高慶華，商云晶，秦曉梅，崔承毅，程春雨，周曉丹

（大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部 電工電子實驗中心，遼寧 大連 116023）

單片機綜合設(shè)計性實驗是我校自動化專業(yè)、通信工程專業(yè)以及電子專業(yè)的必修實踐課程，該課程能夠?qū)纹瑱C原理、模擬電子線路、數(shù)字電路和C語言等理論知識緊密結(jié)合起來，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力[1-4]。為了使學(xué)生盡早適應(yīng)社會需求，單片機綜合設(shè)計性實驗?zāi)M工程項目開發(fā)，教師只給定實驗項目需求，鼓勵學(xué)生自主查閱資料，確定設(shè)計方案，然后進(jìn)行焊接、程序編寫、系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試，最終完成實驗項目。

單片機綜合設(shè)計性實驗的教學(xué)理念是以學(xué)生為本，利用實驗項目實現(xiàn)方法的多樣性，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮主觀能動性和積極性，創(chuàng)造性地采用多元化方法完成實驗任務(wù)[5-8]。為了激發(fā)學(xué)生實驗興趣，開設(shè)了源于實際生活的實驗項目——基于STC單片機的智能風(fēng)扇系統(tǒng)的實驗設(shè)計，通過設(shè)計電源電路、顯示電路、電機控制電路、傳感器電路等構(gòu)建智能風(fēng)扇系統(tǒng)，實現(xiàn)風(fēng)扇智能控制的各種功能。

1 實驗系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 智能風(fēng)扇系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于 STC單片機的智能風(fēng)扇實驗系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源模塊、LCD顯示模塊、風(fēng)扇驅(qū)動模塊、無線通信模塊、傳感器模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)功能庫框圖如圖1所示。其中控制核心選用的是 STC15W4K32S4系列單片機中的IAP15W4K58S4，這款單片機功耗低、速度快、性能高，具有在線仿真調(diào)試功能；選用LCD1602顯示相關(guān)內(nèi)容；選用L298N驅(qū)動風(fēng)扇；選用藍(lán)牙進(jìn)行無線通信；選用DS18B20檢測環(huán)境溫度；選用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊檢測人員。

圖1 系統(tǒng)功能庫框圖

1.2 智能風(fēng)扇系統(tǒng)實驗項目功能要求

實驗項目功能設(shè)計尊重學(xué)生的個性化發(fā)展要求，采用層次化教學(xué)方式，包括基礎(chǔ)層、提高層和拓展層。基礎(chǔ)層要求學(xué)生實現(xiàn)按鍵控制風(fēng)扇運行模式，包括啟停、低速、中速、高速、自動運行；通過溫度傳感器檢測環(huán)境溫度并在LCD上顯示對應(yīng)溫度值；設(shè)定風(fēng)扇高低溫閾值，風(fēng)扇運行過程中當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定的低溫值時風(fēng)扇停止，環(huán)境溫度高于設(shè)定的高溫值時風(fēng)扇正常運行，如果設(shè)置的溫度值不在監(jiān)測范圍內(nèi)或者風(fēng)扇運行速度超過一定值時系統(tǒng)報警。提高層要求學(xué)生實現(xiàn)利用藍(lán)牙發(fā)送命令到單片機，進(jìn)而遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇的各種運行模式；設(shè)置人員監(jiān)測開關(guān)，當(dāng)風(fēng)扇處于運行狀態(tài)時，若通過紅外人體監(jiān)測傳感器檢測到人員，風(fēng)扇保持原狀態(tài)，未檢測到人員時，風(fēng)扇延時關(guān)閉。拓展層要求學(xué)生根據(jù)個人能力進(jìn)行選擇開發(fā)，如手機App功能開發(fā)等。基于STC15單片機的智能風(fēng)扇系統(tǒng)功能要求如圖2所示。

圖2 智能風(fēng)扇系統(tǒng)功能要求

2 實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 IAP15W4K58S4單片機最小系統(tǒng)模塊

單片機是整個智能小車系統(tǒng)的核心，控制整個系統(tǒng)其他模塊的工作。本系統(tǒng)選用的IAP15W4K58S4單片機是宏晶公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的新一代8051單片機，內(nèi)部集成時鐘，無需外部晶振和復(fù)位電路，并集成了8路10位PWM、8路10位A/D轉(zhuǎn)換和4路高速異步串口通信端口，相比普通51單片機功能更強大，使用更方便[9-12]。由于IAP15W4K58S4單片機內(nèi)部集成了時鐘晶振和復(fù)位電路，只需將單片機與電源和地連接即可構(gòu)建最小系統(tǒng)。

