单片机理论论文范文

前言：我们精心挑选了数篇优质单片机理论论文文章，供您阅读参考。期待这些文章能为您带来启发，助您在写作的道路上更上一层楼。

第1篇

我所做的单片机串行通信发射机主要在实验室完成,参考有关的书籍和资料，个人完成电路的设计、焊接、检查、调试，再根据自己的硬件和通信协议用汇编语言编写发射和显示程序，然后加电调试，最终达到准确无误的发射和显示。在这过程中需要选择适当的元件，合理的电路图扎实的焊接技术，基本的故障排除和纠正能力，会使用基本的仪器对硬件进行调试，会熟练的运用汇编语言编写程序，会用相关的软件对自己的程序进行翻译，并烧进芯片中，要与对方接收机统一通信协议，要耐心的反复检查、修改和调试，直到达到预期目的。

单片机串行通信发射机采用串行工作方式，发射并显示两位数字信息，既显示00-99，使数据能够在不同地方传递。硬件部分主要分两大块，由AT89C51和多个按键组成的控制模块，包括时钟电路、控制信号电路，时钟采用6MHZ晶振和30pF的电容来组成内部时钟方式，控制信号用手动开关来控制，P1口来控制，P2、P3口产生信号并通过共阳极数码管来显示，软件采用汇编语言来编写，发射程序在通信协议一致的情况下完成数据的发射，同时显示程序对发射的数据加以显示。

毕业设计的目的是了解基本电路设计的流程，丰富自己的知识和理论，巩固所学的知识，提高自己的动手能力和实验能力，从而具备一定的设计能力。

我做得的毕业设计注重于对单片机串行发射的理论的理解，明白发射机的工作原理，以便以后单片机领域的开发和研制打下基础，提高自己的设计能力，培养创新能力，丰富自己的知识理论，做到理论和实际结合。本课题的重要意义还在于能在进一步层次了解单片机的工作原理，内部结构和工作状态。理解单片机的接口技术，中断技术，存储方式，时钟方式和控制方式，这样才能更好的利用单片机来做有效的设计。

我的毕业设计分为两个部分，硬件部分和软件部分。硬件部分介绍：单片机串行通信发射机电路的设计，单片机AT89C51的功能和其在电路的作用。介绍了AT89C51的管脚结构和每个管脚的作用及各自的连接方法。AT89C51与MCS-51兼容，4K字节可编程闪烁存储器，寿命：1000次可擦，数据保存10年，全静态工作：0HZ-24HZ，三级程序存储器锁定，128*8位内部RAM，32跟可编程I/O线，两个16位定时/计数器，5个中断源，5个可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内震荡和时钟电路，P0和P1可作为串行输入口，P3口因为其管脚有特殊功能，可连接其他电路。例如P3.0RXD作为串行输出口，其中时钟电路采用内时钟工作方式，控制信号采用手动控制。数据的传输方式分为单工、半双工、全双工和多工工作方式；串行通信有两种形式，异步和同步通信。介绍了串行串行口控制寄存器，电源管理寄存器PCON，中断允许寄存器IE，还介绍了数码显示管的工作方式、组成，共阳极和共阴极数码显示管的电路组成，有动态和静态显示两种方式，说明了不同显示方法与单片机的连接。再后来还介绍了硬件的焊接过程，及在焊接时遇到的问题和应该注意的方面。硬件焊接好后的检查电路、不装芯片上电检查及上电装芯片检查。软件部分：在了解电路设计原理后，根据原理和目的画出电路流程图，列出数码显示的断码表，计算波特率，设置串行口，在与接受机设置相同的通信协议的基础上编写显示和发射程序。编写完程序还要进行编译，这就必须会使用编译软件。介绍了编译软件的使用和使用过程中遇到的问题，及在编译后烧入芯片使用的软件PLDA，后来的加电调试，及遇到的问题，在没问题后与接受机连接，发射数据，直到对方准确接收到。在软件调试过程中将详细介绍调试遇到的问题，例如：通信协议是否相同，数码管是否与芯片连接对应，计数器是否开始计数等。

我所设计的单片机串行接口现在已经发展到无线收发的阶段，本文参考无线发射部分就是参考南华大学黄智伟、朱卫华的《单片机与嵌入式系统应用》一文，该串行无线发射电路结构简单、工作可靠，可方便地在单片机与单片机之间，构成一个点对点、一点对多点的无线串行数据传输通道。单片机无线串行接口电路由MICRF102单片发射器芯片、MICRF007单片接收器芯片组成，工作在300~440MHzISM频段；具有ASK调制和解调能力，抗干扰能力强，适合工业控制应用；采用PLL频率合成技术，频率稳定性好；接收灵敏度高达－96dBm，最大发射功率达－2.5dBm；数据速率可达2Kb/s；低工作电压：4.75~5.5V；功耗低，接收时电流3mA，发射时电流7.75mA，接收待机状态仅为0.5μA，发射待机状态仅为1.0μA；可用于单片机之间的串行数据无线传输，也可在单片机数据采集、遥测遥控等系统中应用。

最后介绍了毕业设计做完后的结论以及自己的心得体会。

2硬件

2.1硬件的基本组成：

单片机89C51、6M晶震、30pF电容、22uf/10V电容、1K电阻、共阳极数码显示管、按键。

2.2电路图

（见附录A）

2.3硬件介绍

2.3.1单片机概述

单片机也被称作“单片微型计算机”、“微控制器”、“嵌入式微控制器”。单片机一词最初是源于“SingleChipMicrocomputer”,简称SCM。随着SCM在技术上、体系结构上不断扩展其控制功能，单片机已不能用“单片微型计算机”来表达其内涵。国际上逐渐采用“MCU”(MicroControllerUnit)来代替，形成了单片机界公认的、最终统一的名词。为了与国际接轨，以后应将中文“单片机”一词和“MCU”唯一对应解释。在国内因为“单片机”一词已约定俗成，故而可继续沿用。

2.3.1.1单片机的发展历史

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：

第一阶段（1976—1978）：单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的探索，参与这一探索的公司还有Motorola、Zilog等。都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。

第二阶段（1978—1982）：单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

1.完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。

2.CPU功能单元的集中管理模式。

3.体现工控特性的地址空间及位操作方式。

4.指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

第三阶段（1982—1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

第四阶段（1990—）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

2.3.1.2单片机的发展趋势

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，今后单片机的发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗化、低电压化、低噪声与高可靠性、大容量化、高性能化、小容量、低价格化、电路内装化和串行扩展技术。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小和功能将更强。

2.3.1.3单片机的特点

单片机主要有如下特点：

1.有优异的性能价格比。

2.集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

3.制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

5.外部总线增加了I2C（Inter-IntegratedCircuit）及SPI(SerialPeripheralInterface)等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

6.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

2.3.1.4单片机的应用

由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：

1.单片机在智能仪表中的应用

2.单片机在机电一体化中的应用

3.单片机在实时控制中的应用

4.单片机在分布式多机系统中的应用

5.单片机在人类生活中的应用

单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面，另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能通过单片机来实现了。这种用软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是对传统控制技术的一次革命。

A：由单片机组成控制器的结构和特点：

单片微型计算机是微型计算机发展中的一个重要分支，是把构成一台微型计算机的主要部件如中央处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)和各种功能I/O接口集成在一块芯片上的单芯片微型计算机(SingleChipMicroComputer),简称单片机.由于它的结构与指令功能都是按工业控制要求设计的,且近年来单片机着力扩展了各种控制功能如A/D、PWM等,因此我们更多时候称其为一个单片形态的微控制器(SingleChipMicroController),或直接称其为微控制器(MicroController)。

B：用单片机组成的微机控制系统具有以下特点:

1.受集成度限制,片内存储器容量较小,一般片内ROM小于4—8K字节,片内RAM小于256字节;但可在外部进行扩展,如MCS—51系列单片机的片外可擦可编程只读存储器(EPROM)、静态随机存储器(SRAM)可分别扩展至64K字节。

2.可靠性高。单片机芯片本身是按工业控制环境要求设计的,其抗工业噪声的能力优于一般通用CPU;程序指令及其常数、表格固化在ROM中不易破坏;常用信号通道均在一个芯片内,故可靠性高。

3.易扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件,芯片外部有许多供扩展用的总线及并行、串行输入/输出端口,很容易构成各种规模的微机控制系统。

4.控制功能强。为了满足工业控制要求,单片机的指令系统中有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。一般来说,单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。

5.一般的单片机内无监控程序或系统管理软件,软件开发工作量大。但近年来已开始出现了片内固化有BASIC解释程序及FROTH操作系统的单片机,使单片机系统的开发提高了一个新水平。

此外,单片机成本低、集成度高、控制功能多,可灵活地组装成各种智能控制装置,并能有针对性设计成专用系统,解决从简单到复杂的各种需要,实现最佳的性价比。特别是单片机与传统机械产品相结合,使原有机械产品的结构简化、控制智能化。如数控机床就是典型实例。近年来,单片机发展极快,其产量占微机产量的70%以上。目前，至少有50个系列400余种机型，性能和结构各不相同,INTEL、MOTOROLA、ZILCG等公司都有系列单片微型计算机。国内普及的几乎都是INTEL公司的产品。

第2篇

近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

本次做的数字钟是以单片机（AT89C51）为核心，结合相关的元器件（共阴极LED数码显示器、BCD-锁存/7段译码/驱动器CC4511等），再配以相应的软件，达到制作简易数字钟的目的，其硬件部分难点在于元器件的选择、布局及焊接。

关键词：单片机AT89C51共阴极LED数码显示器BCD-锁存/7段译码/驱动器CC4511

Abstract

Inrecentyears,withcomputersintheinfiltrationandthedevelopmentoflarge-scaleintegratedcircuits.SCMapplicationissteadilydeepening,asithasstrongfunction,smallsize,lowpowerdissipation,lowprices,reliable,easytousefeatures,itisparticularlysuitedtoandcontrolofthesystem,increasinglywidelyusedinautomaticcontrol,intelligentinstruments,gauges,dataacquisition,militaryproductsandhouseholdappliances,andotherareas,isoftenmicrocontrollerasacorecomponenttouse,Inlightofspecifichardwarearchitecture,andapplication-specificsoftwarefeaturesobjectcombinetomakeperfect.

ThefiguresdobellonSCM(AT89C51)atthecore,Combinedwiththecomponents(atotalofcathodeLEDdigitaldisplay,BCD-latch/7ofdecoding/actuatorCC4511),andfactoringinthecorrespondingsoftware,Easytoproducedigitalclockpurposes,aspartofthehardwarecomponentsisadifficultchoice,layoutandwelding.

Keywords:SingleChipMicrocomputerAT89C51TotalcathodeLEDfiguresdisplayBCD-thelocksave/7thesegmentstranslatecode/actuatorCC4511

目录

摘要2

Abstract2

目录3

引言4

第一章题目5

1.2、课程设计目的5

第二章单片机发展历史5

2.1三大阶段5

2.2如果将8位单片机的推出作为起点6

2.3单片机的发展趋势7

第三章单片机的组成及特点9

3.1单片机的组成9

3.2单片机的特点9

3.3单片机的分类10

第四章单片机的应用10

4.1单片机的应用分类10

第五章数字种的构成12

5.1数字钟的构成12

5.2实验中所需的器材12

5.3方案选择与相关技术13

5.4AT89C51的单片机简介13

5.4.1主要特性15

5.4.2管脚说明16

5.4.3振荡器特性18

5.5CC4511集成简介19

5.5.14511集成分析19

5.5.24511的逻辑图20

5.6LED数码显示器简介21

5.6.1LED数码显示器的结构21

5.6.2LED数码显示器有两种连接方法22

第六章电路设计22

6.1电路接法22

6.1.1晶体振荡器与AT89C51的接法22

6.1.2单片机AT89C51的银脚的连接23

6.1.3译码器CC4511的银脚连接23

6.2数字钟电路图24

第七章调试过程：26

1）检测AT89C51运行否26

2）七段数码管26

总结26

参考文献26

致谢27

引言

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。

单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

第3篇

随着我国社会经济的发展，城市化、城镇化进程的加快，道路交通堵塞问题日趋严重，如何对交通进行合理的管理和调度而尽可能减少堵车现象成为目前我国很多地方尤其是特大城市急需解决的问题，显然交通灯在其中起着不可或缺的作用。本文就控制交通灯的方法进行了讨论，分析了各种方案的性价比，并用软、硬件加以实现。而后，对六车道以上道路的“十字交叉路通灯控制”进行了分析。最后，还对城市交通灯网的控制进行了展望。希望能给有关政府部门一些参考，更好地改善我们的城市交通。现今的交通发展迅速，车辆极具增加，马路不断扩宽，人行横道相对较少。在车流量较大的地段即便有人行横道，行人也很难通过马路。行人自控指示灯系统可以有效的改善这种状况。特别是像北京这样的大都市，经济飞速发展，车辆繁多，人口密集。缓解交通已成为当务之急.例如在我们新校区西门口(塔南路)就是这种情况,每天进出校门的学生特别多,大多还需要穿过这条繁忙的高速公路,这为学校师生带来大大的不便.该系统主要应用于交通领域，具有较高的实用价值。该系统利用红灯,黄灯,绿灯来指挥车辆和行人，以达到车辆停止，行人通行的目的,减少了交通拥挤现象,为行人节省了时间,即保证行人过马路时的安全，也减轻了交管部门的负担。本产品面对公共交通设施，并不注重经济收益，而是注重以后潜在的发展，从而带动相关产业。用户可以完全掌握行人自控指示灯系统的操作方法，以及各个按键的作用科学技术的突飞猛进直接把我们带进了信息化的社会，计算机的应用已普及到经济和社会生活的各个领域.

