張婧婧　李勇偉

摘 要：《單片機(jī)原理》是一門工程實(shí)踐性較強(qiáng)的程控類課程，《傳感器技術(shù)》則屬于結(jié)合各類傳感器應(yīng)用的技術(shù)密集型課程，結(jié)合《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程設(shè)計(jì)綜合案例庫(kù)，旨在加強(qiáng)專業(yè)課程間教學(xué)設(shè)計(jì)的銜接，強(qiáng)化專業(yè)課程群的建設(shè)。文章以兩門課程的關(guān)聯(lián)方式為紐帶，闡述了綜合案例庫(kù)的建設(shè)方法;基于溫控系統(tǒng)和壓力稱重系統(tǒng)的案例分析，呈現(xiàn)綜合案例庫(kù)的建設(shè)樣例;針對(duì)專業(yè)教學(xué)目標(biāo)和知識(shí)儲(chǔ)備各異的現(xiàn)狀，規(guī)劃了綜合案例庫(kù)的理論與實(shí)踐課程授課方式，以案例的完整性設(shè)計(jì)為視角，力爭(zhēng)為學(xué)習(xí)者搭建一個(gè)全景的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：案例庫(kù);單片機(jī)原理;傳感器技術(shù);電子設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2019）14-0051-03

一、引言

《單片機(jī)原理》屬于電子技術(shù)類專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，旨在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者軟、硬件結(jié)合的微控系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力[1]。該專業(yè)學(xué)生在掌握部分程控原理的基本知識(shí)、智能電路的編程控制及仿真軟件的綜合運(yùn)用技能后，即可設(shè)計(jì)具有一定實(shí)用價(jià)值的智能控制系統(tǒng)，因此該課程內(nèi)容在電子技術(shù)專業(yè)全學(xué)程中工程實(shí)踐性較強(qiáng)，且備受推崇[2]。目前，單片機(jī)以其智能型、經(jīng)濟(jì)型優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子等領(lǐng)域，其教學(xué)設(shè)計(jì)與相關(guān)專業(yè)學(xué)科的關(guān)聯(lián)性顯著[3]，其中與《傳感器技術(shù)》課程的銜接具有代表性。

傳感器技術(shù)作為信息獲取的源頭技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，傳感器被定義為：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置。由傳感器采集的信號(hào)將主要應(yīng)用于智能型系統(tǒng)的分析與處理，而結(jié)合《傳感器技術(shù)》與《單片機(jī)原理》課程內(nèi)容設(shè)計(jì)綜合案例，即可實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)的前端采集與過(guò)程控制的教學(xué)銜接，有望為學(xué)習(xí)者搭建一個(gè)全景的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)[4]。因此，建設(shè)兩門課程的綜合案例庫(kù)并以專題形式授課，可以視為提高專業(yè)學(xué)習(xí)者電子設(shè)計(jì)能力的有效途徑。此外，高質(zhì)量的案例庫(kù)還有助于強(qiáng)化兩門課程間的銜接，拓展專業(yè)知識(shí)體系的深度和廣度，進(jìn)而推動(dòng)專業(yè)課程群的建設(shè)。

二、案例庫(kù)的建設(shè)方法

1.精選案例

依據(jù)兩門課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，以《單片機(jī)原理》先于《傳感器技術(shù)》授課為前提，案例的選取可參考的原則大致如下：

（1）甄選趣味性強(qiáng)、情景直觀、內(nèi)容完整的教學(xué)案例，以吸引專業(yè)學(xué)習(xí)者的興趣為宜。

（2）選取具備技術(shù)推廣價(jià)值且具有代表性的優(yōu)勢(shì)案例開發(fā)，力爭(zhēng)學(xué)以致用。

（3）結(jié)合C語(yǔ)言編程與電子仿真技術(shù)[5]，開發(fā)基于單片機(jī)控制的智能傳感系統(tǒng)，優(yōu)化案例的教學(xué)形式。

