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1.2設計過程流于形式思想上重視不夠

由于學生人數過多，教師人數偏少。以至于設計過程處于“放羊”狀態，教師在指導過程中，沒有對同學們提出準確地要求，其原因是在該環節中指導教師都沒有相應的實施方案，導致指導環節過于形式、敷衍，教師無法一一了解每位學生的設計情況。同學們也沒有認真對待該環節，其主要原因是網絡化程度的發展，很多相應的資料網絡上一應俱全，同學們直接下載修改而不加思考，完成報告上交，沒有主動去探索設計。種種原因使該課程設計流于形式。

1.3最終考核方式單一檢查評價力度不足

在很多高校，課程設計的最終體現形式就是課程設計報告，只要學生在規定的時間內完成報告，一般就被認為通過了該環節的考查，考核形式單一。并且對整個設計過程的評價沒有細分，體現不出設計過程中的工作量。

2課程設計組織實施管理及質量控制

2.1前期認真組織，確保選題質量

為了保證題目的難易程度適中，在課程設計前期，組織教學第一線的有經驗的和常年指導學生參加電子設計類競賽的教師根據自己的課題項目，從中精煉出一些適合學生完成課程設計的題目，每年保證有一定的更新率。并且對選出的題目也分出難度系數的等級，便于因材施教。而后，組織指導教師進行培訓。講解該課程設計的指導大綱，講述指導過程中教師應該完成的任務，注意設計的時間節點，以便教師掌握學生的設計進度。尤其是第一次指導該課程設計的教師，為其指定幫帶教師全程學習。建立教師評價辦法，提升指導教師責任心，評價教師在整個指導過程中是否盡心指導學生選題、是否按時答疑并監督學生的進度、后期是否按要求進行答辯。檢查評比工作由學院督導完成，并進行考核評分。評分結果直接作為優秀指導教師評定的依據，該結果作為下學年教師指導學生人數的依據。

2.2全程指導，把控各個環節

整個設計過程選題，答疑，設計，答辯，成績評定幾個環節。

1）選題環節

學生可以在教師指定的題庫中選出適合自己或者自己感興趣的題目；也可以根據自己的興趣與指導教師商討確定選擇題庫以外的題目，實現“雙向選擇”。該課程設計涉及自動化學院3個專業10個班，其中每班指定一名負責人。每位指導老師指導人數按學院單片機原理及系統設計課程設計上學年評價結果排名在前1/3的安排15～20名學生，排名在中間1/3的安排10～15名學生，排名在后1/3的人數較去年人數減少分派，帶本課程的上課老師優先安排。每位指導教師指導學生人數不宜過多，保證指導教師有精力指導每一位同學。

2）答疑環節

該課程設計為期兩周，各指導教師安排答疑的具體時間及地點。每位教師的答疑時間和答疑地點在課程設計開始后匯總到教務辦以便學院督導檢查，作為評價教師指導工作的依據之一。每位老師在課程設計期間應積極主動為學生答疑，固定答疑次數不少于五次，并根據情況檢查學生的完成情況。該環節是最容易被忽視，但又是十分重要的環節。學生在整個設計過程中的表現只能通過答疑的形式體現出來。指導教師應該在每次答辯過程中不僅幫助學生解決問題，而且要針對每位同學的設計內容提出問題，檢查其設計過程中是否對問題已經理解，辨別其是否存在抄襲他人設計的可能性。

3）學生自主設計環節

在整個設計過程中，一定要發揮學生的主觀能動性。學生需要按照課程設計大綱的進度安排以及要求按時完成設計任務。熟悉設計任務和要求，查閱相關設計資料；進行系統軟、硬件總體設計；設計電原理圖，系統硬件調試；系統軟件設計，設計仿真或實物調試；完成課程設計報告書；課程設計答辯。

4）答辯環節

答辯環節由小組答辯和集體答辯兩個環節構成。小組答辯：該答辯過程是指導教師對本組所指導的學生進行答辯。首先由學生講述自己的設計過程，而后指導教師提出問題，學生回答問題。最后指導教師根據答辯情況給出答辯的成績。集體答辯：①每組的指導老師提交成績匯總表并注明排在最后一名的原因，指定成績排在本組內最后一名同學參加答辯。指導教師提交的成績有一人或多于一人不及格者該學生成績定為不及格本組不再派學生參加集體答辯。②每組排在第一名的同學參加優秀課程設計答辯。③答辯委員會根據答辯情況進行排序，并簡要注明答辯存在問題情況。④若參加答辯的同學成績評定與原成績有較大出入時，該組同學的成績按答辯同學的情況相應降級或升級。答辯組織：各專業組成專業答辯委員會，對評定優秀課程設計和集體答辯同學的答辯工作。答辯委員會由系主任任答辯委員會主席，答辯委員由系主任和課程負責人共同商定，答辯委員會成員由7～10人組成，指定一名老師為答辯秘書。在課程設計完成日的最后一天進行答辯，答辯題目為自己所做課程設計題目并提交自己的設計報告。

5）成績評定

課程設計成績分五部分：①平時表現及考勤占10%（即10分）；②紀律及答疑占10％（即10分），遵守設計紀律，按時完成各階段任務，認真答疑，積極提問；③設計過程占40%（即40分，含報告的修改10分，報告無修改符合要求得10分，修改一次和修改的正確性扣2分，修改5次數以上得0分；設計過程完成程度總計20分：方案設計5分，硬件設計5分，軟件設計5分，系統調試5分；老師提問10分，根據提問問題及解答情況給分等）④設計報告和圖紙占30％（即30分）：(分值：30-27分)設計敘述清楚，書寫規范；設計方案合理，設計內容正確；掌握基礎理論知識，具有較強的分析問題和解決問題的能力。(分值：26-22分)設計敘述清楚，書寫較為規范；設計方案較合理，設計內容較正確；較好的掌握基礎理論知識，具有一定的分析問題和解決問題的能力。(分值：21-18分)設計敘述清楚，書寫較規范；設計方案基本合理，設計內容基本正確；掌握一定基礎理論知識，具有初步的分析、解決問題的能力。(分值：17-0分)設計敘述不清楚，書寫不規范；設計方案基本合理，設計內容不正確；不掌握基礎理論知識，不具備分析問題和解決問題的能力；⑤答辯占20%：分數根據學生對答辯委員會提出的問題回答情況進行給定。有下列情況之一者課程設計不及格：不能按時提交設計；設計報告有嚴重雷同者；圖紙有嚴重雷同者；對老師的提問完全不能正確回答者；答辯不及格者獲不按指定時間參加答辯者。

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目前檢測溫度一般采用熱電偶或熱敏電阻作為傳感器，這種傳感器至儀表之間一般都要用專用的溫度補償導線，而溫度補償導線價格很貴，并且線路太長也會影響測量精度。在實際應用中往往需要對較遠處（1KM左右）的溫度信號進行監視。現有的解決方案有很多，例如：

1、在現場用智能儀表對溫度信號進行測量，用計算機作上位機與智能儀表進行通訊來實現遠程溫度監測（采用這種方案要增加計算機設備及相關計算機軟件）。

2、NCU+DDC實現遠程溫度監測。用兩個DDC，一個安裝在現場測量溫度，另一個安裝在監視地，兩個DDC通過NCU進行通訊從而實現遠程溫度監測。

但以上方案都存在成本高的問題，有沒有低成本的解決方案呢？其實，在單片機應用日益廣泛的今天，完全可以用單片機以極低的成本來實現遠程溫度監測。

二、問題的提出

我單位管理的鍋爐房同時給兩棟建筑物內的兩家酒店供應蒸汽，由安裝在兩棟建筑物地下室的熱交換器進行熱交換后產生熱水送給客房。從鍋爐房至兩個熱交換站的距離分別約600米，值班人員要不停地奔波于兩個熱交換站與鍋爐房之間進行設備巡視，檢查熱水溫度是否控制在規定的范圍，這樣不僅增加了值班人員的勞動強度，同時也使鍋爐房經常無人(因每班1人值班)。如果能在鍋爐房顯示兩個熱交換站內各熱交換器的熱水溫度，則值班人員僅在熱水溫度異常時才需到各熱交換站檢查設備，這樣便可解決上述問題。我公司曾就此問題找專業公司作過方案，其報價在人民幣10萬元左右，后因種種原因該項目未實施。經過分析，本人發現可以用單片機+智能儀表以低成本實現溫度遠程顯示，并且經過實驗取得了成功，現將設計方案簡述如下：

