实践课程的实施与效果的研究

1、理论课程的施行与效果的研究摘 要:单片机系统设计是一门理论性和应用性都很强的课程。为了充分激发学生的创造力,使学生熟悉单片机应用系统的研制和开发过程,掌握单片机的设计原理和开发步骤,我们开设了单片机系统设计综合理论课程。本文阐述了此综合理论课程的施行方案,给出了典型的设计范例。经过几年的教学理论,本课程获得了良好的教学效果。关键词:单片机系统;综合理论课程;理论教学1 前言2 任务与要求利用伟福Lab6000系列单片机仿真实验系统构成简单实用的单片机系统,要求如下:(1)充分应用MCS-51系列微处理器和伟福Lab6000系列单片机仿真实验系统所提供的硬件资源,自由选题实现一个简单实用的单片机

2、系统。(2)要求具备必需的人机接口。(3)可以选用汇编或C51语言进展控制程序开发。设计的系统性能如下:(1)系统运行稳定,具有一定的抗干扰和故障自测才能。(2)系统设计平安可靠,具有出错报警和应急关闭才能。(3)系统精度到达一般民用品的根本要求。(4)人机接口界面友好、直观、操作简单。另外,我们提供了一些选题供学生拓展思路,主要有:(1)出租车计价器。(2)温度控制系统。(3)可编程交通灯系统。(4)PWM电机调速系统。(5)数字温度计。(6)数字频率计。3 设计范例3.1 PWM电机调速系统PWM电机调速系统如图1所示,系统包含电机驱动电路和测速电路,两者构成闭环系统。电机驱动采用脉宽PW

3、M调压电路,测速电路的核心部件是霍尔元件。霍尔元件是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。在外磁场的作用下,当磁感应强度超过霍尔元件导通阈值BOP时,霍尔元件输出管导通,输出低电平。假设外加磁场的B值降低到BRP时,输出管截止,输出高电平。在直流电机的转盘上粘贴着一枚小磁铁,霍尔元件安装在转盘附近,每当磁铁靠近霍尔元件时霍尔元件导通,输出低电平,远离时霍尔元件截至,输出高电平。这样,直流电机转动一圈,霍尔元件就会输出一个脉冲,通过这个原理可以测出电机的转速。PWM是单片机系统中常用的模拟量输出方法,通过外接的转换电路,可以将脉冲的占空比转化成电压。直流电机的转

4、速和驱动电压呈近似线形关系,改变脉冲的占空比,就可以改变直流电机的转速。系统构造图如图2,闭环工作时,测速电路测得的转速和给定的转速相减获得差值e,根据差值e运用PID增量控制算法获得控制量,即占空比,通过MCS-51的口线输出给定占空比的脉冲,再通过转换电路转化成电压来驱动直流电机。系统控制算法采用增量型PID控制算法,假设k时刻电机当前转速是y(k),给定转速是r(k),PID控制器输入信号为e(k),输出信号为u(k),那么离散的PID递推算法如下:图2 PWM直流电机调速系统构造图3.2 数字温度计数字温度计的核心电路温度传感器调理电路如图3所示,温度传感器采用负温度系数的热敏电阻(N

5、TC),NTC的阻值随着温度的上升而非线性下降,详细温度-阻值特性为(4)式中,RT 、 RT0是温度分别为T、T0 时的电阻值;B为负温度系数热敏电阻的材料常数3。固定电阻和NTC组成的电阻桥输出电压随NTC阻值的变化而变化,这种变化经过差动放大器的放大后送给AD转换器转换成数字量,详细转换遵循以下公式:(1) 电桥输出电压u(5)(2) 差动放大器输出电压 u(一般R7=R8,R9=R10)图3 数字温度计原理图2一般情况下,会事先根据NTC的温度-阻值特性计算出一张温度-阻值对应表。根据AD转换的数字值逆运算获得当前NTC的阻值,再根据NTC的温度特性表运用分段查表和表项间线性运算就可以

6、获得当前温度值,把当前温度在输出设备(如七段数码管、LCD)上显示出来就构成了完好的数字温度计。本范例也可在其他温度测量的系统中应用。3.3 出租车计价器出租车计价器是一个较实用的设计范例,它的构造如图4。出租车计价器包含里程测量电路、实时时钟电路和人机接口。出租车计价器里程测量的核心部件是霍尔元件,详细电路和图1的测速电路一样。在轮胎的转轴上粘贴了6个小磁铁,轮胎转动一圈,霍尔元件就会输出6个脉冲,对脉冲进展计数就可以获得轮胎转动的圈数,圈数乘以轮胎的周长就可以获得车辆行驶的里程数。图4 出租车计价器构造框图显示设备可以采用七段数码管或LCD,用来显示当前时间、行驶里程数、里程单价、和行驶里

