（计算机应用技术专业论文）单片机实训课程的创新设计探讨.pdf

贵州大学硕士研究生学位论文 摘要 随着单片机的广泛应用，社会对单片机开发人员的需求越来越大，对他们 的要求也越来越高，如何培养高素质的单片机开发人才对高校是十分重要和迫 切的。 目前高校的单片机教学依然停留在老师上课，学生做实验的阶段，学完这 门课程，学生对于单片机应用以及单片机在现实生活中所起到的作用依然是比 较模糊的。 本文是在对国内高校单片机教学作了详细考察的基础上，提出来的一种有 别于传统教学的方法，即从单片机实训的方面提出了一种教学改革的方案。在 单片机实训教学中，将我们开发的项目拿来作为学生的实训课题，这些项目都 是我们已完成或是将要完成的。在每个实训项目的最后我们给出了技术参考方 案，这些技术方案都是得到了可行性验证的，因此，拿这些项目来作为学生实 训课题，学生可以按自己的思路解决问题，也可以运用我们给出的方案，并且 学生还可以选择自己喜欢的实训课题来进行实训。在实训过程中，学生能够详 细的了解项目中涉及到的芯片的应用、p c b 板的开发、以及传感器等的应用， 并且对单片机的每个寄存器、串口通讯、模拟串口等有比较详细的掌握，为同 学们今后在嵌入式方面的开发能力打下良好的基础。 本论文提出的这种方案，将推动高校单片机教学改革。 关键词：单片机实训嵌入式案例教学教学改革 单片机实审l i 课程的创新设计探讨 a b s t r a c t w i t ht h e e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n o fm c u a n d s o c i a l d e v e l o p m e n td e m a n df o rt h ep r o g r a m m e rt ot h eh i g h e r h o wt o c u l t i v a t eh i g h - q u a l i t yt a l e n tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h em c u c o l l e g et e a c h i n gi se s s e n t i a l a tp r e s e n tt h em c uu n i v e r s i t yt e a c h i n gt e a c h e r s s t i l l r e m a i ni nt h es t a g e ，t h et e a c h e rt e a c h ，s t u d e n t sd o t h e e x p e r i m e n t ，t h ec o m p l e t i o no ft h i sc o u r s e ，st u d e n t sa r es t i l l v e r yv a g u et ot h ec o n c e p to ft h em c up r o j e c t 。 t h i s p a p e ri s，a f t e r d o n eas t u d yi nt h en a t 。i o n a l u n i v e r s i t yt e a c h i n gm c u ，t h e np u tf o r w a r do nt h eb a s i so f 蠢d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lt e a c h i n gm e t h o d s ，f r o mt h e m c up r a c t i c a la s p e c t so fap r o p o s e dr e f o r mo ft h et e a c h i n g d e s i g n i nt h em c up r a c t i c et e a c h i n g i n t e g r a t e do fo u ro w n p r o j e c t s ，t h e s ep r o j e c t sa r ec o m p l e t e do r w e w i l lb ec o m p l e t e d ， t h et e c h n i c a lp r o g r a m m e ，w ea r eg i v e nac e r t a i na m o u n to f r e f e r e n c e ，t h e s ep r o g r a m m e sa r ei np r o j e c td e v e l o p m e n tu s e d i nt h ec o u r s eo fo u ro w np r o g r a m m e s f e a s i b i l i t yh a v eb e e n v e r i f i e d t h e r e f o r e ，t h e s ep r o j e c t sd ot a k et r a i n i n g s u b j e c t sf o rs t u d e n t s ，s t u d e n t si na c c o r d a n c ew i t ht h e i r o w n i d e a st os o l v et h ep r o b l e m ，。