三、控制要求及解決方案選擇

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把多媒體課件應用到單片機課程的教學過程中，使得單片機教學不再枯燥，不僅可以使學生提高對理論知識的認識，而且通過仿真實例可以使學生熟悉單片機系統的開發方法，進而培養學生的動手和實踐的能力。但是多媒體課件良莠不齊，必須選擇合適的多媒體課件否則事得其反。首先，電子課件的開發工具有很多種，每種工具軟件有各自的特點，要合理選擇。在單片機多媒體課件的開發過程中，筆者所在教學團隊，結合了電子課件開發工具PowerPoint和單片機仿真軟件PROTUES，使用PROTUES針對具體實例開發出仿真程序，同時把仿真結果動態的插入到PowerPoint制作的電子課件中，使得多媒體課件能夠演示單片機工作的動態及結果，感性且直觀，同時又增加了課件的趣味性。其次，要及時更新多媒體課件以適應單片機技術的發展速度。《單片機原理與應用》是一門內容多且雜、實踐能力要求高、發展迅速的課程，為了適應數字系統的不斷發展，多媒體課件中動態仿真實例要盡可能的選擇新事例，一方面能增加知識量，使課程和發展形勢緊密結合，另一方面也能調動學生的學習興趣，從而提高教學效果。

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在生物識別領域中，聲紋識別，也稱為說話人識別，以其獨特的方便性、經濟性和準確性等優勢受到世人矚目，并且益成為人們日常生活和工作中重要且普遍的安全認證方式。聲紋識別是一種根據說話人語音波形中反映說話人生理和行為特征的語音參數，自動識別說明人身份的技術。

聲紋識技術可分為兩類，即說話人辨認和說話人確認。前者用以判斷某段語音是若干人中的哪一個所說的，是多選一的問題；而后者用以確認某段語音是若干人中的哪一個所說的，是多選一的問題；而后者用以確認某段語音是否是指定的某個人所說的，是一對一判別的問題。從另一方面，聲紋識別又有與文本有關和與文本無關兩種，根據特定的任務和應用，應用范圍不同。與文本有關的聲紋識別系統要求用戶按照規定的內容發音，每個人的聲紋模型逐個被精確地建立，而識別時也必須按規定的內容發音，因此可以達到較好的識別效果；而與文本無關的識別系統則不規定說話人的發音內容，模型建立相對困難，但用戶使用方便，應用范圍較寬。

本文介紹的語音電子門鎖是一種在凌陽16位單片機SPCE061A上實現的與文本有關的說話人確認系統。該系統主要由說話人識別模塊、門鎖控制電機以及門鎖等部分組成。在訓練時，說話人的聲音通過麥克風進入說話人語音信號采集前端電路，由語音信號處理電路對采集的語音信號進行特征化和語音處理，提取說話人的個性特征參數并進行存儲，形成說話人特征參數數據庫。在識別時，將待識別語音與說話人特征參數數據庫進行匹配，通過輸出電路控制門鎖電機，最終實現對門鎖的控制。

1算法原理

說話人識別算法原理框圖如圖1所示。

1.1預處理

（1）去噪

對麥克風輸入的模擬語音信號進行量化和采樣，獲得數字化的語音信號；再將含噪的語音信號通過去噪處理，得到干凈的語音信號后并通過預加重技術濾除低頻干擾，尤其是50Hz或60Hz的工頻干擾，提升語音信號的高頻部分，而且它還可以起到消除直流漂移、抑制隨機噪聲和提升清音部分能量的作用。

（2）端點檢測

本系統采用語音信號的短時能量和短時過零率進行端點檢測。語音信號的采樣頻率為8kHz，每幀數據為20ms，共計160個采樣點。每隔20ms計算一次短時能量和短時過零率。通過對語音信號的短時能量和短時過零率檢測可以剔除掉靜默幀、白噪聲幀和清音幀，最后保留對求取基音、LPCC等特征參數非常有用的濁音信號。

1．2特征提取

在語音信號預處理后，接著是特征參數的提取。特征提取的任務就是提取語音信號中表征人的基本特征。

1．2．1特征參數的選取

特征必須能夠有效地區分不同的說話人，且對同一說話人的變化保持相對穩定，同時要求特征參數計算簡便，最好有高效快速算法，以保證識別的實時性。

說話人特征大體可歸為下述幾類：

（1）基于發聲器官如聲門、聲道和鼻腔的生理結構而提取的參數。如譜包絡、基音、共振峰等。其中基音能夠很好地刻畫說話人的聲帶特征，在很大程度上反映了人的個性特征。

（2）基于聲道特征模型，通過線性預測分析得到的參數。包括線性預測系數（LPC）以及由線性預測導出的各種參數，如線性預測倒譜系數（LPCC）、部分相關系數、反射系數、對數面積比、LSP線譜對、線性預測殘差等。根據前人的工作成果和實際測試比較，LPCC參數不但能較好地反饋聲道的共振峰特性，具有較好地識別效果，而且可以用比較簡單的運算和較快的速度求得。

（3）基于人耳的聽覺機理，反映聽覺特性，模擬人耳對聲音頻率感知的特征參數。如美國爾倒譜系數（MFCC）等。MFCC參數與基于線性預測的倒譜分析相比，突出的優點是不依賴全極點語音產生模型的假定，在與廣西無關的說話人識別系統中MFCC參數能夠比LPCC參數更好地提高系統的識別性能。

此外，人們還通過對不同特征參數量的組合來提高實際系統的性能。當各組合參量間相關性不大時，會有較好的效果，因為它們分別反映了語音信號的不同特征。

在計算機平臺的仿真實驗中，通過各種參數的實際比較，采用MFCC參數比采用LPCC參數有更好的識別效果。但在SPCE061A平臺上做實時處理時，與LPCC系統相比，MFCC系數計算有兩個缺點：一是計算時間長；二是精度難以保證。由于MFCC系統的計算需要FFT變換和對數操作，影響了計算的動態范圍；要保證系統識別的實時性，就只有犧牲參數精度。而LPCC參數的計算有遞推公式，速度和精度都可以保證，識別效果也滿足實際需要。

本系統采用了基音周期和線性預測倒譜系數（LPCC）共同作為說話人識別的特征參數。

1．2．2LPCC參數的提取

基于線性預測分析的倒譜參數LPCC可以通過簡單的遞推公式由線性預測系數求得。遞推公式如下：

其中p為LPC模型的階數，也是模型的極點個數。

（1）LPC模型階數p的確定

為使模型假定更好地符合語音產生模型，應該使LPC模型的階數p與共振峰個數相吻合，其次是考慮聲門脈沖形狀和口唇輻射影響的補償。通常一對極點對應一個共振峰，10kHz采樣的語音信號通常有5個共振峰，取p=10，對于8kHz采樣的語音信號可取p=8。此外為了彌補鼻音中存在的零點以及其他因素引起的偏差，通常在上述階數的基礎上再增加兩個極點，即分別是p=12和p10。實驗表明，選擇LPC分析階數p=12，對絕大多數語音信號的聲道模型可以足夠近似地逼近。P值選得過大雖然可以略微改善逼近效果，但也帶來一些負作用，一方面是加大了計算量，另一方面有可能增添一些不必要的細節。

（2）線性預測系數的求取

自相關解法主要有杜賓（Durbin）算法、格型（Lattice）算法和舒爾（Schur）算法等幾種遞推算法。其中在杜賓算法是目前最常用的算法，而且在求取LPC系數時計算量也量小，本系統采用該遞推算法。

1．2．3基音參數的提取

基音估計的方法很多，主要有基于短時自相關函數和基于短時平均幅度差函數（AMDF）等基音估計方法。

（1）基于短時自相關函數的基音估計

短時自相關函數在基音周期的整數倍位置存在較大的峰值，只要找出第一最大峰值的位置就可以估計出基音周期。

（2）基于短時平均幅度差函數（AMDF）的基音估計

基于短時平均幅度差函數（AMDF）在基音周期的整數倍位置存在較大的谷值，找到第一最大谷值的位置就可以估計出基音周期。這種方法的缺點是當語音信號的幅度快速變化時，AMFD函數的谷值深度會減小，從而影響基音估計的精度。

實際上第一最大峰（谷）值點的位置有時并不能與基音周期吻合，第一最大峰（谷）值點的位置與短時窗的長度有關且會受到共振峰的干擾。一般窗長至少應大于兩個基音周期，才可能獲得較好的估計效果。語音中最長基音周期值約為20ms，本系統在估計基音周期時窗長選擇40ms。為了減小共振峰的影響，首先對語音進行頻率范圍為[60,900]Hz的帶通濾波。因為最高基音頻率為450Hz，所以將上限頻率設為900Hz可以保留語音的一、二次諧波，下降頻率為60Hz是為了濾除50Hz的電源干擾。