2.2 穩(wěn)壓電源模塊

智能風(fēng)扇系統(tǒng)中各功能模塊均采用 5 V電壓供電，穩(wěn)壓電源電路如圖3所示，采用的是LM7805三端穩(wěn)壓芯片，其內(nèi)部有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用方便可靠。采用 IN4007二極管實現(xiàn)全波整流，通過電容濾波后，利用LM7805三端穩(wěn)壓器實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5 V電壓。

圖3 電源模塊電路

2.3 風(fēng)扇驅(qū)動模塊

實驗系統(tǒng)中采用PWM信號加電機驅(qū)動電路方式對風(fēng)扇進(jìn)行驅(qū)動。驅(qū)動電路可使用三極管搭建H橋形式實現(xiàn)，也可使用專用芯片驅(qū)動，考慮到前者電路設(shè)計復(fù)雜，穩(wěn)定性低，本系統(tǒng)設(shè)計采用電機專用驅(qū)動芯片L298N對風(fēng)扇進(jìn)行驅(qū)動，如圖4所示。該芯片輸出電流大、功率強、電路簡單、使用方便，可驅(qū)動1個四相電機，也可驅(qū)動2個二相電機。本設(shè)計可以將風(fēng)扇接在A位置或B位置，相應(yīng)地通過單片機發(fā)送PWM波到IN1、IN2或IN3、IN4，控制各種風(fēng)扇運行狀態(tài)。

圖4 風(fēng)扇驅(qū)動電路

2.4 顯示模塊

實驗系統(tǒng)中采用 LCD1602液晶顯示當(dāng)前檢測環(huán)境溫度值和風(fēng)扇運行狀態(tài)，此款液晶能夠同時顯示16×2即32個字符，通常用來顯示字符、數(shù)字、符號等信息。LCD1602液晶的第3引腳為顯示對比度調(diào)節(jié)端，通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)整對比度，7—14引腳為數(shù)據(jù)段，15和16引腳為背光電源正、負(fù)極，液晶顯示模塊電路如圖5所示。

圖5 液晶顯示電路

2.5 藍(lán)牙無線通信模塊

實驗系統(tǒng)采用主從一體的藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊 HC05實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，進(jìn)而控制風(fēng)扇各種運行狀態(tài)。HC05模塊與單片機的串口相連進(jìn)行通信，當(dāng)手機與藍(lán)牙配對成功后，可以通過手機串口助手App向單片機發(fā)送指令，藍(lán)牙模塊如圖6所示。

2.6 傳感器模塊

實驗系統(tǒng)中的環(huán)境溫度檢測采用 DS18B20溫度傳感器，它具有低功耗、高性能、能夠多點測溫等優(yōu)點，溫度檢測范圍為-55～+125°，可編程分辨率為9—12位，可直接輸出數(shù)字量。溫度檢測電路如圖7所示。

圖6 藍(lán)牙無線通信模塊

實驗系統(tǒng)中采用HC-SR501紅外人體感應(yīng)模塊實現(xiàn)對周邊人員的檢測，采用LH1778紅外探頭實現(xiàn)人體紅外探測。模塊啟動后，當(dāng)有人員進(jìn)入探測范圍時該模塊會輸出高電平，其觸發(fā)方式、探測距離以及感應(yīng)延時均可調(diào)節(jié)。紅外人體檢測模塊如圖8所示。

圖7 溫度傳感器電路

圖8 紅外人體檢測模塊

3 實驗教學(xué)效果

經(jīng)過幾年的本科學(xué)習(xí)，學(xué)生的綜合能力有較大差別，興趣愛好也各不相同，因此實施層次化教學(xué)方法。要求所有學(xué)生都要完成基礎(chǔ)層實驗內(nèi)容，并至少選擇實現(xiàn)1項提高層實驗內(nèi)容，鼓勵部分有余力的學(xué)生自主開發(fā)拓展層實驗。各層次實驗內(nèi)容的實現(xiàn)方式不作具體規(guī)定，具有開放性。實驗中，無論能力如何，學(xué)生都能設(shè)計出一個完整的風(fēng)扇系統(tǒng)，能力弱的學(xué)生設(shè)計的系統(tǒng)雖然功能少一些，但動手能力和綜合設(shè)計能力得到了鍛煉；能力強的學(xué)生設(shè)計的系統(tǒng)功能豐富，綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力能夠得到提高。

4 結(jié)語

單片機綜合設(shè)計性實驗在培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力方面發(fā)揮了重要作用，從智能風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計來看，實驗項目具有層次性、開放性，能夠融入本科教學(xué)多門課程知識點，實現(xiàn)方案多樣化，并能充分尊重學(xué)生的個性化發(fā)展需求，有效地提高了學(xué)生的動手能力、綜合設(shè)計能力、工程開發(fā)能力和創(chuàng)新能力。