t h e yc a na l s ou s et h ep r o g r a m m e i sg i v e n ，t h e ycana l s oc h o o s et h ep r o g r a m m ew h i c ht h e yl i k e t r a i n i n gi nt h e s es u b j e c t s ，s t u d e n t sw i l lb ev e r yd e t a i l e d 毽n 矗e r s t a 建矗i 魏g o f p r o j e c t si nt h ec h i p d e s i g nt ot h e a p p l i c a t i o n ，p c bb o a r do ft h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o fs e n s o r s ，a n dt h em c ue a c hr e g i s t e r ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n s ， s i m u l a t i o ns e r i e sc o m m u n i c a t i o n s ，t h e ns t u d e n t sh a v eam o r e d e t a i l e du n d e r s t a n d i n go ft h o s e i nt h ef u t u r e ，t h e i r e m b e d d e da b i l i t yt ol a yas o l i df o u n d a t i o ni nt h ec o u r s e t h i sp a p e rb y 鸯u e hap r o g r a m m e ，t h eu n i v e r s i t yt e a c h i n g m c uw i l lp l a yar o l ei nu n i v e r s i t yp r o m o t i n gr e f o r m k e yw o r d s ： m c u ，t r a i n i n g ， e m b e d d e dm i c r o c o n t r o 王王e r ， c a s e s t u d y ，t e a c h i n gr e f o r m 1 l 单片机实训课程的创新设计探讨 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究在做出重要贡献的个入和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蒸塞多 e l 期：兰堂堂圭屋 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：越蛊数师签名：抛蚯日期：2q q 墨生兰旦 贵州大学硕上研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 单片机作为嵌入式系统的重要组成部分，已经遍布人们生活的各个方面， 并且会得到更加广泛的应用。目前单片机广泛用于各种实时过程控制系统中，例 如工业过程控制、过程监测、航空航天、尖端武器、机器人系统等各种实时控制 系统。用单片机进行实时系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳状态，有利 于提高系统的工作效率和产品的质量。其中在智能仪器仪表的应用上，由于单片 机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广 泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、 湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测 量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电 子或数字电路更加强大，例如精密的测量设备( 功率计，示波器，各种分析仪) 。 与通用计算机系统相比，嵌入式系统的保有量是p c 机的几十倍，甚至上百倍，其 形式多样，几乎包括了我们周围的所有电气设备，如电子手表、m p 3 ，p d a 、电视 机项盒、手机、微波炉、p o s 机、电子医疗设备、自动取款设备等等，己成为了 “无处不在的计算机”，在工业控制、手持设备、便携设备和各种数码产品中， 都有它们的存在。在后p c 时代，嵌入式系统将向移动化、网络化、智能化等方面 发展1 2 】。这必然会极大的拓展嵌入式应用的广度和深度，体现嵌入式系统与实际 应用密切结合的价值。由于嵌入式领域的广阔的前景，社会需要大量的人才投入 到嵌入式系统的研究和应用中来，高校应该发挥自身培养人才的重要作用，满足 社会需求。 单片机作为最典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展， 在我国大规模应用已有十余年历史。在全国高等工科院校中，已普遍开设单片机 及相关课，而且单片机使用的语言简洁易懂，简洁易懂，结构清晰，层次分明， 易于学习。 