结合《单片机原理》与《传感器技术》课程设计

一、引言 《单片机原理》属于电子技术类专业的基础课程之一，旨在培养学习者软、硬件结合的微控系统设计能力[1]。该专业学生在掌握部分程控原理的基本知识、智能电路的编程控制及仿真软件的综合运用技能后，即可设计具有一定实用价值的智能控制系统，因此该课程内容在电子技术专业全学程中工程实践性较强，且备受推崇[2]。目前，单片机以其智能型、经济型优势广泛应用于仪器仪表、家用电器、网络通信、工业控制、医疗设备、汽车电子等领域，其教学设计与相关专业学科的关联性显著[3]，其中与《传感器技术》课程的衔接具有代表性。 传感器技术作为信息获取的源头技术，是物联网工程专业的基础课程之一。依据国家标准，传感器被定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。由传感器采集的信号将主要应用于智能型系统的分析与处理，而结合《传感器技术》与《单片机原理》课程内容设计综合案例，即可实现智能系统的前端采集与过程控制的教学衔接，有望为学习者搭建一个全景的智能系统设计平台[4]。因此，建设两门课程的综合案例库并以专题形式授课，可以视为提高专业学习者电子设计能力的有效途径。此外，高质量的案例库还有助于强化两门课程间的衔接，拓展专业知识体系的深度和广度，进而推动专业课程群的建设。 二、案例库的建设方法 1.精选案例 依据两门课程的知识结构，以《单片机原理》先于《传感器技术》授课为前提，案例的选取可参考的原则大致如下： （1）甄选趣味性强、情景直观、内容完整的教学案例，以吸引专业学习者的兴趣为宜。 （2）选取具备技术推广价值且具有代表性的优势案例开发，力争学以致用。 （3）结合C语言编程与电子仿真技术[5]，开发基于单片机控制的智能传感系统，优化案例的教学形式。 2.分析课程关联方式 《单片机原理》课程以51系列单片机处理器为核心，其主要知识点可划分为基础知识模块、输入输出模块、数据采集模块、数据通信模块、信号与算法模块、I/O扩展模块、机电控制模块等。 《传感器技术》课程主要涉及的传感器类型包括电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、半导体物性传感器、智能温度传感器、湿度传感器、压力传感器、液位传感器、流量传感器等。结合《传感器技术》课程的学习目标，课程教学中主要解决传感器的数据测量及误差处理、数据标定与校准、工程检测与系统集成等问题。 图1 课程联合模块的知识体系结构 据此，综合案例库的开发需借助两门课程知识体系的关联，其关联方式如图1所示。图1中虚线框内覆盖了单片机课程的主要知识点，传感器技术部分则主要部署于课程联合体系的前端与末端，结合两门课程开发的综合案例可呈现出基于单片机的智能控制系统的完整实例，且综合案例选取与开发以结合图1中更多知识模块的内容为最佳。 3.案例库建设路线 目前，《单片机原理》与《传感器技术》课程属于我院电子技术、物联网工程专业的主干课程，其各自的教学内容与知识体系已趋于完整，课程的教学设计与教学用例也力求精致、统一。根据课程组已经运用的教学材料及教学方法，整合更为完善的综合案例库，将其建立在两门课程已有的案例素材基础之上，课程组通过改进或加工案例使其知识结构更加完整、授课内容更加统一，进而形成综合案例库。因此，综合案例库的建设大致包括收集素材、设计案例、整合资源及案例实施四个阶段，如图2所示。 图2 案例库建设的基本路线 三、案例库的实例解析 为了有效结合两门课程的主要知识模块，综合案例库的取材尽可能涵盖如下几个方面：①具备传感器采集技术的感知模块，需要进行数据解析；②感知数据能够采用单片机控制，转换并处理成为数字信号；③系统的数据输出单元或系统集成检测过程需配备交互式模块。 