第二章设计要求与任务

第一节目的和要求:

1、实验要求：

编写程序，以89c52的端口作为输出口，控制4个双色LED灯(可发红、绿、黄光)，模拟十字路通灯管理。

2、实验目的：

(1)学习I／0口扩展方法；掌握89c52的工作原理以及编程方法，了解软件与硬件的调试技术。

(2)学习模拟交通灯控制方法；(3)学习双色LED灯的使用；

第二节设计任务和设计内容:(CPU均采用89c52)

1.软件延时实现模拟路通灯控制：(如图1)

实验效果:软件延时控制A﹑C路口红灯，B﹑D路口绿灯亮60秒；然后A﹑C路口不变，B﹑D路口绿灯闪5下，然后B﹑D路口黄灯亮；再变为A﹑C路口绿灯，B﹑D红灯延时3秒；然后A﹑C路口绿灯闪5下，再黄灯亮，B﹑D不变。再循环······。并将绿灯剩余时间显示在LED上(该项编程可将其结果显示在计算机屏幕上代替)。

初始化

设置89c52

为输出

C口为输出

清LED

BD,AC四个方向全为红短延时

BD方向亮绿灯60秒

AC方向亮红灯

BD方向绿灯闪五次，AC方向灯不变

BD方向为黄灯延时

AC方向灯不变

有键按下？

有键按下？

BD方向亮红灯并延时3秒，AC方向亮绿灯

有键按下？

有键按下？

状态0

状态1

状态2

状态3

有键按下？

BD方向灯不变，

AC方向绿灯闪五次

状态4

BD方向灯不变，

AC方向黄灯延时

状态4

返回DOS

状态1

状态3

状态4

状态2

循环

运行

（图2流程图）

2.89c52定时器控制模拟交通灯:

实验效果:软件延时控制A﹑C路口红灯，B﹑D路口绿灯亮50秒；其余要求和第1点中的相同。

第三章设计方案及评估论证

第一节题意分析：

虽然题目是四个路口，其实这是用于人行横道处的

交通灯，也可用于不允许拐弯的主﹑副街道的交叉口处。

如图1所示，B、D方向是双向车道；A、C方向是人行横道。或者将BD看作主街道，而AC看作副街道，也是可以的。

第二节工作原理说明：

1.工作原理说明：

此方案是通过并行接口芯片89c52A和计

算机的硬件连接，以及通过软件延时的方法进行软件

编程，来实现十字路通灯的模拟控制。如图2（89c52A芯片）所示，1.主控制单片机

第4篇

1.1概念

电子台历对于人们来说并不陌生,是日常生活中的一种计时工具,显示内容比较具体,包括:年、月、秒等,以其自身精确、使用方便等优势受到人们越来越多的关注。在电子台历使用过程中,能够在两个方面体现其特点,一方面,能够与软、硬件更新同步,为人们提供更加优质的服务,具有实时性特点;另一方面,结构简单,主要是将单片机作为基础,与LED显示电路等构成,而且在特殊环境影响下,能够进行实时调试,极大地提高了工作效率。

1.2设计原理

电子台历软件主要包括程序初始化、按键检测等,硬件则为单片机,由于单片机芯片接口数量较多,在实际应用中比较复杂。诚然,电子台历体积小,但是,其内部系统包含电源电路、时钟等部件,能够确保其稳定、正常运行,另外,在其设计中,台历前板显示屏幕是价格比较昂贵的数码管液晶显示器,能够有效突破传统仅能够显示一种字体的弊端,通过这种设计,不仅能够满足个性化需求,有效节约成本,还能够提高电子台历市场占有率。目前,Proteus系统电子台历应用范围比较广泛。

2在电子信息中单片机电子台历的应用

2.1激发学生兴趣,挖掘创新潜能

传统教学主要采用标准模块,学生被动地在课前对相关实验进行预习,并将事先编好的程序录入系统中进行验证即可,在很大程度上写弱了学生学习积极性和热情,而单片机教学不同,学生在教师引导下,可以利用单片机软件进行创新设计,有效激发学生兴趣,拓展学生思维,能够深入挖掘创新潜能。另外,该技术自身结构简单、学生操作难度较低,能够为学生进行自主实验提供支持,不仅能够优化教学,提升教学有效性,还能够充分调动学生积极性和热情。

2.2丰富教学内容,拓展知识范围

电子信息工程作为计算机应用科学的重要组成部分,是适应现代社会发展的基础,在社会经济迅速发展影响下,电子信息技术已经在社会各个领域中得到了广泛推广和普及,在推动社会、经济发展等方面具有重要作用。传统电子信息工程中的设计与运用,已经不能够更好地帮助学生参与现代社会发展,特别是在单片机在人们生活中的应用,使得人们对电子信息工程提出了更高的要求情况下。因此,将单片机技术引入教学中成为未来主要趋势,在教学中渗透,不仅能够丰富教学内容,丰富知识范围,还能够进一步激发学生创造力,提升自身专业技能。在实际教学中,教师要认识到单片机添加到教学中的重要性,并引导学生全面、系统了解和掌握单片机知识,从而推动电子信息工程实现可持续发展目标。

2.3提供实验素材,培养综合能力

电子信息工程发展过程中,实验在促进其不断发展中占据不可替代的重要位置,传统教学中,教师普遍将理论知识的传授作为课堂教学核心,在很大程度上限制学生发挥想象力和创造力,无法真正理解和掌握单片机技术相关内容,为了能够突破传统单一模式的缺陷,教师可以引导学生认识并掌握此设计相关知识,例如:台历结构等,并将单片机在电子台历中的运用作为实验课题,围绕实践操作进行模拟实验,在实验过程中,教师通过正确引导,使得学生在体会实验的同时,扎实的掌握基础知识,从而为进一步开展电子信息工程教学奠定坚实的基础。除此之外,教师还需要放手让学生自主进行实验,并及时发现自身存在的不足之处,参照原始实验过程进行对比,加以调整和优化,提高学习效率。通过这种方式,不仅能够使得学生更好地掌握专业知识,丰富知识面,还能够有效培养学生自主学习等综合能力,从而进一步挖掘电子信息工程。

第5篇

1.1课题的提出及意义

单片机作息时间控制实现了对时间控制的智能化，摆脱了传统由人来控制时间的长短的不便，实现代学校必不可少的设备。

1.2设计的任务及要求

1．作息时间能控制电铃

2．作息时间能启动和关闭放音机

单片机作息时间控制的功能如下：

使用4位七段显示器来显示现在的时间。

显示格式为“时分”

由LED闪动来作秒计数表示

具有4个按键来作功能设置，可以设置现在的时间及显示定时设置时间

一旦时间到则发出一阵声响，同时继电器启动，可以控制放音机开启和关闭。

第二章总体方案设计

2.1芯片比较

2.1.1单片机选型

当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。常用的单片机有很多种：Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。我们最终选用了ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。

2.1.2显示器接口芯片的选择

LED显示器接口芯片的选择常用的显示器接口芯片有CD4511，CD4513，MC14499，8279，MAX7219，74HC164等，它们的功能有：1.CPU接受来自键盘的输入数据，并作预处理；2.数据显示的管理和数据显示器的控制。CD4511是BCD锁存，7段译码，驱动器，但在显示6和9时，显示为b和q，不是很好看。CD4513是BCD锁存，7段译码,驱动器(消隐)，但现在市面上不好买。MC14499为串行输入BCD码——十进制译码驱动器，用它来构成单片机应用系统的显示器接口，可以大大减少I/O口线的占用数量。但是，由片内震荡器经过四分频的信号，经位译码后只能提供4个位控信号，使信号的采集受到限制；并且，MC19944的价格偏高，也不经济。同样，8279为INTEL公司生产的通用键盘/显示器接口芯片，其内部设有16*8显示数据RAM，若采用8279管理键盘和显示器，可以减少软件程序，从而减轻主机的负担，但我们同时也发现，由于其功能比较强大，不可避免将会使设备与操作过程复杂化，同时价格比较贵。对比一下MAX7219和

74HC164其占用资源少，且不需复杂的驱动电路。但MAX7219虽然比较好用，且一片能驱动四个数码管，但对于我们设计的系统来说，不需要很多数码管，此外MAX7219相对74HC164的价格也比较贵，所以我们最终选用74HC164，下面对MAX7219作一下介绍。

特点：

(1)采用3线串行接口传送数据；

(2)内部有8字节显示静态RAM和6个特殊功能寄存器，相当于14个字节的RAM单元。它们是可寻址的，即可以有选择的任意写入；

(3)只需一个外部电阻即可调节LED的段电流，并且允许程控方式LED通电的占空比而可方便的调节LED显示的亮度，或用于模拟亮度显示；

(4)可LED显示器的扫描个数；

第6篇

图1给出了前端处理器中采用协处理器的硬件略图（只画出有关部分）。它的主处理器仍采用了当前流行的16位单片机80C196KB（IC6），协处理器采用了W78E51单片机（IC3）。W78E51的指令及性能同89C51，只是它的工作频率可以达到40MHz。由于有两个CPU同时运行，而且它们之间还有数据交换，如何去协调它们的工作是至关重要的，这需要通过硬件和软件的设计来加强保证。

图1中，IC1是8选1的模拟通道芯片MAX338，若通道数量超过8，可选用MAX306，其通道数量可达16个。IC2为12位带采样保持功能的A/D模数变换芯片AD1674。IC4为地址锁存片74LS373，IC5为RAM存储芯片6264，它们附属于IC3，作为IC3的片外数据存储器。

硬件的工作过程是：工频电压或电流经处理后（经传感器或者电压/电流互感器、放大器、滤波器等处理）变为相应的模拟信号，分别从CI1的8个输入端（IN1～IN8）输入，具体选通哪路则取决于A0～A2的二进制数。而A0～A2又是由IC3的P10～P12决定。被选中通道的模拟量由IC1的OUT输出，经跟随器后进入IC2进行A/D变换，由R/C、A0控制变换的过程，STA给出变换结束的信号，它们分别由IC3的P15～P17实施控制和测试。变换完成的数字量为12位，分两次输出，第一次为高8位（DB11～DB4），第二次为低8位（DB3～DB0，后加4个0）。这些数据经整理后依次存入数据存储器IC5中。IC3的P14是IC2的片选信号，P33是IC4、IC5的片选信号，通常为高电平，选不中。当进行A/D变换时，须先将P14置低电平，选中该片，变换完成后，再置加高电平。当向IC5存、取数据时，须通过P33进行控制，过程同上。这样，可以防止A/D变换、IC5存取数据、IC3通过P0口向IC6传送数据这三者之间的相互交叉干扰。

周期值的测量是由一模拟通道提供工频信号，经斯密特触发器至IC3的P13进行。P13相邻两次电平下降的时间隔即可周期值。

IC3的P30、P31与IC6的P10、P11构成握手信号，将存放IC5中的各量依次取出，由IC3的P0口传至IC6的P0口，并存入指定的区间，再进行傅氏运算、处理和控制。IC5中存储的数据个数是1周期内各采样点的、各通道测得的数据个数的总和。设采样点为Rn，通道数为Rm，再加上前述的周期值（各量均为2字节），总的字节数C=2RnRm+2。当Rn=32，Rm=8，则C=2×32×8+2=514字节。当少于200字节时，也即采样点、通道数较少时，如Rn=16，Rm=6，IC3可用W78E52代替。W78E52可以利用片内的256个RAM来存储数据而省去片外的数据存储器，在硬件上更为简洁。

二、软件

图2是协处理器主程序软件框图。首先对有关的量进行说明：T0和T1是W78E51片内的两个定时器。T、Ta和Tb均为2字节寄存器，T用来存储测量出的周期值；Ta存储两相邻采样点的时间间隔，因本例中采样点为32，将T右移5位即得Ta值；Tb是Ta对应的溢出值，用来产生T0中断。注意：以上诸量都须机器周期来表示，本例中采用24MHz晶振，一个机器周期的时间为0.5μs。Rm是模拟通道数，范围是1～8。Rn是采样点数，范围是1～32。

工作过程简述如下：当P13电位下跌时，周期测试开始，到第二次P13下跌时，周期测试结束（区间为AA～AD）。两次下跌的时间间隔即为工频的周期，具有准确的跟踪特性。在周期测试开始后4μs，T0溢出产生中断，执行中断子程序，总共32次。中断子程序都是在AD～AC间执行的，也即在第一周期内所有需要测量的量都已测出。从AD往后便是第二周期，主要用来计

算Ta、Tb的值，并将IC5内的数据传送出去。由此可见，协处理器的运行为2个周期，约40ms。应说明的是：在上电的第一个周期内，因周期值还未测出，故须对Tb值先行设置。图3是中断子程序软件框图。

8个通道的A/D转换数据是先存入片内的RAM。这样来得快，以减少通道之间的相差（邻近通道之间的相差约为0.4°），之后，再一次性地由片内RAM转存于片外RAM。执行一次T0中断子程序的时间约为256μs。当采样点为32时，时间间隔为625μs，绰绰有余。若将采样点增至36，通道增至16个，则采样点间隔约为555μs，执行中断子程序的时间约为445μs，仍有足够的余量。

软件可以用汇编语言ASM51编写，也可以用对应的高级语言PL/M51或C51编写，但前者代码率高一些。

结束语

以上是协处理器的一般用法，在此基础上是否能进一步缩短运行周期和提高测量精度，是一个值得研究的课题。提高主处理器IC6和协处理器IC3的工作频率（如IC6采用16MHz，IC3采用36MHz）可以提高CPU的运行速度，以达到缩短运行周期的目的。但有两点需要注意：一是CPU的芯片的速度必须跟得上；二是频率提高后，辐射增强，交叉干扰变得明显。因面，在印刷电路板的设计上须谨慎处理。

提高测量精度可以从3个方面着手。一是提高A/D转换精度，采用14位A/D变换芯片。不过，位数越多，变换所需的时间也越长。这在单一CPU中因时间限制，效果不好，而在协处理器中却容易实现。这里还有一个附带的问题，目前大都采用开关式稳压电源，耗电量省，但工作频率高，噪波大，通常有5～10mV,这无疑限制了精度的提高。因而，必须有一套优良的电源滤波系统，将噪波滤到1mV以下。有时这部分的电源干扰采用串联式稳压电源，其噪波可以做到0.5mV以下。

第7篇

电气工程及自动化

基于单片机的风扇速度控制设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

单片机因其体积小，抗干扰能力强、而且使用灵活方便，成本低等特点，它的应用范围非常广泛，尤其是他强大的面向控制能力，已深入工业控制、军事装置、家用电器等各个领域，应用前景十分广阔。单片机按照应用的系统结构不同，可分为总线方式和非总线方式。采用总线方式的应用系统多属于较复杂的系统，比如智能仪表、工控系统、检测系统等。非总线方式的应用系统多属于小型控制。按照应用范围的不同，可分为通用型和专用型。

目前我国普遍采用4位、8位或16位，对于单片机还处于低档的应用，而对于那些宏单片机、DSP等高档的应用还是空白。而国外很多公司都推出了自己的单片机系列，如Intel公司推出的MCS-96/196系列，Rockwell公司的6501、6502，日立公司的H8/3048系列等。目前单片机的应用领域有以下四大领域：一是家用电器业。单片机个传统的机械产品结合，构成新型的机、电、仪一体化产品，如洗衣机、电脑空调机等。二是通讯行业。最有代表性的就是手机。三是智能仪表应用。单片机的体积小、成本低、控制力强等特点，使仪器仪表重量大大减轻，又有很高的性价比，如数字式RLC测量仪。四的在计算机外设中的应用。如在接口中采用单片机进行控制管理、数据采集、多路分配管理等。

我国在将来很长的一段时间里，8位单片机还将是主流产品，因为8位单片机很好用，有丰富的功能，现在无论是国内还是国外，都还是以8位为主。4位单片机由于功耗较低，在国内也有一定的市场比例。目前世界各国的单片机发展各有不同。美国单片机的发展趋势主要是从8位到16位和DSP过度，欧洲等国家单片机主要应用于工业，因此仍以8位为主，主要以功能和运行速度的发展为主。我国对于单片机的需要目前主要是家电类等消费品为主，8位单片机有很大的市场分额和发展空间。国内也急需这方面的人才。

尽管单片机的发展迅速，其发展方向不外忽以下几点：一是微型单片化。现在的产品普遍向小型化、轻型化发展，就需要单片机在在原有的多功能、低功耗的前提下，集成更多的元件，如看门狗（Watchdog）、LCD控制器等。随着半导体技术的发展，片上系统（SOC）的发展前景很好。二是低功耗CMOS化。现在单片机的功耗普遍在100mW左右，许多生产厂家采用CMOS工艺，使单片机更适合在电池供电场合，今后也是单片机发展的主要趋势之一。三是大容量、高性能化。随着CPU的发展，单片机的处理数据能力大大提高，内部时序也加以改善，ROM的存储容量也大大提高，又加入了低噪声技术，加强了中断、定时控制。四是在接口方向的发展。现在许多新型单片机的接口，从类型和数量上有了很大的发展，如有些可以直接驱动液晶显示管LCD、有些可以直接输出大电流和高电压等。

21世纪是“数字化”的时代，单片机的发展有着翻天覆地的变化，各种型号、功能的单片机应用于人们生产和生活中的各个领域。单片机的发展逐渐取代了由传统模拟电路作为电机的控制器，因此单片机在家电方面的应用已经十分普遍，比如电风扇、洗衣机、空调等。+电动机是将电能转换成机械能的机电装置。1821年英国科学家法拉第首先提出电动机原理。1834年，德国的雅可比第一个发明了直流电动机。1879年，西门子公司用直流电动机驱动电车。1888年发明家特斯拉发明了交流电动机。1902年瑞典的工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。至今为止，电动机发展迅速，电机理论、设计及制造工艺得到逐步的完善和提高，广泛应用与现代的各种机械生产领域。如在机械制造工业、轻重型制造工业、运输行业、农业生产等各个领域，电动机以不同的种类和功能发挥着重要的作用。可以这么说，电动机的出现使社会生产力大大提高，促进了社会的发展。

随着时代的进步和科技的发展，电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义.长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，这主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制；同时具有良好的起动性能，能较平滑和经济地调节速度。因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等领域中得到广泛应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流系统的基础，长期以来，由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统。因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置。

选取本课题的意义在于单片机的发展极为迅速，以其独特的结构和性能，渗透到各个领域，产生了极大的影响。研究单片机、学习单片机，是社会发展的必然趋势，单片机有着其广阔的发展空间和社会价值。通过研究用单片机远程发射红外线来控制电动机的转速，从而达到控制风扇速度控制，能使使用者操作起来更加方便。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

1、单片机主芯片的选择；

2、电机控制系统设计；

3、遥控器的设计；

4、用数码管显示档位；

5、PWM的产生；

6、按键开关的设计。

三、研究步骤、方法及措施：

1、学校提供硬件材料、有关工具器件和实验制作场所；

2、查阅大量的相关资料和书籍；

3、与同类的论章进行对比，完善自己的设计思路；

4、系统的总体方案设计：发射部分和接收部分；

5、系统硬件电路的设计；

6、系统的软件设计

7、论文的修改及润色。

四、参考文献

[1]

张俊.单片机的发展与应用[J].北京：电子制作,1997:40-50.