单片机课程又是- f l 实践性较强的学科，以培养学生应用能力为宗旨，突出 单片机实训课程的创新设计探讨 基础知识的掌握和实践技能的训练，充分体现了高校为国家培养并输送生产、建 设、管理、服务的高素质技术应用型人才教育的特点。在高校单片机教学中，应 该既要体现技术发展的潮流，又要兼顾学生的知识背景基础，做到循序渐进1 1 j 。 1 2 背景 “单片机原理与应用”作为工科院校相关专业重要的专业必修课，是- f - 结 合电子、计算机等技术的应用性很强的课程i ”。但由于该课程比较抽象，学生在 开始学的时候难以入门，难以了解单片机的整体结构。因而如何通过单片机实验 课程激发学生的学习兴趣，如何通过实验课程与理论课程的有机结合达到循序渐 进的良好效果，就成为单片机实验课程体系建设的一个重要问题。 单片机的实训课是在学生具备了单片机理论教学的基础上，并且是在进行了 一定的实验和实习之后，给学生一定的时间，让学生通过进行单片机项目的开发， 完成实训，这样学生们既能巩固所学的理论知识，又能锻炼自己独立思考的能力。 1 3 存在的问题 考察传统的教学方式中只提供单片机典型结构体系的基本原理，以及应用 设计的基本方法，教程中的所有应用实例，只是为了加深理解单片机基本原理 及应用系统设计方法，实验课虽然给学生提供了上机编程的机会，但是，我们 所使用的实验仪器电路都是固定的，学生上机实验时只是接几根线而已，对于 单片机的整体设计过程没有深入的学习理会。 目前，大多数学校在单片机教学还仅仅停留在实验的状态，是以验证单片 机理论教学内容为目的而安排的，即以单片机的结构为主线，依照单片机课程 内容的顺序布置的。对于单片机这一实践性较强的课程，很多的教师和学生反 应上机实验时，硬件设计上只是接几根线，软件部分的调试也很简单，没有完 全了解单片机的设计开发过程。一般情况下，单片机教学程序为先做单片机硬 件结构的认识实验，然后是指令和软件编程的验证实验，最后是一个应用实例 的验证实验。按照这种教学结构，学生普遍觉得难学，且缺乏学习热情。 而本论文单片机实训方法的提出，能够让学生更深入的理解单片机丌发的 2 贵州人学硕士研究生学位论文 过程，不仅从软件设计能力上得到了提升，而且也提高了硬件设计的能力1 4 1 ， 对于推动高校教学改革工作具有积极的意义。 1 4 现行教学的弊端 ( 1 ) 现行的单片机教学活动存在脱离实践的倾向 其特点是对单片机的内部结构、工作原理和时序流程等进行了深入细致的介 绍，但在如何应用单片机进行系统设计方面则明显不足。即实践内容所占比例明 显偏少，而这些又是对于从事芯片结构和微电子技术科学研究的人员必不可少 的。对学生来说，特别是对于高等院校的学生，由于在课堂上所学到的知识，如 数字电路和逻辑逻辑电路等，实际的分析能力差，学生必然产生难学进而厌学的 思想。 ( 2 ) 在教学活动中实验和实训教学环节未得到应有的重视甚至被忽略 教师以传授知识为目的，按照教学计划顺序进行授课，实验、实训课程被 作为课堂理论知识的验证而安排，形成以教师为主体的知识传授型的传统教学体 系，造成教学中学生动手机会很少，教师一手包办的现象。这种现象不仅在单片 机课程教学中存在，在其他的学科中也实普遍存在的，由此形成恶性循环的不利 局面。采用这种教学模式，学生往往缺乏学习兴趣，严重地压抑了学生的创造力 和能动性。 ( 3 ) 教师本身的实践能力和综合知识水平有限 单片机应用技术是一门结合电子、计算机等技术的应用性、实践性很强的 课程，电子电气、机械和计算机等工科专业普遍将这门课程列为必修课或选修课， 它的作用和地位可以说与时俱增。但目前该课程的教师大多没有应用单片机进行 系统开发和工程实践的基础，上课存在照本宣科的现象，不能将实际应用方面的 知识和方法传授给学生，实验、实训课被作为理论课的验证和补充，这就直接影 响到学生对本课程的兴趣和认同感，所以，实现“以学生为主体，教师为主导” 的教学理念，关键在于教师实践能力的培养，因此开发一套既能够提高教师实践 能力，同时又能使学生对单片机课程产生浓厚兴趣的教学方案是目前单片机教学 中亟待解决的问题。 单片机实_ i i l l 课程的创新设计探讨 1 5 解决的方案 对单片机这个实践性要求很高的课程，我们提出专业建设实施方案1 6 l ： ( 1 )以就业为导向，完善教学体系和内容，构建具有专业特色的课程体 系 明确专业办学思路，制定了切合实际的人才培养方案，以就业为导向， 优化专业结构； 面对岗位群，不断优化课程体系，修订专业教学计划。 ( 2 ) 以提高应用能力为出发点，深化教学改革，建立培养应用性人才的 新模式 根据“宽口径，厚基础，强能力 的原则构建理论教学体系； 根据“营造现场氛围，提高实践能力 的原则，建立并优化实践教学 体系； 根据“培养应用能力，满足就业需求的原则，探索产、学、研合作 教育的途径。 ( 3 ) 努力改善教学条件，满足高校教育的要求 改善实训设施和设备条件，全面开展实训教学改革； 加强师资队伍建设，适应高校教育发展要求。 ( 4 ) 以提高岗位竞争力为目的，加强素质教育和个性培养，提高学生综合 素质 我们这套实训教学方案的提出，完全体现了高校教学发展改革的要求，做 到了理论的上的“厚基础”，实践上的“强能力一。在实训的改革中兼顾就业 需求，做到为社会培养人才的目的，同时为学生营造好的实训气氛，充分调动 学生的能动性和创新性，实现本教学改革的目的1 5 。 