以上述要求为依据，综合案例库的建设可参考实例如下： 1.温控系统设计 基于单片机的智能温控系统设计在传感器应用方面具备典型性[6]。如图3所示，以DS18B20温度传感器为采集终端，连接相应硬件模块并在单片机中载入智能温度传感器的驱动程序、温度采集及处理程序、温度查询及电机控制程序、液晶驱动及数据显示程序等，即可完成案例的教学设计。 图3 智能温控系统的电路 该案例始于智能温度传感器的数据输出，经过单片机的数据采集、信号处理、数据显示、数据输出、机电控制等模块，实现温度控制的基本功能。在此案例中，学习者首先需要掌握数字温度传感器的采集技术，然后通过单片机的编程控制实现数据处理、输出、显示、控制等相关功能，属于《单片机原理》与《传感器技术》相结合的代表性用例。 2.压力称重系统 图4 压力称重系统的电路 与温度控制系统类似，基于压力传感器的电子称重系统设计也属于单片机与传感器技术相结合的典型用例[7]。如图4所示，MPX4115传感器是压力称重系统的数据采集端，数据经过A/D转换后，送入单片机中处理并于液晶1602中显示交易价格。当称重系统获取数据后，需结合键盘输入模块，输入称重物品的单价，由单价乘以重量得到物品的价格并完成显示输出，实现电子称重功能的设计。 该案例将输入模块、A/D采集模块、数据处理模块、数据输出模块与气体压力传感器的应用相结合，其功能与实际应用中的电子秤类似，同时学习者还要求掌握MPX4115输出特性以及与之相关的数据采集和数据修正方法，实现了《单片机原理》与《传感器技术》课程内容的综合设计。 3.综合案例库的参考项目 通过梳理《单片机原理》与《传感器技术》课程的知识模块，基于不同类型传感器的功能，以工程应用为主要设计目标，笔者甄选的综合案例库参考项目如表1所示。 表1 综合案例项目一览表序号 案例名称 采用的传感器 知识模块1 温控装置设计 数字温度传感器数据采集、处理、输出、电机控制2 简易节水装置的设计 湿度传感器 数据采集、处理、输出、电机控制3 二氧化碳检测装置的设计二氧化碳浓度传感器 数据采集、转换、输出4 可燃气体烟雾报警装置的设计 烟雾传感器 数据采集、转换、输出、电机控制5 超声波测距装置的设计 超声波传感器 数据采集、处理、输出6 智能大棚卷帘装置的设计数据采集、转换、输出、电机控制7 电子称重简易装置的设计光照强度传感器MPX4115压力传感器 数据采集、处理、输出8 流水线计数装置的设计霍尔开关、光电开关 数据采集、处理、输出数据采集、转换、输出、电机控制10 简易水表的设计 流量传感器 数据采集、转换、输出、电机控制11 家庭防盗报警器的设计9 水库水位控制简易装置的设计D3B压力传感器红外热释电传感器 数据采集、处理、输出 四、综合案例库的授课 鉴于我院目前实施的专业培养方案，《单片机原理》与《传感器技术》课程在授课内容与开设时间上紧密衔接，前者作为后者的先修课程，会在第四、第五两学期分别开设，为两个专业的学生进行智能控制系统的设计与开发提供可能。就综合案例的教学形式而言，其理论与实验授课方式可根据不同专业教学目标和学习者知识储备情况而定。 在《传感器技术》课程后期讲授案例，学习者在掌握部分敏感元件感知技术和单片机的应用技能后，以专题形式讲授即可实现综合系统的完整性教学设计。 在《单片机原理》课程后期开展综合案例教学，限于传感器技术的知识储备不足，授课中需部分弱化信号采集模块的分析，而着眼于智能控制部分的讲授。 与此同时，不同程度的综合案例授课内容将决定其实践环节采用的授课形式也不尽相同。就《单片机原理》课程教学目标而言，学生以掌握程控技术、编程能力为主旨，其综合案例的配套实验可以通过电子仿真平台完成。如果综合案例的实践环节以校内综合实践形式开展，那么设计一款功能齐备的智能控制装置就需要以实物作品形式来完整呈现。 