人体反应速度测试系统的设计与调试
实验题目：人体反应速度测试系统的设计与调试
1.课程简要信息
课程名称：单片机应用技术
课程学时：100 学时（课内 76 学时 $^ +$ 课外 24 学时）
项目学时：10 学时（课内 6 学时 $^ +$ 课外 4 学时）
适用专业：电子信息类、自动化类
学生年级：二年级第一学期
2.实验内容与任务
（1）实验内容
以STC89C52单片机为核心，基于慧净HL-1 开发板设计一个人体反应速度测试系统。系统启动后将延迟发出声光报警信号，测试人员收到信号后迅速按下停止按键，系统自动显示反应时间。
（2）工作任务
依据学生不同知识基础、能力水平分层设计实验任务。
$\textcircled{1}$ 基本任务
a.设置启动、停止、复位三个独立按键，实现如下功能：按下启动键时，延时5 秒钟LED 指示灯亮，同时蜂鸣器报警，定时器开始计时；按下停止键时，LED指示灯灭，蜂鸣器关闭，定时器停止计时；按下复位键时，定时器数据归零。
b.将测试的反应时间显示在数码管上，具体要求为：采用定时器中断方式精确计算反应时间；时间通过后四位数码管显示，前两位数码管保持熄灭状态；测试结果以秒为单位，保留 3 位小数；系统启动前数码管显示0.000，按下启动键后实时显示时间，按下停止键显示反应时间。
$\textcircled{2}$ 进阶任务
a.利用第一位数码管显示反应速度等级。小于等于 0.2 秒为 1，0.2 秒到 0.5 秒之间为 2，大于等于 0.5 秒为 3；启动前数码管灭，停止后显示反
应速度等级；第二个数码管持续显示“-”
b.将按下启动键后的延迟时间设定为随机。
$\textcircled{3}$ 拓展任务
增加违规测试功能，实现如下功能：在声光报警信号发出前按下停止键视为违规，数码管后四位显示“- - - -” 。
3.实验过程及要求
（1）课前预习
$\textcircled{1}$ 利用学校信息化教学 APP 接收任务，按要求组建团队；
$\textcircled{2}$ 收集相关政策、案例，观看学习视频；
$\textcircled{3}$ 分组设计并绘制单元模块原理图，完成课前测验。
（2）Proteus 环境下硬件选型
选择单片机、按键和数码管型号；选择合适的电容和电阻。
（3）硬件电路设计
利用 Proteus 组合各单元模块。
（4）软件程序设计
Keil C51 编程，下载到 Proteus 中仿真调试。
（5）系统联调
将程序烧录到单片机中测试结果是否符合预期，排查故障。
（6）答辩验收
分组 PPT 汇报，时间 5 分钟。重点汇报设计思路、测试结果、系统优势及不足。
（7）开展评价
开展组内自评、小组互评、教师打分，指导教师总结。
（8）撰写报告
重点描述方案设计、测试过程及结果、遇到问题及解决方案、心得体会等。
4.相关知识及背景
人体反应速度测试系统设计是一个集知识性、趣味性、实用性为一体
的实验项目，需要运用定时器中断控制方式、数码管动态刷新显示、独立按键扫描和控制等相关知识。同时，还需要学生具有一定的单片机故障排查能力、计算机能力、沟通能力、创新能力和良好的团队意识。
5.实验环境条件
本项目依托学校单片机应用实训室实施，每组需要计算机5台、慧净HL-1开发板2块、数据传输线 2 根；电脑需安装 CH340串口驱动程序、Keil C51、Proteus、STC 单片机烧录软件。
实训室、开发板及 Proteus 软件如图 1-图 3 所示。
图 1 单片机应用实训室
图 2 慧静 HL-1 开发板
图 3 Proteus 仿真软件
6.教学目标与目的
（1）知识目标
熟练掌握定时器、按键、数码管和LED 的基本知识。
（2）技能目标
$\textcircled{1}$ 能够独立进行元器件选型、硬件电路设计并规范绘制，正确率达到$9 5 %$ 以上；$\textcircled{2}$ 会根据系统需求编写程序，经调试得到正确结果比例达 $9 5 %$ 以上；$\textcircled{3} 3 0$ 分钟内可以排查出系统基本故障并解决。