我们在实训的具体实施中，将从已经完成的项目中选取具有代表性的，设计 功能比较全面的项目来作为学生实训的课题，每个实训课题的侧重点不一样，实 训的课题将针对不同的重点提出不同的设计要求，对于实训的方案解决，学生可 以根据要求自己设计，也可以参考我们这套教学方案来进行，总之，通过教师引 导、学生动手，最后达到实训教学的目的1 1 5 j 。 4 贵州大学硕士研究生学位论文 第二章单片机实训课的规划 针对目前高校的单片机教学存在的弊端，我们提出了这套有助于教学改革 的单片机实训教学方案，目的是解决学生中普遍存在的对单片机如何运用的迷 惑。我们在提供的项目中会考虑到学生的需要，尽可能把涉及嵌入式的最前沿的 知识介绍给学生，并且把涉及元器件种类比较多的项目来作为学生实训的课题， 这样学生在实训的过程中会去查询这些知识的相关的内容，还能够熟悉一些元器 件的应用，不至于到学期末，连一些元器件的名字都叫不上来，更不用说应用了。 由于单片机主要用于工控方面，所以在研制开发系统中我们也将介绍一些常用的 电子元器件原理及其应用。 2 1 单片机实训课的实施方案 本文所提出的单片机实训课的创新点在于，设计一套有别于传统教学的教 学方案，从自己参加过的科研实践项目中找出3 - 5 个典型项目，给出项目的基 本原理，让学生独立来完成从设计、开发到实现的任务1 1 6 1 。 文中我们给出了每个项目的详细的设计方案，作为学生实训中的参考，我 们的这些方案都得到了验证，开发出来了实用产品，所以能够避免学生在设计 中走弯路。本论文的重点实训项目是在本人所在的实验室中开发的项目中选取 的，每个项目都涵盖了不同的功能。 经过这些项目的实训，学生基本上能够掌握和领会单片机运用开发的过 程，起到学习具体项目开发的目的。 2 2 单片机实训课程内容 2 2 1 选材 我们是在所开发过的项目中，以最简单、最具有代表性的m c s 一5 1 系列单片 机为重点。在学习嵌入式基本原理和主要技术的同时，详细讨论硬件结构和软 件体系，教师先将要布置的每个项目整理，对每个实训项目进行精心调试和测 单片机实训课程的创新设计探讨 试，使之稳定可靠，功能多样，并且制定设计方案、绘制原理图、绘制p c b 板、 编写程序，以备学生自己动手来完成从设计时的参考。 在可供选择的项目中，学生可以自由选择，根据自己的实际情况来选择这 些具有不同功能的项目来完成实训课程。 2 2 2 实训课题实施 在学生选择了需要实训的项目之后，便根据具体的项目要求，自己完成单 片机系统外设、接口电路设计和程序的设计，包括原理图设计、p c b 板设计、 焊接元件、程序的设计的工作。 考虑到每个学生的实际情况，可能有些学生无法来完成项目从设计到开发 实现的过程，那么他就可以参考我们在每个项目的最后给出的设计参考方案， 通过这个过程的学习，从而能够掌握单片机的开发过程1 1 4 l 教师的任务就是提出适合学生设计的项目课题，给学生2 - 3 天时间思考项 目方案的实施，学生先提出自己的解决方案。在此过程中教师给予指导，对于 能够提出合理的设计方案学生，可以让他按自己的设计思想完成实训课题任务。 对那些无法完成实训课题的学生，可以按教师给出的方案完成实训课题任 务，我们在每个实训项目的最后都给出了参考方案。 我们不仅给出了设计的参考方案，而且，在实训课题的解决中，给出合理 的时间分配，做到学生能够在短时间内完成实训课题。 2 2 3 实训课题特色 学习的过程并非像传统的教学那样在实验箱中插几个芯片或是接几根线， 学生按自己的构想或给出的设计方案来完成单片机开发系统的设计过程。在设 计上可以实现多种设计的方案，充分体现了让学生独立完成作业课题的目的， 又起到了创新学习作用。 另外，我们选择曾经开发过的项目来做实训课题，一方面，是因为项目的 研制开发有一定实用性，这些项目都是经过了可行性分析的，能够在实际的生 活中运用的，避免了学生做实训和做实验混淆的情况；另一方面，能够来做一 6 贵州大学硕士研究生学位论文 些与实际的运用相关的项目，对培养学生的兴趣有极大的促进作用，他们还可 以结合自己的实际情况对项目的开发进行改进，在实训的过程中，有些学生可 能会提出很好的设计方案，能够实现单片机的低功耗、高性能的设计目的，充 分体现了单片机教学的创新性。 我们的每个实训课程大至给学生两、三周的时间来设计，一般是安排的学 期末，学生已经掌握了单片机课程的基本原理或是已经做过一些简单单片机的 实验的基础上进行，对单片机的每个功能模块的有了初步的了解。时间上的安 排也是很充分的，因为如果学生自己不能提出合理的解决方案，我们还有可供 选择的项目参考方案，学生可以按照我们给出的参考方案来完成实训任务。 在每个实训课题的最后，给出这个课题的详细的设计，从元器件的选材， 到软、硬件的设计；选取的每个项目功能侧重点不同，学生可以从不同的实训 课题中，起到学习、巩固单片机课程的目的。 下面我们将详细介绍每个项目，从对学生的具体要求、达到的目标，以及 项目的总体设计、硬件设计、软件设计、测试等几个方面，来介绍这套教学改 革方案的实施。 单片机实训课程的创新设计探讨 第三章实训( 一) 基于f m l 7 0 2 读卡芯片的智能水表设计 3 1 实训课题简介 基于f m l 7 0 2 读卡芯片的智能水表设计是利用f m l 7 0 2 读卡芯片读出射频卡的 余额，并根据用水情况实现对水表进行预付费，用水情况实时显示的系统，即利 用射频读卡技术实时显示剩余预付金额的一种设备。 