需要注意的是，综合案例教学实施过程中，案例的讲解与实践的内容应避免完全一致。教学实践中，可以通过调整系统设计参数或拓展部分逻辑功能，强化学习者对系统设计的理解与变通能力。同时，为了避免学习者对网络资源的过度依赖，还需加强实践环节的过程考核与监督，以确保实践内容的真实、有效。 五、结论 结合《单片机原理》与《传感器技术》的综合案例设计贯穿着电子设计活动的始终，从元器件认知、敏感元件功能分析、仪器仪表使用、电路设计与仿真、硬件制作、软件编程、软硬件联调等方面，综合培养学习者的工程设计能力。对于缺乏工程经验的部分学习者而言，综合案例的学习与实践是一次不可多得的设计经历，为其增强电子设计技能，顺利完成毕业要求相关指标奠定了较好的基础。 [1]刘喜双,姚健.单片机课程实践教学改革探索[J].教育探索,2013(8)：31-32. [2]张婧婧,李勇伟.单片机课程的项目驱动教学研究与探索[J].电气电子教学学报,2014,36(6)：87-88+92. [3]马光喜,李良荣,李震.电子设计教学与课程体系研究[J].实验室研究与探索,2014,33(7)：165-168+188. [4]张婧婧,李勇伟.以应用为“锚”的传感器课程教学方法研究[J].计算机教育,2017(1)：152-154. [5]陈龙,张亚君.Proteus仿真软件在单片机实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2009,26(8)：73-75. [6]闫双红,钱珊珠,王楠,等.基于单片机的智能温度控制系统设计[J].农机化研究,2012,34(10)：191-194. [7]钱婷婷,李正明,石鑫,等.基于单片机的自动称重系统[J].制造业自动化,2014,36(16)：116-117+149. 一、引言《单片机原理》属于电子技术类专业的基础课程之一，旨在培养学习者软、硬件结合的微控系统设计能力[1]。该专业学生在掌握部分程控原理的基本知识、智能电路的编程控制及仿真软件的综合运用技能后，即可设计具有一定实用价值的智能控制系统，因此该课程内容在电子技术专业全学程中工程实践性较强，且备受推崇[2]。目前，单片机以其智能型、经济型优势广泛应用于仪器仪表、家用电器、网络通信、工业控制、医疗设备、汽车电子等领域，其教学设计与相关专业学科的关联性显著[3]，其中与《传感器技术》课程的衔接具有代表性。传感器技术作为信息获取的源头技术，是物联网工程专业的基础课程之一。依据国家标准，传感器被定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。由传感器采集的信号将主要应用于智能型系统的分析与处理，而结合《传感器技术》与《单片机原理》课程内容设计综合案例，即可实现智能系统的前端采集与过程控制的教学衔接，有望为学习者搭建一个全景的智能系统设计平台[4]。因此，建设两门课程的综合案例库并以专题形式授课，可以视为提高专业学习者电子设计能力的有效途径。此外，高质量的案例库还有助于强化两门课程间的衔接，拓展专业知识体系的深度和广度，进而推动专业课程群的建设。二、案例库的建设方法1.精选案例依据两门课程的知识结构，以《单片机原理》先于《传感器技术》授课为前提，案例的选取可参考的原则大致如下：（1）甄选趣味性强、情景直观、内容完整的教学案例，以吸引专业学习者的兴趣为宜。（2）选取具备技术推广价值且具有代表性的优势案例开发，力争学以致用。（3）结合C语言编程与电子仿真技术[5]，开发基于单片机控制的智能传感系统，优化案例的教学形式。2.分析课程关联方式《单片机原理》课程以51系列单片机处理器为核心，其主要知识点可划分为基础知识模块、输入输出模块、数据采集模块、数据通信模块、信号与算法模块、I/O扩展模块、机电控制模块等。