基于能力培養的單片機控制系統設計

崔承毅， 王開宇， 趙冠男， 高慶華

(1. 大連理工大學 電工電子實驗中心，遼寧 大連 116023； 2. 遼寧師范大學 物理與電子技術學院，遼寧 大連 116029)

0 引 言

實踐教學是理論聯系實際的重要環節[1-3]，以單片機為核心的綜合設計實驗課程可以將單片機原理、數字電路、模擬電路等知識有機地結合起來，對學生深入理解和掌握這些知識具有很好的作用[4-5]。在實踐教學過程中，怎樣科學合理地設計實踐教學內容，使學生通過實驗將學過的知識融會貫通，并且接觸新技術、新應用，培養學生創新意識及工程實踐能力，是實踐教學內容改革需要考慮的主要問題[6-7]。

單片機綜合設計實驗模擬項目開發過程，要求學生根據老師提出的要求，自己設計、焊接、調試實現一個單片機應用系統，面向的對象為電類專業高年級的學生，實驗形式為一人一組。為了使學生能夠得到更好的鍛煉，實驗以學生為本，以能力培養為目標，模擬現實生活中的智能控制系統，結合手機APP應用、藍牙無線通信、電機控制、傳感器等設計了單片機綜合訓練題目。

1 系統總體設計

單片機智能控制系統的總體架構如圖1所示。控制核心選擇STC15系列低功耗、高速度、高性能單片機IAP15W4K58S4，其具有在線仿真調試功能[8-10]；溫度傳感器使用18b20；光強采集使用光敏電阻；步進電機驅動使用ULN2003；風扇驅動使用L298N；此外，還設計了繼電器控制單元和LCD狀態顯示功能；在功能拓展上，設計手機APP的無線控制功能，手機APP使用“藍牙串口調試助手”等APP軟件，無線通信使用藍牙。

圖1 系統功能框圖

2 功能設計

2.1 步進電機控制

步進電機采用28BYJ48型四相八拍電機，實物如圖2所示，其5根接線依次為：紅色，+5 V；橙色，A；黃色，B；粉色，C；藍色，D。

圖2 步進電機28BYJ48

步進電機驅動選擇ULN2003，該芯片具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點。其連接電路如圖3所示。

當單片機通過P2.0～P2.3發送一個組合脈沖信號時，即驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，即步進角。當單片機對步進電機施加一系列連續不斷的控制脈沖時，就可以驅動其連續不斷地轉動。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍3種工作方式[11]。其中，八拍勵磁的方式為(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)，具體執行方式如表1所示。

圖3 ULN2003驅動電路連接圖

12345678A11000001B01110000C00011100D00000111

2.2 DS18b20溫度采集

DS18B20是單總線高精度溫度傳感器，溫度檢測范圍是-55～+125 ℃，可以程序設定9～12位的分辨率，可直接輸出數字量。DS18B20引腳圖如圖4所示，3個引腳分別為：GND為電源地；DQ為數字信號輸入/輸出端；VDD為電源輸入端(在寄生電源接線方式時接地)。DS18B20使用簡單，DQ端接上拉電阻，與單片機引腳相連，VDD與GND進行對應的連接即可[12-14]。

2.3 藍牙無線通信

藍牙通信是很多手機必備的功能，當單片機系統有了藍牙功能，就可以通過手機APP向其發送命令，實現手機控制功能。藍牙使用主從一體的藍牙轉串口模塊HC05，實物如圖5所示。

圖4 DS18B20引腳圖圖5 HC05實物圖

HC05模塊與單片機的串口相連，連接方式為：RXD接單片機的TXD，TXD接單片機的RXD。當手機藍牙與HC05模塊配對成功后，單片機可通過串口接收手機APP發送的指令，并根據指令進行相應的控制操作。

2.4 繼電器控制

繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，被廣泛應用于智能設備中。在本項目中，利用直流繼電器控制LED燈，以此來模擬對其他電器設備的控制。繼電器控制LED燈的一種典型電路如圖6所示。

圖6 繼電器控制LED燈電路

繼電器在系統設計中，可以應用到溫度控制系統中，如當溫度低到設定值時，繼電器控制LED燈亮，模擬對加熱設備的控制；或者，通過手機APP發送命令來點亮或關閉繼電器控制的LED燈，如圖7所示。

點亮第1個燈點亮第2個燈點亮第3個燈

圖7 手機APP控制LED燈

2.5 其他功能模塊

(1) LCD使用1602，根據功能設計情況，顯示當前的工作狀態、傳感器采集的數值、控制信息等，學生設計的LCD顯示功能如圖8所示。

圖8 LCD顯示功能

(2)光強采集使用光敏電阻，通過IAP15W4K58S4的內置A/D轉換器進行數值采集。A/D轉換器位于單片機的P1口，為10位A/D轉換器[15]。實驗中，可通過光強值的采集來控制步進電機的正反轉，模擬對窗簾的開關控制。

(3)風扇的電機驅動采用L298N驅動模塊。實驗中，可根據溫度采集來調節風扇轉速，模擬對溫度的調節[16]。

3 實踐教學

3.1 實驗教學實施

經過幾年的學習，學生的動手能力有了較大的差別，如果用同一標準要求學生，面臨的問題是：部分同學第一次接觸單片機系統設計，能力有限，為了完成任務，他們往往進行抄襲，得不到有效的鍛煉；而那些能力強的學生又受到限制，沒有充分施展的空間，提高有限。解決這一問題的辦法就是將實驗內容層次化、開放化，在滿足設計基本要求的前提下，讓學生在功能設計上自由發揮和拓展。

實驗項目在實驗教學實施過程中，要求每位學生設計實現的基本功能包括：LCD顯示、傳感器應用、電機控制，繼電器控制。在作品實現方式及功能設計上，則開放給學生，學生可以利用光敏電阻、溫度傳感器、步進電機、風扇、手機APP等進行組合設計，任意發揮，自由拓展。

3.2 實驗效果

實驗過程中，學生的實驗興趣較高，設計了功能豐富的作品，部分學生作品如圖9所示。

圖9 部分學生作品

功能設計上，學生設計的主要功能如表2所示。

表2 系統功能設計

通過開放化、層次化的設計，實驗中，能力稍微差一些的學生，通過設計一個完整的作品，掌握了單片機系統設計的具體方法，動手能力有所提高；動手能力較強的學生設計了功能豐富的作品，在功能設計、控制方式上需要考慮的問題較多，創新思維得到了一定的訓練。部分作品的功能設計如圖10所示。其中：圖10(a)實現功能對應表2中1、3、8；圖10(b)對應2、4、5、7、8；圖10(c)對應1～8。

(a)(b)(c)

圖10 學生部分功能設計作品

4 結 語

單片機綜合設計實驗在培養學生創新思維和鍛煉學生動手能力方面有著不可替換的重要作用。實驗項目注重學生能力的培養，將多種知識點融入其中，讓學生結合實際應用來進行功能設計，有效地提高了學生的實驗興趣。在方案設計和功能拓展上，給學生充分的自主性和自由發揮的空間，增強學生的創新意識。實驗項目具有多方案、多功能的特點，較好地鍛煉了學生的動手能力，教學質量有一定的提高。