实验题目：基于 PIC 单片机的面包机控制系统的设计

1. 课程简要信息

课程名称：《PIC单片机原理与应用》课程学时：32学时
适用专业：电子类专业
学生年级：2-3年级。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

实验要求设计一个模拟面包机工作的控制系统，能够实现面包的全自动制作。面包机的控制系统主要包括PIC单片机、按键、显示模块、温度测量模块、电机及其驱动模块、蜂鸣器等。面包机控制过程如图 1 所示：

图 1 面包机控制过程

（1） 基本部分（60 分）

$\textcircled{1}$ 制定面包机控制系统方案，根据方案选择合适的功能模块，画出电路图，并在通用板上搭建该系统。自主设定过程控制时间 T。
$\textcircled{2}$ 能通过按键/键盘、数码管显示模块完成烘烤时间的简单设置，并启动开始。
$\textcircled{3}$ 通过电机驱动模块驱动电机转动，完成搅拌功能。可以选择 5V 步进电机或直流电机。
$\textcircled{4}$ 发酵过程用DS18B20温度测量模块测量温度并进行显示。
$\textcircled{5}$ 烘烤加热用发光二极管来指示，结束时蜂鸣器鸣响3 声以作提示。

（2） 提高部分（40 分）

$\textcircled{1}$ 设置按键分别为“启动/停止”按键、“面包烧色”（即烘烤时间）选择键、“时间设定+”按键、“时间设定—”按键，实现烘烤时间的任意设置及启动/暂停功能。
$\textcircled{2}$ 两次搅拌过程中电机能够正、反、变速旋转。
$\textcircled{3}$ 发酵时将温度保持在 $2 8 ^ { \circ }$ $- 3 0 ^ { \circ }$ 至少1T时间，若低于 $2 8 ^ { \circ }$ 启动加热。可通过握住 DS18B20实现加热，加热烘烤时用发光二极管来指示。

（3）扩展部分（20 分）

选择 LCD 完成显示功能，全程实现倒计时功能，可以获得额外加分。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

本实验要求 2-3 人一组，分工合作共同完成实验任务。具体过程如下：

（1）了解面包机工作的过程，讨论并确定详细的控制流程；
（2）通过学习和查找资料，深入了解可以选择的各个功能模块的具体性能和控制方法；
（3）通过讨论，根据任务要求设计实验方案，并分解具体任务到个人；
（4）分别实现系统的硬件制作和软件编写；
（5）小组合作进行系统的联合调试；
（6）完成实验任务要求，提交验收；
（7）撰写设计总结报告，通过课堂讨论，学习交流各组在实验过程中遇到的问题和解决的方法，总

4. 相关知识及背景（限 150字）

本实验是运用 PIC 单片机原理与应用技术、数字和模拟电子技术、机械控制技术来解决现实生活和工程实际问题的案例，涉及按键设置、温度传感器检测技术、数据显示、时间设定、电机控制、系统焊接和调试等相关知识和技术方法。掌握一般电子电路的设计、安装、调试的方法，掌握数字电路常用的故障检测和排除方法。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

在这个综合实验项目实现过程中，考察学生对PIC单片机技术、数字电路相关知识的掌握，引导学生根据工程需求选择元器件、设计电路方案、基于模块化方法快速构建系统、软硬结合综合调试系统，引导学生扩展视野，鼓励拔尖学生突破知识瓶颈，尝试更好的接近实际的设计方案。

6. 教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、器件选择、方案论证、系统设计、焊接组装、程序编写、系统联调、设计总结等过程。教师的引导主要体现在对设计方案、程序编写、系统联调、测试总结的指导上，重点关注学生在系统调试时解决问题的方法，掌握项目进展情况，发掘团体潜能使项目更加完善：

1）引导学生学习收集查阅相关资料，通过学习对比，最终能根据设计要求和知识掌握的能力制定合理可以实现的方案。
2） 在选择器件时，学生既要考虑功能，也要考虑成本，以性价比进行过程设计。
3） 在设计实现阶段，要学生注意设计的规范性，如系统结构与模块构成，模块间的接口方式；在系统板焊接时，要注意硬件的合理布局和连接接口的布置，以方便调试；在满足功能的基础上，要对程序不断地优化，着重考虑程序的兼容性并为后续的升级留有余地。
4） 在联合调试时，鼓励学生积极思考，在遇到问题时利用各种调试手段和调试设备分段分功能进行检查，查找问题根源，并针对问题进行全方面思考后解决。同时要学生注意电路工作的稳定性与可靠性。
5） 在实验完成后，组织学生以项目演讲、评讲等形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

7. 实验原理及方案

1） 系统结构

根据实验要求设计的面包机控制系统的框图如图2所示。

2） 系统原理图

根据面包机的控制方案设计出系统原理图。

图 3 是 PIC 单片机最小系统原理图，图中的管脚分配仅作为一种示例，学生可以参考它，再根据自己的方案进行设计和管脚分配。

图 4 至图 8 是可供选择的各个模块原理图和对应模块外观图。

图 2 控制系统框图

图3 PIC单片机最小系统原理图

图 4 4 按键 $/ 1 ^ { * } 4$ 键盘原理图及 $1 ^ { * } 4$ 键盘外观图

图5 4位共阴极数码管原理图及外观图

图6 电机驱动模块原理图及外观图

图7 温度测量模块原理图及外观图

图 8 LCD 模块原理图及外观图

3）系统流程图

图9 流程图

8. 教学实施进程

1）在课程的开始，教师进行综合实验任务的布置，学生自由组队，并深入了解项目的要求。以任务推动学生对 PIC单片机的学习。

2）在课程理论学习和基础实验阶段，学生边学习基础知识，边按组合作讨论实现方案，决定选择的器件模块和完成的功能，并进行分工。以此促进学生更积极主动的学习和进行项目设计。

3） 在综合实验阶段，学生完成实验任务，教师负责指导、验收和总结，具体如下：

$\textcircled{1}$ 学生按照各自的分工对所负责的部分进行软硬件电路设计，教师进行现场指导；
$\textcircled{2}$ 学生合作调试电路，共同解决调试电路过程中遇到的实际问题，教师进行现场指导；
$\textcircled{3}$ 教师对各组的实验结果进行验收；
$\textcircled{4}$ 教师组织各组同学交流经验，总结遇到的实际问题和解决方法，以及未来改进的方向。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验要求分析：正确理解项目要求；
2） 实现方案论证：包括方案选择、器件选择、系统设计等，要求考虑功能和成本性价比；
3） 理论推导计算：科学的计算分析，尤其要计算实现对各个功能的控制的时间；
4） 电路设计：阐述各个功能模块的软硬件电路设计原理和功能实现方法；
5） 电路调试方法：阐述调试电路过程中遇到的实际问题和如何解决的；
6） 实验结果总结：阐述创新点和未来改进的方向。

10.考核要求与方法（限 300 字）

1）实物验收：功能与性能指标的完成程度（如软硬件设计、电路调试、温度测量、电机控制），完成时间。

2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5）实验数据：执行结果和数据误差。

6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

实验属于智能家居设备的设计，具有较强的实用性。实验注重工程素质的培养，促进学生了解产品的方案论证、系统设计、制作、调试、实现功能的全过程。

实验以兴趣引导学生对 PIC 单片机的学习，以任务推动学生自主开发，以动手实践提高学生的工程设计能力，以交流促进相互提高，实验过程还可以培养团队合作精神。

实验案例信息表