[2]

於丹.春风化雨芽将萌——谈我国单片机的发展[J].北京:微电脑世界,1998:9-13.

[3]

张俊漠.单片机的发展及应用现状[J].北京:电子世界,2001:3-5.

[4]

杨靖.用单片机控制的直流电机调速系统[J].广西：机床电器,2008.11:

45-47.

[5]

楼然苗.胡佳文.李光飞,等.51系列单片机原理及设计实例[M].北京:高等教育出版社,2004.

第8篇

关键词：单片机课程；项目化；教学模式改革；中职学校

一、背景

近年来，中等职业教育的办学思想发生深刻转变，“以服务为宗旨、以就业为导向”的职业教育办学方针推动中等职业教育向市场驱动转变，向就业导向转变，要求职业教育，特别是中等职业教育进一步深化教育教学改革，根据市场和社会需要，不断更新教学内容，改进教学方法。

单片机技术是硬件电路和软件编程集为一体的综合学科。对于中职学生而言，尤其是电类专业的学生，掌握了单片机的软硬件技术，不但赢得就业市场的竞争力，还将受益终生，因此中职电类相关专业普遍开设单片机的原理与实验课程。单片机虽好，关键是要使学生掌握其开发、调试的相关技能，并熟练掌握。但是中职学生在学习该门课程时，普遍感到难度很大，既要求有数字电路、模拟电路的基础知识，还要掌握单片机开发技术，又要有一定的逻辑思维能力。这对单片机相关课程的教学改革提出要求。

二、现状

1、单片机理论教学和实验教学分离。

单片机课程是电类相关专业的核心课程之一，理论知识的重要性不言而喻，但是它又是一门实践性很强的学科。传统教学方式中，教师主要注重理论知识的完整和知识结构的完备。单片机课程的开课都是从理论知识讲授开始，先讲单片机的发展历史，然后讲解单片机内部架构、指令系统、中断、计时器、外部扩展，最后才是实验学习。学生从一开始就进入复杂的原理学习，在没有单片机实践经验的情况下，所学知识难于理解。很多学生对单片机理论知识的学习如同空中楼阁，有些学生甚至根本听不懂。这样使学生还没有真正接触单片机就已经感觉学不下去了，大多半途而废。教师教的费时费心，学生兴趣也荡然无存。

2、教师自身情况

中职学校学生数量的增加，并没有使教师数量相应同比例增加。教师承担的课时量太大，教学压力过重，甚至有些教师还承担这班级管理的重任。具体到单片机这类专业性和实验性都非常强的课程，存在着精力投入不够，没有充足时间钻研单片机课程教学改革的问题。

3、评价体系

目前普遍实行的仍然是以分数的高低来评价学生学习成绩的好坏。一般采用平时成绩、实验成绩、考试成绩各占总成绩的一定比例来得到学生课程的最后得分。对有些课程来说这种方法是比较科学的，但对单片机课程而言，就会存在以下问题：

3.1 某些学生成绩不低，但一旦面临实际问题时，无从入手，没有达到本课程的教学目标。

3.2 某些学生成绩很低，因为理论知识和实验脱节，学生根本建立不了学习兴趣，也就无法学会单片机。

三、项目化教学特点

项目化教学即项目教学法，是师生通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动。它具有以下特点：

1.实践性：项目的主题与生产实际密切联系，学生的学习更加具有针对性和实用性。

2.自主性：提供学生根据自己的兴趣选择内容和展示形式的决策机会，学生能够自主、自由地进行学习，从而有效地促进学生创造能力的发展。

3.发展性：长期项目与阶段项目相结合，构成为实现教育目标的认知过程。

4.综合性：具有学科交叉性和综合能力的运用的特点。

5.开放性：体现在学生围绕主题所探索的方式、方法和展示、评价具有多样性和选择性。

评价特点：项目型教学的评价注重学生在项目活动中能力发展的过程，测评内容包括学生参与活动各环节的表现以及项目完成质量。

四、单片机课程项目化教学法可行性分析

针对项目化教学和单片机课程自身的特点，单片机课程项目化教学的可行性分析如下：

首先，单片机课程是理实一体课程。理论知识的掌握建立在大量丰富的实践基础上，先做再学，边学边做的项目化教学，把学习单片机变得轻松愉快，使学生能快速入门。

其次，先理论再实验的教学方法不适应学生学习。单片机技术本身就是一门多学科知识综合体，它包含硬件电路知识，软件程序设计知识，及其开发调试技术。中职学生在学习本课程之前，还未建立起这些知识综合的脉络，使学生无所适从。引入项目化的方法教学，以项目任务为中心，将理论知识融于项目任务当中，以实践问题解决为纽带，实现理论、实践，知识，技能，以及情感态度的有机整合符合学生对单片机技术的认知规律。

最后，项目化的教学方法符合生产生活实际。完成一个学习任务即完成一个单片机项目，每一个项目就是一个完整的单片机开发过程，通过项目化单片机教学能使学生在学习单片机课程时，就已经有工作实际情况的体验，贴近了未来工作需要，学以致用，为中职学生顺利进入工作现场打好基础。

五、解决对策

为提高单片机课程教学效果，培养学生解决实际问题的能力，提高单片机项目化教学的质量是教学改革的重点，应从以下几点改革：

1、针对中职学生的特点，降低理论知识难度。

目前中职学生基础知识水平不高，理论知识如果牵扯太多专业概念，会使中职学生把握不住学习重点。以“必须、够用”为原则，在理论教学中，应通过实际项目需求，把相关的理论知识分解在各个项目实验中，再依据不同的项目，把理论知识串起来讲解。这样既降低了单片机课程理论知识的起点，也把单片机课程中理论知识的难点分散。使激发了学生对单片机后续课程学习的兴趣。例如，对单片机结构的知识点讲解，可以设置七到八个项目任务，分别包含单片机的I/O、定时/计数器、中断、AD转换这些单片机内部的硬件知识。

2、针对课程特点，设计好项目内容。

首先做简单项目，即基础项目。例如设计认识单片机及其开发工具的项目。设计一个单片机能“跑“起来的最小应用系统，完成第一个项目——流水灯，让中职学生对单片机系统有一个感性认识。然后熟练掌握单片机开发使用的仿真器、编程器、下载方式方法。熟练使用单片机开发工具软件及单片机开发设计语言。这一阶段虽然还没有深入了解单片机的硬件，但是是后续单片机项目顺利实施的基础，这一阶段可以适当增加课时数。

然后设计单片机I/O口的控制的项目，即简单的设计性的项目。例如设计闪烁发光二极管的电路制作；广告灯的制作；控制直流电动机的设计这些项目。因为单片机的输入检测，输出控制是通过对其I/O的控制实现的。学生掌握了这些控制方法，也就打好了基本功。为后续项目的顺利实施打好基础。

在此基础上适当增加后续项目的难度，即复杂的设计性项目。例如，设计数字显示的的电压表项目，在此项目中设计应用单片机与AD转换芯片之间的接口与编程。设计一个防盗报警器项目，在此项目中设计应用单片机内部的中断功能实现。

每个项目以此设计单片机课程项目符合循序渐进的教学规律，实现了该课程理论与实践的完美结合。在此过程中，设计性实验项目的开设基本覆盖了单片机原理与接口技术的所有知识点，使学生牢固掌握基本理论，熟练掌握基本设计思路，综合应用基本设计方法，从而达到学以致用的根本目的。

3、理论知识与项目实验衔接

在项目实验环节中，不断穿插理论知识的讲解，每一个单片机的实验课程就是一个实际项目然后让学生亲自动手，自己实践，运用理论知识解决在实验中碰到的问题。建议理论课时占40%和实践课时占60%，据此理论知识讲授要“讲精，讲透”。要求学生在项目实验的基础上进一步深化，将多个部分综合在一起设计制作一个更复杂、具有较完备功能的实际系统。学生在项目任务的完成过程中，遇到难点，教师可采用启发问答形式，让学生自己思考，鼓励学生都动手实践，仔细观察每一次实验的结果，总结解决问题的经验，达到使学生发现问题，解决问题的能力。

4、验证性实验与设计性项目衔接

验证性实验是指为验证已经学习过的理论知识所设置的实验；设计性项目是以实际设计项目目的要求和项目条件，由学生自行设计项目方案并加以实现的项目。传统的教学方法是验证性实验，在现在的实验教学中也还有一定的作用，可为设计性项目的开设提供一些必要的基础。现在的验证性实验一般是在相应的实验箱上完成，通过开设1～2个验证性实验可让学生了解单片机的基本构成和基本工作原理，所以在开设设计性项目前开设验证性实验是非常必要的。同时，一些设计性项目的开设可在实验箱上对验证性实验进行改造而成，特别是对于开始的简单的设计性项目更是如此。比如一些验证性实验，所有的电路硬件在实验箱中是现成的，同时给出相应的实验程序范例，学生就可以在实验箱上进行验证，对所做实验的功能进行分析。教师只需要在理论教学时将程序流程图和涉及的算法讲述清楚，最后要求学生去编写程序，然后再进行功能验证即可。采用这么一种由验证性实验作为基础并进行改造的方法对于以基本原理的掌握为目标的简单的设计性项目具有很强的可操作性，有利于验证性实验到设计性实项目的自然衔接。

六、需要注意的问题

1、教师自身定位

教师应自觉提高自身做项目的能力，并保证足够的精力投入到教学中去。教师要注重平时积累，一方面，要自己动手，精心制作好几个作品。另一方面，也可以通过提出选题，指导学生去做，将完成后的作品及文档全部存档。只要通过2～3年的积累，就可以形成难度、层次区分较为合理的项目选题库和作品库，既为后续班级的教学创建了良好的条件，对后续学生的实验起到示范和引领作用，又为今后的教学工作减轻了负担。要做好这些，就要求教师充分明确自身职责，牢固树立以教学为中心的观念，保证有足够的精力投入教学中。

2、学校的评价体系

学校应当改变传统以分数论英雄的模式。单片机课程如果只是掌握了一些理论知识而没有实战能力，分数再高都不能算是学好。作为对学生的评价，确立以项目实践能力为主体的评价体系，通过对学生做的项目难易程度、项目完成的效果，质量等验收情况来给出合适的评价。中职学校应支持，鼓励并完善以项目化教学改革，保证单片机项目化教学改革的顺利实施。可以此为中职学校相应教学改革的切入点，待时机成熟，向其他课程推广。

七、结束语

现在中职学校大力进行教学改革的环境下，以此为契机，开展单片机课程项目化的教学改革势在必然。单片机课程就本省而言需要相适应的教学方法体现教学效果，单片机项目化的教学模式改革符合认知规律，体现学以致用的教学思想，实施好单片机项目化教学模式改革为培养出符合社会发展需要的高素质人才提供方法和途径。

参考资料：

[1]《单片机原理与实训教程》.舒伟红 主编.科学技术出版社

第9篇

关键词：单片机；电气信息类；教学改革

作者简介：杨盛（1973-），男，湖北公安人，三峡大学电气与新能源学院，工程师；陈星（1988-），女，湖北仙桃人，三峡大学电气与新能源学院，助教（湖北 宜昌 443002）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）02-0118-02

单片机以其体积小、价格低、功能齐全、抗干扰性高、可靠性好、易于开发扩展等独特特点，被广泛应用于工业自动化及智能仪器仪表、通信设备、家用电器等各种设备仪器中。[1]“单片机应用技术”课程是本校电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、通信工程等电气信息类专业的主干课程，内容丰富，实践性强。本文在分析本校电气信息类专业“单片机应用技术”课程教学现状的基础上，探讨了课程教学中存在的问题及相应改革措施，切实提高学生运用单片机解决实际问题的能力。

一、“单片机应用技术”课程教学现状及存在问题

1.课程教学现状

作为电气信息类专业必修专业基础课，本校电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、通信工程四个专业开设了“单片机应用综合实验”课程，3.5学分，总计56学时，其中理论课24学时，实验课32学时。该门课程旨在使学生通过实验加深对单片机结构及单片机指令系统的理解，培养学生运用单片机知识解决实际问题的能力，力求使学生在完成本门课程的相关实验后，在分析问题的能力、动手能力及创新能力方面得到较大的提高，在今后的工作实践中具备独立设计、开发小型单片机应用系统及产品的能力。

课程一般在大二下学期和大三上学期开设，学生先选择理论教学班（每班120人左右）学习单片机理论知识，理论部分以介绍51系列单片机为主，内容包括：单片机概论（2学时）、MCS-51单片机结构（4学时）、单片机指令系统及汇编语言程序设计（8学时）、MCS-51系列单片机的扩展（2学时，含最小系统与程序存储器的扩展、数据存储器的扩展、输入/输出口的扩展）、单片机机接口技术（8学时，含LED显示接口、8255可编程I/O扩展、键盘与单片机接口、ADC0809的原理与应用、DAC0832的原理与应用）。理论课结束时教师对学生该课程的评定成绩占课程总成绩的30％。

理论部分学完后学生进入实践教学环节（每班60人），二人一组，利用实验箱完成10个基础验证型实验，1个综合型实验，1个设计型实验，主要实验内容：实验系统的组成及软件编程、I/O口应用及扩展、定时器/计数器应用、串并转换、8155的应用、A/D与D/A转换、直流电机转速测量与控制等。实验课程结束后每人一组进行开卷考试，考试内容为实现单片机系统一个小的功能，成绩占课程总成绩的70%。