（3）素质目标
具有爱国情怀、创新能力、沟通能力和团队意识。
7.教学设计与实施进程
将教学过程模拟成沙场比拼，划分为秣马厉兵、实战强兵、鸣金收兵三个阶段，充分激发学生学习热情，增强学生团队协作意识。
（1）秣马厉兵阶段
该阶段需要 2 课外学时，具体设计详见表 1。
表 1 秣马厉兵阶段教学设计与实施
| 环节（用时） | 内容 | 活动 | 资源 | 随记 | ||
| 教师 | 学生 | |||||
| 秣马厉兵：课前2学时 | 世书 | 登陆课程平台，查看教师所下任务书、任务导学和安全操作规范。 | 1.整合教学资源，提前上传至课程平台；2.及时发布任务书、任务导学和安全操作规范。 | 1.及时登录课平台，查看教师所下任务书任务导学和安全操作规范。 | 1.智能课堂;2.课程微信交流群；3.任务书；4.任务导学；5.安全操作规范。 | 1.任务书（战书）应该更具挑战性；2．及时关注数课程平台的动态。 |
| 1．鼓励学生以宿舍 为单位进行分组接受挑 战； 部 发布信息。 | 2．明确学习目标, 制定应战计划; 3．明确人员分工与 合作； 4．以小组为单位， | 1.及时 掌握学 生动态； 2.交流 互动； 3.过程 监控与 记录。 | 分组； 2.制定 应战计 划； 3.明确 各自任 务； 4.发布 信息。 | 1.智能课堂； 2.课程微信交 流群。 | 生差异，允 许进行分 组情况微 调整； 2.课内“循 规”，课外 “放飞”， 张弛有度。 |
| 练宾 | 1．观看单片机研发 人员经验分享视频； 2．通过使用微信小 程序，进行单片机编程知 识和基础项目学习巩固； 3．通过观看教学微 课，熟悉核心元器件的功 能及使用方法，学习单片 机仿真平台和软件开发 环境的操作。 4．结合软件开发环 境和芯片研发背景，进行 价值引领； 4．进行知识测试， 检验学习效果； 5.制定出系统设计 方案，并绘制出原理图。 中国制造 | 1.强调 安全操 作 规 范； 2.引导 学生思 考、 质 疑、 勇 于 尝 试； 3.做好 价值引 领，培 养爱国 情怀； 4.通过 智能课 堂对测 试结果 进行分 析、反 | 1.单片 机编程 知识和 基础项 目学习 巩固； 2.学习 测试仪 结构与 原理； 3.学习 软件设 计与调 试方 法； 4.树立 危机意 识、竞 意 识、 创 新 意 | 1.智能课堂； 2.课程微信交 流群； 3.经验分享视 频； 4.教学 PPT; 5.电路原理 Flash 动画； 6.教学引导微 视频； 7.电子版集成 电路器件手 册； 8.Proteus 单 片机系统仿真 软件； | 1.注重过 程引导和 监督； 2.进一步 丰富和完 善信息化 资源； 3．优化与 完善知识 测验形式 与内容，使 之更具吸 引力，更能 检验学生 知识和技 能掌握情 况； |
| 2025 图4价值引领 | 导 | 馈，并 对学生 进行个 性化指 5.做好 | 识； 5.完成 知识测 试，并 提交结 果； | 9.Keil软件 开发环境。 | 4.完善过 程监控与 评价体系。 |
| 过程 录。 图5探讨设计方案 | 监 6合定方 商 控与记 ， 绘 原 理图。 |
（2）实战强兵阶段
该阶段需要 6 学时，在课内完成。具体设计详见表 2。
表 2 实战强兵阶段教学设计与实施
| 环节 （用时） | 内容 | 活动 | 资源 | 随记 | |||
| 教师 | 学生 1.组员 | ||||||
| 无 长 | 方案 比拼 50 分钟 | 1．教师组织学生将 各小组的设计方案拍照 上传至智能课堂； 2．每个小组均可查 看其它小组的设计方案， 给出方案评价并提交； 3．教师实时查看学 生提交的结果，并给出总 结和反馈，帮助学生优化 设计方案。 学生表 0099 小B 4BI2(86) OOOOOO s tuu 小D 5.U 000000 图6方案比拼 | 1.有效 组织学 生； 2. 学生提 果，并 给出总 结和反 馈； 3.帮助 学生优 化设计 O 方案； 4.做好 过程引 导、监 控与评 价。 设计方 | 分工合 作； 2.将本 组设计 方案贴 到黑板 上，并 同时拍 照上传 至智能 课堂； 3.查看 其它小 组的设 计方 案，给 出方案 评价并 提交； 4.优化 | 1.智能课堂; 2.课程微信交 流群； 3.教学 PPT; 4.电子版集成 电路器件手 册。 | 1.针对各 小组和学 生的具体 情况，进行 个性化指 导； 2.对多个 小组的共 同问题，集 中讲解。 | |