当用户将开户的射频卡放到水表的读卡部分时，在水表的l e d 显示部分即显 示射频卡内的余额，同时将水表的阀门打开。水表的用户可以看到自己卡上的余 额，当用户将卡拿开时，水表的开关即被关闭。此次的用水量，用水时间将被数 据总线传输到后台数据库中保存。当卡内的余额不足时，水表部分蜂鸣器会每隔 一定的时间会产生蜂鸣声，提醒用户及时充值。当射频卡内的金额用完时，射频 卡会将水表的阀门关闭，当卡片再次被充值后水表的阀门才能打开。 智能水表是根据用户卡购水量实现计量计费及自动控制用水的产品，具有人 工抄表所无法比拟的优点，用户使用时持卡到自来水供应部门或销售站按自己的 需要交款购买一定数量的水，供水部门在计算机销售系统上将用户的预购量写入 射频卡内，用户将含有购水量的射频卡靠近水表时，当进入到射频卡的读卡范围 时，由系统识别该卡有效则读出数据。我们这款水表的在设计时，显示的是卡中 的余额。 3 2 实训要求 设计基于f m l 7 0 2 读卡芯片的水表设计，实现每户一卡，卡中存有水费金额， 用户在用水时能够看到余额的变化情况。当射频卡进入读卡范围的时候， 水表自动开启，并且l e d 显示部分开始显示卡内的余额。当水表的余额不 足时，水表的蜂鸣器会发出蜂鸣声，提醒用户充值。 实现用单片机测量用水量，以用来卡内余额的计算。 实现用单片机及辅助电路实现对电磁阀的控制。 8 贵州大学硕士研究生学位论文 3 3 实训时间安排 3 - 5 天，学生给出自己的设计方案； 3 - 5 天，准备元器件：a t 8 9 c 5 2 、f m l 7 0 2 读卡芯片、s s 4 0 霍尔传感器。绘 制电路原理图、生成p c b 板： 其中在绘制电路图的过程中，由于印制p c b 板要到专门的生产厂家印制， 所以在实训中，我们只在p r o t e l 中绘制电路原理图、生成p c b 板的，焊接元器 件的过程是在面包板上完成的。 1 - 2 天，焊接元器件； 5 7 天，调试程序； 1 - 2 天，完成实训报告。 3 4 实现目标 在这个项目的实训中，我们要求学生能够独立地完成从项目的设计方案的 提出、射频卡芯片的选择、硬件电路图设计、软件程序设计，调试的完成。在 实训的过程中，学生们应该从中掌握以下的内容： ( 1 ) 学会基5 1 系列芯片a t 8 9 c 5 2 的应用 ( 2 ) 学会射频芯片f m l 7 0 2 的应用 ( 3 ) 学会设计射频卡电路图 、 ( 4 ) 学会l e d 显示的设计 ( 5 ) 学会在单片机与传感器电路连接的一些应用 ( 6 ) 了解耦合电路在工业控制中的作用 ( 7 ) 锻炼了焊接电路板的能力 3 5 实训课题的背景 因为水表的抄表、收费问题一直是居民和自来水公司关注的核心问题，传 统的机械水表虽然在测量水量技术上已经很成熟了，但是工作人员在进行抄表 的过程中仍然会产生一些不可避免的误差。而针对用水量较大的大学生宿舍， 每个人的用水量不同，收费又成了一个急待解决的问题。针对这种情况，我们 提出了这款基于f m l 7 0 2 读卡芯片的智能水表实现了水表预付费，终端用户对自 己的用水情况清楚了解，控制端对每个水表的用水情况有所记录，便于查询和 管理。 单片机实训课程的创新设计探讨 3 6 实训课题的解决 我们将提够给学生解决本课题的方案，让学生在了解本系统所涉及的每个 芯片之后，能够了解一个完整的单片机项目的研发过程。在给出的方案中将对 使用到的m c u 的功能模块做详细的说明。 3 6 1 实训课题概述 本部分设计方案是从可行性实施、技术路线等方面来对项目做的整体设计。 考虑到学生实训时间的紧迫，我们所做的总体方案可以简化，或者按模块化的 思想来对整个项目做总体的设计，或者是作为实训过程中一项可参考的方面。 目的是让学生从一个项目中学到总体设计的文档书写、可行性报告的分析、技 术路线的实施，为学生今后的项目开发打下良好的基础。 3 6 2 可行性分析 这是在系统设计时必需的，这关系到设计的产品是否能够满足用户的需 求，是否有意义。可行性分析只是从文档的方面锻炼学生对于系统整体上的认 识，培养学生独立思考的能力，防止对将要设计的系统进行盲目开发，或是无 从下手。 我们设计的基于f m l 7 0 2 读卡芯片的智能水表，方便了工作人员抄表， 使每位水表用户对自己的用水量一目了然，并且也解决了原有的机械水表的读 数误差的问题。更重要的是，如果在用水量较大的大学生宿舍中安装上这种智 能水表，就会解决学生宿舍中用水不均的问题，而且还能有效地节约水资源， 为可持续发展战略做出贡献。每户水表的设计如下图3 1 所示，水表的用水信 息可以通过串口线传输到附近的控制机，作为保留数据，方便对用户信息进行 查询1 2 4 1 。“其它表”部分是预留的，是为了方便做一卡通扩展用的，在这里我 们只做水表的开发1 1 0 1 。 1 0 贵州大学硕士研究生学位论文 臣三) 囝 、 、 医办誓多一 碡骢涸 匦基 占多， 3 6 3 技术路线 图3 1 智能水表总体设计图 是学生根据需求所制定出的具体的实施方案，作为本套教学实施系统，我 们在实训课程中提供了技术路线供同学们参考，目的是帮助学生完成实训，不 至于走技术弯路。 我们选取的这个系统涉及水量的测量、射频卡的读写、l e d 显示，在元器 件的选择方面涉及读卡部分核心芯片的选取、传感器的选取、数据传输方式的 选择。其中射频卡的设计分为两个部分来，包括射频卡的读取和写入。