2.“单片机应用技术”课程教学存在的主要问题

（1）课程定位不准确，课程体系存在缺陷。长期以来，把“单片机应用技术”定位为专业基础课，没有考虑学生所学专业和今后就业去向，认为该门课程主要是了解掌握汇编语言、51系列单片机基本原理及编程基础，培养学生自学能力，为后续掌握其他单片机的应用打下良好的基础。但实际情况是除了参加各种学科竞赛的学生自学其他单片机知识外，由于没有后续课程支撑，大部分学生基本上只学了“单片机应用技术”课程中所涉及的内容，缺乏对单片机知识更进一步的综合训练，往往到毕业找工作时就表现出了这方面的缺陷。

（2）考核方式不合理。理论课环节采用随堂测试的模式，理论平时成绩和测试成绩占课程总成绩的30％，由于采用大班制教学，教师往往无法客观评价学生真实的理论水平；实践环节部分考勤占课程总成绩的20％，考试占课程总成绩的50％。目前的课程考核方式决定了学生重视实践教学而轻理论教学，学生往往在理论课上不学习而来实验室恶补，且学生理论基础的缺失给实践环节带来很大困难，存在理论与实践教学脱节现象，教师对学生实验过程缺乏评价。

（3）实践教学条件不足。目前本校每年有近千名学生进入实验室完成单片机实践教学环节，原有40套实验设备（实验箱+电脑）仅能勉强满足教学要求，无法对学生开放；由于实验箱内部硬件资源和结构固定，学生实验时只需用导线连接部分模块、输入程序即可调试观察实验结果，并不能真正理解其硬件电路原理，更谈不上硬件电路设计，限制了学生综合分析设计能力和创新能力的培养。

（4）实验教学模式落后。实验课以教师为主，学生在规定时间内按照实验指导书要求完成规定实验内容，实验程序大多参考实验指导书所附参考程序，不利于发挥学生的主观积极性，部分学生是慑于实验考核的严格性来完成实践环节；由于实行选课制，各专业学生混选，水平参差不齐，实验课上指导教师要花大量的时间来讲解实验原理，无法针对专业要求进行专项训练，更勿论因材施教。

二、“单片机应用技术”课程教学改革措施

针对课程教学中存在的主要问题，结合实验室建设情况，本校从以下几方面着手进行了课程教学改革：

1.明确课程定位，完善课程体系

课程定位为电气信息类专业必修专业基础课，经教师讨论认为由于各专业依托行业背景不同，应区别对待：该门课程应作为自动化专业、电子信息工程专业的专业课，强调工程实际应用能力培养，增加单片机系统的实践环节教学；而对电气工程及其自动化专业，由于其就业方向的特殊性，可以仅定位为专业基础课。

课程内容上，随着各种高性能、新型号单片机地推出，任课教师都有一个疑问：继续给学生讲授51单片机吗，是讲C语言还是继续讲汇编语言？经探讨认为：目前51系列单片机在高校课堂仍属主流，要把51单片机讲好讲透，确实提高学生动手能力和综合素质，课堂上可引入其他型号单片机及单片机最新动态，通过引导学生完成综述性论文开拓其视野，至于是用C语言还是用汇编语言的问题，认为作为基础，学生应掌握汇编语言，更加清楚地了解单片机内部结构和其中内容变化，对有兴趣有能力的学生可以作更高要求，如对毕业设计学生和参加各类学科竞赛的学生要求可用C语言或C语言与汇编语言混合编程。

课程体系上，作为基础内容将原来“单片机应用综合实验”课程理论部分剥离出来成为“单片机原理及应用”课程，32学时2学分，单独考试，实践课程仍为“单片机应用综合实验”，维持32学时不变；对自动化专业、电子信息工程专业和通信工程专业学生开设“课程设计”（1学分，必修）、“DSP技术与应用”（2学分，选修）、“嵌入式系统”（2学分，选修）作为进阶，电气工程及其自动化专业学生亦可选修；高阶部分鼓励学生积极参加校内外各项学科竞赛和课外科技创新活动，激发学生的积极性，提高学生综合应用和创新能力。

2.改革课程考核方式

原来“单片机应用综合实验”课程分成两门课后，“单片机原理及应用”课程在上半学期学习，单独考试，平时成绩占30%，考试成绩占70%，学生考试合格后下半学期再修“单片机应用综合实验”课程，确保学生进入实验室之前已具备相应的理论基础。“单片机应用综合实验”成绩由平时成绩（占20%）、作业成绩（占20%）、考试成绩（占60%）三部分组成，其中平时成绩综合实验出勤、预习报告、实验操作和实验成功率等情况评定；作业成绩主要考量学生实验完成后相关知识的掌握情况；考试为一人一组上机开卷考试（资料仅限考生本人使用，不得使用移动存储设备），评分内容含操作、硬件连接、程序编写和实验结果。考核方式的改革基本确保了学生成绩评定的客观公平，杜绝了浑水摸鱼的现象，提高了学生的学习积极性。

3.改善实践教学条件

本校新增了40套雷迈特公司的DPJ-H型单片机实验箱及配套模块，实验箱采用“仿真式”设计思想，所有实验模块及CPU资源均对使用者开放，可结合Keil C51 μVision软件和Proteus仿真软件进行程序调试、固化，联机或脱机验证实验结果，充分满足“验证式—模仿式—探索式—开发式”的由浅入深的各种实验要求；购置了部分51实验开发板和凌阳单片机开发板供学生选用，同时可提供分立器件和开放的创新实验室，由学生自己制作系统版，完成感兴趣的实验内容，极大地激发了学生对单片机的兴趣，提高了其硬件设计能力和动手能力。

4.改革实验教学环节

（1）根据新的实验设备，重新编写了实验指导书。笔者设计编排了软件实验、硬件实验、系统设计三个方面共计16个实验内容，其中验证性实验10个，综合性实验4个，设计性实验2个，每个实验均附有作业题，取消了参考程序，但验证性试验仍给出了参考程序流程图。实验指导书后附上了实验模块原理图和仿真、开发工具使用说明，学生可以参考直接进行实验。

（2）在理论和实践教学中引入仿真开发工具Proteus。Proteus是英国Labcenter公司开发的电路及单片机系统设计与仿真软件，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前唯一能对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具。[2]对于各层次的实验，学生都可结合Proteus与Keil C软件进行仿真，基本了解掌握实验内容，加强了对学生系统硬件设计能力的训练。

（3）开放实验室，提高学习过程的开放性。除了验证性实验外，在完成实验作业、综合性实验和设计性实验时实验室对学生开放，指导教师主要通过启发式教学引导学生进行思考和讨论，让学生建立“从顶向下”的系统学习和设计思维以及“从底向上”的系统构建方法，实现从以教师为主到以学生为主的教学模式的转变。

（4）实行分专业选课，小班制试点。学生分专业选择实验教学班，有利于教师根据专业特点指导学生选择完成相关实验内容，针对专业应用方向加强训练；考虑到自动化专业学生相对较少（每届80人左右），对自动化专业试行小班制教学，实验时每班40人，每人一组，教师可以很好地把握每个学生的情况，做到因材施教。

（5）以课外实践促进学生实践创新能力培养。对有进一步学习单片机应用技术要求的学生，采用“竞赛+项目”的模式，鼓励学生积极参加校内外各项学科竞赛和课外科技创新活动，参与教师的科研项目，由浅入深提升学生应用单片机的工程实践能力和创新能力。

三、结束语

经过近几年来的不断改革与探索，逐渐健全了“单片机应用技术课程”体系和教学内容、学生考评机制，改善了实验教学条件，加大了实验室开放力度，学生理论水平进步明显，实验效率和效果较以前得到大幅提高。“竞赛+项目”的模式鼓励了一批动手能力较强的学生进一步提升自我，参加各类学科竞赛和课外科技活动均取得了较好的成绩。课程实验教学环节的改革带动了本校其他电气类专业实验教学模式的改革，后续将进一步扩大小班制实验教学的范围、加大实验室开放力度，不断提高学生工程实践能力和创新能力。

参考文献：

[1]高健.目标教学法在单片机实验教学中的应用[J].中国电力教育，

第10篇

论文摘要：介绍了单片机实验教学改革的必要性和实验教学改革的多个措施，探讨了如何通过强化单片机实验教学，培养学生面向工程的应用能力和创新实践能力。

单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，应用于各种嵌入式系统中。单片机技术的发展极大地推动了电子工业的发展，无论在教育界还是在产业界，单片机技术的推广仍然是一个热点。目前，各个高校都建立了单片机实验室，但是很多学校的实验教学现状却不容乐观。就我院而言，主要存在以下问题：（1）实验场地和时间不足。学生除了上实验课外，平时难得有机会实践。（2）以验证性实验为主。实验室所配备的实验箱只能满足验证性实验的要求。由于实验箱是成品，学生很难参与到其中的细节设计中去，学生的实践能力很难得到锻炼和提高，学生也很难建立起单片机系统开发的整体概念。并且，这种实验设备的配置方式局限了实验项目数量，还存在设备维护工作量大的现实问题。（3）由于实验设备仅适用于某一系列的单片机，若开设新的单片机课程，则需要重新配置实验设备，增加了学校的投入。

为此，笔者进行了长时间的探索，提出了一些解决办法。

建立开放式的实验室管理模式单片机实验室应实行开放式管理，在不影响正常实验教学任务的前提下，面向全校学生，在课余时间向学生提供实验所需要的场所、仪器设备等。开放范围除了实验开放项目、课程设计外，也包括学生兴趣爱好、第二课堂活动、创新活动等。开放性实验管理模式是在注重知识、能力和素质协调发展的同时，贯彻因材施教、注重个性培养的教学原则，目的是激发学生的学习兴趣和热情。在实施过程中，要注意实验内容不应与教学计划及教学大纲所规定的实验教学内容相重复，应属于课程教学内容的拓展性实验；还要注意综合性和针对性，强化基础，拓宽知识覆盖面，注重培养知识的综合运用能力。此外，还要根据科技的发展及其实际应用，结合实际工作，加强对学生科学研究思维和建立工程概念的训练，培养学生的创新能力和动手能力。开放性实验的组织中要突出学生的自主性，要全方位体现以学生为主体的自主式学习方式。在实验方案设计、操作、实验结果的分析处理等方面最大限度地发挥学生的主体作用，教师布置任务、讲解及指导等要点到为止，留有余地，给学生独立思考、独立操作、独立分析、独立解决问题的空间，充分调动学生的积极性和主动性。

利用Proteus与Keil整合构建单片机虚拟实验室Proteus是Labcenter公司推出的一款基于标准仿真引擎SPICE3F5的电路分析、实验仿真系统。该软件有交互式动画仿真、基于图形的仿真和基于微控制器的仿真等三种模式，其最大的特点就在于它能够仿真单片机及其外围芯片。Proteus软件支持MCS-51及其派生系列、Motorola68HC11系列，以及AVR系列和PIC12、PIC16、PIC18系列的单片机。Proteus软件支持的外围器件有74LS373、8255、矩阵式键盘、LCD及多种A/D、D/A转换器等。另外，用户还可以建立新的元器件模型。对于MCS-51系列单片机而言，Proteus还能够与Keilc51集成环境实现联机同步调试。而Keil是德国开发的一个51单片机开发软件平台，是目前应用最广泛的、最重要的单片机开发平台。它的界面简单，操作容易。Keil的uVision2可以进行纯粹的软件仿真，也可以利用硬件仿真器，搭接上单片机硬件电路，在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真。此外，还可以使用Keil Monitor-51在不需要额外硬件仿真器的条件下，搭接单片机硬件系统对项目程序进行实时仿真。uVision调试器的调试功能也很丰富，具有常规源极调试、符号特性调试、历史跟踪，代码覆盖，复杂断点等功能。构建虚拟实验室主要是利用Proteus进行硬件电路的设计，用Keil进行软件设计。硬件电路的设计主要有两个方面：系统扩展（包括ROM、RAM、I/O口、定时器等功能单元的扩展）和系统的配置（即根据系统的要求进行外围设备的配置，如键盘、显示器、A/D转换器、D/A转换器、打印机等的接口电路的设计），通过该软件的使用，可以使学生掌握硬件电路的设计方法。软件设计主要是应用程序的编制、调试，使学生掌握软件开发的步骤、方法和技巧。而软硬件的设计完成之后，还需要进行系统的总调，将这两大执行环境组合起来构成联合的仿真系统，其中，KEIL作为软件的调试界面，而Proteus作为硬件的仿真和调试界面。这样，就可以像仿真器一样调试程序了。

开设大型综合设计实验，培养学生的创新能力大型综合的设计实验需要在学生完成基础实验之后视学生掌握程度而开设，这个环节在整个单片机教学中非常重要，只有经过完整的项目训练，学生才会建立起完整的系统的概念。学生需要根据设计任务书上的要求（包括软硬件的资源配置、实验要求达到的效果）进行设计实验。这样的训练可以将科技方法的训练、机电综合设计、创新设计及毕业设计等实践内容融合到大型综合设计实验项目中，使原来分散的小规模设计和训练集成为一个大型的系统设计项目，从而培养学生的创新能力。此外，在单片机实验开发的基础上，在学生参与下开发一些应用板，组成机电一体化的实验平台，如我院已经开发出的步进电机的单片机控制实验平台。这些训练可以使学生更加熟悉单片机的组成、工作原理、程序开发、系统的扩展。更重要的是，学生可以积累自己实践的经验，增强工程意识，为将来顺利进入实际的工程环境打下坚实的基础。

建立单片机网络互动实验系统，作为传统实验教学的补充传统的实验教学是近距离的，由于实验设备紧缺，设备普遍比较昂贵，加之时间和空间上的限制，已成为制约教学质量的一个重要因素。为满足培养具有高素质创新人才的要求，实验教学要不断地进行改革，实验要向综合型、设计型转变，但这种新型教学模式的实现必须有高技术化的手段和条件支持，因而网络虚拟实验教学成为现代教育技术应用的大趋势。单片机网络互动实验室系统是针对单片机实验而开发的内容全面、结构完整的单片机网络实验室系统。单片机网络互动实验室的构建基于Internet远程智能化虚拟系统，充分发挥了网络教学的特有优势，使学生的学习与交流不受时间、地点和实验仪器设备的限制，甚至可以联机协作完成实验。实验内容以图形、文字、动画等方式呈现在客户端的浏览器上，具有较强的交互性和真实性。同时，也提高了实验教学的伸缩性和适应性，有助于提高分散教学资源的利用率，形成科学的实验管理体系。单片机网络互动实验室可作为传统理论与实验教学的补充模式。我院在设计中采用服务器和客户端模式，可以实现客户端与服务器的交互通讯。我院自主开发了网络系统，学生只需到我院的网站注册一个用户名并下载客户端，便可以在自己的计算机上进行单片机实验。

以电子技术竞赛为契机，深化单片机实验教学改革课程与教学改革一直是高职院校所关注的热门话题，实验教学改革的效果直接影响着应用型人才培养的质量。目前，以单片机控制技术为核心的电子信息技术的飞速发展和应用领域之广是其他技术无法比拟的。但是学校教学内容却滞后于科技的高速发展。在高职院校开展电子技术竞赛正是解决这一问题的有效途径。竞赛有力地促进了专业课程内容的整合和实验教学内容的更新。一方面，所有参加竞赛的学生都要经过严格的赛前培训和赛中训练，学生普遍反映受益匪浅。实践证明，这样的学生在就业时也普遍受到企业青睐。此外，为了能够使没有参赛的学生也得到同样的训练，我院还开设了电子专业课程的设计训练课程，作为传统单片机实验教学的补充。课程完全按照电子竞赛的要求进行。这样的训练有效地提高了学生的工程设计能力和综合素质。另一方面，以竞赛为契机，改革单片机实验课程内容和实验方法。由于竞赛中涉及的单片机内容能够跟随科技发展的步伐，竞赛的题目具有实际意义，所以对目前的单片机理论教学改革和实验教学改革起了一定的引导作用。

参考文献：

[1]刘映群. Proteus与Keil整合构建单片机虚拟实验室[J].中国现代教育装备，2005，（8）:26-28.