| 编程比拼：70分钟联调比拼：70分钟 | 用结构化程序设计思想，细化软件设计任务；2．教师着重讲解并演示单片机软件设计思路和方法；3．组织学生展开编程比拼；4．学生分组讨论程序算法，鼓励算法创新；5．组员之间分工合作，完成程序编写与调试；6．教师在此过程中，根据学生操作情况进行分别指导。图7编程比拼 | 1.引导学生细化软件设计任务；2.着重讲解并演示思路和方法；3.组织学生展开编程比拼；4.个性化指导。 | 1.掌握软件设计思路和方法；2.进行编程比拼；3.组内合作、组间竞争；4.创新设计算法。 | 1.智能课堂;2.课程微信交流群；3.经验分享视频；4.教学 PPT;5.电路原理Flash 动画;6.教学引导微视频；7.电子版集成电路器件手册；8.Proteus 单片机系统仿真软件；9.Keil软件开发环境。 | 1.强调单片机软件和硬件关联，一定要结合设计电路原理图进行软件设计；2.软件设计要求创新、专注、精益求精，融入工匠精神培养。 | ||
| 联调比拼：70分钟 | 1．教师讲解系统联调的方法、演示常见故障分析与排除，指导学生搭建虚拟电路，并观察系统仿真运行的情况;2．进行系统联调比拼，学生汇报调试过程和方法，并接受老师和其他小组的提问; | 1.讲解系统联调的方法；2.演示常见故障分析与排除；3.指导学生搭建虚拟 | 1.学习系统联调的方法；2.学习常见故障分析与排除；3.搭建虚拟电路； | 1.智能课堂；2.课程微信交流群；3.经验分享视频；4.教学 PPT;5.电路原理Flash 动画；6.教学引导微视频；7.电子版集成电路器件手 | 1.强调团队分工合作的重要性；2.进一步强调单片机软件和硬件的关联；3.细节决定成败；4.系统联 | ||
调 同 样 要求创新、专注、精益求精，融入工匠 精 神 培养。
图 8 联调比拼
图 9 考核评价
（3）鸣金收兵阶段
该阶段需要2 课外学时，具体设计详见表 3。
表 3 鸣金收兵阶段教学设计与实施
| 环节（用时） | 内容 | 活动 | 资源 | 随记 | |
| 教师 | 学生 | ||||
| 西收兵：课后2学时 | 1．战后，要有胜不骄，败不馁的心态。通过课程平台和微信群进行师生交流、生生交流；访问优质单片机论坛去跟单片机高手对话；总结个人和小组的收获与不足，组员之间、组与组之间相互取长补短，共同提高；让学习成为一种常态。2．申报科技创新项目，在创新实验室开展创新设计与制作，开展技术服务，参加专业技能大赛等活动，让追求工匠精神成为一种常态。 | 1.交流互动；2.分析价的成绩；3.发起新的战书。 | 1.交流心得；2.查看多元评价成绩；3. 整提理、交该任报告；4.及时查看新书，并积极备战。 | 1.智能课堂;2.课程微信交流群；3.新的战书。 | 1.拓展丰富信息化资源；2.整理交流心得；3.及时发布新的战书。 |
秣马厉兵、实战强兵和鸣金收兵三个阶段中每一个环节均“以学生为中心”实施，采用分组教学、翻转课堂、任务驱动、虚拟仿真等多种教学方法，在教学过程中教师重点做好过程引导、启发与数据采集工作，最大限度地调动学生的主观能动性，促进教与学的全面互动。
8.实验原理及方案
（1）系统原理框图
人体反应速度测试系统主要通过独立按键模块控制定时器启停进行计时，并把时间实时动态显示在数码管上。原理框图如图10 所示。
图 10 人体反应速度测试系统原理框图
（2）核心模块方案设计$\textcircled{1}$ 独立按键模块设计