以上兩種方法都是對語音信號本身求相應的函數。本系統采用的基音估計方法是：首先對帶通濾波后的短時語音信號進行線性預測，求取預測殘差；再對殘差信號求自相關函數，找出第一最大峰值點的位置，即得到該段語音的基音估計值。實驗表明，通過殘差求取的基音軌跡比直接通過語音求取的基音軌跡效果更好，如圖2所示。圖2中橫坐標為語音幀數，縱坐標為8000/f，其中f為基音頻率。

1．3模式匹配

目前針對各種特征參數提出的模式匹配方法的研究越來越深入。典型的方法有：矢量量化方法、高斯混合模型方法、隱馬爾可夫模型方法、動態時間規整（DTW）方法和人工神經網絡方法。

這些方法都有各自的優點和缺點。其中DTW算法對于較長語音的識別，模板匹配運算量太大，但對短語音（有效語音長度低于3s）的識別既簡單又有效，而且并不比其他方法識別率低，特別適用于短語音、與文本有關的說話人識別系統。本系統采用端點松馳兩點的（DTW）算法，端點松馳引起的計算量增加并不大，還可以放松對端點檢測的精度要求。

動態時間規整（DTW）算法基于動態規劃的思想，解決了說話人不同時期發音長短、語速不一樣的匹配問題。DTW算法用于計算兩個長度不同的模板之間的相似程度，用失真距離表示。假設測試模板和參考模板分別用T和R表示，按時間順序含有N幀和M幀的語音參數（本系統為12維LPCC參數），失真距離越小，表示T、R越接近。把測試模板的各個幀號n=1～N在一個二維直角坐標系中的橫軸上標出，把參考模板的各幀號m=1～M在縱軸上標出，如圖3所示。通過這些表示幀號的整數坐標畫出縱橫線即形成網絡，網格中的每一個交叉點（n,m）表示測試模板中某一幀與參考模式中某一幀的交會點，對應兩個向量的歐氏距離。DTW算法可以歸結為尋找一條通過此網格中若干交叉點的路徑，使得該路徑上節點的距離和（即失真距離）為最小。對于端點松弛的情況，路徑搜索原理相同，只是增加了搜索路徑。

2硬件系統

語音電子門鎖系統的核心是說話人識別模塊。包括按鍵輸入、語音信號采集、語音信號處理、FLASH存儲擴展、揚聲器輸出、控制輸出以及LCD模組等。說話人識別模型的原理框圖如圖4所示。其核心為語音信號處理，本系統選用特別適用于數字語音識別領域的凌陽16位單片機SPCE061A，并通過SPCE061A實現對其他各組成部分的編程控制。

SPCE061A是凌陽公司開發的一種性價比非常高的16位單片機。在2.6V～3.6V工作電壓范圍內，工作頻率范圍為0.32MHz～49.152Mhz，較高的處理速度使其能夠非常容易、快速地處理復雜的數字信號；中斷系統支持10個中斷向量以及14個可來自系統時鐘、定時器/計數器、時間基準發生器、外部中斷、鍵喚醒、通用異步串行通信及軟件中斷的中斷源，非常適合實時應用領域；內嵌2K字的SRAM和32K字的FLASH，具有32位可編程的多功能I/O端口；包含有7通道10位通用A/D轉換器和內置麥克風放大器與自動增益控制AGC功能的單通道聲音A/D轉換器，以及具有音頻輸出功能的雙通道10位D/A轉換器；SPCE061A采用CMOS制造工藝，同時增加了軟件激發的弱振方式、空閑方式和掉電方式，系統處于備用狀態下（時鐘處于停止狀態），耗電僅為2μA3.6V，極大地降低了其功耗；另外，μ’nSPTM的指令系統還提供具有較高運算速度的16位×16位的乘法運算指令和內積運算指令,為其應用增添了DSP功能,在復雜的數字信號處理方面既非常便利,又比專用的DSP芯片便宜得多.

說話人識別模塊各組成部分完成的功能如下：

（1）按鍵輸入部分：共有數字鍵、訓練鍵、刪除鍵、確認鍵和取消鍵等16個按鍵，用于密碼輸入和工作模式選擇。采用4×4矩陣式鍵盤輸入，只使用具有鍵喚醒功能IOA的低8位，可以合理利用硬件資源，且編程靈活。

（2）語音信號采集部分：通過SPCE061A內置麥克風放大器與自動增益控制AGC功能的單通道聲音A/D轉換器完成8kHz語音信號采集。

（3）FLASH存儲擴展部分：用于存儲說話人的個性特征參數參考模板。

（4）揚聲器輸出部分：通過SPCE061A具有音頻輸出功能的雙通道10位D/A轉換器完成用戶訓練、識別等各種操作的語音提示。

（5）控制輸出部分：通過SPCE061A的可編程I/O口控制門鎖控制電機。

（6）LCD模組部分：用以顯示系統的工作狀態，該部分根據成本和實際需要可選。

（7）SPCE061A：說話人的語音信號處理以及各部分的編程控制均由SPCE061A完成。

說話人識別模塊有三種工作模式：訓練模式、認證模式和密碼模式，這三種模式都可通過工作模式按鍵選擇。

（1）訓練模式，說話人的聲音通過麥克風進入語音信號采集前端電路。第一次語音輸入時，由16位單片機SPCE061A對采集的語音信號進行處理，提取說話人的個性特征參數，并存儲到外擴的FLASH內，形成說話人特征參數模板。可以進行三次訓練，第二語音輸入時，提取的個數特征參數與由第一次語音輸入形成的特征參數模板進行匹配，在匹配距離小于模板更新閾值時，將說話人特征參數模板更新為兩次特征參數的平均值。第三次語音輸入時，提取的個性特征參數與由第一、二次語音輸入形成的特征參數模板進行匹配，在匹配距離小于模板更新閾值時，將說話人特征參數模板更新為三次特征參數的平均值，形成最后的該說話人的特征參數模板。

（2）認證模式，同樣通過麥克風錄入說話人的聲音，再由SPCE061A對采集的語音信號進行處理，將提取的說話人特征參數與存儲在外擴FLASH內的特征參數模板進行匹配，匹配距離小于認證閾值時，通過認證；然后再判斷匹配距離是否小于認證模式下的模板更新閾值，決定是否對模板進行更新。

（3）密碼工作模式，在說話人感冒或其他使其聲音發生暫時改變的情況下，可以采用長密碼方式進行認證，以免因為非常原因被拒之門外。

另外，每個用戶都有一個短密碼（用戶可自行修改），無論在訓練模式還是認證模式都要輸入此密碼，以形成或找到與該用戶相對應的特征參數模板。系統還設置一個具有長密碼的超級管理員用戶，可以通過鍵盤對用戶模板進行添加或刪除。

3實驗結果

對于說話人確認系統，表征其性能的最重要的兩個參量是拒識率和誤識率。前者是拒絕真實的說話人而造成的錯誤，后者是接受假冒者而造成的錯誤，二者與匹配閾值的設定相關。匹配閾值的設定與語音鎖系統的應用場合、功能側重有關，對于家庭、賓館等門鎖用戶，要求誤識率盡可能低，甚至為零；若用于公司員工考勤等同類功能，就不能有太高的拒識率。表1是對以下每種情況各進行100次實時匹配的結果，其中設定的閾值適合門鎖用戶。

表1100次實時匹配結果

發音分類

次數同一個人相同發音同一個人相似發音同一個人不同發音不同人相同

發音不同人相似

發音不同人不同

發音

拒絕次數885100100100100

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電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統，開關爐門、加熱材料、環境溫度以及電網電壓等都影響控制過程，傳統的加熱爐控制系統大多建立在一定的模型基礎上，難以保證加熱工藝要求。故引入模糊控制，采用模糊PID算法，運用MSP430F149單片機對電阻爐實現智能的溫度控制，可以解決上述種種不足，從而實現可靠的控制，達到生產實際的需要。

一、智能溫度控制的硬件系統

智能溫度控制系統利用MSP430F149單片機及其接口電路實現對電爐所加熱的水或空氣等介質溫度進行控制，可以方便快捷地調節和控制所要設定的溫度。此系統由電源、控制算法、溫度檢測、鍵盤輸入、溫度顯示等幾大部分組成，如圖1。