《传感器技术》课程主要涉及的传感器类型包括电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、半导体物性传感器、智能温度传感器、湿度传感器、压力传感器、液位传感器、流量传感器等。结合《传感器技术》课程的学习目标，课程教学中主要解决传感器的数据测量及误差处理、数据标定与校准、工程检测与系统集成等问题。图1 课程联合模块的知识体系结构据此，综合案例库的开发需借助两门课程知识体系的关联，其关联方式如图1所示。图1中虚线框内覆盖了单片机课程的主要知识点，传感器技术部分则主要部署于课程联合体系的前端与末端，结合两门课程开发的综合案例可呈现出基于单片机的智能控制系统的完整实例，且综合案例选取与开发以结合图1中更多知识模块的内容为最佳。3.案例库建设路线目前，《单片机原理》与《传感器技术》课程属于我院电子技术、物联网工程专业的主干课程，其各自的教学内容与知识体系已趋于完整，课程的教学设计与教学用例也力求精致、统一。根据课程组已经运用的教学材料及教学方法，整合更为完善的综合案例库，将其建立在两门课程已有的案例素材基础之上，课程组通过改进或加工案例使其知识结构更加完整、授课内容更加统一，进而形成综合案例库。因此，综合案例库的建设大致包括收集素材、设计案例、整合资源及案例实施四个阶段，如图2所示。图2 案例库建设的基本路线三、案例库的实例解析为了有效结合两门课程的主要知识模块，综合案例库的取材尽可能涵盖如下几个方面：①具备传感器采集技术的感知模块，需要进行数据解析；②感知数据能够采用单片机控制，转换并处理成为数字信号；③系统的数据输出单元或系统集成检测过程需配备交互式模块。以上述要求为依据，综合案例库的建设可参考实例如下：1.温控系统设计基于单片机的智能温控系统设计在传感器应用方面具备典型性[6]。如图3所示，以DS18B20温度传感器为采集终端，连接相应硬件模块并在单片机中载入智能温度传感器的驱动程序、温度采集及处理程序、温度查询及电机控制程序、液晶驱动及数据显示程序等，即可完成案例的教学设计。图3 智能温控系统的电路该案例始于智能温度传感器的数据输出，经过单片机的数据采集、信号处理、数据显示、数据输出、机电控制等模块，实现温度控制的基本功能。在此案例中，学习者首先需要掌握数字温度传感器的采集技术，然后通过单片机的编程控制实现数据处理、输出、显示、控制等相关功能，属于《单片机原理》与《传感器技术》相结合的代表性用例。2.压力称重系统图4 压力称重系统的电路与温度控制系统类似，基于压力传感器的电子称重系统设计也属于单片机与传感器技术相结合的典型用例[7]。如图4所示，MPX4115传感器是压力称重系统的数据采集端，数据经过A/D转换后，送入单片机中处理并于液晶1602中显示交易价格。当称重系统获取数据后，需结合键盘输入模块，输入称重物品的单价，由单价乘以重量得到物品的价格并完成显示输出，实现电子称重功能的设计。该案例将输入模块、A/D采集模块、数据处理模块、数据输出模块与气体压力传感器的应用相结合，其功能与实际应用中的电子秤类似，同时学习者还要求掌握MPX4115输出特性以及与之相关的数据采集和数据修正方法，实现了《单片机原理》与《传感器技术》课程内容的综合设计。3.综合案例库的参考项目通过梳理《单片机原理》与《传感器技术》课程的知识模块，基于不同类型传感器的功能，以工程应用为主要设计目标，笔者甄选的综合案例库参考项目如表1所示。