方案一：使用三个独立按键控制人体反应速度测试系统工作。启动键、停止键和复位键分别连接到单片机的 P2.0、P2.1 和 P2.2 口，按下按键执行相应的功能。
图11 三个独立按键控制电路图
方案二：使用一个独立按键控制人体反应速度测试系统工作。按键连接到单片机 P2.0，利用按下次数不同控制系统工作。按键按下第一次，延时5S后启动定时器计时，同时启动声光报警；按键按下第二次，停止定时器计时，同时关闭声光报警；按键按下第三次，数码管显示数据归零。依次循环控制。
图 12 一个独立按键控制电路图
方案比较：第二种方案只需要一个按键控制，硬件电路简单、成本低且占用单片机 I/O 口资源少，优先选择方案二。在本次实验设计中，因所使用的慧净单片机开发板已配备有四个独立按键，学生也可选择方案一实现。按键控制采用软件消抖并采用查询方式实现（有能力亦可采用中断方式实现，注意中断优先级的设置。因有外部中断和定时器中断两种，需把按键中断设为高优先级）。
$\textcircled{2}$ 定时器电路设计
51 单片机有两个 16 位的定时器/计数器 T0 和 T1，每个定时器又有四种工作方式，其初始化过程如下：
a.根据要求选择方式，确定方式控制字，写入方式控制寄存器 TMOD，如图 13 所示。
图 13 定时器/计数器方式寄存器 TMOD (89H)
TMOD 高四位控制定时器 1，低四位控制定时器 0。GATE 为门控位，用于控制启动定时器/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。 $\mathrm { C } / \mathrm { T }$ 为定时或计数器选择位，当 $\mathrm { C } / \mathrm { T } { = } 1$ 作为计数器使用，当 $\mathrm { C } / \mathrm { T } { = } 0$ 作为定时器使用。M1、M0 为工作方式选择位，用于选择定时器/计数器的工作方式，见表4。
表 4 定时器/计数器工作选择方式
| M1 | M0 | 工作方式 | 方式说明 |
| 0 | 0 | 0 | 13 位定时/计数器 |
| 0 | 1 | 1 | 16 位定时/计数器 |
| 1 | 0 | 2 | 8位自动重置定时/计数器 |
| 1 | 1 | 3 | 两个8位定时/计数器（只有TO有） |
方案采用定时器0工作在方式1 状态，定时器/计数器的工作方式1 是一个由 TH0 中的 8 位和 TL0 中的 8 位组成的 16 位加 1 计数器。经分析配置TMOD 为 01H。
b.根据要求计算定时/计数器的计数值，再由计数值求得初值，写入初值寄存器。
方案中定时器定时1ms，初始值利用下面公式计算：
$$ x { = } 2 ^ { 1 6 } { - } \mathrm { T / T } _ { \ m } { = } 6 5 5 3 6 { - } 1 0 0 0 $$
c.根据需要开放定时/计数器中断（后面须编写中断服务程序）。
d.设置定时/计数器控制寄存器TCON（如图14 所示）的值，启动定时/计数器开始工作。
图 14 定时/计数器控制寄存器 TCON （88H）
| TF1 | TR1 | TFO | TRO | IE1 | IT1 | IEO | ITO |
图中，TF1为定时/计数器T1的溢出标志位，当定时/计数器T1计满时，由硬件使它置位，如中断允许则触发T1 中断。进入中断处理后由内部硬件电路自动清除。TR1为定时/计数器T1的启动位，可由软件置位或清零，当$\mathrm { T R 1 } = 1$ 时启动； $\mathrm { T R 1 = 0 }$ 时停止。TF0、TR0 与上类似。低四位为外部中断控制位。
TCON中可进行位操作，在需要启动定时器 T0 时令 $\mathrm { T R O } = 1$ 即可。
e.等待定时/计数时间到，到则执行中断服务程序；如用查询处理则编写查询程序判断溢出标志，溢出标志等于 1，则进行相应处理。如用中断方式则自动进入中断服务程序响应中断。
