括收集素材、設計案例、整合資源及案例實施四個階段，如圖2所示。

三、案例庫的實例解析

為了有效結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的感知模塊，需要進行數(shù)據(jù)解析;②感知數(shù)據(jù)能夠采用單片機控制，轉換并處理成為數(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)，綜合案例庫的建設可參考實例如下：

1.溫控系統(tǒng)設計

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

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

2.壓力稱重系統(tǒng)

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)設計也屬于單片機與傳感器技術相結合的典型用例[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轉換后，送入單片機中處理并于液晶1602中顯示交易價格。當稱重系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后，需結合鍵盤輸入模塊，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用相結合，其功能與實際應用中的電子秤類似，同時學習者還要求掌握MPX4115輸出特性以及與之相關的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)修正方法，實現(xiàn)了《單片機原理》與《傳感器技術》課程內容的綜合設計。

3.綜合案例庫的參考項目

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

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，《單片機原理》與《傳感器技術》課程在授課內容與開設時間上緊密銜接，前者作為后者的先修課程，會在第四、第五兩學期分別開設，為兩個專業(yè)的學生進行智能控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)提供可能。就綜合案例的教學形式而言，其理論與實驗授課方式可根據(jù)不同專業(yè)教學目標和學習者知識儲備情況而定。

在《傳感器技術》課程后期講授案例，學習者在掌握部分敏感元件感知技術和單片機的應用技能后，以專題形式講授即可實現(xiàn)綜合系統(tǒng)的完整性教學設計。

在《單片機原理》課程后期開展綜合案例教學，限于傳感器技術的知識儲備不足，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《單片機原理》課程教學目標而言，學生以掌握程控技術、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)以校內綜合實踐形式開展，那么設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，綜合案例教學實施過程中，案例的講解與實踐的內容應避免完全一致。教學實踐中，可以通過調整系統(tǒng)設計參數(shù)或拓展部分邏輯功能，強化學習者對系統(tǒng)設計的理解與變通能力。同時，為了避免學習者對網(wǎng)絡資源的過度依賴，還需加強實踐環(huán)節(jié)的過程考核與監(jiān)督，以確保實踐內容的真實、有效。

五、結論

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

參考文獻：

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[3]馬光喜，李良榮，李震.電子設計教學與課程體系研究[J].實驗室研究與探索，2014，33（7）：165-168+188.

[4]張婧婧，李勇偉.以應用為“錨”的傳感器課程教學方法研究[J].計算機教育，2017（1）：152-154.

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[7]錢婷婷，李正明，石鑫，等.基于單片機的自動稱重系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2014，36（16）：116-117+149.

（編輯：李曉萍）