第11篇

论文摘要：介绍了单片机实验教学改革的必要性和实验教学改革的多个措施，探讨了如何通过强化单片机实验教学，培养学生面向工程的应用能力和创新实践能力。

单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，应用于各种嵌入式系统中。单片机技术的发展极大地推动了电子工业的发展，无论在教育界还是在产业界，单片机技术的推广仍然是一个热点。目前，各个高校都建立了单片机实验室，但是很多学校的实验教学现状却不容乐观。就我院而言，主要存在以下问题：（1）实验场地和时间不足。学生除了上实验课外，平时难得有机会实践。（2）以验证性实验为主。实验室所配备的实验箱只能满足验证性实验的要求。由于实验箱是成品，学生很难参与到其中的细节设计中去，学生的实践能力很难得到锻炼和提高，学生也很难建立起单片机系统开发的整体概念。并且，这种实验设备的配置方式局限了实验项目数量，还存在设备维护工作量大的现实问题。（3）由于实验设备仅适用于某一系列的单片机，若开设新的单片机课程，则需要重新配置实验设备，增加了学校的投入。

为此，笔者进行了长时间的探索，提出了一些解决办法。

建立开放式的实验室管理模式单片机实验室应实行开放式管理，在不影响正常实验教学任务的前提下，面向全校学生，在课余时间向学生提供实验所需要的场所、仪器设备等。开放范围除了实验开放项目、课程设计外，也包括学生兴趣爱好、第二课堂活动、创新活动等。开放性实验管理模式是在注重知识、能力和素质协调发展的同时，贯彻因材施教、注重个性培养的教学原则，目的是激发学生的学习兴趣和热情。在实施过程中，要注意实验内容不应与教学计划及教学大纲所规定的实验教学内容相重复，应属于课程教学内容的拓展性实验；还要注意综合性和针对性，强化基础，拓宽知识覆盖面，注重培养知识的综合运用能力。此外，还要根据科技的发展及其实际应用，结合实际工作，加强对学生科学研究思维和建立工程概念的训练，培养学生的创新能力和动手能力。开放性实验的组织中要突出学生的自主性，要全方位体现以学生为主体的自主式学习方式。在实验方案设计、操作、实验结果的分析处理等方面最大限度地发挥学生的主体作用，教师布置任务、讲解及指导等要点到为止，留有余地，给学生独立思考、独立操作、独立分析、独立解决问题的空间，充分调动学生的积极性和主动性。

利用proteus与keil整合构建单片机虚拟实验室proteus是labcenter公司推出的一款基于标准仿真引擎spice3f5的电路分析、实验仿真系统。该软件有交互式动画仿真、基于图形的仿真和基于微控制器的仿真等三种模式，其最大的特点就在于它能够仿真单片机及其外围芯片。proteus软件支持mcs-51及其派生系列、motorola68hc11系列，以及avr系列和pic12、pic16、pic18系列的单片机。proteus软件支持的外围器件有74ls373、8255、矩阵式键盘、lcd及多种a/d、d/a转换器等。另外，用户还可以建立新的元器件模型。对于mcs-51系列单片机而言，proteus还能够与keilc51集成环境实现联机同步调试。而keil是德国开发的一个51单片机开发软件平台，是目前应用最广泛的、最重要的单片机开发平台。它的界面简单，操作容易。keil的uvision2可以进行纯粹的软件仿真，也可以利用硬件仿真器，搭接上单片机硬件电路，在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真。此外，还可以使用keil monitor-51在不需要额外硬件仿真器的条件下，搭接单片机硬件系统对项目程序进行实时仿真。uvision调试器的调试功能也很丰富，具有常规源极调试、符号特性调试、历史跟踪，代码覆盖，复杂断点等功能。构建虚拟实验室主要是利用proteus进行硬件电路的设计，用keil进行软件设计。硬件电路的设计主要有两个方面：系统扩展（包括rom、ram、i/o口、定时器等功能单元的扩展）和系统的配置（即根据系统的要求进行外围设备的配置，如键盘、显示器、a/d转换器、d/a转换器、打印机等的接口电路的设计），通过该软件的使用，可以使学生掌握硬件电路的设计方法。软件设计主要是应用程序的编制、调试，使学生掌握软件开发的步骤、方法和技巧。而软硬件的设计完成之后，还需要进行系统的总调，将这两大执行环境组合起来构成联合的仿真系统，其中，keil作为软件的调试界面，而proteus作为硬件的仿真和调试界面。这样，就可以像仿真器一样调试程序了。

开设大型综合设计实验，培养学生的创新能力大型综合的设计实验需要在学生完成基础实验之后视学生掌握程度而开设，这个环节在整个单片机教学中非常重要，只有经过完整的项目训练，学生才会建立起完整的系统的概念。学生需要根据设计任务书上的要求（包括软硬件的资源配置、实验要求达到的效果）进行设计实验。这样的训练可以将科技方法的训练、机电综合设计、创新设计及毕业设计等实践内容融合到大型综合设计实验项目中，使原来分散的小规模设计和训练集成为一个大型的系统设计项目，从而培养学生的创新能力。此外，在单片机实验开发的基础上，在学生参与下开发一些应用板，组成机电一体化的实验平台，如我院已经开发出的步进电机的单片机控制实验平台。这些训练可以使学生更加熟悉单片机的组成、工作原理、程序开发、系统的扩展。更重要的是，学生可以积累自己实践的经验，增强工程意识，为将来顺利进入实际的工程环境打下坚实的基础。

建立单片机网络互动实验系统，作为传统实验教学的补充传统的实验教学是近距离的，由于实验设备紧缺，设备普遍比较昂贵，加之时间和空间上的限制，已成为制约教学质量的一个重要因素。为满足培养具有高素质创新人才的要求，实验教学要不断地进行改革，实验要向综合型、设计型转变，但这种新型教学模式的实现必须有高技术化的手段和条件支持，因而网络虚拟实验教学成为现代教育技术应用的大趋势。单片机网络互动实验室系统是针对单片机实验而开发的内容全面、结构完整的单片机网络实验室系统。单片机网络互动实验室的构建基于internet远程智能化虚拟系统，充分发挥了网络教学的特有优势，使学生的学习与交流不受时间、地点和实验仪器设备的限制，甚至可以联机协作完成实验。实验内容以图形、文字、动画等方式呈现在客户端的浏览器上，具有较强的交互性和真实性。同时，也提高了实验教学的伸缩性和适应性，有助于提高分散教学资源的利用率，形成科学的实验管理体系。单片机网络互动实验室可作为传统理论与实验教学的补充模式。我院在设计中采用服务器和客户端模式，可以实现客户端与服务器的交互通讯。我院自主开发了网络系统，学生只需到我院的网站注册一个用户名并下载客户端，便可以在自己的计算机上进行单片机实验。

以电子技术竞赛为契机，深化单片机实验教学改革课程与教学改革一直是高职院校所关注的热门话题，实验教学改革的效果直接影响着应用型人才培养的质量。目前，以单片机控制技术为核心的电子信息技术的飞速发展和应用领域之广是其他技术无法比拟的。但是学校教学内容却滞后于科技的高速发展。在高职院校开展电子技术竞赛正是解决这一问题的有效途径。竞赛有力地促进了专业课程内容的整合和实验教学内容的更新。一方面，所有参加竞赛的学生都要经过严格的赛前培训和赛中训练，学生普遍反映受益匪浅。实践证明，这样的学生在就业时也普遍受到企业青睐。此外，为了能够使没有参赛的学生也得到同样的训练，我院还开设了电子专业课程的设计训练课程，作为传统单片机实验教学的补充。课程完全按照电子竞赛的要求进行。这样的训练有效地提高了学生的工程设计能力和综合素质。另一方面，以竞赛为契机，改革单片机实验课程内容和实验方法。由于竞赛中涉及的单片机内容能够跟随科技发展的步伐，竞赛的题目具有实际意义，所以对目前的单片机理论教学改革和实验教学改革起了一定的引导作用。

参考文献：

[1]刘映群. proteus与keil整合构建单片机虚拟实验室[j].中国现代教育装备，2005，（8）:26-28.

第12篇

摘要:电力电缆在运行过程中,必然要出现绝缘老化现象,甚至发生绝缘击穿,引起供电线路的突发停电事故。本文主要介绍下基于C8051单片机电缆在线检测装备,检测的项目主要包括电缆通,短,断及电缆接头温度,环境温度与湿度,电缆泄露电流等,最后,对论文进行总结,并对未来研究进行展望。希望为电力系统安全、方便、迅捷的检测电缆状态及环境,温度信息提供有利的理论与实践依据。

关键词:电力电缆;检测;故障;诊断

在实际的电力传输过程中,由于电缆接头众多,并且容易发生内部故障和外部故障,引发的电缆火灾在整个电缆事故中约占一半以上。为了有效地避免隐患事故的发生, 采用对电缆接头进行实时的温度监测, 全面准确地了解各个接头点的工作状况,确定维修计划,可确保送电安全。

一、电缆故障的现状与特点

电力电缆的故障不是一下发展起来的,而是由于长期运行造成绝缘老化而最终导致击穿。有调查显示,现在全国运行的电力电缆故障80%以上是由于电力电缆附件故障引起的,其中电缆接头引起的事故占一半以上。电缆接头故障也可分为外部热故障和内部热故障两类:第一类是外部热故障。第二类是内部热故障。电缆接头处过热造成的电缆短路放炮所引起的火灾,将导致大面积电缆烧坏,设备停机,短时间内无法恢复生产,造成重大经济损失。研究设计电力电缆火灾在线监测系统就是为了能够实时监测电力电缆的温度变化,在温度越限或温升速度越限时能及时报警,并指出发热点位置,通知运行人员及时处理,从而保证运行安全,避免经济损失。

二、电缆故障在线监测方法及比较

在线检测是一种对运行中电缆绝缘状况的有效检测手段。了解电缆绝缘老化的机理,根据电缆运行环境分析可能造成电缆绝缘老化的因素,并积极开展电缆绝缘的在线监测,掌握运行中的交联电力电缆的绝缘状况,及早发现电缆存在的缺陷,并采取相应的对策,消除事故根源,对提高电网供电可靠性有着重要的作用。该方法的优点:①测试设备接入时,不用断开现场任何回路和接点,也不影响电缆网络输电运行;② 增加的测试接地点常常选择电缆接头处,而且只在监测时接通,不测时仍断开,不改变原系统的运行环境和运行性能;③对于长电缆可沿电缆线路增加多个测点,使故障点查找更为准确;本系统无须另外布设测试电缆,全系统使用无线通信,被测电缆线路长度不限。

三、基于单片机的电力电缆故障在线监测的原理

基于C8051单片机的电力电缆故障在线监测系统的硬件主要有:计算机、单片机系统、无线收发模块以及各种适配器等组成。便携式计算机作为主机,控制和协调单片机系统的工作,单片机系统作为子机,完成对电缆的检测。在进行电缆检测时,便携式计算机首先向单片机系统发送一串同步信号.协调主机和子机之间的通信,紧接着主机向子机发送待检测电缆的芯数和子机启动电缆检查信号;在子机检查结束之后,主机主要用来接收子机传送来的电缆检查信息,经过分析之后,给出电缆的通、短、断、电缆接头温度,环境温湿度、电缆泄露电流等信息以及排故方案。

四、基于单片机的电力电缆故障在线监测系统的组成

1.硬件系统

本电缆接头的温度监测与预警系统采用以C8051单片机为核心的监测方案。整个系统由两大部分组成:一是硬件系统,二是软件系统。本系统由上位PC机、主控制机和温度采集器三部分组成。整个系统从结构上可分为三层:由微型计算机系统构成的上位机用户监控层,单片机系统分别构成的主控制机控制层和采集器测量层。

2.软件系统

本系统采用组态软件和VB语言实现了电缆温度,环境温湿度,泄露电流监控系统的数据采集和人机界面。本系统包括电缆接头温度,环境温湿度,电缆泄露电流监测主画面,报警窗口,历史曲线,实时曲线及帮助等画面。系统工况界面可以显示地理接线(电子地图)和电气接线。本系统以显示某变电所的电气接线图为电缆温度监测主画面。图中对电缆进行编号,显示出相应电缆接头的温度。当某电缆接头温度超过设定温度值时,系统自动产生报警信号相应的温度指示灯颜色变化,通知现场管理人员及时排除故障。

五、数据分析

1.电缆在线绝缘信息分析

电缆线路名称、编号、初始泄露电流、测试时间、运行时电缆泄露电流随电压变化的情况,泄露电流随温度、湿度变化的情况。

2.电缆运行绝缘故障信息分析

电缆线路名称、编号、故障时间、对应泄露电流、电缆型号、电压等级、辅助测量电流、计算故障点位置、电缆运行绝缘变化情况分析、电缆故障原因分析、电缆运行及故障情况统计。具体处理过程为:开始时,测试仪处于待机状态,等待主机发出工作命令,一旦接收到主机发送来的命令字后,就对命令字进行分析,按照一定的工作方式和采样频率进行脉冲的发送、接收、数据的采集和存储,采集够8 k数据则认为此次数据采集任务完成,然后,把RAM中的数据通过串行口发送回主机处理,于是,本次工作过程完成,返回等待状态,等待下一次命令。同时系统还可将各个测温点的温度值实时地以表格形式和曲线形式表示出来。由于上位管理计算机可对各个采集器的历史数据进行存储,所以,每次启动该在线监测系统,便会自动地读出历史数据,利用表格或曲线图可以把具体到某个监测点的历史数据显示出来,并可将该表格或曲线图打印出来,以备管理者通过对历史数据分析进而得到温度趋势的发展预测,及时获取报警信号。在监测各个采集器和网络的运行情况时,如发现异常,可及时采取措施进行维护或修复。

六、结论

本文介绍的基于单片机C8051在线监测系统通过对电缆连接头的温度,环境温湿度,电缆泄露电流进行实时监测,可以有效地防止由于动力电缆连接头绝缘降低导致过热故障而引发的火灾。本系统可应用于电力、冶金、煤矿和港口等企业、实现对动力电缆接头温度的在线监测。另外, 该系统如稍加改造, 也可用于粮库、档案室、图书馆、蔬菜大棚等温度监测与控制系统。

参考文献:

[1] 孙涵芳.单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社.1991.

