基于煙霧報(bào)警器的單片機(jī)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

周立萍　周立紅

[摘 要]教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)是項(xiàng)目教學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)項(xiàng)目開(kāi)展，學(xué)生可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，掌握前面所學(xué)的各種知識(shí)和技能，并對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用有一個(gè)完整的認(rèn)識(shí)和訓(xùn)練。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊型號(hào)選擇、軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)與調(diào)試等重要的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)知識(shí)。該教學(xué)方法在教學(xué)過(guò)程中取得理想教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī)；項(xiàng)目教學(xué)法；煙霧報(bào)警器

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.41.151

21世紀(jì)以來(lái)，特別是工業(yè)4.0這個(gè)高科技戰(zhàn)略計(jì)劃提出后，培養(yǎng)高水平的技能人才迫在眉睫。近年來(lái)，我國(guó)高職教育在國(guó)外培養(yǎng)模式的啟發(fā)下，逐步加大校內(nèi)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)比例，引入企業(yè)參與教學(xué)過(guò)程和質(zhì)量評(píng)價(jià)，開(kāi)展項(xiàng)目教學(xué)。項(xiàng)目教學(xué)法是在開(kāi)放式人才培養(yǎng)模式下，教學(xué)以育人為目標(biāo)，以掌握知識(shí)和技能為根本，克服了以學(xué)科體系進(jìn)行教學(xué)的缺點(diǎn)和不足，為學(xué)生的頂崗實(shí)習(xí)和順利就業(yè)創(chuàng)造了條件。

1 項(xiàng)目教學(xué)方法采用

單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程是高職院校自動(dòng)化、電子工藝、機(jī)電一體化等專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，也是工程實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)課。對(duì)于高職類(lèi)院校來(lái)說(shuō)，采用理實(shí)一體化的項(xiàng)目教學(xué)方法最為適合。通過(guò)讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)施項(xiàng)目?jī)?nèi)容，提高實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，以適應(yīng)社會(huì)的需求。

在開(kāi)課前，將班級(jí)進(jìn)行分組，每組3～4人，設(shè)立組長(zhǎng)、質(zhì)檢員、領(lǐng)料員、員工等，由組長(zhǎng)制定詳細(xì)的任務(wù)并進(jìn)行分工。通過(guò)布置任務(wù)、項(xiàng)目資訊、項(xiàng)目決策、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目檢查、項(xiàng)目總結(jié)與評(píng)價(jià)等過(guò)程制定項(xiàng)目方案[2]。學(xué)生在煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中，了解單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的流程。實(shí)現(xiàn)從原理圖設(shè)計(jì)到PCB制版、硬件搭建、程序設(shè)計(jì)、軟硬件聯(lián)合調(diào)試的過(guò)程。讓學(xué)生了解單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，建立控制系統(tǒng)概念。

2 煙霧報(bào)警控制項(xiàng)目描述

項(xiàng)目題目選定好后，指導(dǎo)教師需要為煙霧報(bào)警器提出相應(yīng)的任務(wù)需求。在課堂中，通過(guò)模擬客戶提出設(shè)計(jì)需求。要求項(xiàng)目的實(shí)施場(chǎng)所為家庭廚房。

項(xiàng)目描述：日常生活中，泄漏的可燃?xì)怏w在一定范圍內(nèi)很難被人們發(fā)現(xiàn)，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成很大的安全隱患[3]。隨著人們的安全意識(shí)逐漸提高，可燃?xì)怏w泄漏問(wèn)題受到了極大重視。在家居環(huán)境中，煙霧報(bào)警器是一種必備的選擇，它可以檢測(cè)空氣中可燃?xì)怏w（如煤氣、甲烷）的含量，如果可燃?xì)怏w含量超出正常指標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，提醒人們及早采取措施，避免事故發(fā)生[4]。

項(xiàng)目任務(wù)要求：設(shè)計(jì)一款供家居使用的煙霧報(bào)警器，它的氣體探測(cè)范圍300 ～ 10000ppm；主要適用氣體：可燃?xì)怏w、煙霧；環(huán)境溫度：-20℃～+55℃，采用數(shù)碼顯示溫度值。設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器具有以下功能：

（1）火情探測(cè)功能：根據(jù)不同的防火場(chǎng)所，用戶可以選用溫度探測(cè)法、可燃?xì)怏w檢測(cè)法及煙霧探測(cè)法等合適的火災(zāi)探測(cè)方法，來(lái)有效地探測(cè)火災(zāi)。[5]

（2）燈光報(bào)警功能：當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度過(guò)大、有火情等情況發(fā)生時(shí)，報(bào)警器要進(jìn)行燈光報(bào)警。當(dāng)煙霧超過(guò)最大設(shè)定值時(shí)，或是溫度超過(guò)閥值時(shí)，都可以聲光提示報(bào)警。

3 煙霧報(bào)警控制項(xiàng)目實(shí)施

經(jīng)過(guò)充分分析任務(wù)需求，各小組組長(zhǎng)組織成員討論并制定項(xiàng)目實(shí)施方案，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、模塊選型、電路設(shè)計(jì)、PCB版繪制、電路焊接、程序設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試等過(guò)程完成項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)。