用MSP430F149作為控制芯片，熱電偶采集溫度數據，由于控制芯片集成有外部8路A/D轉換器，再者對溫度信號又沒有很高的要求，可以達到預期的效果。采用1602顯示，顯示兩行，每行顯示16個字符，上面一行顯示設定值，下面一行顯示當前值。4X4鍵盤用來輸入0~9數字、“*”、“確定”和“小數點”。熱電偶采集溫度范圍選擇在400℃～1000℃范圍。留些余量，實際采集范圍500-900℃。如果溫度范圍不滿足采集需要，可以用合適范圍的熱電偶替換，再對A/D轉換部分程序做小的改動就可以了。報警模塊：對超出設定值±10℃進行報警。

二、模糊PID控制算法設計

1.模糊控制原理

s：系統的設定值。

x1、x2：模糊控制的輸入（精確量）。

X1、X2：模糊量化處理后的模糊量。

U:經過模糊控制規則和近似推理后得出的模糊控制量。

u：經模糊判決后得到的ΔKp、Δki、ΔKd

v：經PID算法計算的PWM波占空比。

Y：對象的輸出。

常規PID參數自調整的模糊控制器采用二輸入三輸出的形式，該控制器是以e和Δe即上圖的x1、x2，以ΔKp、Δki、ΔKd作為輸出。

2.模糊化設計

電阻爐溫度控制系統將采樣得到的溫度信號與系統溫度設定值進行比較，得到系統的輸入語言變量溫度誤差e、溫度誤差變化Δe，輸出語言變量為PID的調節系統的變化ΔKp、Δki、ΔKd。將溫度誤差e、溫度誤差變化Δe定義為模糊集上的論域：E，ΔE={-10，-5，0，5，10}。

其模糊子集為：E，ΔE={NB，NS，ZO，PS，PB}，子集中的元素風別為負大、負小、零、正小、正大。

3.模糊推理及模糊決策

（1）根據控制規則表編寫對應的模糊推理語句，例如：

If e is NB and Δe is NB then ΔK is PB[0]

If e is NS and Δe is NS then ΔK is PS[0]

……….

（2）模糊推理

模糊推理是不確定性推理方法的一種，其基礎是模糊邏輯。這里為了程序的簡單，給這二十五條規則分別對應一組ΔKp、Δki、ΔKd值，計算輸出時加在系統的基礎PID值上，作為修正。

3.精確化計算

由于模糊推理機得出的控制量是一個經過修正的PID量，經過計算也不能對系統進行控制。因此，接了常規的PID控制器，讓其控制輸出有一定占空比的PWM波，來控制電阻爐的加熱功率，從而控制溫度。

三、系統軟件設計

為便于程序的使用和維護，系統全部程序采用模塊化結構，由一個主程序和若干中斷響應子程序組成，這里給出主程序流程圖如圖4所示。

增量型PID控制器計算程序流程圖如圖5所示

采用模糊PID控制，系統響應速度加快，調節精度提高，穩態性能變好；無超調和振蕩，具有較強的魯棒性；在同樣的精度要求下，系統過渡時間變短。在電阻爐的溫度控制中，避開了對電阻爐建立精確的數學模型這一難題，取得了較好的控制效果。

參考文獻：

[1] 潘笑，高玉玲等.基于模糊PID的AT89C2051單片機智能溫度控制系統[EB/OLD].兵工自動化網，2006.

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隨著知識經濟的不斷發展，企業對于綜合型人才的需求更加的迫切，培養高素質的創新型人才已被確定為我國高等教育發展的根本目標。單片機課程是電子類專業的一門核心課程，具有很強的綜合性與實踐性特征，該課程不僅為后續課程的學習奠定基礎，并且也提供了一種培養創新能力的良好手段。傳統的單片機課程教學在提升學生創新能力培養方面還存在很大的欠缺性，因此，為了在單片機課程教學中強化創新能力培養，必須對傳統單片機課程的教學模式進行改革。

1.教學與實踐改革存在的問題

1.1教學方式有待改進

在單片機的教學過程中不少教師常常以單片機理論為教學的重中之重，實驗常安排一些與實踐結合不緊密的基礎實驗，從而難以與實踐緊密結合起來；再加上一些教師強調筆試的重要性，勢必造成學生失去學習的興趣和積極性，將更多精力用于考試過關，而難以使理論知識得到實踐和應用。例如循環左移和右移指令的講解，只做理論上的推導，很難加深學生的印象，若能引入適當的EDA技術將這個循環左移和右移過程形象地展示出來，既能加深學生的印象還能提高其學習興趣[1]。

1.2傳統教學的內容問題

由于單片機教材與實際應用有一定的差距，教材中提到的理論與實物已經是幾年前的市場產品或者是面臨淘汰的產品，這樣就會使學生接觸到一些過時的知識卻沒有看到新的改進，從而在一定程度上影響了學生的知識面和實踐能力。實驗課程體系驗證性實驗過多、綜合性、啟發性實驗太少，沒有大型設計性和綜合性實驗，基本沒有對學生動手實踐能力達到提高和訓練[2]。

1.3學生對實踐和動手缺乏積極性

不少學生對單片機的實踐性缺少認識，不主動參與實踐和設計，他們寧愿將時間放在英語考試或計算機等級考試上，卻對單片機技術的實踐和操作缺少興趣，因此培養和調動學生積極性顯得尤為重要。

2.教學實踐改革中的有效建議

2.1教學項目的創新設計

教學項目是課程教學內容的載體，教學項目設計的好壞直接關系到單片機課程的教學效果。為了培養學生的創新能力，筆者設計了一些創新性的教學項目，旨在為學生提供更大的創新設計空間。比如：設計智能打鈴器、盆栽自動灌溉裝置、自動避障小車等。這些教學項目不僅可以鍛煉學生的單片機開發能力，也可以為學生提供很大的創新空間。學生在完成這些項目的基本功能后，還可以根據自己的想象力對其進行改進，使其功能更加完善。

2.2n程題目的創新設計

單片機課程設計是單片機教學的一個重要檢驗環節，其題目的設計對于培養和考核學生的創新能力非常重要。題目的設計和選取可以從以下幾個方面入手：借鑒歷屆電子設計大賽的題目；從日常生活中尋找與們課堂教學相關的資源，將其改良為可行性課題；以在研的教師科研課題為藍本，將部分研究內容作為設計制作的題目供學生練習，培養其創新能力。比如，筆者根據自己的日常生活經驗，設計了智能水杯題目，不限定水杯的具體功能，要求學生充分發揮自己的想象力和創新能力，分組設計出不同功能的智能水杯。各個小組完成了不同的創新設計，有的小組設計了具有自動顯示水溫功能的水杯，有的小組設計了具有定時提醒喝水功能的水杯，有的小組設計了具有音樂播放功能的水杯，等等。

2.3開發單片機創新實驗裝置

傳統的單片機實驗箱內部電路固定，學生只能按照實驗指導書的步驟，機械地做一遍驗證性實驗，無法進行創新性設計。針對傳統單片機實驗箱的缺點，筆者開發了一套靈活性和擴展性強、易于升級的單片機創新實驗裝置。其設計思路是將搭建各種不同功能單片機系統所必需的組成電路分離，設計出各個獨立的功能模塊，在該裝置上學生可自主選擇功能模塊，完成創新性單片機系統的設計。另外，利用Proteus與Keil軟件整合構建單片機創新虛擬仿真實驗室，它可為學生提供豐富的虛擬儀器和元器件資源，為學生提供良好的創新平臺。

2.4請高校研究生作有趣易懂的產品設計報告

以往常有教師向院上提出應該多請專家給學生作專題報告以拓展學生的知識面，盡管學院作出了一定的努力，然而許多國內專家總是忙于手頭工作，或者因為路程問題最后不能完成這一愿望，即便有的專家過來作完報告，卻也難以收到預期的效果，一些學生往往反映太過深奧，或者難于理解或者與所學知識關聯不大。對此我們可以請來高校一些發表過優秀論文的研究生，利用周末過來講解和展示他們的設計成果這些研究生往往非常樂意奉獻自己的論文成果，因此講解得較為詳細具體，并且可以做到淺顯易懂而本科生在具有一定理論基礎情況下都能聽懂。

2.5 考核方法的創新設計

通常來說考核就是對教師教學效果的檢驗和學生水平的測試，同時也是督促和激發學生認真學習的原因和動力。在單片機的教學與實踐改革過程中，我們提出了一種注重實踐能力和應用能力培養的考核方式，課堂考勤占10%，平時成績占30%期末考試占60%。這種考核方式突出的特點是平時成績比例較高，同時對其考核將一半的分值設定為實驗成績，并對學生在實驗中的具體表現從實驗態度、完成實驗的情況、實踐動手能力和課程設計等幾方面進行量化。