[2] 成永红. 电力设备绝缘检测与诊断[M].北京:中国电力出版社出版.2001

第13篇

1.1 选题研究背景、目的及意义

1.1.1 课题研究背景

本课题属于设计性课题。21世纪人类已进入信息社会，汽车及交通也已迈入信息时代。当前信息技术在汽车及交通领域中的应用项目相当多，发展速度可以说是“日新月异”,各种媒体多有报道。

可大致归纳为4个方面，即车辆安全系统，网络、通讯及导航系统，智能交通系统和移动多媒体系统。随着汽车的日益普及, 停车场越来越拥挤, 车辆常常需要在停车场穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近, 驾驶员的视野颇受限制, 碰撞和拖挂的事故时有发生, 在夜间时则更显突出。车辆安全系统通过应用电子信息技术，使车辆实现高智能化，极大地改善车辆人机系统的安全性，以避免事故的发生和减少伤害程度。

1.1.2 选题的目的及意义

本课题把硬件电路和电路软件有机的结合起来，完成汽车倒车报警系统的设计，能够了解单片机技术的现状，而且通过对电路系统的设计，学习掌握了数字电路从原理图到PCB版的全部过程，形成完善的设计思路以及思想，并通过对汽车倒车超声波报警器的软件设计的过程，锻炼应用C以及相关汇编语言等软件设计电路程序的能力为以后参与实际工作奠定良好的设计基础。

本课题要求使用现在应用非常广泛的计算机软件PROTEL，随着计算机技术的发展，计算机软件在电路设计中的应用越来越广泛， Protel是人们熟悉的常用EDA软件。作为电路设计自动化（EDA）的一种工具，Protel应用于电路原理图设计、电路板设计等，它基于Windows环境，功能强大，人机界面友好，能让人们在具有最完整的功能环境下，提升设计上的品质和效率。本课题将要求Protel在电路设计中的应用，包括电路原理图设计和印刷电路板设计以及设计过程中遇到的问题和解决方法。这样使学生也能将所学与所用有机结合起来，在步入工作岗位之前得到全方位的工程设计训练。

通过对汽车倒车报警电路的设计能初步具有用PROTEL软件设计电路原理图以及电路版图的能力。与实际电路相结合，通过理论联系实际的方法，使所学的知识通过自己设计思考真正应用到实践中。

微波探测技术在军用和民用领域里的广泛使用，使得通过这次毕业设计所学到的此方面的知识将会有很强的实用性。本设计要求对汽车倒车超声波报警器进行硬件设计，可以通过完成本次设计，练习PROTEL软件的使用，增加硬件设计的经验。

随着社会进步，经济发展，人民生活水平的不断提高，拥有汽车的家庭逐渐增多，交通问题也同时出现了：交通拥挤，各种不同的场合停车、倒车困难。许多非职业汽车驾驶员更是希望能有一种汽车倒车报警器，在倒车时不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，并随时显示其距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，以提高汽车倒车时的安全性。

汽车倒车超声波报警器设计就是为了确保驾驶员和汽车的安全，使驾驶员在倒车时能明确与后面车辆、建筑的距离，确保倒车的安全。它具有显示功能，能够客观显示车后物体与车尾之间的距离。它可望成为新手驾驶员，以及后视不良车辆如大货车、公共汽车、集装箱车等车辆驾驶员倒车的好帮手，也可用于夜间辅助倒车及倒车入库。

1.2 超声波测距系统研究现状以及存在的问题

1.2.1 超声波测距系统研究现状

随着电子技术的发展，出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2种方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。这项技术也可用于工业测量领域。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离。

1.2.2 探测盲区问题

超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。

1.3 论文的主要内容

论文将介绍超声波测距系统设计的方案选择与硬件的设计与调试。全文共分为五章，本章介绍了超声波测距系统设计的研究现状和本课题的选题目的与意义；第二章介绍超声波测距系统的总体设计方案，并对每个模块进行了方案论证与选择；第三章介绍了超声波测距系统的原理；第四章介绍了各单元模块的硬件电路设计与实现；第五章介绍了系统的调试过程和调试结果，最后总结了整个设计中有待改进的地方。

 

第二章 超声波测距系统的原理

2.1 超声波的测距原理

2.1.1 测距的电路原理框图

构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。

采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。

根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测距传感器TCT40－16T/R（T表示发射传感器，R表示接收传感器），最大探测距离为6m，发射扩散角为60度。同时，采用单片机作 为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图2-1所示。

图2-1 测距的电路原理框图

通过单片机的I/O口控制超声波发射电路发出40kHz的超声波，与此同时单片机内计数器开始计时；经过延迟后开启超声波接收电路，当接收电路收到经障碍物反射的回波后，计数器计时结束。通过单片机计算出即时距离，在显示电路显示出来，若低于警戒距离则开启报警。

2.1.2 工作原理

人能听到的声音频率为：20Hz~20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，其频率在20kHz以上，波长短，绕射小、能定向传播。

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。

本设计采用的超声波是40kHz。超声波的纵向分辨率较高，对色彩和光照度不敏感，对外界光线和电磁场不敏感，可以用于测量较近目标的距离。本设计采用的超声波传感器往返距离为15m，在有灰尘、烟雾、强磁场干扰、有毒等各种环境下都能稳定工作。

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂。在这里使用脉冲反射式。超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为C，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差 就可以计算出发射点距障碍物的距离L。超声波测距的算法原理如图2-2所示：

 

图2-2  超声波测距的算法原理图

计算公式为：

 C= 331. 5 + 0. 607 T                  （2-1）

式中：C为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。

        L=                     （2-2）

式中：C为被测距离； 为发射超声脉冲与接收其回波的时间差； 为超声回波接收时刻； 为超声脉冲发射时刻。用单片机可以很方便地测量 时刻和 时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离L。

这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表2-1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表2-1  声速与温度关系表

温度(℃)  30

 20

 10

0 10 20 30 100

声速(米／秒) 313 319 325 323 338 344 349 386

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距系统的机理。本设计认为在实际使用中的环境温度变化不大，对距离检测精度要求也不高，将超声波波速C认为是不变的常数。

另一种补偿方法就是用查表法，查上面温度与声速的对应表，再适当插值补偿。这种方法精确度较高。在这里考虑到设计上的简易性，没有进行补偿，能达到简单应用的基本要求。

该系统的工作原理：由微机编程送出40kHz频率的方波信号至信号处理器，信号处理器通过两级放大，再经过压电换能器将信号发射出去，该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时，压电换能器将接收的回波，通过信号处理的检波放大、积分整形及一系列常见电路的处理，送至微机处理。显示器的声音告警频率、发光二极管方位指示及障碍物距超声波探头的距离显示均由单片机控制。

2.1.3 超声波测距的工作方式

利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：

•相位检测法，相位检测法虽然精度高,但检测范围有限。

•声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响。

•渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。

本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。

2.1.4 信号处理技术

测量过程是由单片机部分和超声波信号处理电路共同完成的，一次测量的全过程为40ms。发射时，将40kHz的超声波信号和一个同步脉冲信号加到与门，同步脉冲信号通过与门控制发射超声波。单片机将同步脉冲的起始时刻定为 ， 超声波接收电路将接收到的信号加到单片机中，若检测到信号，则记下该时刻 ，由时间差  =    ，即可算得障碍物与超声探头之间的距离。若单片机系统接收不到超声波回波信号，则到40 ms时重复上述过程开始下一轮的循环。

在超声波发出后，如果直接进入检测状态，则势必浪费时间，因为此系统有最小测量距离，当距离最小时，即为时间差 最小，记为  ，所以此时间可以用来处理别的数据。本设计中计算子程序就是在此时间里完成的，这样就节省了一些时间。

2.2 超声波探头的主要作用

•探头是一个电声换能器，并能将返回来的声波转换成电脉冲；

•控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率；

•实现波型转换；

•控制工作频率，适用于不同的工作条件。

2.3 小结

本章介绍了超声波测距系统的测距原理、超声波测距的工作方式以及测距中如何进行信号处理优化，并阐述了超声波测距的基本概念理论基础、设计计算的主要方法和内容

第三章 汽车倒车超声波报警器设计方案比较与选择

3.1 汽车倒车超声波报警器的总体方案设计

3.1.1 方案的拟定条件

本设计首先要根据毕业设计任务书中的要求（最大测距6m，最小测距0.20m，显示分辨率0.02m，实时数字显示测得的距离；在不同的距离范围内发出不同的声光报警信号；驾驶员可根据个人需要调整设置报警距离．本报警器与其它报警器相比具有功能多、电路简单、操作简便、工作稳定可靠等优点）来进行器件选择，如谐振频率是多少，带宽为多少，Q值、声压输出、波束指向性、电容、驱动电压、功率是多少才能达到设计要求，在什么样的 环境特性下才能正常工作，市场上是否容易找到，便宜且应用较广否，这些都是需要考虑的问题。只有在这样的条件下，方案才能顺利确定，设计才能顺利展开。

3.1.2 模型的建立

汽车倒车雷达是利用超声波测距原理，不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，在一定距离范围内给驾驶者以警示，同时由高亮度数码管显示出所测的距离值，提高汽车在倒车时的安全性。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，可由单片机测出从发射到接收到回波的时间，计算出障碍物到汽车尾部的距离S=CT/2，式中C为超声波波速。尽管超声波波速与环境温度有关，但汽车倒车雷达在实际使用中的环境温度变化不大，对距离检测精度要求也不高，将超声波波速C认为是不变的常数。

测距系统模型应如图3-1所示。

3.2 超声波测距系统的器件选择

3.2.1 微控制器的选择

单片机是本检测系统的核心，它完成系统的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、驱动LED显示等功能。起初对于是选择AT89S51芯片，还是AT89C51芯片举棋不定，觉得二者区别不大，后来查阅相关资料发现AT89S51相对于AT89C51增加了很多新功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比89C51更低。

     图3-1 测距模型

•AT89S51支持ISP在线编程功能，串行写入、速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要4～5V 即可。这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。而AT89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压。

•最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

•烧写寿命更长：89S5*标称的1000次，实际最少是1000次～10000次，这样更有利初学者反复烧写，减低学习成本。综合上面的一些区别，个人认为89C51的停止使用只是时间问题而已，就象当年的8031。

•内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

•双数据指示器。

•电源关闭标识及电源范围：89S5*电源范围宽达4～5.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V 的时候则无法正常工作。

•全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

•兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

比较结果：就如同INTEL的P3向P4升级一样，虽然都可以跑Windows98，不过速度是不同的。从AT89C51升级到AT89S51，也是同理。和S51比起来，C51就要逊色一些，实际应用市场方面技术的进步是永远向前的。

3.2.2 显示模块器件的选择

在单片机小系统中，显示模块可以反映系统工作和运行结果，在系统中占有相当重要地位。常用的显示有：LED显示和LCD显示。

•LED显示的硬件电路设计简单、价格便宜，缺点是显示消耗的电流较高，体积大，在低功耗手持式仪器中很少使用。

•LCD显示具有低功耗、体积小特点，越来越多地应用于以单片机为核心的便携式仪表和测试仪中。采用LCD来显示检测到的温湿度参数，降低系统功耗。

本设计显示部分采用简单的4位共阳LED数码管，段码驱动用74LS245集成电路，位码用S8550（也可用9012）三极管驱动。

3.2.3 超声波传感器的选择

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

    以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。

    超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

    超声波探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：

•工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

•工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声波探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

•灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

本次设计就选用压电式超声波发生器，压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图3-2所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会 发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

图3-2  超声波换能器内部结构

超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志（一般器件上有标明是T还是R，T：发射换能器，R：接受换能器）。超声波换能器外部结构如图3-3所示。

 

图3-3  超声波换能器外部结构

每个传感器的中心频率都存在一定的误差，在40kHz左右波动。而且超声波传感器发射波束时存在发散角问题，一般发散角都比较大，从而导致了方向性较差。同时，随着传播距离的增大，在不同的发散角上信号衰减的程度也有变化。它在空气中的发散角及耗散性如图3-4所示。

 

图3-4  发散角与耗散性

3.3 小结

本章介绍了超声波测距系统的工作原理和超声波测距系统微控制器的特点，提出了超声波测距设计的总体方案，对各功能模块的方案进行了比较，分析了常用的传感器，选定了超声波测距系统设计所需的器件。

第四章 超声波测距系统的硬件设计

4.1 硬件设计工具平台简介

电路及PCB设计是EDA技术中的一个重要内容，而EDA技术是现代电子工程领域的一门新技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。Protel是其中比较杰出的一个软件，在国内流行最早、应用面最宽。Protel DXP是Altium（Protel Technology前身）公司在2002年8月推出的一套最新Protel DXP电路板设计软件平台。该平台运行与Windows XP/2000操作系统。Protel DXP不仅继承了Protel系列产品的优点，更重要的是将所有设计工具集成于设计系统一身。通过把设计输入仿真、PCB绘制仿真、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为用户提供了全程的设计解决方案，使用户可以轻松的进行各种复杂的电路板设计。

使用Protel DXP设计印刷电路板的第一步就是要设计电路原理图，只有正确设计电路原理图，生成相应的网络表之后才能生成PCB文件。在设计时，先分析系统，在进行模块化的设计，将各部分电路分别设计，得到个模块电路，在通过融合，实现整体电路的设计，还可以将所有模块在一张比较大的图纸上全部画出来，但在同一张纸以模块的形式分别设计电路图，这样在设计过程中思维比较清晰，设计过程比较简单，而且更容易检查错误。原理图的设计相对简单，在设计完成后要先通过编译无误后才生成网络表，原理图常见错误有：

•管脚没有接入信号；

•放置导线时Wire与绘图工具中Line混用，Wire具有电气特性而Line不具有；

•元件放到图纸界外；

•创建的工程文件网络表只能部分调入PCB：生成netlist时没有选择为global；

在设计好原理图，通过编译检查，生成了网络表之后的工作就是绘制PCB板图了。在导入网络表之前，要确定原理图中的元件都有PCB封装。如果使用的器件在Protel DXP软件的PCB库中是没有封装的，那就要求自己按照器件的技术手册封装所需元件了。在封装PCB元件是应注意以下几点：

•原理图中所填元件的封装要与PCB元件库中的名称一致。

•原理图中元件的引脚名称要与PCB元件库中的引脚名称一致。

•直插式元件封装的孔要比元件的实际尺寸稍微大些，贴片元件的引脚封装应在条件允许的范围内尽量加宽、加长，这样才有利于焊接。

完成以上几步后，将网络表导入到PCB文件中，生成PCB板图。在导入网络表的时候通常会出现以下的错误：

•原理图中的元件使用了PCB库中没有的封装。

•原理图中的元件使用了PCB库中名称不一致的封装。

•原理图中的元件使用了PCB库中pin number不一致的封装。

网络表成功导入PCB文件之后对器件进行布局，元件的布局有自动布局和手工布局两中方式，由于自动布局的效果往往不能令人满意，所以一般都需要进行手工调整。良好的布局可以降低PCB布线的难度。布局应遵循以下一般原则：

首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：

①尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

③重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题，热敏元件应远离发热元件。

④对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

⑤应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。

根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：

①按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

②以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

③在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列，这样，不但美观，而且装焊容易，也易于批量生产。

④位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或4：3。电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。

布线的方式也有两种：自动布线及手工布线，自动布线效率高，但有时布线的结果不尽如人意，这是因为自动布线的功能主要是实现电气网络之间的连接。在自动布线的实施过程中，很少考虑到特殊的电气、物理和散热等要求，因此必须通过手工来进行调整，使电路板既能实现正确的电气连接，又能满足用户的设计要求。手工调整布线的最简便的方法是对不合 理的布线，采取先拆线，后手工布线。在布线的过程中应注意的问题有：

•输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。

•尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的宽度关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5 mm。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用) 用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。

