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1、单片机原理与接口技术 研究性教学 北京交通大学机电学院 机械工程实验教学中心 一、设置研究性教学环节的目的 完成一个单片机应用系统的设计 激发学生的学习兴趣，培养学生学习过程中 的主动性和钻研的精神。通过研究性学习的过程 ，使提出问题、综合运用知识解决问题的能力得 到训练。 二、研究性教学内容 总任务： 设计一个MCS-51单片机的应用系统的方案。 提出该设计的功能，完成系统总体方案设计，完 成系统硬件设计和软件设计，实现系统设计的仿 真，并进一步实现系统的制作。 研究性教学的5个阶段： （1）选题与题目设计 （2）方案设计 （3）软硬件系统设计与仿真 （4）研究性教学报告的编写 （5）演示及
2、答辩 三、研究性教学的特点、基本要求 特点： （2）学生为主体，教师作辅助 （3）以小组为单位，团队协作 （4）任务要求分层次，评价分档 （1）配合课堂教学，实现研究性学习 基本要求： n规定设计题目共3个，学生可以选择设计，每5 人一组，小组合作完成设计任务。 n学生也可结合大创项目等，检索、搜集资料， 提出自己的研究任务。 n提出并丰富系统功能，设计系统总体方案，设 计系统软硬件方案，实现系统的仿真调试，进 而可制作模拟系统。 n学生在教学班内编组，自由组合。 时间安排 n4月29日 布置、分组 n6月05日 仿真、验收 n6月10日 仿真、验收 研究性教学的主要构成环节： （1）选题 （
3、2）设计： 硬件：明确设计内容及技术要求；确定总体设计方案及相应功 能模块；关键元件选型；接口电路设计。 软件：软件方案；流程图；程序调试。 （3）撰写研究性教学报告：任务、方案、电路图、软件流 程、源程序、运行结果、设计说明及建议。 （4）系统成果展示：设计报告、仿真结果、模拟系统。 1.平时设计的情况； 2.是否完成研究性教学环节的任务，及完成的质量； 3.研究性教学报告的质量； 4.演示及答辩。 综合考察以上项目，给出个人成绩。 四、成绩评定 成绩评定标准： 1.仅提出系统方案：58分 2.有系统方案及软硬件设计方案：812分 3.实现了系统软硬件仿真：1015分 4.仿真+模拟系统：1
4、115分 五、设计题目 1.时钟及点阵显示器设计 2.铁路公路平交道口安全防护系统设计 3.煤矿运煤列车自动喷淋系统设计 4.自设计题目 1.时钟及点阵显示器设计 设计一个单片机时钟显示调整系统，扩展点阵式 显示器用于时钟显示和调整，连接按键分别控制系 统的显示模式切换和时间值增减调整。 扩展 点阵LED显示器若干块，设计按键若干。 设计任务： 关键技术难点： 1.时钟及点阵显示器设计 1.合理选择时钟源，以单片机为核心设计系统方 案，并画出系统硬件设计图。 2.规划软件流程图，编制软件。 3.调试、运行结果分析。 4.完成研究性设计报告。 设计基本要求： 元器件 元器件 设计背景： 全路目前
5、存在大量平交道口，道口事故发生率较高。 道口平交改立交存在许多制约因素。目前道口防护的改造 ，主要是增加道口信号、防护栏、警铃、派人看管等，这 样会明显增加铁路运营成本。 因此，道口防护应采用信息化、科技化的手段，达到 减少道口交通事故，提高道口通过能力的目的。 2.铁路公路平交道口安全防护系统设计 设计任务： 完成铁路公路平交道口自动防护系统的设计，在列车到 达时，自动封闭道口，并向公路的行人车辆发出报警提示信 号，以保证列车通过道口时阻止公路行人和车辆的通过。 应用系统实现功能： （1）应能正确检测列车到达和驶离道口，并根据列车的运行速 度发出报警信号，封闭道口； （2）在列车驶离道口后，
6、恢复通行，报警复原。 2.铁路公路平交道口安全防护系统设计 声光报警、道口栏木控制。 关键技术难点： 1.合理选择传感器，以单片机为核心设计检测、控制方案，并 画出系统硬件设计图。 2.规划软件流程图，编制软件。 3.调试、运行结果分析。 4.完成研究性设计报告。 设计基本要求： 2.铁路公路平交道口安全防护系统设计 3.煤矿运煤列车自动喷淋系统设计 设计背景： 现有的煤矿运煤列车属于敞篷式铁路货车，对周围环 境造成严重的煤尘污染。 基于此在煤矿货车出口处设计自动喷淋系统。自动检 测运煤货车的通过、车速、记录车号，根据车速控制喷淋 系统喷洒一定量的喷剂，并对喷淋工作过程进行画面监控 、建立管理