3.結語

單片機技術是電子類專業的核心課程，有較強的實踐性，因此學生只有在單片機開發實踐中才能真正掌握其開發方法、鍛煉創新能力。但加強學生的實踐應用能力和創新能力并不是一件容易的事情，需要教師首先轉變教學的觀念，從教學的教學項目、課程題目上大膽創新，并在實驗裝置上下功夫，做出創新，并通過產品設計報告、以及考核方法創新的輔助，全面的提升學生的創新能力，相信在堅持不斷的推進、實踐和努力中，一定能在學生單片機應用及創新能力提升上有所收獲。

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文章編號：1671-489X（2013）33-0100-02

1 引言

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術，把具有數據處理能力的中央處理器、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在電力、化工、家電和儀器儀表等工業控制領域得到了廣泛應用。單片機原理及應用課程是一門實踐性很強的課程，課程的開設不僅能提高學生的理論基礎知識，而且能提高學生的實踐能力[1-2]。

但在日常教學中，多采用以教材教授為主的傳統教學模式，教學過程中有一些課時的實驗。對于工程專業學生來言，只依靠教學過程中的實驗，很難掌握單片機的教學內容。在本文中，以泰山醫學院電子信息專業的單片機課程教授為例，在教學實踐中將理論教學與科技競賽結合[3-4]，采用“賽教結合”的教學方法，取得了較好的教學效果。

2 課程特點以及教學方法的改革

單片機原理及應用課程的基本任務是使學生掌握單片機硬件結構、接口技術以及相應的軟件編程方法，掌握單片機應用系統軟硬件的設計、開發、調試技術，具有較好的單片機實際應用能力，為進一步提高科學技術水平打下堅實的基礎[5]。課程的特點是：

1）知識含量高，課程要求在掌握數字電路、模擬電路和微機原理的基礎上才能很好地學習本課程；

2）內容結構復雜，本課程包括單片機的硬件結構、匯編指令系統和軟硬件設計；

3）實踐性強，單片機目的在于工程應用，所以要求學生能動手設計和開發單片機應用系統。

理論教學方法的改革 針對以上課程的特點，對理論教學方法進行了改革。

1）在教學過程中樹立了“以學生為本”，以提高學生科學素質及創新思維能力為基點的指導思想。以學生為本，就是以教師為主導，以學生作為一切教學活動的主體、出發點和落腳點，加強師生互動，調動課堂內外一切手段，讓學生主動地掌握課程知識，培養學生科學的分析思維能力及創新能力，提高學生科學的專業素質。

2）改進課堂教學，講究講課藝術。注重把講課的科學性、系統性、啟發性和趣味性相結合，配合現代化多媒體教學手段，努力增強教學效果。

3）在課堂教學中，講授理論知識時，結合課程相關內容，以山東省機電大賽參賽項目為例，講解理論知識。這樣既避免了講授理論知識的枯燥，提高了學生學習興趣，又激發了學生的學習積極性，學生更積極地參與到科技競賽中來。

4）針對醫學院相關專業的實際情況，編寫《單片機原理及應用》教材，教材內容中不僅保留傳統教材中的理論知識，并且將與專業相關的科技競賽案例作為題例來加以體現，使學生可以采用更得心應手的教材。

賽教結合在實驗教學中的應用 為了掌握單片機應用系統的設計和實現，實驗和實踐是非常必要的一個教學環節。提高學生的動手能力，最好的方法就是讓學生參與項目研究和開發，但是受實際情況限制，學生參與企業項目研究的機會比較少。山東省機電大賽是為加強大學生創新意識、合作精神和實踐創新能力的培養，激發大學生科學研究與探索的興趣和潛能，促進山東省高校機電類專業教育教學改革而設置的，每年舉行一次。泰山醫學院每年都參加，參賽產品中電氣部分可以采用單片機設計，正好為學生通過實際項目研究，提高單片機設計與開發能力，掌握單片機課程提供了絕佳的機會。在教學中采用了以下方法。

1）以學生為主體，組建興趣小組。為了讓學生了解山東省機電大賽，每年讓往年參加機電大賽的教師和學生做報告，使下一級學生了解大賽情況；并以學生為主，按照自愿原則組建興趣小組，小組成員按照能力進行搭配，一個小組中既要有進行硬件設計的，也要有進行軟件設計的。

2）以學生為主體，按照大賽主題，構想符合要求的項目。每年大賽舉行完，組委會會公布下一屆大賽的主題，教師將大賽要求告訴每一個興趣小組，充分發揮學生的創新性，讓小組構想符合要求的項目，這樣可以調動學生積極性，提高學生的學習興趣。當然，在構想過程中，教師會全程對學生進行指導。

3）利用已有實驗設備，為學生搭建實踐的平臺。項目要加以實現，需要學生去努力實踐，在教學中利用已有實驗設備，讓學生進行項目的設計和開發。為了支持學生進行科技競賽項目的設計，實驗室延長了開放時間，利用每年參加大賽獲得的獎金購買電子元器件，并提供一些開發板，為學生實踐搭建一個良好的單片機研究平臺。

4）在實驗教學中構想與大賽有關的實驗項目。實驗教學中，精心設計實驗項目，將大賽中用到的知識點融合到基礎實驗中，并且結合機電大賽，構想了一些綜合性實驗。這樣不僅加強了學生對基本理論知識的理解，同時使學生體會到知識在實際工程中的應用，提高了學生學習的興趣。

5）堅持理論結合實驗的考核原則。根據單片機課程實踐性強的特點，在課程考核中，理論知識考核占70%，實驗考核占30%，實驗以報告結合實際實驗結果形式提交，報告從內容、格式、結果和創新性等方面進行了詳細要求，實驗結果在實驗室現場考核。

理論結合實驗，以實驗報告結合實際實驗結果為考核依據的教學模式，能激發學生的學習興趣，培養學生自學能力，提高學生的創新能力。

教學改革成果 科技競賽活動是課堂知識的綜合運用和延伸，將賽教結合方法融進理論和實驗教學，不僅促進了學生掌握單片機知識，還對這種實踐性強的課程的教學模式進行了有益的探索，教學改革取得了以下成果。

1）對于這種實踐性強的課程的教學觀念得以改變，不再過分強調學科本位，偏重和局限于理論知識，而是加強課程內容與學生生活和社會發展的聯系，關注學生的學習興趣。

2）對單片機理論和實驗教學進行了探索。研究了將科技大賽與理論教學結合的教學方法，以及科技競賽內容融合進日常實驗教學的方式方法。

3）在參加大賽后，讓學生進行總結，將他們的成果以論文和專利形式予以體現，學生已經發表兩篇科技論文，申請兩個國家實用新型專利，促進了學生科學研究的能力。

4）促進了學科交叉，在機電大賽中，結合醫學院特點，提出了很多與醫學結合的項目，如“背部按摩式多功能橢圓護理床”等項目。

5）參加大賽取得了優秀的成績。課題組組織學生參加山東省機電大賽，獲得一等獎兩項、二等獎四項、三等獎五項，這樣的成績在同類醫學高校中是十分優異的。

實踐表明，這種以“賽教結合”形式進行的教學形式，不僅可以激發學生的學習激情，還可以加強學生科學研究的能力，更好地培養了理工結合、理論基礎扎實、素質全面、實踐能力與創新能力強的高級人才。同時在競賽題目設計過程中，學生查閱大量各個行業的資料和文獻，拓展了他們的視野。

3 結束語

在單片機原理及應用課程教學中，采用了“賽教結合”的教學方法，將其融合進理論和實驗教學中，通過實際參加山東省機電大賽，學生進行應用系統的設計與開發，進而掌握單片機的理論知識和實際應用。通過問卷調查，大多數學生反映良好，并且反映在理論知識的理解和動手能力方面都有很大的提高。因此，通過實踐表明，這種教學方法是行之有效的。

參考文獻

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[2]張江印.高校單片機教學模式的研究[J].實驗室研究與探索，2011（30）：103-106.

