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新版結(jié)合《單片機原理》與《傳感器技術(shù)》課程設(shè)計綜合案例庫的研究匯編

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1、 新版結(jié)合《單片機原理》與《傳感器技術(shù)》課程設(shè)計綜合案例庫的研究匯編 摘 要:《單片機原理》是一門工程實踐性較強的程控類課程,《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《單片機原理》與《傳感器技術(shù)》課程設(shè)計綜合案例庫,旨在加強專業(yè)課程間教學設(shè)計的銜接,強化專業(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)綜合案例庫的建設(shè)樣例;針對專業(yè)教學目標和知識儲備各異的現(xiàn)狀,規(guī)劃了綜合案例庫的理論與實踐課程授課方式,以案例的完整性設(shè)計為視角,力爭為學習者搭建一個全景的智能系統(tǒng)設(shè)計平臺。 關(guān)鍵詞:

2、案例庫;單片機原理;傳感器技術(shù);電子設(shè)計 中圖分類號:G642 文獻標志碼:A 文章編號:1673-8454(202x)14-0051-03 一、引言 《單片機原理》屬于電子技術(shù)類專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一,旨在培養(yǎng)學習者軟、硬件結(jié)合的微控系統(tǒng)設(shè)計能力[1]。該專業(yè)學生在掌握部分程控原理的基本知識、智能電路的編程控制及仿真軟件的綜合運用技能后,即可設(shè)計具有一定實用價值的智能控制系統(tǒng),因此該課程內(nèi)容在電子技術(shù)專業(yè)全學程中工程實踐性較強,且備受推崇[2]。目前,單片機以其智能型、經(jīng)濟型優(yōu)勢廣泛應(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

3、學設(shè)計與相關(guān)專業(yè)學科的關(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)國家標準,傳感器被定義為:能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。由傳感器采集的信號將主要應(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《單片機原理》課程內(nèi)容設(shè)計綜合案例,即可實現(xiàn)智能系統(tǒng)的前端采集與過程控制的教學銜接,有望為學習者搭建一個全景的智能系統(tǒng)設(shè)計平臺[4]。因此,建設(shè)兩門課程的綜合案例庫并以專題形式授課,可以視為提高專業(yè)學習者電子設(shè)計能力的有效途徑。此外,高質(zhì)量的案例庫還有助于強化兩門課程間的

4、銜接,拓展專業(yè)知識體系的深度和廣度,進而推動專業(yè)課程群的建設(shè)。 二、案例庫的建設(shè)方法 1.精選案例 依據(jù)兩門課程的知識結(jié)構(gòu),以《單片機原理》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、情景直觀、內(nèi)容完整的教學案例,以吸引專業(yè)學習者的興趣為宜。 (2)選取具備技術(shù)推廣價值且具有代表性的優(yōu)勢案例開發(fā),力爭學以致用。 (3)結(jié)合C語言編程與電子仿真技術(shù)[5],開發(fā)基于單片機控制的智能傳感系統(tǒng),優(yōu)化案例的教學形式。 2.分析課程關(guān)聯(lián)方式 《單片機原理》課程以51系列單片機處理器為核心

5、,其主要知識點可劃分為基礎(chǔ)知識模塊、輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、信號與算法模塊、I/O擴展模塊、機電控制模塊等。 《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)》課程的學習目標,課程教學中主要解決傳感器的數(shù)據(jù)測量及誤差處理、數(shù)據(jù)標定與校準、工程檢測與系統(tǒng)集成等問題。 據(jù)此,綜合案例庫的開發(fā)需借助兩門課程知識體系的關(guān)聯(lián),其關(guān)聯(lián)方式如圖1所示。圖1中虛線框內(nèi)覆蓋了單片機課程的主要知識

6、點,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)出基于單片機的智能控制系統(tǒng)的完整實例,且綜合案例選取與開發(fā)以結(jié)合圖1中更多知識模塊的內(nèi)容為最佳。 3.案例庫建設(shè)路線 目前,《單片機原理》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,其各自的教學內(nèi)容與知識體系已趨于完整,課程的教學設(shè)計與教學用例也力求精致、統(tǒng)一。根據(jù)課程組已經(jīng)運用的教學材料及教學方法,整合更為完善的綜合案例庫,將其建立在兩門課程已有的案例素材基礎(chǔ)之上,課程組通過改進或加工案例使其知識結(jié)構(gòu)更加完整、授課內(nèi)容更加統(tǒng)一,進而形成綜合案例庫。因此,綜合案例

7、庫的建設(shè)大致包括收集素材、設(shè)計案例、整合資源及案例實施四個階段,如圖2所示。 三、案例庫的實例解析 為了有效結(jié)合兩門課程的主要知識模塊,綜合案例庫的取材盡可能涵蓋如下幾個方面:①具備傳感器采集技術(shù)的感知模塊,需要進行數(shù)據(jù)解析;②感知數(shù)據(jù)能夠采用單片機控制,轉(zhuǎn)換并處理成為數(shù)字信號;③系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出單元或系統(tǒng)集成檢測過程需配備交互式模塊。 以上述要求為依據(jù),綜合案例庫的建設(shè)可參考實例如下: 1.溫控系統(tǒng)設(shè)計 基于單片機的智能溫控系統(tǒng)設(shè)計在傳感器應(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中載入智能