7、信息系统实现运煤列车的监控管理自动化。 设计任务： 自动检测运煤货车的通过及车速，根据车速控制 喷淋系统喷洒一定量的喷剂。 应用系统实现功能： (1)能正确检测到煤矿出口处是否有列车通过 ； (2)判断该列车的运行方向，只对出矿货车车辆实施喷淋； (3)注意保护机车不受喷淋; (4)检测列车运行速度，控制喷淋剂量。 3.煤矿运煤列车自动喷淋系统设计 传感器的布置、速度及运行方向检测。 关键技术难点： 备注：机车高度 5000mm，车辆高度约3500mm。 1.合理选择传感器，以单片机为核心设计检测、控制方案，并 画出系统硬件设计图。 2.规划软件流程图，编制软件。 3.调试、运行结果分析。 4
8、.完成研究性设计报告。 设计基本要求： 3.煤矿运煤列车自动喷淋系统设计 机车 货车 录像 一、设计任务 二、系统功能 三、总体方案设计 四、硬件设计 五、软件设计 六、设计总结 三、系统设计一例 高速公路隧道区域监控系统设计 高速公路隧道区域监控系统设计 以51单片机作为本地控制器，通过传感器采 集隧道内温度、一氧化碳浓度、光照度和火灾情 况进并行信息发布，同时将数据上传给监控中心 ，控制通风、照明、火灾报警等外场设备，确保 隧道内行车的安全性。 一、设计任务 二、系统实现的功能 1.隧道内环境主要参数包括温度、烟雾、光照度和 火灾的检测; 2.采用液晶显示屏进行环境参数信息的发布； 3.外
9、场设备的控制，包括照明、通风和报警系统； 4.数据通讯及监控中心管理信息系统的设计。 A / D 转 换 调理电路 信息发布 温度传感器 单 片 机 串行通讯 烟雾传感器 光照度传感器 火灾探测器 调理电路 通风系统 照明系统 报警系统 三、系统总体方案设计 四、硬件设计 以单片机为核心，硬件系统主要分为以下几个功能 模块： A.环境参数的采集（温度、烟雾、光照度和火灾 情况） B.外场设备的控制（照明、通风和报警系统） C.信息发布功能（液晶显示） D.串口通讯（MAX232） A.环境参数的采集 1.温度传感器DS18B20 温度测量范围为55 125 可编程为9位12位 A/D转换精度
10、测温分辨率可达 0.0625 DS18B20与单片机的连接电路 2.光电集成模块TPS808 把受光元件和信号处理电路集成在一个芯片 中, 对明火有高的灵敏度且抗干扰性强，输出为 开关信号. 正常情况下输出为低电平，当有信号时输出 高电平。 火灾报警的连接电路图： 3.CO传感器 MQ-135 对烟雾、一氧化碳CO 等有害气体的灵敏度 高，具有可靠的稳定 性。 成本低，应用电路简 单。 MQ-135与单片机接口电路 4.光照度传感器硅光电池BPW21R 特点： TO-5封装形式密封 阴极与密封容器连接 光敏面积大 适合可见光 低暗电流 高反向阻抗 硅光电池BPW21R测量电路 ADC0809与
11、单片机接口电路 B.外场设备的控制 n照明系统 n 通风系统 当隧道内CO值超出设定值时，单片机P1.3口 输出低电平，开启风扇；否则风扇不工作。 n报警系统 当温度中任一个量超过设定值时，从单片机 P1.2口输出低电平，蜂鸣器即报警。 C.液晶12232F显示 n电源:VDD:+3.0+5.5V； n2M ROM(CGROM)总共提供8192个汉字(1616点 阵)； n16K ROM（HCGROM）总共提供128个字符（ 168点阵）； n工作温度: 0 +60 ,存储温度: -10 +70。 液晶与单片机的连接电路 液晶图片 D.串行通讯 nMAX232是一个低功耗、5V供电、双路的TT
12、L电 平与RS232电平转换芯片； n单片机的串口是TTL电平的 ,而PC机为232电平 ，故用MAX232进行电平转换。 （1）MAX232简介 MAX232与单片机连接图 硬件连接电路 五、系统软件设计 分下位机和上位机两部分： n 下位机使用汇编语言实现； n 上位机程序设计由VB语言实现。 1.下位机软件设计 功能： 1 环境参数的采集和处理； 2 外场设备的控制； 3 信息的发布（液晶显示）； 4 串行通讯的实现。 开始 初始化 温度测量及控制子程序 光照度测量及控制子程序 CO测量及控制子程序 延时 串行通讯子程序 液晶屏初始化 液晶中文字符显示 2.上位机软件设计 上位机软件实现的功能： 接收单片机串口通讯传送来的数据，进行信 息发布，对隧道内的行车状况进行监控。 系统的信息发布 六、总结 1.完成了系统总体方案和软、硬件方案设计。 2.以单片机为主控器，软件采用汇编语言编程，结 合硬件电路，实现了参数采集、外场设备控制的 功能，并通过液晶屏进行信息发布。 3.监控中心上位机采用VB语言编程，结合汇编串行 通讯软件，实现了下位机与上位机的通讯。