焊盘时，焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2)mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。

此外，还应注意以下两点：

•在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流，一般R取1~2K，C取2.2~47uF。

•CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

4.2 超声波测距系统的硬件设计

51系列单片机中典型芯片(如AT89S51) 采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时/计数器T0和T1，4个8b的I/O端口P0、P1、P2、P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器( PROM )，使其在实际中有着十分广泛的用途, 在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚图如图4-1所示，同时也为了对下面超声波测距系统的硬件设计进行更清楚的叙述，对其引脚标了号。

51系列单片机提供以下功能: 4kB存储器；256BRAM；32条I/O 线；2个16b定时/计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。

空闲方式: CPU 停止工作，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。

掉电方式: 保存RAM的内容, 振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。

51系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。

 

图4-1  AT89S51引脚图

4.2.1 超声波发射电路的设计

超声波发射电路原理图如图4-2所示。

设计原理：发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器T构成，AT89S51单片机P1.0端口输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

在实验制作和电路改进中，为了增加测量效果，可以考虑提高接收的灵敏度，但是灵敏度也并不是越高就越好。接收灵敏度过高，容易引起自激，结果反而不好，其实可以从增加发射功率方面着手，只要在发射头两端加个线圈。线圈可以用0.01mm的铜丝在小磁环绕成大致初级10匝，次级40匝左右。

  

图4-2  超声波发射电路

4.2.2 超声波检测接收电路的设计

本超声波测距仪的接收电路采用集成块CX20106A，其总放大增益为80db 以保证7脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.5-5V以内。超声接收换能器UCM-40R接收到的信号经C9电容耦合至输入端1脚，总增益大小由2脚接收器R、C决定。R越小，C越大增益越高，C9选值过大将造成频率响应变差，为了兼顾总增益和频率特性R14取4.7 ，C17取3.3μF，3 脚C为检波电容，选3.3μF，当其容量减小时，瞬态响应，灵敏度会有所提高，但检波输出脉冲宽度变动也较大。带通滤波特性，可由5脚R15电阻决定其值在210K-220K间调整，本设计R15定为200K。用金属膜电阻调试，若其阻值偏差过大，中心频率也将相对偏移。所以当信号经过带通滤波器时，增益将大大降低，6脚C6电容为比较积分电容，7脚R16为输出负载电阻，104pF电容C11为电源滤波元件，当电容容量减小或失效时，将造成滤波不良，可能干扰接收输入端。超声波接收电路如图4-3所示。

CX20106是红外遥控接收前置放大双极性电路，引脚意义如下：

1 IN    遥控信号输入端(此脚与地之间接红外线接收二极管

2      前置放大器频率特性和增益设定(此脚与地之间接RC串连电路)

3     接检波电容

4 GND   接地

5      设定带通滤波器的中心频率(此脚与电源间接电阻)

6      外接积分电容

7 OUT   遥控指令输出端

8      外接电源

典型电压5V，典型功耗9mW。带通滤波器的中心频率可由电阻调节，范围30－60kHz。配套使用型号为M50462AP。

 

图4-3  超声波接收电路

4.2.3 超声波蜂鸣报警电路的设计

蜂鸣报警电路是采用扬声器来对所设置的报警距离实施报警，以向驾驶员提出警示。

本系统可以设定距离值，当大于或小于设定值时将发出控制信号。当小于设定值时，进入蜂鸣报警状态，通过一个NPN晶体管来驱动蜂鸣器，不需要复杂的滤波和放大电路，具有自动平滑功能，蜂鸣器鸣响。

超声波蜂鸣报警电路如图4-4所示。

 

图4-4  超声波蜂鸣报警电路

4.2.4 超声波系统键盘电路的设计

键盘电路是用来对最大测距、最小测距以及有关参数进行设置。

键盘输入：开启值30-1000厘米，关闭值30-1000厘米（在该范围内任意设置）。本系统由一个按键 启动/停止系统，由三个按键设定距离值： 的作用是进入和退出设定， 和 ：分别是向上加值和向下减值，每按一次加或减一厘米，由数码管输出显示。超声波系统键盘电路如图4-5示。

 

图4-5  超声波系统键盘电路

4.2.5 超声波滤波整流电路的设计

超声波滤波整流电路如图4-6所示。该电路是用来把反射信号转换为标准电平信号，通过整形把检波后得到的不标准的脉冲波整形为标准脉冲波。

信号整形电路：当接收到的信号从信号筛选电路中出来之后是一个很不规则的方波信号，希望最好得到一脉冲信号，经过此部分电路处理过后再送进单片机中进行处理运算。

因为多谐振荡器中有高频分量噪声，所以通过低通滤波器将高频噪声滤掉。本信号筛选电路在整个电路中可以说起到非常重要的作用，通过对它的适当调整，可以有效地滤除由于外界干扰带来的非超声波信号进入超声波接收系统，从而大 大提高了本电路的抗干扰性。

 

图4-6  超声波滤波整流电路

4.2.6 时钟和复位电路设计

（1）复位电路的设计

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0－P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM有所影响。

（2）时钟电路的设计

时钟振荡器：

AT89S51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。对外接电容C20，C25虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF 10pF ,而使用陶瓷谐振器建议选择40pF 10pF。

可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个二分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊的要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。时钟复位电路如图4-7所示：

 

图4-7  时钟和复位电路

4.2.7 扩展显示电路的设计

回波经过AT89S51对接收到的信息进行处理后，被测的距离在LED上显示。

显示电路采用简单实用的四位一体共阳极LED数码管显示所测距离值，显示电平使用低电平有效。段码用74LS245驱动，外接升压电阻。位码用PNP三极管8550（可用9012替代）驱动。显示电路如图4-8所示。

数码管采用动态扫描显示，动态扫描显示的好处是对CPU的I/O口要求较少，但对电路的干扰较大，注意PCB板的布线和对接收放大电源的稳定性要进行补偿处理，否则对其影响很大。

74LS245双向总线接收器简要说明：74LS245为三态输出的八组总线收发器，其主要电器特性的典型值如表4-1所示(不同厂家具体值有差别)。

表4-1  74LS245电器特性

 

 

 

 

74LS245 8ns 8ns 275mW

引出端符号：A     A总线端

B     B总线端

      三态允许端(低电平有效)

DIR   方向控制端

极限值：电源电压 …………………………………………. 7V

输入电压 …………………………………………. 7V

输出高阻态时高电平电压 ……………………… 5.5V

工作环境温度：74LS245 ………………………………….……… 0~70℃

存储温度 ………………………………………-65~150℃

 

图4-8  显示电路

4.3 小结

本章首先介绍了做设计的硬件设计工具Protel DXP，然后对超声波测距系统的硬件各电路功能模块包括发射电路、接收电路、显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路进行了详细的叙述，给出了详细的原理图。

本系统利用AT89S51产生40kHz的频率驱动超声波换能器的发射头，接收头收到信号后，经CX20106A芯片进行放大、限幅、滤波、整形、比较后输出低电平送到单片机的外部中断0申请中断，单片机响应中断请求，取得定时器内的时间进行距离计算，用四位一体的数码管显示测出的距离，并可根据设定报警距离进行报警。

 

第五章 超声波测距系统联机调试与结论

5.1 系统硬件电路调试与分析

5.1.1 调试仪器和内容

（1）测试试验方法：可通过显示电路实验、超声波发射接收以及测距试验进行调试。

测试仪器：示波器，多功能稳压电源，电压表，秒表。

（2）调试内容

超声波测距仪的制作和调试都比较简单，安装时探头时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

系统调试完后对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。

5.1.2 调试过程

系统采用模块化电路设计, 采用较低的外部晶振和中周电路固化的超声波探头，数字和模拟部分电路分开供电，以提高系统抗干扰能力，但由于实际应用中仍存在较多电磁干扰，而回波信号为小信号输入, 系统调试中通过硬件补偿的方式对电路进行了优化和调整，使系统达到了较高的可靠性。

测距系统经过检波等硬件处理后的波形如图5-1所示：

在检测时，发送完检测脉冲后立刻进行判断负脉冲的长短，从而确定是否有障碍物存在。无障碍物时负脉冲宽度固定为t1，有障碍物时负脉冲固定为t1+t2，t3为超声波回波检测负脉冲。t1、t2的宽度与发送的脉冲周期数有关。周波数越多，t1越宽，检测距离越远，反之亦然。T3与T4之间的长度会随障碍物的距离而先行变化。因此，只要检测出t1、t2及T3与T4之间的长度即可判断障碍物距离。

（1）7段数码管的测试

LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。

    首先，找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那就是共阳的了。

（2）发射器探头对接收器探头的影响

超声波从发射到接收的时间 间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。

（3）调试注意事项

•超声波探头表面严禁用手及其它物体触摸以免产生信号滞后性及损坏。

•在测距中应保证测距仪与被测物体距离为定值，要和被测物体成一条直线，使测得距离读数的准确性。

5.1.3 测试数据及测试结果分析计算

传感器工作电压：超声波传感器5V

试验数据：简单搭建电路板并调试后，对一500mm宽的距离测试，所测数据如表5-1所示（单位:mm）。

表5-1  500mm宽的距离测试数据

次数 1 2 3 4 5 平均

测值 500.3 499.8 499.9 500.1 500.0 500.03

该测距系统使用方便、精度高，在一些恶劣环境，如极易被腐蚀、电解，失去灵敏性等工矿业现场将大有用武之地。

（1）测试结果与分析

超声波测距系统调试完成后，对系统进行了测试。在超声波换能器与较大平面(如墙壁面)法线方向一致时，量程为0.07~5.50m，测距盲区控制在20cm内，分辨率为0.01m，实验中对测量范围0.07~2.50m内的平面物体做了多次测试，测距器的最大误差不超过1cm，重复一致性很好。因为超声波具有一定发散角，所以当在正前方和斜前方都有物体时，会以距发射器最近的物体作为探测目标。目前此设计可提交于应用于一些动机器人、安全线提示，银行及取款机的一米线提示等场合。

（2）误差分析

对系统进行实验测试，结果发现在5米范围内，最大误差在5cm以内，且距离越近，误差越小，限制该系统最大可测距离的因素包括：超声波的幅度、反射面的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。

测距误差主要来源于以下几个方面：

①气温度变化等引起的声速变化造成的误差，温度在-30℃-40℃范围变化时，传播速度v的变化范围为313米/秒-356米/秒，由测距公式可计算出距离值有一定影响，采用声速预置和传播介质温度测量结合的方法对声速进行修正，可有效地降低温度变化产生的误差。

②发射与脉冲计数由于响应快慢差异开启不同步引起的误差，对此在调试中通过脉冲计数值补偿进行修正。

③超声波在传播过程由于受衍射、散射和吸收等影响衰减导致的误差，近距离误差不明显，距离越远产生的误差越大，可适当增大超声波的发射功率等来改善。

④发射和接受前置电路延迟的时间误差等，发射前置电路和接收前置电路中采用集成芯片都有时间延迟。对此采取时间增益控制，来减少误差，由于本装置对于厘米级的精度已经足够，电路延迟都是纳秒数量级，记数频率是40kHz，所以减少一个记数单位完全可以矫正。针对误差原因在程序设计及系统调试中做了相应处理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

⑤超声波波束对探测目标的入射角的影响。

⑥超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系。

⑦超声波传播速度对测距是有影响的。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，传播媒质的特性，如温度、压力、密度对声速都将产生影响。因此，为了准确地计算距离，应对声速加以修正，系统程序中采用了软件补偿措施。

（3）误差改进

由于考虑到体积、成本等因素，本装置在性能上、功能上还存在不足，有待于进一步提高：

•增加几路不同方向的超声波探测或红外探测器以及温度补偿电路等，可以提高装置的灵敏度和精度,同时提高可靠性。

•可在装置中增加一个语音芯片，将蜂鸣报警改为语音说明指示，根据探测结果直接报出距离、方位，更便于使用。

•由于受发射功率及回波检测灵敏度的限制，探测范围较小，可增加发射功率调节等电路，以便增大探测范围，可用于夜间探路、井下探索等。

（4）温度的补偿

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

所以，在超声波的两个探头旁边可放置温度传感器，测出环境温度T，由单片机控制器进行软件修正。

5.2 系统源程序的调试过程

5.2.1 软件仿真验证

本设计采用51汇编语言编写，用Keil C51编译和调试。这里采用光电二极管和光电三极管来代替超声波发送探头和超声波接收探头，且空中传播过程略去仿真。联调仿真后，可见数字电路的延迟效果比较明显，所以需要软件矫正。

由于超声波探头存在余震效应, 为避免余震产生的“虚假反射波”超声测距数据的采集与处理错误申请中断，超声波脉冲发射后软件中设置了一段时间的延时，称为“死区”时间，“死区”形成了距离测量中的“盲区”，由于探头的性能误差，运行后要不断调整探头的“死区”。经过应用过程的调试，本系统的测量“盲区”控制在20cm内，“死区”时间为115ms，测量误差为±1cm。

结  论

本文所设计的倒车雷达系统是保障汽车倒车安全的辅助系统，通过超声波探头发出超声波，使用高速单片机计算距离，还可加入了温度补偿电路，提高了距离计算的精度。系统安装的LED可以直观的显示温度和距离，给驾驶员提供了方便。倒车时当汽车与障碍物的距离小于所设定的安全距离时，系统发出报警，提醒驾驶员，防止汽车的碰撞或擦伤，具有很强的实用性。

整个报警器系统由汽车倒车挡控制，当汽车置于倒车挡时，报警器工作；置于其它挡时，报警器不工作。在环境温度为-20～50℃的范围内，测量误差为几个厘米，这个误差能满足正常倒车的需要。因为本设计所采用的超声波传感器的辐射范围是   60°，所以在安装时，需在车尾装3～4个超声波传感器，这样才能覆盖整个范围。

利用51系列单片机设计的测距仪便于操作、读数直观。经实际测试证明, 该类测距仪工作稳定, 能满足一般近距离测距的要求, 且成本较低、有良好的性价比。

本超声波测距系统可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监 控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合，觉得这次的设计实用性极强。

通过一学期的努力，完成了超声波测距系统的设计。设计满足了任务书中的基本要求和扩展要求，软、硬件设计已达到预期效果。主要完成的工作有：

①学会了使用Protel软件绘制原理图和PCB板图。

②完成了超声波测距系统的各个功能模块的硬件设计与调试。

③已经通过系统的软硬件联合调试，距离通过LED显示出来。

由于时间和能力有限，本次设计还有一些不足之处，主要有以下几方面：

①由于经验不足，在设计超声波测距系统的时候，设计原理图与PCB板图的时候出现了一些问题。

②在调试时，显示的延迟性较大，超声波探头太敏感。

本文创新点：

①测试结果分析可知，本装置采用较低成本的器件设计制作，且误差较小，完全满足汽车倒车的指引作用，具有较高的性价比。

②装置结构简单、体积小、性能稳定，操作容易、使用方便，可以安装在不同的载体上，制作成不同的用具，如导盲眼镜、位移仪、深度仪等，具有一定推广应用价值。

致  谢

感谢西南科技大学。在这里，我开阔了见识，增长了知识，锻炼了能力。大学四年的亲身体验让我更增加了对学校的热爱。

感谢我的指导老师曾毅对我的辛勤培育。从论文的立题到实验的设计以及论文的撰写整个过程无不浸透着老师的心血。他广博的学识，严肃的科学态度，严谨的治学精神，灵活的思维方式，耐心细致的言传身教深深感染激励着我，将使我终身受益。导师不但在学习上给予我耐心细致的指导，在生活中也给了我莫大的关怀，在这里向曾老师表示衷心的感谢。

    感谢大学四年所有指导过的老师。在学习的过程中给了我很多的指导，让我在理论知识和动手能力上都有很大的提高。

在完成毕业设计和毕业论文的过程中，我们寝室的同学给了我很大的帮助，在此向他们表示深深的感谢。

感谢父母二十多年来的养育之恩，让我顺利的完成了四年的大学学业，并让我获取了一定的知识并最终走向社会，为社会贡献自己!