3.1 項(xiàng)目方案確定

由項(xiàng)目任務(wù)描述，小組成員開(kāi)始著手設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，經(jīng)過(guò)討論設(shè)計(jì)后形成完整的設(shè)計(jì)思路。期間教師通過(guò)巡視指導(dǎo)，與學(xué)生共同討論確定項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。按照設(shè)計(jì)要求，煙霧報(bào)警控制系統(tǒng)分為控制器模塊、報(bào)警控制模塊、溫度檢測(cè)模塊、顯示控制模塊、鍵盤(pán)控制模塊、煙霧檢測(cè)模塊、指示燈模塊、電源模塊等部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

3.2 項(xiàng)目電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)好后，需要對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行元件選擇和原理圖設(shè)計(jì)。通過(guò)查找技術(shù)手冊(cè)和相關(guān)參數(shù)，各個(gè)小組確定煙霧報(bào)警器控制系統(tǒng)的控制器為STC89C52型號(hào)的單片機(jī)。顯示部分采用價(jià)格合理滿足控制要求的數(shù)碼管進(jìn)行溫度顯示，通過(guò)三種不同顏色的LED燈作為溫度、煙霧報(bào)警指示。氣體傳感器模塊采用MQ-2型號(hào)的傳感器，并由LM393作為氣體傳感器的放大電路，采用蜂鳴器作為報(bào)警模塊。溫度控制部分采用DS18B20作為溫度檢測(cè)傳感器。

3.3 項(xiàng)目硬件搭建

項(xiàng)目原理圖和元件選擇后，經(jīng)過(guò)老師和學(xué)生們共同討論，確定項(xiàng)目設(shè)計(jì)的可行性，并通過(guò)仿真測(cè)試方法進(jìn)行驗(yàn)證。確定方案設(shè)計(jì)可行性后，開(kāi)始進(jìn)行電路的硬件搭接。實(shí)物如圖2中所示。

3.4 程序設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試

硬件焊接好后，需要各個(gè)小組進(jìn)行控制系統(tǒng)編程，控制系統(tǒng)主要的控制流程如圖3中所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，開(kāi)中斷；然后進(jìn)行溫度顯示，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和MQ-2氣體傳感器的感應(yīng)變化，通過(guò)判斷溫度傳感器的溫度值與氣體傳感器的感應(yīng)值得變化范圍，進(jìn)行指示燈的控制與報(bào)警器報(bào)警工作。

通過(guò)程序編寫(xiě)并在線調(diào)試，確定該煙霧報(bào)警器的程序控制，完成煙霧報(bào)警器制作與調(diào)試。最終，各個(gè)小組成員經(jīng)過(guò)兩周的設(shè)計(jì)、硬件焊接、程序編寫(xiě)、軟硬件聯(lián)調(diào)等工作后終于完成煙霧報(bào)警器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

3.5 項(xiàng)目的測(cè)試與評(píng)估

經(jīng)過(guò)小組互相測(cè)試作品的功能性、性能可靠程度，最終確定一組優(yōu)秀的項(xiàng)目產(chǎn)品。該組的產(chǎn)品焊接工藝較好，能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目任務(wù)描述中的各項(xiàng)功能，具有一定的可靠性與實(shí)用性，合格產(chǎn)品。通過(guò)教師和小組成員進(jìn)行項(xiàng)目產(chǎn)品評(píng)價(jià)和打分，確定各個(gè)小組及其成員的成績(jī)。

4 煙霧報(bào)警控制項(xiàng)目總結(jié)

單片機(jī)課程是一門(mén)實(shí)用性非常強(qiáng)的課程，通過(guò)將設(shè)計(jì)項(xiàng)目引入課堂，讓學(xué)生感受一個(gè)項(xiàng)目的整個(gè)環(huán)節(jié)。整個(gè)過(guò)程使學(xué)生體驗(yàn)到企業(yè)各個(gè)工作環(huán)節(jié)，讓學(xué)生腦中產(chǎn)生系統(tǒng)的概念。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，學(xué)生對(duì)各種芯片選型、原理圖設(shè)計(jì)、硬件焊接與檢測(cè)、單片機(jī)中定時(shí)器、中斷等重點(diǎn)知識(shí)的理解更加透徹。

5 結(jié) 論

項(xiàng)目將單片機(jī)中的端口定義、定時(shí)器、中斷等知識(shí)融合，結(jié)合溫度、氣體傳感器等設(shè)計(jì)完成一個(gè)煙霧報(bào)警器控制。使學(xué)生完成煙霧報(bào)警器過(guò)程中，不僅學(xué)到了知識(shí)，也提高了技能水平。在今后的教學(xué)過(guò)程中，需要不斷的開(kāi)發(fā)實(shí)際項(xiàng)目，將項(xiàng)目設(shè)計(jì)引入課堂，不斷提高學(xué)生技能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王靜霞.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2]叢文龍.應(yīng)用“六步教學(xué)法”的常見(jiàn)問(wèn)題及對(duì)策[J].遼寧高職學(xué)報(bào)，2010.8（12）.

[3]許磊.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2014.

[4]陳衛(wèi).傳感器應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2014.

[5]孫巨勇.基于單片機(jī)的煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)探究[J].微處理器與可編程控制器，2013（15）.