结合单片机原理与传感器技术课程设计综合案例

一、引言

《单片机原理》属于电子技术类专业的基础课程之一，旨在培养学习者软、硬件结合的微控系统设计能力[1]。该专业学生在掌握部分程控原理的基本知识、智能电路的编程控制及仿真软件的综合运用技能后，即可设计具有一定实用价值的智能控制系统，因此该课程内容在电子技术专业全学程中工程实践性较强，且备受推崇[2]。目前，单片机以其智能型、经济型优势广泛应用于仪器仪表、家用电器、网络通信、工业控制、医疗设备、汽车电子等领域，其教学设计与相关专业学科的关联性显著[3]，其中与《传感器技术》课程的衔接具有代表性。

传感器技术作为信息获取的源头技术，是物联网工程专业的基础课程之一。依据国家标准，传感器被定义为：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。由传感器采集的信号将主要应用于智能型系统的分析与处理，而结合《传感器技术》与《单片机原理》课程内容设计综合案例，即可实现智能系统的前端采集与过程控制的教学衔接，有望为学习者搭建一个全景的智能系统设计平台[4]。因此，建设两门课程的综合案例库并以专题形式授课，可以视为提高专业学习者电子设计能力的有效途径。此外，高质量的案例库还有助于强化两门课程间的衔接，拓展专业知识体系的深度和广度，进而推动专业课程群的建设。

二、案例库的建设方法

1.精选案例

依据两门课程的知识结构，以《单片机原理》先于《传感器技术》授课为前提，案例的选取可参考的原则大致如下：

（1）甄选趣味性强、情景直观、内容完整的教学案例，以吸引专业学习者的兴趣为宜。

（2）选取具备技术推广价值且具有代表性的优势案例开发，力争学以致用。

（3）结合C语言编程与电子仿真技术[5]，开发基于单片机控制的智能传感系统，优化案例的教学形式。

2.分析课程关联方式

《单片机原理》课程以51系列单片机处理器为核心，其主要知识点可划分为基础知识模块、输入输出模块、数据采集模块、数据通信模块、信号与算法模块、I/O扩展模块、机电控制模块等。

《传感器技术》课程主要涉及的传感器类型包括电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、半导体物性传感器、智能温度传感器、湿度传感器、压力传感器、液位传感器、流量传感器等。结合《传感器技术》课程的学习目标，课程教学中主要解决传感器的数据测量及误差处理、数据标定与校准、工程检测与系统集成等问题。

图1 课程联合模块的知识体系结构

据此，综合案例库的开发需借助两门课程知识体系的关联，其关联方式如图1所示。图1中虚线框内覆盖了单片机课程的主要知识点，传感器技术部分则主要部署于课程联合体系的前端与末端，结合两门课程开发的综合案例可呈现出基于单片机的智能控制系统的完整实例，且综合案例选取与开发以结合图1中更多知识模块的内容为最佳。

3.案例库建设路线

目前，《单片机原理》与《传感器技术》课程属于我院电子技术、物联网工程专业的主干课程，其各自的教学内容与知识体系已趋于完整，课程的教学设计与教学用例也力求精致、统一。根据课程组已经运用的教学材料及教学方法，整合更为完善的综合案例库，将其建立在两门课程已有的案例素材基础之上，课程组通过改进或加工案例使其知识结构更加完整、授课内容更加统一，进而形成综合案例库。因此，综合案例库的建设大致包括收集素材、设计案例、整合资源及案例实施四个阶段，如图2所示。

图2 案例库建设的基本路线

三、案例库的实例解析

为了有效结合两门课程的主要知识模块，综合案例库的取材尽可能涵盖如下几个方面：①具备传感器采集技术的感知模块，需要进行数据解析；②感知数据能够采用单片机控制，转换并处理成为数字信号；③系统的数据输出单元或系统集成检测过程需配备交互式模块。

以上述要求为依据，综合案例库的建设可参考实例如下：

1.温控系统设计

基于单片机的智能温控系统设计在传感器应用方面具备典型性[6]。如图3所示，以DS18B20温度传感器为采集终端，连接相应硬件模块并在单片机中载入智能温度传感器的驱动程序、温度采集及处理程序、温度查询及电机控制程序、液晶驱动及数据显示程序等，即可完成案例的教学设计。

文章来源：《电子设计工程》 网址: http://www.dzsjgc.cn/qikandaodu/2021/0314/992.html