8、溫度傳感器的驅(qū)動程序、溫度采集及處理程序、溫度查詢及電機控制程序、液晶驅(qū)動及數(shù)據(jù)顯示程序等,即可完成案例的教學設(shè)計。 該案例始于智能溫度傳感器的數(shù)據(jù)輸出,經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸出、機電控制等模塊,實現(xiàn)溫度控制的基本功能。在此案例中,學習者首先需要掌握數(shù)字溫度傳感器的采集技術(shù),然后通過單片機的編程控制實現(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)計也屬于單片機與傳感器技術(shù)相結(jié)合的典型用例[7]。如圖4所示

9、,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A/D轉(zhuǎn)換后,送入單片機中處理并于液晶1602中顯示交易價格。當稱重系統(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,由單價乘以重量得到物品的價格并完成顯示輸出,實現(xiàn)電子稱重功能的設(shè)計。 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,其功能與實際應(yīng)用中的電子秤類似,同時學習者還要求掌握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,實現(xiàn)了《單片機原理》與《傳感器技術(shù)》課程內(nèi)容的綜合設(shè)計。 3.綜合案例庫的參考項目 通過梳理《單片機原理》與《

10、傳感器技術(shù)》課程的知識模塊,基于不同類型傳感器的功能,以工程應(yīng)用為主要設(shè)計目標,筆者甄選的綜合案例庫參考項目如表1所示。 四、綜合案例庫的授課 鑒于我院目前實施的專業(yè)培養(yǎng)方案,《單片機原理》與《傳感器技術(shù)》課程在授課內(nèi)容與開設(shè)時間上緊密銜接,前者作為后者的先修課程,會在第四、第五兩學期分別開設(shè),為兩個專業(yè)的學生進行智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)提供可能。就綜合案例的教學形式而言,其理論與實驗授課方式可根據(jù)不同專業(yè)教學目標和學習者知識儲備情況而定。 在《傳感器技術(shù)》課程后期講授案例,學習者在掌握部分敏感元件感知技術(shù)和單片機的應(yīng)用技能后,以專題形式講授即可實現(xiàn)綜合系統(tǒng)的完整性教學設(shè)計

11、。 在《單片機原理》課程后期開展綜合案例教學,限于傳感器技術(shù)的知識儲備不足,授課中需部分弱化信號采集模塊的分析,而著眼于智能控制部分的講授。 與此同時,不同程度的綜合案例授課內(nèi)容將決定其實踐環(huán)節(jié)采用的授課形式也不盡相同。就《單片機原理》課程教學目標而言,學生以掌握程控技術(shù)、編程能力為主旨,其綜合案例的配套實驗可以通過電子仿真平臺完成。如果綜合案例的實踐環(huán)節(jié)以校內(nèi)綜合實踐形式開展,那么設(shè)計一款功能齊備的智能控制裝置就需要以實物作品形式來完整呈現(xiàn)。 需要注意的是,綜合案例教學實施過程中,案例的講解與實踐的內(nèi)容應(yīng)避免完全一致。教學實踐中,可以通過調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)或

12、拓展部分邏輯功能,強化學習者對系統(tǒng)設(shè)計的理解與變通能力。同時,為了避免學習者對網(wǎng)絡(luò)資源的過度依賴,還需加強實踐環(huán)節(jié)的過程考核與監(jiān)督,以確保實踐內(nèi)容的真實、有效。 五、結(jié)論 結(jié)合《單片機原理》與《傳感器技術(shù)》的綜合案例設(shè)計貫穿著電子設(shè)計活動的始終,從元器件認知、敏感元件功能分析、儀器儀表使用、電路設(shè)計與仿真、硬件制作、軟件編程、軟硬件聯(lián)調(diào)等方面,綜合培養(yǎng)學習者的工程設(shè)計能力。對于缺乏工程經(jīng)驗的部分學習者而言,綜合案例的學習與實踐是一次不可多得的設(shè)計經(jīng)歷,為其增強電子設(shè)計技能,順利完成畢業(yè)要求相關(guān)指標奠定了較好的基礎(chǔ)。 參考文獻: [1]劉喜雙,姚健.單片機課程實踐教學改革探索[

13、J].教育探索,202x(8):31-32. [2]張婧婧,李勇偉.單片機課程的項目驅(qū)動教學研究與探索[J].電氣電子教學學報,202x,36(6):87-88+92. [3]馬光喜,李良榮,李震.電子設(shè)計教學與課程體系研究[J].實驗室研究與探索,202x,33(7):165-168+188. [4]張婧婧,李勇偉.以應(yīng)用為“錨”的傳感器課程教學方法研究[J].計算機教育,202x(1):152-154. [5]陳龍,張亞君.Proteus仿真軟件在單片機實驗教學中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,202x,26(8):73-75. [6]閆雙紅,錢珊珠,王楠,等.基于單片機的智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,202x,34(10):191-194. [7]錢婷婷,李正明,石鑫,等.基于單片機的自動稱重系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,202x,36(16):116-117+149. (編輯:李曉萍)

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