篇8

在電子技術理論和實驗教學中，經常需要設計出電路，并連接實物進行原理分析和驗證，在電子線路設計過程中，不僅需要考慮各種元器件的參數、性能、功耗、封裝等多種因素，而且在電路的實現過程中還需要經過大量多次的電路焊接、調試和實驗，費時費力，這種傳統的設計方法很難適應現代電子電路設計的規模化、低成本、短周期的設計要求，當然，也不能很好的適應現代化電子技術的教學。隨著EDA（電子設計自動化）技術的發展，電子線路設計過程可以通過計算機軟件，搭建仿真實驗電路，靈活調整元件參數進行動態仿真，進而能顯著提高設計效率，降低成本，縮短設計周期。

Proteus是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及器件。可以從原理圖布圖、代碼調試到單片機與電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。不僅對科研開發，而且對于電子技術課程教學、學生實驗、課程設計、畢業論文設計、電子技能競賽等都提供便捷的輔助功能，對培養電子技術創新型復合人才提供了最便捷的實驗條件。

二、Proteus在電子技術虛擬實驗教學中的優勢

（一）Proteus軟件的資源豐富

1.Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件，有30多個元件庫。

2.Proteus可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器、信號發生器、模式發生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調用。

3.除了現實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結果的影響。

4.Proteus可提供的調試手段 Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。

（二）Proteus支持電路仿真

1.Proteus不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程通過多媒體展示，這在相當程度上替代了傳統的單片機實驗教學的功能。

2.Proteus提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設計的靈活性、提供了實驗室在數量、質量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養學生實踐精神、創造精神的平臺。

（三）Proteus應用領域廣泛

Proteus軟件是一個巨大的教學、仿真、開發資源庫，不僅可以用于：模擬電路與數字電路、單片機、嵌入系統、微控制器系統的教學、實驗與考評，也可以用于真實的項目設計與產品開發過程。

三、Proteus在電子技術虛擬實驗教學中的應用案例分析

（一）Proteus在電路分析課程中應用案例

應用Proteus進行電路分析時，通過如下設置：點擊system――set Animation options――在對話框的Animation options 區域選擇show wire current with Arrows，即可以箭頭的方向表示電流的流向，幫助學生理解。同時，可以將電流表、電壓表、功率表等連接到電路中，對電路參數進行測試，快速得到仿真結果。

（二）Proteus在數字、模擬電子技術課程中應用案例

應用Proteus還可以進行數字、模擬電路的仿真分析，例如用譯碼器74LS138搭建的仿真電路，當控制信號E1接電源，E2、E3接地時，通過單刀雙擲開關選擇ABC三個輸入端子的不同組合，即可在八路輸出端子產生相對應的譯碼輸出，控制相應的發光二極管點亮。將抽象的高低電平用發光二極管和單刀雙擲開關形象的表示出來，從而更好地幫助學生理解數字邏輯器件74LS138的譯碼功能，同時也使枯燥的理論內容變得生動形象。

（三）Proteus在單片機技術課程中應用案例

單片機技術作為電子專業課程，一直以來都是學生們反映較難理解的課程，因為其內容綜合性強、實踐性強、且比較抽象。單片機課程的實踐教學以往多采用驗證性實驗，學生按照實驗指導書，將所需的器件在單片機實驗箱上進行連線，下載程序并調試。但是這種方法必須在實驗室內依托硬件完成，對實驗室的設備數量要求較高，且對于一些綜合性實驗，需要較多的元器件支撐。為了提高實踐教學效率、改善教學效果、降低教學成本，在單片機理論、實踐教學過程中引入Proteus軟件。例如在矩陣按鍵控制實驗中，就只需將元器件從元器件庫中拖放到圖紙上，按照電路圖將元件連接，再將keil編譯好的程序下載到單片機中，按下play鍵即可進行仿真。需要修改電路只需在圖紙上進行，快捷方便。

四、結語

在電子技術課程教學中，利用仿真軟件將理論教學、實驗和課程設計有機結合，提高了電子技術課程的教學效果，開發了學生自主學習的潛在能力，激發了學生的學習興趣和創新意識，開拓了學生的視野，增強了學生綜合運用知識的能力和實際動手能力，為后續高頻電路、單片機等專業課程的學習以及參加電子設計競賽等奠定了夯實的基礎。

參考文獻：

[1]朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，等.proteus教程――電子線路設計、制版與仿真（第2版）[m].北京：清華大學出版社，2011.

[2]周潤景，張麗娜.基于proteus的電路及單片機系統設計與仿真[m].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

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1單片機項目驅動教學法

以往的單片機教學模式是以教師為中心，老師在課堂上按照教材，或者教學大綱按部就班的講授理論原理和知識點；以課堂教學為中心，學生學習為被動接受，由于知識點綜合性比較強，理論太深奧使得學生往往學習興趣不高,同時缺乏動手實踐機會，教學效果一般不夠理想。以項目驅動的教學法是學生為主體，教師為主導，以實踐應用為根本目標，圍繞具體的項目構建教學內容體系，通過師生共同參與完成一個具體的項目而展開的教學活動。注重的不是最終的結果，而是項目完成的過程，在項目的教學實施過程中，學生按需學習，親身實踐，學生在項目的實踐過程中，理解知識和掌握技能，學習成為一個參與的創造實踐活動，培養分析和解決問題的能力。引進單片機項目教學方式打破了原有的教學組織安排，以項目的開發步驟作為教學內容，將課程的內容分解為一個個小項目，從項目引入到項目解析再到任務分解然后到知識點講解最后知識點應用，將原教學方案里單片機的知識點穿插到具體項目開發的過程中[2]。這里面包含了軟、硬平臺搭建到項目展開再到項目完成的一系列教學活動，使學生從被動學習變為主動學習，按照這種方法我們將以往教學體系中的知識內容變化為若干個工程項目（見表1），然后圍繞著這些工程項目任務的展開同時開展教學，讓學生以具體工作目標的展開來進行教學環節的工作。有利于激發學生的學習積極性和創新能力，調動了學生的學習積極性。在這整個過程中，學生能很好的把握課程的知識要求，在體驗創新與探索的過程中，又培養了學生們的分析解決問題的能力及團隊協作能力等。

2模塊化的單片機教學方法

任何復雜的系統都是由具有完整基本功能的功能模塊電路組成，單片機應用系統也是如此，一般由cpu系統、中斷系統、I/O口等。同時任何復雜的電路系統都可以分解為多個具備單一功能的模塊電路，按照這個思路，學習單片機系統我們也可以從單片機的功能模塊電路入手，我們根據學生的認知規律,和學習單片的一般原理的方法，機將單片機教學模塊分成幾個部分，這里面每個部分有自己的專用模塊[3]。比如程序功能部分、硬件部分；在對硬件電路設計部分進行模塊化設計，將單片機的各個功能模塊以獨立的原理圖形式出現，我們把單片機個硬件按功能分為了鍵盤模塊、數碼管顯示模塊、傳感器控制模塊、模數轉換模塊、顯示模塊、通信模塊等幾大模塊，如圖1。各個模塊通過面包板上預留的連接器與系統主板進行連接,然后用排線組合成所需要的系統。在教學過程中，要不斷收集遇到的各種硬件功能模塊電路，弄清它們的工作原理、性能及特性、特定的功能及使用方法，把系統化整為零，建立起自己的硬件模塊庫。指導學生學會搜集、分析別人的設計案例、論文和相關書籍中的功能模塊電路，不斷地充實自己的功能模塊電路庫，日積月累，學生就會覺得自己的單片機系統設計能力越來越強。最后在進行模塊分解時，各模塊功能盡可能專一，聯系盡可能簡單，使模塊獨立性強，方便教學實用的模塊。

3總結

新興本院校定位應用型教學型高校，以培應用型、創新型人才為目標[4]。在此基礎上的以項目驅動法教學和模塊化教學為主線，以實際應用為培養為目標的“單片機技術”課程教學改革思路，按照這個方式能使學生在項目模塊化的環節中一步一個臺階。此教學法脫離了枯燥無味的說教模式，使學生在具體的設計項目的工作環境里輕松自在的狀態來投入到學習中，思維能力、動手能力、學習能力以及團隊協作能力都有了明顯提高，模塊化學習過程中所積累的各種電路系統模塊也促進構建成學生進行科技創新實踐、參加大學生創新創業訓練的重要模塊庫，激發了學生學習的主動性和成就感。法國文化教育學家斯普朗格曾言：教育的最終目的不是傳授已有的東西，而是要把人的創造力量誘導出來[5]。本課程的教學改革正是朝著這個方向前進。

參考文獻

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[3]唐鴻儒,夏揚,黃亞忠.單片機課程的實踐教學探索[J].南京:電氣電子教學學報,2009(1).