读取部 分在和水表设计成一个系统，射频卡的写入设计是用为了方便自来水公司给用 户充值时使用的，是基于p c 机的读卡器，是为方便用户开户、销户、预存水费 设计的，此读卡器通过串口或是u s b 接口与p c 机相连。此系统的研制在上，射 频卡读取部分采用复旦微电子股份有限公司设计f m l 7 0 2 作射频卡的读取芯片， a t 8 9 0 2 0 5 2 做读卡器的m c u ，水量的测量选用的是一个霍尔传感器，水表的开关 选用的是电磁阀作为开关，技术涉及了微电子技术、嵌入式技术、传感技术、 射频以及网络传输技术i l 引。 3 7 实训课题参考方案 制。 本课题终端的用户水表有三部分构成：读卡器部分、水量的测量和开关控 单片机实训课程的创新设计探讨 其中用水量是通过水表的机械部分测得的，剩余的预付金额可以根据用水 量和水的单价来计算的。 为了便于自来水公司对每个用户用水量的基本信息查询进行，每次的用水 量信息都会通过网络传输到数据接收中心，控制中心记录着用户使用水量的详 细情况，数据接收中心设置在离小区内离居民楼较近的地方，网络传输采用的 是r s 4 8 5 总线的传输m 1 。 下面图3 2 所示为智能水表硬件部分的模块图。单片机选用a t m e l 公司 a t 8 9 c 5 2 ，射频卡读取部分芯片为e v i l 7 0 2 ，射频卡的天线部分采用的是矩形天 线。 。 又由于是实训教学的要求，我们将向学生重点介绍a t 8 9 c 5 2 和f m l 7 0 2 的 各个功能模块及应用。 匝噩盈g 。 基 k d 显示及键p 车司接口电路 a ? r | b 9 c 5 2 匝亘p 令c = d 加采集模块 b 源及其他器科c = 。 = 刮电磁阀水控开矧 c = = 书钟芯片d s l 3 0 2 劂 3 7 1 核心芯片 图3 2智能水表的模块图 智能水表的中单片机的工作是处理卡内金额、将此次的用水量进行保存。 本系统中采用的单片机是a t 8 9 c 5 2 ，a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低 电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的反复擦写的只读程序存储 器( p e r o m ) 和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，器件采用a t m e l 公司 的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8 位中央处理器( c p u ) 和f l a s h 1 2 贵州大学硕士研究生学位论文 存储单元 2 1 l ，a t 8 9 c 5 2 的功能图如下图3 3 所示。主要的性能参数如下： 与标准m c s - 5 1 指令 8 k 字节可重擦写f 1 2 5 6 字节的内部r a m 系统及8 0 5 2 产品引脚兼容 a s h 闪速存储器 3 2 个可编程i o 口 3 个1 6 为定时计数器 8 个中断源 可编程串行u a r t 通道 图3 3 a t 8 9 c 5 2 功能图 1 3 单片机实训课程的创新设计探讨 引脚功能说明： v c c ：电源电压 g n d ：地 p o 口：p o 口是一组8 位漏极开路型双向i o 口，也即地址数据总 线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个t t l 逻辑门电路，对端口p 0 写“1 时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器是，这组口线分时转换地 址( 低8 位) 和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 p 1 口：p l 是一个带内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 1 的输出缓冲 级可驱动( 吸收或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对端口写“1 ， 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入 口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会 输出一个电流( i i l ) 并且，p 1 o 和p 1 1 还可分别作为定时器计数 器2 的外部计数输入( p 1 o t 2 ) 和定时计数2 捕获重装载触发和 方向控制输入( p 1 1 t 2 e x ) p 2 口：p 2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向i 0 口，p 2 的输出缓 冲级可驱动( 吸收或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对端口p 2 写 “1 ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口， 作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉 低时会输出一个电流( h l ) 。 