2.分析課程關(guān)聯(lián)方式

《單片機(jī)原理》課程以51系列單片機(jī)處理器為核心，其主要知識(shí)點(diǎn)可劃分為基礎(chǔ)知識(shí)模塊、輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、信號(hào)與算法模塊、I/O擴(kuò)展模塊、機(jī)電控制模塊等。

《傳感器技術(shù)》課程主要涉及的傳感器類型包括電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、半導(dǎo)體物性傳感器、智能溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器等。結(jié)合《傳感器技術(shù)》課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，課程教學(xué)中主要解決傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)量及誤差處理、數(shù)據(jù)標(biāo)定與校準(zhǔn)、工程檢測(cè)與系統(tǒng)集成等問(wèn)題。

據(jù)此，綜合案例庫(kù)的開發(fā)需借助兩門課程知識(shí)體系的關(guān)聯(lián)，其關(guān)聯(lián)方式如圖1所示。圖1中虛線框內(nèi)覆蓋了單片機(jī)課程的主要知識(shí)點(diǎn)，傳感器技術(shù)部分則主要部署于課程聯(lián)合體系的前端與末端，結(jié)合兩門課程開發(fā)的綜合案例可呈現(xiàn)出基于單片機(jī)的智能控制系統(tǒng)的完整實(shí)例，且綜合案例選取與開發(fā)以結(jié)合圖1中更多知識(shí)模塊的內(nèi)容為最佳。

3.案例庫(kù)建設(shè)路線

目前，《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程屬于我院電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的主干課程，其各自的教學(xué)內(nèi)容與知識(shí)體系已趨于完整，課程的教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)用例也力求精致、統(tǒng)一。根據(jù)課程組已經(jīng)運(yùn)用的教學(xué)材料及教學(xué)方法，整合更為完善的綜合案例庫(kù)，將其建立在兩門課程已有的案例素材基礎(chǔ)之上，課程組通過(guò)改進(jìn)或加工案例使其知識(shí)結(jié)構(gòu)更加完整、授課內(nèi)容更加統(tǒng)一，進(jìn)而形成綜合案例庫(kù)。因此，綜合案例庫(kù)的建設(shè)大致包括收集素材、設(shè)計(jì)案例、整合資源及案例實(shí)施四個(gè)階段，如圖2所示。

三、案例庫(kù)的實(shí)例解析

為了有效結(jié)合兩門課程的主要知識(shí)模塊，綜合案例庫(kù)的取材盡可能涵蓋如下幾個(gè)方面：①具備傳感器采集技術(shù)的感知模塊，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)解析;②感知數(shù)據(jù)能夠采用單片機(jī)控制，轉(zhuǎn)換并處理成為數(shù)字信號(hào);③系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出單元或系統(tǒng)集成檢測(cè)過(guò)程需配備交互式模塊。

以上述要求為依據(jù)，綜合案例庫(kù)的建設(shè)可參考實(shí)例如下：

1.溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在傳感器應(yīng)用方面具備典型性[6]。如圖3所示，以DS18B20溫度傳感器為采集終端，連接相應(yīng)硬件模塊并在單片機(jī)中載入智能溫度傳感器的驅(qū)動(dòng)程序、溫度采集及處理程序、溫度查詢及電機(jī)控制程序、液晶驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)顯示程序等，即可完成案例的教學(xué)設(shè)計(jì)。

該案例始于智能溫度傳感器的數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸出、機(jī)電控制等模塊，實(shí)現(xiàn)溫度控制的基本功能。在此案例中，學(xué)習(xí)者首先需要掌握數(shù)字溫度傳感器的采集技術(shù)，然后通過(guò)單片機(jī)的編程控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、輸出、顯示、控制等相關(guān)功能，屬于《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》相結(jié)合的代表性用例。

2.壓力稱重系統(tǒng)

與溫度控制系統(tǒng)類似，基于壓力傳感器的電子稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)也屬于單片機(jī)與傳感器技術(shù)相結(jié)合的典型用例[7]。如圖4所示，MPX4115傳感器是壓力稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，送入單片機(jī)中處理并于液晶1602中顯示交易價(jià)格。當(dāng)稱重系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)后，需結(jié)合鍵盤輸入模塊，輸入稱重物品的單價(jià)，由單價(jià)乘以重量得到物品的價(jià)格并完成顯示輸出，實(shí)現(xiàn)電子稱重功能的設(shè)計(jì)。