篇10

一、單片機教學的現狀和存在的問題

（一）傳統的理論教學環節

教師上理論課時，先講述單片機的理論知識，如講述單片機的概述與發展，單片機的內部結構，指令系統及I/O接口電路，而講述單片機實例的課時比較少，達不到理想的效果，并且學生在學理論知識時，只是處于被動接受知識的一方，調動不了學生的主觀能動性，學生對單片機知識的學習會感到很盲目，從而對這門課程產生不了很大的興趣。

（二）傳統的教學實踐環節

教學實踐環節分為實驗教學環節和課程設計環節兩部分。實驗教學環節一般采取單片機實驗箱，學生做實驗時根據實驗連線步驟連接好硬件電路，下載現有的實驗程序，得出實驗結果，一般只能起一個驗證過程的作用，學生缺乏對整體電路的設計，也缺乏修改硬件電路和軟件程序的機會，從而不能真正鍛煉學生的動手實踐能力。課程設計環節，對于設計一個單片機應用系統，要涉及到很多的單片機的專業知識，很多同學只是在網上下載一些實例，按照資料設計硬件電路圖，復制其程序生成HEX文件，然后聯調就基本仿真通過。如果要求他們改變或增加一些功能設計，很多同學基本完成不好，主要原因是他們還沒有基本沒有搞懂對應的知識。

二、單片機課程仿真案例教學的實施

（一）單片機案例教學簡介

單片機案例教學就是將單片機課程所要求掌握的基本知識點、基本原理和方法都溶入到包含這些原理的實際項目例子的討論與講解之中，基于項目開發的過程來組織教學內容[2]。

（二）單片機案例確定

經過教研室教師對單片機案例進行設計，將單片機的基本知識點都包含到以下幾個案例中。單片機案例從難易程度暫分為三個階段，分別為第一階段、第二階段和第三階段。第一階段為初級階段，基本掌握單片機的I/O口的使用，學生比較容易掌握，而且容易提高學生的興趣。第二階段為中等難度階段，需要掌握單片機與各常用接口電路的應用。第三階段比較難，涉及到的傳感器驅動程序比較復雜。

（三）單片機課程仿真案例具體實施

1.教師進行具體案例任務的確定，并確定相應的單片機知識點，針對各個具體的案例，老師進行設問。同時，課前將下一堂課的案例材料發給學生，要求學生熟悉每一個案例的材料，針對設計的問題進行分小組思考和探討。

2.在課堂教學組織方式上，每次教學過程均圍繞一個案例進行各教學環節的組織，以任務目標為主線，結合相應案例對各相關知識點和技能點進行講解，引導學生思考并提出相應的解決方案，激發學生的主觀能動性和創新能力，學生在學習過程中以小組為單位，每組針對任務和要求進行分析，并對實現的方案、硬件電路和軟件功能設計。最后，由老師進行總結和評價，指出案例所涉及的理論知識及其應用方法，就學生提出的問題進行解答[3，4]。

3.將實踐教學環節溶入課堂教學，學生實踐環節以課堂教學任務為對象，利用PROTEUS仿真軟件繪制硬件電路圖，用KeilC軟件進行軟件程序的編寫，然后進行聯合仿真調試。教師對學生調試過程中的重點、難點以及學生操作過程存在的問題進行實時點評，并要求學生在已經實現的硬件電路和程序的基礎上，進行適當修改。

4.具體仿真案例教學的舉例———交通燈案例分析。

第一，確定具體任務和要求：設置東南西北四個方向紅、綠、黃共12個（或者6個，其中東西一組，南北一組）LED信號指示燈，南北方向的綠燈亮27秒，黃燈閃爍3秒，東西方向的紅燈亮30秒，然后南北方向紅燈亮30秒，東西方向綠燈亮27秒，黃燈閃爍3秒，依次循環，數碼管倒計時顯示，當出現緊急情況時，四個方向交通燈全部為紅燈。要求利用并行接口芯片8255擴展設計相應的硬件電路、軟件流程圖和程序。

第二，確定交通燈案例的相關單片機知識點為：并行I/O接口芯片與單片機的接口電路設計，以及其相應的8255的驅動程序，定時器和中斷程序，數碼顯示電路和按鍵電路驅動程序等。

第三，針對交通燈案例老師準備的問題：問題1：為什么設計黃燈和黃燈閃爍如何實現？問題2：倒計時1秒應該如何實現？問題3：緊急情況用什么來實現？單片機交通燈仿真圖如圖1所示。圖1中南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮。P1口提供南北方向的段碼，P2口提供東西方向的段碼，P3.0-P3.3分別提供南北方向和東西方向數碼管的位碼，P0.0-P0.5分別提供6組交通指示燈。

三、單片機課程仿真案例教學的考核

單片機案例教學考核方法是課程教學的最后環節，它直接檢驗單片機教學的效果。隨著教育教學改革的不斷深入，變應試教育為素質教育，《單片機原理及應用》的考核應注重考核學生的實踐和創新能力，該課程的考核一般采取開卷考試、實驗成績和平時成績相結合的方式進行考核。其中平時成績占20%，主要包括學生的考勤、作業、隨堂測試以及課堂表現和回答老師的提問情況等。實驗成績占30%，主要考查學生的硬件電路的設計和軟件編程能力，在完成基本的實驗任務時，然后根據思考部分的提問進行相應硬件電路和軟件程序的修改。開卷成績考試占50%，主要考查學生單片機理論知識、單片機接口電路設計和軟件編程。

四、結束語

文章針對傳統單片機教學過程中存在的不足提出了單片機案例教學方法，將單片機的理論知識融入到實際的案例中去，在講述案例的同時插入理論知識的講解，這樣充分調動了學生的學習興趣，增強了學生對單片機的綜合應用能力。基于單片機案例教學已取得了較好的效果，對學生參加各類電子設計競賽和畢業論文設計具有較大幫助。

參考文獻

[1]孫軍業.案例教學[M].天津：天津教育出版社，2004.

[2]陳錕.單片機課程案例教學的思考與探討[J].中南民族大學學報，2008（27）：10-12.

篇11

0 引言

隨著我國工業現代化建設的快速發展，能源短缺日益嚴重，合理的利用能源變得更加重要。在流體傳動及控制技術領域，節能技術同樣必不可少。開展流體傳動節能技術的研究不僅可從現有液壓設備的節能技術改造中獲得巨大經濟效益，而且也是我國在先進制造業上趕超國際先進水平的需要[1]。在工業生產中變量泵是實現液壓系統高效、節能的基礎，因此研發性能優良的變量泵是流體傳動節能技術研究的重要課題之一。

目前液壓系統中的液壓泵主要有齒輪泵、柱塞泵、葉片泵、螺桿泵等，其中的葉片泵是廣泛被使用的一種液壓泵。葉片泵按其結構來分有單作用式葉片泵和雙作用式葉片泵。單作用式葉片泵主要用作變量泵，由于單作用葉片泵轉子、主軸和軸承所承受的徑向力較大，影響了泵的使用壽命和壓力的提高。而雙作用葉片泵的突出優點在于徑向作用力平衡，但是由于結構上很難實現排量的變化，使用上也受到了限制[2]。因此，若能開發出可實現變量的雙作用葉片泵，就可以將這兩種泵的優點結合起來，既能克服徑向不平衡力的缺點，又能實現排量的變化。針對這一技術問題，國內外很多學者都在進行研究探討，研究的核心就是雙作用葉片泵如何實現變量。目前比較成熟的變量方法是通過驅動泵的定子圈偏轉，改變泵的定子和配油盤的位置關系，來實現排量的變化。

本文所要介紹的數字式雙作用變量葉片泵是在這種變量方法的基礎上，提出了以步進電機作為機電轉換裝置，以單片機作為控制器的數字式雙作用變量泵。這樣不但解決了雙作用葉片泵的變量問題，同時實現了泵的數字化調節與控制，對于合理利用能源，提高液壓傳動工作效率具有重要的意義。

1 雙作用變量葉片泵的工作原理

圖1（a）、（b）分別是泵全排量時定子圈的位置和零排量時定子圈的位置示意圖。通過轉動定子圈，使其與配油盤之間的相對位置關系發生改變，也就是在需要泵輸出流量時，調節定子使其過度曲線對應于配油盤吸、壓油窗。而在不需要輸出流量時，使定子的長半徑和短半徑圓弧段與配油盤的吸、壓油窗相對應。因為這時工作容積不變，所以不吸、壓油，即為零排量輸出[4]。

但是，在定子圈偏轉的時候，勢必會產生比較大困油現象，影響泵的正常工作。為了解決這一問題，我們將定子圈做成兩片疊加起來使用，同時把葉片等分成兩個，并排地插在轉子葉片槽中。當一個定子環長半徑圓弧與吸油窗相對時，使另一個定子長半徑圓弧與壓油窗相對。因此當每個工作空間在經過定子過度曲線段時，正好在一個定子圈內是由大到小變化，而在另一個定子圈內是由小到大的變化。這樣，由大到小的壓縮容積就被另一個由小到大的容積所吸收，總容積并沒有變化。這時，泵將零排量輸出。如圖2所示。

當需要從零排量到全排量變化時，必須同時使兩定子圈反向偏轉。使yy1y2重合，xx1x2重合，如圖3所示。這時兩片定子圈的過度曲線段都正好與吸、壓油窗相對，泵將全排量輸出。