在访问外部程序存储器或1 6 位地址的外部数据存储器( 例如执 行m o v x d p t r 指令) 是，p 2 口送出高8 位地址数据，在访问8 位 地址的外部数据存储器( 如执行m o v x r i 指令) 时，p 2 口输出p 2 锁存器的内容。 p 3 口：p 3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向i 0 口。p 3 口输出 缓冲级可驱动( 吸收获输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对p 3 口写 入“1 ”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被 外部拉低的p 3 口将用上拉电阻输出电流( 1 1 1 ) 。 此外，p 3 口还有第二功能，我们在此只用到了p 3 口的第二功能， 如下表3 1 所示： 1 4 贵州大学硕士研究生学位论文 表3 1p 3 口的第二功能表 端口引脚 第二功能 p 3 0 r x d ( 串行输入口) p 3 1 t x d ( 串行输出口) p 3 2 i n t o ( 外中断0 ) p 3 3 i n t l ( 外中断1 ) p 3 4 t o ( 定时计数器0 ) p 3 5 t l ( 定时计数器1 ) r s t ：复位输入。当振荡器工作时，r s t 引脚出现两个机器周期以上的 高电平将使单片机复位。 a l e p ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，a l e ( 地址锁存允 许) 输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，a l e 仍以时 钟振荡频率的1 6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或 用于定时目的。 3 7 2f m l 7 0 2 读卡芯片 f m l 7 0 2 是复旦微电子股份有限公司设计的基于i s 0 1 4 4 4 3 标准的非接触式 读卡机专用芯片，采用o 6 微米的c m o se e p r o m 工艺，支持1 3 5 6 m h z 频率下的 t y p e a 非接触通信协议，支持多种加密算法，兼容p h i1i p s 的m fr c 5 0 0 读卡机 。 芯片。 ( 1 ) 芯片的参数： 操作距离可达l o c m 支持i s 0 14 4 4 3 t y p e a 协议 内部带有加密单元 包含5 1 2 b y t e 的e e p r o m 包含6 4 b y t e 的f i f o ( 输入输出寄存器) 数字电路具有t t l c m o s 两种电压工作模式 单片机实训课程的创新设计探讨 软件控制的p o w e rd o w n 模式 一个可编程计时器 一个中断处理器 一个串行输出输入口 支持m i f a r e 标准三重认证算法 ( 2 ) 在本系统中用到的f m l 7 0 2 的寄存器组功能介绍： t x c o n t r o l ：控制发射器逻辑行为。 地址为：o x ll c w c o n d u c t a n c e ：选择发射脚t x l 和t x 2 发射天线的电导。地址为：o x l 2 m o d w i d t h ：定义调制宽度。地址：o x l 5 。位描述为： 位位名功能 7 - 0m o d w id t h 定义调制宽度t m o d = 2 ( m o d w i d t h + 1 ) f c r x c o n t r o l l ：控制接收器行为。地址为：o x l 9 d e c o d e r c o n t r o l ：控制解码器行为。地址为：o x l a b it p h a s e ：调整发射器和接收器时钟相差。地址为：o x l b 位位名功能 7 - 0b it p h a s e 定义发射器和接收器时钟的相位差，该 值影响数据接收质量 r x t h r e s h o l d ：选择b i t 解码的阈值。地址为：o x l g 。位描述位： 位 位名功能 7 - 0r x w a i t 数据发送后，接收器等待r x w a i t 定义的b i t 时钟数，在这段时间内，r x 上收到的任何 信号都被忽略 r x c o n t r o l 2 ：解码控制及选择接收源。地址为：o x l e c 1o c k q c o n t r o l ：控制q 时钟产生。地址：o x l f r x w a i t ：选择发射和接收之间的时间间隔。地址为：o x 2 1 。位描述为： 1 6 贵州大学硕士研究生学位论文 位位名功能 7 - 0r x w a i t数据发送后，接受器等待r x w a i t 定义的b i t 时钟数，在这段时间内，r x 收到的任何信 号都被忽略 f i f o d a t a 寄存器：6 4 b y t e 的f i f o 的输入输出寄存器。地址为：o x 0 2 ( 3 ) e e p r o m 结构 l o h e x 和2 f h e x 寄存器在初始阶段会被自动初始成寄存器复位初始值存放 区内的值。 在f m l 7 0 2 中密钥必须以规定的格式存放在e e p r o m 内。