最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢

参考文献

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[15] Rabiner L R and Gold B. Theory and Application of Digital signal Processing [M].Prentice-Hill Inc, 1975.

附  录

附录1：系统总原理图

 

附录2：AT89S51引脚功能

Vcc：电源电压；GND：地

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现机器周期以上高电平将使单片机复位。

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节。而在程序检验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输出口使用时，因为存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ ）。

Flash编程和程序校验期间，P1口接受低8位地址。

P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输出口使用时，因为存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ ）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器P2口送出高8位地址数据。在访问八位地址的外部数据存储器，P2口线上的内容（也即特殊功能存储器（SFR）区中R2寄存器）。在整个访问期间不改变。

FLASH编程或校验时，P2亦接受地址和其它控制信号

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的八位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）四个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时。它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I ）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表③-2所示。P3口还接受一些用于FLASH闪速存储器和程序校验的控制信号。

表1  P3口的分配

端口引脚 第二功能

P3.0 RXD（串性输入口）

P3.1 TXD(串行输出口)

P3.2  （外中段0）

P3.3  （外中段1）

P3.4  （定时/计数器0）

P3.5  （定时/计数器1）

P3.6  （外部数据存储器写选通）

P3.7  （外部数据存储器读选通）

ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低八位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出 固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ ）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

 ：程序储存允许（ ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 有效，即输出两个脉冲。在次期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号不出现。

EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp。当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出端

第14篇

自计算机和集成电路出现后，通信技术得到了迅猛发展，以3G移动通信和WLAN为代表的现代通信技术的应用普及，使得通信工程日渐成为发展最快和最具影响力的专业之一,与此同时，技术的发展和更新也对该类专业人才的素质提出了更高的要求，近年来在招聘中出现了一个现象，用人单位更倾向于电子竞赛中获奖的学生，所以提高学生的动手能力和实践水平，就可能获得更多更好的就业机会，而主要承担专业人才培养任务的高等学校也必须要紧跟上技术的步伐，不少学校在通信专业的实验实践教学方面进行了一些探索。山东科技大学是一所应用型本科院校，根据学校特点，我们对专业阶段的除课程中包含的实验以外的实践类课程做了一些调整和内容改革，将以往依赖于软件仿真和硬件小系统设计的内容，变成以完成单元电路的设计，子系统设计到涵盖物理层、数据链路层乃至网络层的完整系统设计的相互之间紧密联系的、层层递进的系统化设计，目的在于开拓学生的专业视野，使他们真正感觉到通信系统是软件和硬件的统一体，不仅包含振荡器、调制器等硬件电路，也包含编码、协议等软件程序，对将来从事专业技术工作有一个全面的、深层次的认识。同时也让学生完成通信系统从单元模块到功能子系统再到完整系统最后到通信网络的完整认识。

2实践课程内容的设计思想

通信工程专业自第四学期进入专业课程阶段，专业阶段实践类课程（除课程当中的实验课以外）包括：单片机原理课程设计、信号与系统课程设计、高频电子线路课程设计、生产实习、通信原理与系统课程设计、专业方向课程设计和创新性实验。由于单片机原理课程设计和信号与系统课程设计属于基础课，因此本次规划只涉及其余的5门课程。原先这5门课程设计的内容主要有：（1）高频电子线路：等幅调制发射电路仿真设计以及收音机组装与调试；（2）生产实习：电视机组装与调试；（3）通信原理与系统课程设计：MATLAB仿真验证编码和调制原理；（4）专业方向课程设计：通信系统方案设计；（5）创新性实验3个，分别在第4、5、6学期，内容由指导教师自选。在专业实践教学的调整和构建中，设计了分层次渐进的体系结构，遵循“基础理论知识学习—电路设计能力培养—系统设计能力培养”的实践教学培养思路，同时基于一体化的考虑，规划了统一的设计任务，即设计一个完整通信系统：多个无线传输站点构成的多点对多点的基本通信网络。各课程在这一统一的任务下，承担不同的子任务，如无线收发模块设计、纠错编码、网络协议设计等。对所涉及课程任务进行统一设计的好处如下：（1）完整系统的设计。经历由细节到整体，由电路单元到功能系统的设计过程，使学生了解针对不同层次的功能实现需要不同的设计思路。（2）节省实验经费。一体化任务设计，使前期课程的设计成果，可用于后续的设计，如无线收发信机，可以用于构建数字编码通信系统。（3）避免知识的重复。以前的课程设计在内容上出现不同程度的重复，去掉重复部分后可节省时间学习其他新知识。

3一体化课程规划和层次化内容设计

按照课程时间计划，课程设计和生产实习按时间先后依次是：高频电子线路课程设计、生产实习、通信原理与系统课程设计、专业方向课程设计，其时间顺序和所属的层次如图1所示。创新性实验分3个阶段，分别设在第4、第5、第6三个学期，完成不同的任务。调整后高频电子线路课程设计主要是验证上变频、下变频以及振荡器的工作机理，用MultiSim构建电路，并进行仿真；生产实习是让学生学会电路图纸和PCB版图制作，设计和制成无线收/发信机电路板；通信原理与系统课程设计的目的是实现点对点通信系统，任务是调试收/发信机、信道纠错编码设计等；专业方向课程设计的目的是用收/发信机模块和控制终端构建RS-485总线结构的网络或是简单的ALOHA网络。

4课程体系改革措施

为保证一体化实践课程教学任务的顺利实施，采取了以下措施：（1）打破课程界限，设立可分解的综合任务。将整个实践课程内容设计为一个统一任务，即建设一个通信网络系统，但各个课程的任务又是相对独立和完整的一个子任务，前期课程的设计成果用于后期课程的任务系统的建设。（2）专业实验室全面向学生开放。由于课程设计环环相扣，前期设计的成果就是后续设计内容的基础，因此本次课程设计必须成功才能进行下次的设计，而且性能越好下一级课程设计成功的可能性越大。为了保证设计任务顺利进行，开放有关实验室为学生提供实验场所。（3）设立专门的团队从头至尾全程负责。整个课程体系设置成一个大的综合任务，前后之间紧密联系，因此，指导教师必须要对此次设计之前和之后的任务非常清楚，这样才能保证整个设计任务的顺利实施，为此成立专门的实践课程教学团队负责整个任务的实施，每位教师都要熟悉流程中所有任务内容。

5课程内容改革实施效果

通过对2009、2010、2011级本科生的实施效果来看，学生的学习成绩和能力获取方面有明显改善。（1）拓宽了学生对专业知识和专业领域的认知视野，加深了他们对专业课程之间以及课程与具体工程实际之间关系的理解，激发了学生对本专业知识的学习兴趣，他们在信息论与编码、通信原理等理论课程的成绩都有明显的提升。（2）提高了学生的工程实践能力和科研素质。改革后的课程体系和内容，对学生掌握学以致用的能力的提升作用颇为明显。学生在进入毕业论文阶段，其动手能力表现得到导师们的一致认可。（3）弥合了通信技术理论和工程实践的裂隙。通过改革实践课程，可以一定程度上弥合课程的课本知识是与工程实践相脱节的裂隙，与工程实际的衔接也激发了许多同学课外实践的兴趣，近年来，越来越多的通信专业学生利用课余时间或暑假进入实验室进一步拓展学习。（4）多名学生在近几年参加山东省大学生电子设计竞赛、全国电子专业人才设计大赛、全国大学生电子设计大赛、“挑战杯”创业大赛、全国信息技术大赛、山东省机器人大赛等各级电子设计竞赛、创新性项目中获得优异的成绩。（5）毕业生就业岗位层次有了很大提升。实施教学改革后，除去考上研究生的同学外，有一批学生进入通信设备公司，从事技术含量较高的研发或设备技术支持工作，就业工作岗位层次明显提升。

6总结

第15篇

一、机务专业学生动手能力、创新能力和英语能力的重要性

实践教学对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用。中国民航飞行学院航空工程学院主要培养民航飞机与发动机维修、航空电子电气设备维修等方向的应用型高级机务工程技术人才。结合机务维护行业需要和自身实际，提出了“学历+技能+英语”的培养模式，明确我院学生培养的目标，从中可以看出学生动手能力的重要性。随着我国“大飞机”项目的实施，可以预见，更多的高新科学技术将会用到“大飞机”的研发、试飞、运行和维护中，这也对未来的机务维护工作者提出了更高的要求，不但要求其具有很强的动手能力，而且还要求其具有很高的创新能力。

二、竞赛对机务专业学生动手能力的培养

电子设计竞赛对学生实践能力提出了高要求，全国大学生电子设计竞赛的形式是半开放模式。要求学生在四天三夜的时间里，根据题目给出的要求设计出方案，更重要的是该方案要切实可行，即理论上可行和实验室现有的条件能够实际制作出来，最后还要制作完成实物作品。这个过程对学生的实践动手能力提出了极高的要求，要求学生能够理论联系实际，并在电路设计、制作、调试等方面要积累相当的经验,这对传统的教学(理论教学和实验教学)提出了很高的挑战。针对电子设计竞赛的内容和特点，需要对学生进行以下训练，努力提高学生的动手能力以及理论联系实际的能力。

（一）基础知识训练

基础知识训练的目标是达到“六会一牢固”，即基本知识牢固，会看图，会画PCB板，会焊接安装，会测量，会查资料，会写文档。对于我院来讲，参赛队员主要是大三的学生，竞赛涉及的一些课程如模拟电子技术、数字电路、单片机、传感器与检测技术等已经修过。因此在暑假集中培训阶段，要求他们牢固巩固已学过的知识，同时注意与应用密切相关的基础知识。例如：对于模拟电路，要求学生在懂得基本的半导体知识后着重掌握各种基本放大器的工作机理及应用，运算放大器、比较器的原理及应用，各种振荡器的应用，电源等；对于数字电路，则要求学生切实巩固各种组合逻辑电路和时序逻辑电路的应用与基本的设计思想等。重视对参赛队员焊接知识的培训，学会使用常见的各种测量仪器，学会使用互联网进行查阅资料，学会写设计总结报告。设计总结报告是竞赛作品的一个重要组成部分，其内容体现参赛队员的设计思想、实现手段以及测试结果等方面。设计总结报告质量的高低反映参赛队员的写作能力优秀与否，同时也关系作品成功与否，因此要重视对文档写作的培训。

（二）实践模块训练

实践模块训练的内容和目标是由浅入深，循序渐进，有计划地进行培训，独立完成电子电路模块设计与制作，组织各种形式的学习讨论会，促进信息交流，优秀作品及时整理归档，达到建立相关硬件、软件、资料的“共享资源库”。结合电子设计竞赛常用到的模块，进行相应基本单元电路的设计与制作，其内容包含有单片机最小系统、A/D与D/A电路、集成直流稳压电源电路、信号放大电路、信号产生电路、信号处理电路、声音报警电路、压力、光电等传感器应用电路、功率驱动电路、显示电路等。

（三）综合强化训练

综合强化训练的目标是模拟实际竞赛，以往年的竞赛题目为模板，适当进行一些调整，尽量接近实际竞赛的难度，以达到模拟实战的目的，培养学生电子设计的综合实践能力。参赛队员存在的主要弱点是理论与实践结合不够，不具备综合运用所学知识进行设计的能力，创新及独立工作的能力较差，新器件、新技术应用能力差，因此在选手的赛前训练中紧密结合各个模块功能设置训练题目进行实训。对于同一个制作题目让两组参赛队员采用不同的设计方案实现，然后比较制作实物的性能参数，最后集中讨论总结经验，加深他们对不同器件、不同模块特性的认识。

三、电子设计竞赛对机务专业学生创新能力的培养

大学生电子设计竞赛题目涉及的内容涵盖了电子信息类大学本科的大部分课程,竞赛主要考察学生的创新意识。竞赛的每一道选题都经过千挑万选,题目的解决方法往往具有多样性,既能采用常规方法达到目的,又可用新方法新手段来实现，这为学生提供了足够的发挥空间。竞赛中,对于同一题目的多件作品,一种好的项目解决方案或一种比较新颖的解决思路往往更易吸引专家、评委的注意。竞赛题目的这种特点,无形中促使学生充分发挥主观能动性,广开思路,促进了学生创新意识和创新能力的形成。

（一）创新意识的形成

大学生电子设计竞赛在一个开放或半开放的环境中进行,学生根据自己的需要形成策划来满足社会上某一需求。根据策划进行设计制造,对某产品进行调试并参加全国或全省评比。评判组成员包括国内外的专家和提供开发环境的专家,学生要与评审专家进行交流、探讨、汇报。很多学生能用英语来报告,涉及的题目、环境也很具有前沿性。由策划到设计、制造、调试,到答辩、交流，通过介入当今电子技术领域的前沿,与国内外一些专家的交流,使竞赛成为一个互相交流、互相促进、互相学习的过程,实际上都是培养国际意识的过程,竞赛对学生自己今后在工作中的创新意识的培养是一个很大的提高。

（二）创新能力的提高

大学生电子设计竞赛的操作性很强,通过参加竞赛,学生的创新实践能力大幅度提高,一批优秀人才脱颖而出。竞赛使那些具有良好的理论基础、实践动手能力强,特别是具有创新意识和协作精神的学生有了施展才能的空间。他们通过赛前的培训以及竞赛的锻炼,在综合素质上有很大提高。王越院士说:“比赛既有理论分析,又有实践的动手能力,是全面素质的培养。在专题竞赛中既培养了学生面对众多社会需求发挥创新能力,自由选择满足需求的实施方案,又使学生经历了由策划、设计、制造、调试、试用全研制开发过程,很多学生反映这段特殊学习经历终生难忘。”四、电子设计竞赛有助于机务专业学生查阅利用文献能力、写作能力和英语水平的提高电子设计竞赛题目所涉及的内容很可能是参赛者从未接触过的全新领域,在短短的参赛时间内要查阅大量文献资料,利用有用信息。但竞赛时间有限,这就要求参赛者要有较强的分析判断力,能在较短时间内迅速准确地找到自己所需的信息。通过培训和竞赛,学生查阅资料、获取信息的自主学习能力将会得到有效提高。

由于历史的原因，我国的电子科学技术还比较落后，特别是竞赛中用到的芯片基本都是国外生产的，其数据手册都是英文的，要想利用该芯片就要求学生必须能够读懂其数据手册，这就要求学生有比较高的英语水平。在不断查阅英文资料的同时，其英语词汇量和阅读能力自然就提高了。书写论文和现场答辩能力也是现代大学生应具备的能力之一,自己做的产品不能只有自己明白,最终要清晰地表述给评委,电子设计竞赛非常注重大学生这种能力的培养。将题目的设计过程做成论文报告是电子设计竞赛中一个不可缺少的步骤,论文也是专家、评委进行评定的一个重要部分，而且要求写出相应的英文摘要，这就要求学生有一定的英文写作能力。