該案例將輸入模塊、A/D采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊與氣體壓力傳感器的應(yīng)用相結(jié)合，其功能與實(shí)際應(yīng)用中的電子秤類似，同時(shí)學(xué)習(xí)者還要求掌握MPX4115輸出特性以及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)修正方法，實(shí)現(xiàn)了《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程內(nèi)容的綜合設(shè)計(jì)。

3.綜合案例庫(kù)的參考項(xiàng)目

通過(guò)梳理《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程的知識(shí)模塊，基于不同類型傳感器的功能，以工程應(yīng)用為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，筆者甄選的綜合案例庫(kù)參考項(xiàng)目如表1所示。

四、綜合案例庫(kù)的授課

鑒于我院目前實(shí)施的專業(yè)培養(yǎng)方案，《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》課程在授課內(nèi)容與開設(shè)時(shí)間上緊密銜接，前者作為后者的先修課程，會(huì)在第四、第五兩學(xué)期分別開設(shè)，為兩個(gè)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供可能。就綜合案例的教學(xué)形式而言，其理論與實(shí)驗(yàn)授課方式可根據(jù)不同專業(yè)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)者知識(shí)儲(chǔ)備情況而定。

在《傳感器技術(shù)》課程后期講授案例，學(xué)習(xí)者在掌握部分敏感元件感知技術(shù)和單片機(jī)的應(yīng)用技能后，以專題形式講授即可實(shí)現(xiàn)綜合系統(tǒng)的完整性教學(xué)設(shè)計(jì)。

在《單片機(jī)原理》課程后期開展綜合案例教學(xué)，限于傳感器技術(shù)的知識(shí)儲(chǔ)備不足，授課中需部分弱化信號(hào)采集模塊的分析，而著眼于智能控制部分的講授。

與此同時(shí)，不同程度的綜合案例授課內(nèi)容將決定其實(shí)踐環(huán)節(jié)采用的授課形式也不盡相同。就《單片機(jī)原理》課程教學(xué)目標(biāo)而言，學(xué)生以掌握程控技術(shù)、編程能力為主旨，其綜合案例的配套實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)電子仿真平臺(tái)完成。如果綜合案例的實(shí)踐環(huán)節(jié)以校內(nèi)綜合實(shí)踐形式開展，那么設(shè)計(jì)一款功能齊備的智能控制裝置就需要以實(shí)物作品形式來(lái)完整呈現(xiàn)。

需要注意的是，綜合案例教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，案例的講解與實(shí)踐的內(nèi)容應(yīng)避免完全一致。教學(xué)實(shí)踐中，可以通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)或拓展部分邏輯功能，強(qiáng)化學(xué)習(xí)者對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解與變通能力。同時(shí)，為了避免學(xué)習(xí)者對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的過(guò)度依賴，還需加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的過(guò)程考核與監(jiān)督，以確保實(shí)踐內(nèi)容的真實(shí)、有效。

五、結(jié)論

結(jié)合《單片機(jī)原理》與《傳感器技術(shù)》的綜合案例設(shè)計(jì)貫穿著電子設(shè)計(jì)活動(dòng)的始終，從元器件認(rèn)知、敏感元件功能分析、儀器儀表使用、電路設(shè)計(jì)與仿真、硬件制作、軟件編程、軟硬件聯(lián)調(diào)等方面，綜合培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的工程設(shè)計(jì)能力。對(duì)于缺乏工程經(jīng)驗(yàn)的部分學(xué)習(xí)者而言，綜合案例的學(xué)習(xí)與實(shí)踐是一次不可多得的設(shè)計(jì)經(jīng)歷，為其增強(qiáng)電子設(shè)計(jì)技能，順利完成畢業(yè)要求相關(guān)指標(biāo)奠定了較好的基礎(chǔ)。

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（編輯：李曉萍）