$\textcircled{3}$ 数码管显示模块设计
方案一：数码管使用动态扫描方式显示。动态扫描是把所有显示器的 8个段码中的 A-dp 的各个相同段连接在一起, 接到一个公共的输出口上,而数码管的位端分别接在另外的输出口上,通过这两个输出口的两组信号相互作用来产生显示效果。即让各位数码管按照一定顺序轮流显示, 只要扫描频率足够高, 由于人眼的“ 视觉暂留”现象,就能连续稳定的显示，电路设计如图15 所示。图中利用两个锁存器 74HC573 分别锁存段码和位码数据，由单片机 P26 和 P27 口控制两个锁存器轮流工作。
图 15 数码管动态扫描电路图
方案二：数码管使用静态扫描方式显示。数码管的每一个引脚直接与单片机 I/O 口相连接, CPU 把要显示的字码送到输出口上,就可以使数码管显示对应的字符, 直到下一次送出另外一个字码之前, 显示的内容一直不会消失。
方案比较：静态显示法的优点是显示稳定、亮度大, 节约CPU 时间, 但占有 I/O 口线较多, 硬件成本高；动态扫描其特点在于能显著降低显示部分成本,大大减少显示接口的连线结构。本实验项目中实现基本要求需要四个数码管，静态方式需要 32 个引脚，若实现进阶要求就需要 48 个引脚，显然直接连接单片机是无法实现的。若要使用静态扫描方式，就需要额外增加译码器电路，成本及电路的复杂性大大提高。所以经比较，数码管显示模块选择方案一更好。
9.实验报告要求
学生在完成实验后，需要及时完成实验报告的撰写。实验报告至少应包含以下内容：
（1）课前预习及分组情况（2）实验所需元器件清单（3）实验原理及方案设计
$\textcircled{1}$ 硬件原理图
$\textcircled{2}$ 各模块功能分析
$\textcircled{3}$ 重点环节软件程序设计
（4）实验情况记录（故障情况及解决方案）
（5）实验总结及心得
10.考核要求与方法
该实验项目的设计是开放性的，没有唯一答案，在考核时更多的关注学生在实验过程中的表现和在团队中发挥的作用。考核评价分为三个部分：组内自评占 $2 0 %$ ，组间互评占 $3 0 %$ ，教师评价占 $5 0 %$ 。具体评分表详见图 16。
成品展示评分标准（教师点评）
成品展示评分标准（组间互评）
| 组别：2 | ||||
| 内容 | 分值 | 评分要点 | 分值 | 得分 |
| 课前 | 15 | 智能课堂积分 | 5 | 5 |
| 各模块电路设计图是否合理 | 10 | 10 | ||
| 成品及操作 | 55 | 设计是否能满足基本要求 | 15 | 15 |
| 设计是否能满足进阶要求 | 10 | 10 | ||
| 设计是否能满足精湛要求 | 10 | 0 | ||
| 是否遵守6S管理规范 | 10 | 10 | ||
| 成品设计是否有创新 | 10 | 10 | ||
| 答辩 | 30 | 过程讲解是否清晰、完整、准确 | 15 | 15 |
| 问题回答是否正确 | 10 | 10 | ||
| 仪态是否得体 | 5 | 5 | ||
| 总分 | 100 | 评分 | 90 | |
| 评语 | 本俱六焦同学分工合理，优势互补，在团队成员齐心协力下原我了基本要求和进阶要求，并且设计了按中断方式这一创新点，且答辩表述清晰，望课后能调精 | |||
| 湛功能。 | ||||
未完成基本任务，成绩记为不合格。完成基本任务，满分设置为 75分；在此基础上完成进阶任务，满分设置为85分；在上述基础上完成拓展任务，满分设置为 100 分。
考核结束后，教师会对考核过程中发现的问题进行总结，同时选出优秀案例进行展示。
11.项目特色或创新
（1）分组策略“多样化”。随机设置分组原则，引导学生加强沟通，发挥个人特长。
（2）任务设计“差异化”。基于学生不同基础分层设计教学任务，激发学生学习兴趣。
（3）教学过程“体系化”。将教学过程模拟为沙场比拼，调动学生主观能动性。
（4）评价方式“多元化”。分层设置标准，多方参与评价，重点关注过程。