項(xiàng)目教學(xué)法在單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

吳海青，張小強(qiáng)

（太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西太原 030008）

目前，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)是機(jī)電一體化領(lǐng)域中十分活躍、影響很大的關(guān)鍵技術(shù)，單片機(jī)作為其中分支之一，已在機(jī)電測(cè)控、儀器儀表、家用電器等系列或產(chǎn)品中作為一種典型的微控制器得到迅速和廣泛的應(yīng)用[1]。

學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)需要加強(qiáng)實(shí)踐，初學(xué)者應(yīng)樹立在“學(xué)中做”、在“做中學(xué)”的思想[2]。通過研究發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)多以工作原理為主要內(nèi)容，學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)很少，學(xué)生停留在課堂的板書與實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證試驗(yàn)層面上[3]，不利于培養(yǎng)學(xué)生的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和軟件開發(fā)能力。

當(dāng)今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)人才的要求不僅要具備豐富的理論知識(shí)，同時(shí)還要有創(chuàng)新能力以及豐富的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力[4]。如何從工程應(yīng)用角度進(jìn)行教學(xué)案例設(shè)計(jì)，提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的興趣，從而提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，是亟待解決的課題[5]。眾多高校從理念、方法、內(nèi)容等多個(gè)方面進(jìn)行了一系列的改革工作，其中，問題導(dǎo)向和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)型教學(xué)方法能夠很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維[6-9]。

1 基于Proteus的單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生興趣，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力，基于實(shí)際工程設(shè)計(jì)教學(xué)案例，選擇學(xué)生熟悉的家用電器洗衣機(jī)作為被控對(duì)象，因?yàn)槠淇刂葡到y(tǒng)涵蓋了單片機(jī)課程的眾多知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，分析智能洗衣機(jī)的控制原理，了解正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、洗滌、甩干等操作的運(yùn)行機(jī)制及控制原理[10-11]。本文所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)以下洗衣流程的控制：

（1）進(jìn)水過程。

在進(jìn)行洗滌前，洗衣機(jī)盛水桶內(nèi)的水量必須達(dá)到預(yù)設(shè)值。這就需要通過繼電器和水位傳感器來(lái)進(jìn)行洗衣機(jī)的進(jìn)水控制和水位判斷，如果桶內(nèi)的水位沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值，則單片機(jī)的控制程序?qū)⒖刂评^電器使進(jìn)水閥一直打開，進(jìn)行注水，達(dá)到預(yù)設(shè)值后，進(jìn)水閥關(guān)閉，進(jìn)入洗滌程序。

（2）洗滌過程。

當(dāng)洗衣機(jī)通電后，若不手動(dòng)選擇洗衣周期，則洗衣機(jī)會(huì)默認(rèn)從洗滌過程開始。首先是進(jìn)水，進(jìn)水指示燈亮，開始供水，當(dāng)供水達(dá)到預(yù)定水位時(shí)，將停止進(jìn)水；接下來(lái)步進(jìn)電機(jī)M接通，帶動(dòng)波輪旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)M是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的電機(jī)，先正傳22s，再停止8s，然后再反轉(zhuǎn)22s，如此一來(lái)，便可以形成往返的水流，這樣就更有利于洗凈衣物。

（3）漂洗過程。

洗衣機(jī)的漂洗過程原理上與洗衣過程基本上一致，只是工作的時(shí)間相比要稍短一些而已。

（4）脫水過程。

當(dāng)洗滌或漂洗結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)M將停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開始進(jìn)入脫水階段。當(dāng)?shù)退粋鞲衅鳈z測(cè)到排水完畢后，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)洗衣機(jī)內(nèi)桶高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)桶中衣物進(jìn)行甩干處理。

2 基于Proteus的硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，完成單片機(jī)型號(hào)和其他元器件型號(hào)的選型，利用Proteus軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)電路圖的繪制設(shè)計(jì)[12]，其總體電路設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 總體電路設(shè)計(jì)原理圖

系統(tǒng)硬件主要由AT89C51單片機(jī)、數(shù)碼顯示管、蜂鳴報(bào)警器、步進(jìn)電機(jī)、水位信號(hào)模擬開關(guān)、LED指示燈以及按鍵等組成。

3 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件電路主要包括以下電路模塊：

3.1 顯示電路模塊

顯示電路模塊的核心元件為2位共陽(yáng)數(shù)碼管，它的作用在于顯示全自動(dòng)洗衣機(jī)在指定工作模式下的工作倒計(jì)時(shí)，顯示電路如圖2所示。通過單片機(jī)的P2口（P2.0-P2.7）依次控制數(shù)碼管的ABCDEFG及DP腳，通過單片機(jī)P0口的P0.6、P0.7分別控制顯示數(shù)碼管的 1、2引腳。

圖2 顯示電路

3.2 指示電路模塊

指示電路主要由八個(gè)顏色不同的發(fā)光二極管以及電阻組成，用來(lái)指示洗衣機(jī)的工作模式和工作狀態(tài)，即標(biāo)準(zhǔn)、輕柔、快速、調(diào)試、洗滌、漂洗、進(jìn)排水、結(jié)束，指示電路如圖3所示。發(fā)光二極管分別與單片機(jī)P1口、P0口連接，當(dāng)對(duì)應(yīng)口輸出為低電平時(shí)，相應(yīng)的指示燈亮，用以指示洗衣機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)。