每一b y t e 的密钥 分为低四位( k o 到k 3 ) 和高四位( k 4 到k 7 ) ，每四位按位及位反存放在一个 b y t e 内。 ( 4 ) 通讯 f m l 7 0 2 有独立的读写选通模式和通用的读写选通模式，通用的读写选通 模式读写信号线独立和读写信号线通用。在独立的选通模式下，读信号与写信 号是分开的，单片机的r d 接f m l 7 0 2 的n r d 端，单片机的w r 接f m l 7 0 2 的n w r 端。在通用的选通模式下，读信号与写信号是用一个的，单片机的r d 与w r 共 同接f m l 7 0 2 的r n w 端。n d s 用来产生读写周期，读写使能。我们在智能水表 的设计中选用的是独立的选通模式。 f m l 7 0 2 主要是通过写通讯命令、参数、数据到f i f o d a t a ，在通过写命令 到c o m m a n d 实现与m l 卡的通讯。 f b l l 7 0 2 通讯主要分为四步： 第一步：寻卡，写通讯命令2 6 h 或5 2 h 到f i f o d a t a ，写命令1 e h 到c o m m a n d ， 成功后得到卡类型。 第二步：选择，写通讯命令9 3 h 到f i f o d a t a ，写命令1 e h 到c o m m a n d ，成功后 得到卡号。 第三步：认证，通过l o a d k e y 写k e y 到k e y 缓存，写参数命令6 0 h ( 认证a 密 码) 或6 1 h ( 认证b 密码) + 块地址+ 卡号到f i f o d a t a ，写命令o c h 到 c o m m a n d ，成功后再写命令1 4 h 到c o m m a n d ，此操作卡不返回数据，通 过读取标记判断是否成功 单片机实训课程的创新设计探讨 第四步：直接对卡进行读写增减值操作，也就是通过在f i f o d a , t a 上写入命令参 数及数据，通过写命令1 e h 到c o m m a n d 实现。 在第二步选择阶段，如果有不止一张的卡是，系统就会同时应答。f m l 7 0 2 支持i s 0 1 4 4 4 3 - a 规定的算法，通过防冲突循环来解决卡序列好的数据冲突问 题，该算法的基础是检测位冲突。 我们在这个算法中使用位编码机制。如果在某位的前半和后半部分都检测 到副载波调制，就会发送不是一个1 或一个0 而是一位冲突信号。这个算法在 程序的选卡部分实现。 在卡的认证过程中，要用到三重认证算法。我们在这部分直接使用的是开 发包提供的代码。在这里只介绍三重认证算法的操作指令。它是基于密钥长度 为4 8 b i t 的私有加密数据流。在认证指令执行过程中，f i , 1 1 7 0 2 从内部密钥缓冲 器中读取，因此认证指令时无需指明密钥存储地址。认证的步骤如下： 第一步：通过l o a d k e y e 2 或者l o a d k e y 加载密钥到内部密钥缓冲器； 第二步：启动h u t h e n t l 指令，结束以后，检查错误标志来判断执行结果； 第三步：启动h u t h e n t 2 指令，结束以后，检查错误标志以及c r y p t o l o n 标志来 判断执行结果。 3 7 3a d 采集模块 本系统中所用到a d 采集模块是用来采集用水量的，水量的测量我们采用 的是一个霍尔传感器。因为在水量的测量的过程中需要准确、灵敏，才能将实 际使用的水量计算出来。因此在传感器水量的检测部分用到是一个霍尔元件， 它是利用霍尔效应原理将被测物理量转换为电动势的传感器1 7 l 。 霍尔元件使用的基本原理是：在普通转盘计数的水表上中加装霍尔元件和 磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器。霍尔元件固定安装在技术转盘附 近，永磁铁安装在技术盘位上，当转盘每转一圈，永磁铁经过霍尔元件一次即 在信号端产生一个计量脉冲。霍尔元件的信号端可以直接接到单片机的引脚 l l l l 。 1 8 贵州大学硕士研究生学位论文 3 7 4 水表的开关 水表的开关部分使用的是m d f 型脉冲式电磁阀。由于控制电磁阀使用的电 压是2 4 v 的，而单片机不能输出这么高的电压驱动信号，所以在用单片机进行 控制的时候，采用耦合电路加了一个三极管来驱动电磁阀。 3 7 5 硬件连线图 图3 4 智能水表的电路设计图 智能水表的硬件中，u l 为f m l 7 0 2 ，u 2 为a t 8 9 c 5 2 射频卡内的余额是通过 l e d 数码管显示的。u 1 的d o - d 7 通过排阻和u 2 的p 0 0 一p 0 7 相连，u 2 的a l e p 、 r d 、脓分别和u 1 的a l e ( 地址锁存使能) 、n r d ( 读信号) 、n w r ( 写信号) ， p 2 6 、p 2 7 分别和u 1 的n c s ( 片选信号) 、r s t ( 复位及掉电信号) 实现将在天线 检测范围内的卡片内的余额显示到l e d 上。 l e d 数码的显示是u 2 根据卡内的余额来选择点亮的。其中d s 3 的小数点是 位是选中的。后面的两位是用来显示小数的，精确显示到几分。当把智能卡放 单片机实训课程的创新设计探讨 到水表上时，随着用水量的增大，卡内的余额将会减少，而l e d 将会实时显示 卡内的余额。u 2 的p 2 o 、p 2 1 、p 2 2 、p 2 3 、p 2 4 分别用来选择l