綜上所述，調整定子圈y1-x1，y2-x2與配油盤y-x的偏轉角度α便可以調整其輸出流量的大小。其中αmax=π/4，0≤α≤π/4，（度）。這樣雙作用變量葉片泵的理論流量公式就可以寫成

式中：qtp為變量葉片泵的理論流量（m3/s）；B=b1+b2，b1，b2為單個葉片寬度（m）；R為定子內圓弧大半徑（m）；r為定子內圓弧小半徑（m）；δ為葉片厚度（m）；z為葉片數；θ為葉片傾角（°）；n為轉子轉速（r/s）；α為定子圈偏轉角，αmax=π/4，0≤α≤π/4（°）。

2 變量機構控制方法

如何實現定子圈的偏轉是雙作用變量葉片泵最關鍵的問題。從全排量變到零排量或從零排量變到全排量時，要求兩定子的偏轉角同時作反向變化。驅動定子圈同時反向變化的機構即為變量機構[4]。本文采用51單片機作為數字化控制器，步進電機作為動力源，螺母絲杠作為傳動副，數字閥控缸驅動齒條式柱塞與定子外圓柱面上加工出的齒相互嚙合的方式進行工作。如圖4為驅動一片定子圈偏轉的變量機構工作原理圖。

閥芯通過一個螺母絲杠副和步進電機相連，閥芯插入到活塞上端部配合的閥套中。并在活塞上開了三個閥口。a口和壓力腔A相連，壓力腔A在底部和排油口相連通。通過b口把控制腔和活塞內腔連在一起。c口與回油腔相連。當需要變量時，根據泵輸出流量的要求，通過事先編輯好的程序，單片機發出相應的脈沖信號，經功率放大器放大后驅動步進電機，步進電機以相應的頻率和轉向轉過一定的角位移θ，從而帶動螺母轉動并由絲杠提動伺服閥芯作向上或向下的運動，產生位移xv，使伺服閥口開啟，這時泵靠自身油液驅動變量柱塞隨閥芯的位移而運動，產生位移xp，進而驅動一片定子圈偏轉角度α。另一片定子圈和變量機構原理相同。所以，通過這兩個變量機構就可以使兩片定子圈同時反向偏轉，使泵實現全排量—零排量—全排量的變化，達到變量的需求。變量機構的控制框圖如圖5所示。

3 變量機構數學模型分析

3.1 變量機構基本方程

式中：xv為閥芯的位移量（m）；β為步進電機步距角（°）；t為螺距（m）；j為螺紋頭數；Ni為單片機發出的脈沖數。

②變量柱塞的位移量

齒條柱塞與外圓加工齒的定子是齒輪齒條嚙合，所以變量柱塞的位移量與定子偏轉的角度的關系為

式中：xp為變量柱塞位移量（m）；α為定子圈偏轉角（°）；Df為定子圈與變量柱塞組成齒輪齒條嚙合分度圓直徑（m）。

3.2 泵靜態調節流量公式

由于伺服閥和變量缸是隨動關系，因此，xv=xp，即

式（6）即為數字化雙作用變量葉片泵的靜態調節流量公式。由（7）、（8）可知該式中，Kq和Kβ均為常數。

3.3 變量機構參數化分析

本文是以YB1-25型葉片泵作為研究基礎，結合該泵的部分結構參數，設計定子內圓弧大半徑長度R為32.5mm，定子內圓弧小半徑r為28.5mm，定子分度圓直徑Df為75.5mm，葉片寬度B為20mm，葉片厚度δ為1.8mm，葉片傾角θ為13°，葉片數z為12。泵的轉子轉速n為1000r/min。本文采用了歩距角為1.5°的36BF003型步進電機；采用d=20mm，t=4mm，j=1的絲杠螺母副。根據泵的結構參數，設計變量柱塞由全排量到零排量行程為xp=29.6mm。這樣全行程29.6mm所需要的脈沖數Ni=360°xp/βtj=1776個。據此，我們可以計算得到當定子偏轉一定角度時，單片機需要發送的脈沖個數。如表1所示為定子偏轉角以5度為間隔時，對應的單片機需要發送的脈沖數以及此時泵的理論流量。

由此，可以繪制此變量泵由全排量到零排量靜態調節qtp-Ni特性圖，如圖6所示。

由此圖可以看出，泵流量qtp的變化只取決于單片機發出的脈沖數Ni。因此，我們可以編寫相應的單片機程序，來控制發送脈沖的個數，從而使泵的排量發生改變。

4 結論

本文針對雙作用葉片泵實現變量的理論做了簡單了陳述，在此基礎上針對雙作用葉片泵實現變量又做了數字化的改進。通過對泵變量機構數學模型的分析，得到了泵靜態調節流量公式，繪制出qtp-Ni特性圖，并對變量機構進行了參數化析。由此得出，通過控制信號輸出量的變化就可以使泵排量發生相應的改變。因此基于單片機控制，步進電機驅動的數字式雙作用變量泵是成立的。但是必須要進行參數優化以及動態實驗研究，使其得到進一步的改善。

參考文獻：

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[2]李義，袁圓，陳超.雙作用式變量葉片泵理論研究[J].煤礦機械，2011（2）：42-43.

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[4]雷秀.YB型雙作用葉片泵變量研究[A].中國力學學會流體控制工程專業委員會流體控制工程與機器人學術會議論文集[C].內蒙古：內蒙古大學出版社，1992：134-139.

[5]雷秀，張治務，李軍.數控軸向柱塞變量泵的開發及靜特性實驗研究[J].內蒙古工業大學學報，2000（2）：119-121.

[6]雷秀，張治務.63CCCY14-1B泵數字化靜態調節及實驗研究[J].機床與液壓，1999（1）：16-17.

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篇12

在專業能力培養中的定位 該課程定位于讓學生樹立以交直流電機為控制對象的完整的自動控制系統的概念，結合已學過的電路原理、數字電子技術基礎、模擬電子技術基礎、單片機、電力電子技術等課程，搭建以電機為控制對象的閉環控制系統，并完成對電機性能的調試和控制。

與核心課程群中其他課程在知識體系與能力培養上的整體設計 《電機應用技術》與自動化專業的其他核心課程之間的關系，如下圖所示。在一個完整的閉環控制系統中，《計算機控制》《單片機》《PLC》是控制手段，《電力電子技術》《數電》《模電》提供電機的驅動電路，《電機應用技術》構成系統的控制對象，《運動控制技術》和《控制系統設計》提供系統的理論概念和分析方法，《自動控制理論》《系統建模與仿真》《智能控制》偏重原理性地介紹和理論的分析，主要定位培養學生的系統概念和理論分析能力。

基礎知識要求 要求掌握直流電機的結構和基本工作原理、直流電動機的電力拖動、變壓器基本工作原理和變壓器組別判斷、交流電機的結構和基本工作原理、三相異步電動機的電力拖動、同步電機、微特電機以及電動機的容量選擇等。知識點：電力拖動系統的運動方程式;直流電機的工作原理、內部結構、用途、運行特性以及他勵直流電機的起動、調速和制動;變壓器的結構和工作原理、變壓器空載運行和負載運行特性、變壓器的接線組別判斷;三相異步電動機的工作原理、內部結構、用途、工作特性、參數的測定、運行特性、三相異步電動機的起動、制動和調速問題;了解伺服電機、步進電機、測速發電機、無刷直流電動機的結構和基本工作原理。

能力培養要求 培養學生了解直流電機、變壓器、交流電機的運行特性分析，同時結合已經學習過的電路原理、數字電子技術基礎、模擬電子技術基礎、單片機、電力電子技術等課程，搭建以電機為控制對象的閉環系統，樹立閉環反饋系統的整體概念，完成對電機的性能分析和控制。技能點：能夠搭建以電機為控制對象的閉環控制系統，并對電機性能進行分析，同時借助單片機等控制手段完成對電機的智能控制，能夠獨立完成閉環系統硬件搭建和調試，掌握PID等經典控制算法在實際系統中的應用。

實踐教學要求 利用課外時間以三四人的小組為單位，搭建直流電機的閉環控制系統，要求完成硬件系統搭建、軟件程序編寫與調試以及報告的撰寫。通過本次設計，增加學生對電機理論知識的感性認識，完成理論到實踐的轉換。

作業要求 隨堂課后作業、課外引導性項目實踐設計、網上在線測試。隨堂與課堂講授知識點匹配的作業要求跟隨進度完成;課外引導性項目實踐設計分6周完成，完成硬件系統搭建、軟件程序編寫與調試以及報告的撰寫，實施分組進行。

篇13

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