7、程价格等信息。还需要少量的按键或矩阵式键盘用于输入里程单价、开始计价、清零、时间设置等操作。4 施行过程4.1 根据任务与要求进展总体规划与设计这个过程包括: 课题选择。 硬件模块的选择和设计。 软件整体流程的设计。 查找各种所需资料。综合理论课题题目是不是新颖,是不是可以激发学生的创造性和好奇心,直接影响学生实验的积极性,有的学生觉得做实验非常无聊,就是因为他们的好奇心和热情没有被激发起来。而集知识性、兴趣性、创造性于一体,能应用所学知识解决详细问题的综合理论课题,是本综合理论的最大亮点,也是本教学环节区别于其他教学环节的标志。我们要求学生考虑在实际生活中能应用单片机系统技术能解决的详细问题

8、,并且考虑伟福Lab6000系列单片机仿真实验系统所能提供的硬件资源,选择一个有自己特色、能在两周内独立完成的题目,题目要求新颖,鼓励创造性的思维,并且能解决实际生活中的详细问题。受限于实验条件,硬件设计无法完全按照单片机系统设计的一般方法和标准步骤来施行。在教学过程中,我们要求学生可以根据伟福Lab6000系列单片机仿真实验系统所提供的硬件资源自主地完成硬件部分的理论设计,也可以不完全局限于此实验平台进展理论设计。理论设计完全遵循单片机系统设计的一般流程,学生自己查阅资料,设计硬件电路图。指导老师对硬件部分的理论设计进展评审后,再根据详细的实验平台指导学生完成课题。软件设计可以采用汇编语言或

9、Keil C51高级语言开发环境来实现,这两种软件开发环境是当前MCS-51系列单片机系统开发的主流环境。根据学生选题的特点,指导学生选择较为容易实现的开发环境。4.2 根据总体规划施行软硬件的开发与设计这个过程包括: 硬件连接。 软件编程。 软硬件联调。在这一过程中主要培养学生的硬件设计才能、编程才能和积累软硬件调试经历,纯熟掌握单片机系统中人机接口的设计、控制算法设计、硬件驱动程序设计,体会理论与理论之间的差异,对单片机系统的设计与实现由理性认识转化为感性认识,激发学生的求知欲望,锻炼学生抑制困难解决问题的才能。4.3 交流总结在2周的综合理论中抽出一天时间让才能较强的学生陈述他的设计思想

10、和设计过程、设计中的难题和解决方法以及自己的心得体会。让进展不顺的学生提出他在设计中没能解决的难题,全班同学共同讨论,集思广益,找到解决问题的方法。这样可以使学生互相学习,取长补短,拓宽知识面,活泼思维,能在以后的工作和学习中更好地完成任务。4.4 完成理论报告及验收评分最后两天是综合理论报告的完成阶段,在进展了两周的综合理论以后有必要好好地总结一下,把自己在综合理论中所学到的知识以文字的形式表述出来,这样更有助于程度和才能的进步。理论报告完全按照毕业论文要求书写,包含中英文摘要、设计任务与要求、系统构造及工作原理、主要单元电路的设计过程、控制软件的编写及调试、测试数据及调试中故障分析、收获和

11、体会、参考文献等部分。要求学生重点讲述清楚故障分析和收获体会。综合理论成绩由平时表现、理论报告、设计成果、创新点4部分组成,成绩构成比例是2:3:4:14。5 效果经过几年的教学理论,单片机系统综合理论教学环节获得的效果主要表达在以下几个方面:(1)让学生掌握了单片机系统设计的一般原理及其根本的实现过程,实现了从理论向实际的迁移,强化了学生所学的知识。(2)让学生掌握了单片机系统硬件、软件设计的根本方法,具备了软硬件相结合的系统设计的根本才能和调试经历。(3)本综合理论的课题真实性很强,让学生经历了单片机系统设计的全过程,进步了学生的研制开发才能和创新才能。(4)本综合理论涉及到多学科、多知识点,是计算机软硬件知识的