表1 综合案例项目一览表序号 案例名称 采用的传感器 知识模块1 温控装置设计 数字温度传感器数据采集、处理、输出、电机控制2 简易节水装置的设计 湿度传感器 数据采集、处理、输出、电机控制3 二氧化碳检测装置的设计二氧化碳浓度传感器 数据采集、转换、输出4 可燃气体烟雾报警装置的设计 烟雾传感器 数据采集、转换、输出、电机控制5 超声波测距装置的设计 超声波传感器 数据采集、处理、输出6 智能大棚卷帘装置的设计数据采集、转换、输出、电机控制7 电子称重简易装置的设计光照强度传感器MPX4115压力传感器 数据采集、处理、输出8 流水线计数装置的设计霍尔开关、光电开关 数据采集、处理、输出数据采集、转换、输出、电机控制10 简易水表的设计 流量传感器 数据采集、转换、输出、电机控制11 家庭防盗报警器的设计9 水库水位控制简易装置的设计D3B压力传感器红外热释电传感器 数据采集、处理、输出四、综合案例库的授课鉴于我院目前实施的专业培养方案，《单片机原理》与《传感器技术》课程在授课内容与开设时间上紧密衔接，前者作为后者的先修课程，会在第四、第五两学期分别开设，为两个专业的学生进行智能控制系统的设计与开发提供可能。就综合案例的教学形式而言，其理论与实验授课方式可根据不同专业教学目标和学习者知识储备情况而定。在《传感器技术》课程后期讲授案例，学习者在掌握部分敏感元件感知技术和单片机的应用技能后，以专题形式讲授即可实现综合系统的完整性教学设计。在《单片机原理》课程后期开展综合案例教学，限于传感器技术的知识储备不足，授课中需部分弱化信号采集模块的分析，而着眼于智能控制部分的讲授。与此同时，不同程度的综合案例授课内容将决定其实践环节采用的授课形式也不尽相同。就《单片机原理》课程教学目标而言，学生以掌握程控技术、编程能力为主旨，其综合案例的配套实验可以通过电子仿真平台完成。如果综合案例的实践环节以校内综合实践形式开展，那么设计一款功能齐备的智能控制装置就需要以实物作品形式来完整呈现。需要注意的是，综合案例教学实施过程中，案例的讲解与实践的内容应避免完全一致。教学实践中，可以通过调整系统设计参数或拓展部分逻辑功能，强化学习者对系统设计的理解与变通能力。同时，为了避免学习者对网络资源的过度依赖，还需加强实践环节的过程考核与监督，以确保实践内容的真实、有效。五、结论结合《单片机原理》与《传感器技术》的综合案例设计贯穿着电子设计活动的始终，从元器件认知、敏感元件功能分析、仪器仪表使用、电路设计与仿真、硬件制作、软件编程、软硬件联调等方面，综合培养学习者的工程设计能力。对于缺乏工程经验的部分学习者而言，综合案例的学习与实践是一次不可多得的设计经历，为其增强电子设计技能，顺利完成毕业要求相关指标奠定了较好的基础。参考文献：[1]刘喜双,姚健.单片机课程实践教学改革探索[J].教育探索,2013(8)：31-32.[2]张婧婧,李勇伟.单片机课程的项目驱动教学研究与探索[J].电气电子教学学报,2014,36(6)：87-88+92.[3]马光喜,李良荣,李震.电子设计教学与课程体系研究[J].实验室研究与探索,2014,33(7)：165-168+188.[4]张婧婧,李勇伟.以应用为“锚”的传感器课程教学方法研究[J].计算机教育,2017(1)：152-154.[5]陈龙,张亚君.Proteus仿真软件在单片机实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2009,26(8)：73-75.[6]闫双红,钱珊珠,王楠,等.基于单片机的智能温度控制系统设计[J].农机化研究,2012,34(10)：191-194.[7]钱婷婷,李正明,石鑫,等.基于单片机的自动称重系统[J].制造业自动化,2014,36(16)：116-117+149.

文章来源：《电子设计工程》 网址: http://www.dzsjgc.cn/qikandaodu/2020/0603/342.html