圖3 指示電路

3.3 按鍵控制電路模塊

控制電路主要用以控制洗衣機(jī)的啟停和工作狀態(tài)的選擇，分為菜單鍵、停止鍵、開始鍵和模式選擇鍵，依次與單片機(jī)的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7相連接，按鍵的另一端接地，控制電路如圖4所示。

圖4 按鍵控制電路

4個(gè)按鍵的具體控制功能如下：

菜單鍵：在按下模式選擇鍵前，需先按下菜單鍵，以防止不當(dāng)?shù)牟僮鞫鴮?dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行；

開始鍵：用于啟動(dòng)洗衣機(jī)，使洗衣機(jī)開始進(jìn)入工作狀態(tài)；

停止鍵：用于結(jié)束洗衣機(jī)的運(yùn)行；

模式選擇鍵：用于選擇所需的洗滌模式。

3.4 結(jié)束報(bào)警電路模塊

結(jié)束報(bào)警電路主要由10K電阻、三極管和蜂鳴器組成。其電路如圖5所示，蜂鳴器為結(jié)束報(bào)警電路設(shè)計(jì)中的核心元件，用于當(dāng)洗衣機(jī)完成所有工作流程時(shí)提示用戶，它與單片機(jī)的P3.5口相連，當(dāng)P3.5口為低電平時(shí)，三極管響應(yīng)，將電流放大，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。

圖5 結(jié)束報(bào)警電路

3.5 電機(jī)控制電路模塊

電機(jī)控制電路主要由步進(jìn)電機(jī)和L298型電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片組成，其電路如圖6所示。將驅(qū)動(dòng)芯片的IN1、IN2引腳分別與單片機(jī)的P3.2和P3.3連接，ENA腳通過SW1開關(guān)連接到單片機(jī)的P3.0，步進(jìn)電機(jī)的兩端分別與L298的OUT1和OUT2連接。

圖6 電機(jī)控制電路

4 系統(tǒng)仿真

在Keil uVision5中編寫完所有程序代碼后，對(duì)所編程序進(jìn)行錯(cuò)誤檢查。若在操作界面下方的狀態(tài)窗口中有錯(cuò)誤提示（如語(yǔ)法、字符錯(cuò)誤等），則需要再次編輯和修改，直至程序沒有錯(cuò)誤。程序檢查無(wú)誤后，生成Washing.hex文件。

4.1 程序?qū)?/h3>

在Proteus軟件中打開全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路圖，雙擊電路圖中的AT89C51單片機(jī)，彈出圖7所示的對(duì)話框。

圖7 編輯元件

點(diǎn)擊“Program File”中的文件夾圖標(biāo)，找到Washing.hex文件，點(diǎn)擊打開，再點(diǎn)擊“確定”，所編寫的程序便導(dǎo)入到了電路圖中。點(diǎn)擊Proteus工作界面下方的按鈕，進(jìn)行洗衣機(jī)的仿真模擬運(yùn)行。

4.2 仿真運(yùn)行

本文所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)主要能夠?qū)崿F(xiàn)洗滌、漂洗、脫水三大功能，且具有不同的工作模式，具體要求如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)模式：洗滌12min，每5min2次漂洗，脫水3 min；

（2）快速模式：洗滌4 min，每1min2次漂洗，脫水2 min；

（3）輕柔模式：洗滌3 min，每3min2次漂洗，脫水2 min。

為方便過程演示，洗衣機(jī)的洗滌、漂洗及脫水時(shí)長(zhǎng)均設(shè)為1min。仿真過程如下：

（1）先按下菜單鍵，再按模式選擇鍵，選擇測(cè)試模式，此時(shí)，測(cè)試燈亮，顯示屏顯示1min，洗滌燈亮，進(jìn)水燈亮，洗衣機(jī)進(jìn)入洗衣狀態(tài)，1min洗滌結(jié)束后，依次進(jìn)入漂洗、脫水狀態(tài)，仿真運(yùn)行圖見圖8。

圖8 仿真運(yùn)行

（2）當(dāng)洗衣機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，可按下停止鍵停止。

（3）當(dāng)洗衣機(jī)完成洗滌衣物的全部過程時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出蜂鳴器聲提示用戶洗衣完畢。

5 結(jié)語(yǔ)

學(xué)生通過自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用智能洗衣機(jī)的各種工作模式控制，使課程學(xué)習(xí)脫離了枯燥的試驗(yàn)臺(tái)，走入了豐富的實(shí)際生活，大大提高了實(shí)驗(yàn)課程的生動(dòng)性和靈活性，很好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的興趣，提升了學(xué)生的工程實(shí)踐素養(yǎng)[13-14]。通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的引入，基于Proteus的仿真教學(xué)，以智能洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來(lái)說，學(xué)生能夠清晰地認(rèn)識(shí)到所學(xué)課程與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的緊密關(guān)系[15-16]，使得學(xué)生很好地將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提高了教學(xué)質(zhì)量，有利于應(yīng)用型、專業(yè)型人才的培養(yǎng)。