基于单片机的人体反应速度测试

课程名称：微机原理与应用

实验题目：基于单片机的人体反应速度测试仪

课程简要信息

课程名称：微机原理与应用

课程学时：30学时

适用专业：电气工程及其自动化、自动化

学生年级：大二、大三

实验内容与任务（限500字）

本实验基于51单片机，包括显示模块、蜂鸣器、矩阵键盘、LED矩阵等。应实现以下功能：

1. 设置8-16个LED指示灯作为LED矩阵，每个指示灯与一个按键相对应。

2. 设置连续测试次数（不少于10次），每次随机点亮一个LED指示灯，在规定的时间内按下相对应的按键则灯灭。

3. 若按错按键或是在规定时间内未按键均可导致测试结束。

4. 测试中需实时显示剩余测试次数，测试结束后显示平均反应时间。

5. 储存最好记录。

为了提高实验的趣味性，可以把测试仪设计成具有多个难度等级的打地鼠游戏，应实现以下功能：

1. 系统启动后，显示屏显示制作者或制作团队的名称。

2. 设计游戏功能界面，通过按键进行功能的切换和选取（例如开始测试、最好记录、退出系统等）。

3. 游戏分为不同的关卡且难度逐渐提高，地鼠出现的时间（灯亮的时间）依次递减。

4. 在灯亮时击中地鼠（按下亮灯的LED相对应的按键）分数加1，同时应亮起命中指示灯。

5. 需设计3条生命（机会），每次失误减少一条生命，生命数为0或通关后游戏结束。

6. 游戏中需实时显示当前关卡数及生命数。

7. 游戏结束后显示总分和平均反应时间，若游戏结果是历史最好纪录，则刷新纪录并储存新记录后回到游戏功能界面。

8. 进一步扩展系统功能（例如增加游戏中的声光效果和提示信息等）。

实验过程及要求（限300字）

1. 学生自行查阅资料，确定最优方案。

2. 按照所选方案，完成系统框图和原理图设计。考虑扩展或完善系统功能，学生可选择独立或是分组完成实验。

3. 列出元器件清单，利用Keil编写实验程序，用Proteus软件对系统仿真，用仿真器进行调试以及下载程序，制作PCB，进行焊接和调试，完成整个系统的软件设计、软硬联调，测试完成系统总体功能。

4. 验收答辩：学生进行实物演示，介绍实验的原理和方案，回答教师提出的问题。答辩后互相交流实验过程中遇到的问题和解决的方法。

5. 撰写实验总结报告，总结实践经验和未来改进方向。

相关知识及背景（限150字）

这是一个基于51单片机的人体反应速度测试仪的设计实验，在此基础上可扩展为打地鼠的游戏。通过本实验可使学生学会利用Keil软件编写程序，用Proteus软件对系统仿真，用仿真器进行调试以及下载程序，了解制作PCB板过程，掌握焊接电路等技能，使学生能够应用所学知识解决实际问题。该项目是一个综合性的实验，与社会生活相结合，有着较强的趣味性，激发学生自主创新。

教学目标与目的（限100字）

实验将学生所学知识进行融合，使学生能够掌握单片机系统开发的整个流程，根据需求完成框图和原理图设计、软件仿真以及PCB设计、焊接和调试等。学生自由发挥扩展，能够激起学习主动性并培养学生软硬件设计、分析和解决问题的能力，培养团队和工程意识。

教学设计与引导

本实验是基于51单片机设计一个实际应用系统的过程，包括构思、设计、制作、运行、调试和实现等各个环节。在整个实验过程中，采用学生为主体，教师引导的形式。

教学设计：

1. 指导学生充分利用图书馆、网络等资源搜集、查阅资料，为实验做准备。

2. 对单片机进行简单介绍，重点介绍本次实验所用到的相关功能。讲解单片机应用系统设计的一般思路和方法，提醒学生在软硬件设计中应注意的问题。

3. 演示讲解Keil软件的功能、使用注意事项等。讲解软件仿真及仿真器相关知识，为学生演示如何下载和调试程序。指出学生调试过程中常见的错误，避免因操作不当导致的实验结果无法实现。

4. 提供学生常用元器件的参数及使用注意事项。

5. 介绍实验室中常用仪器的使用方法及使用注意事项，指出在实验室中需遵守的规则，重点强调用电安全。

6. 提出撰写实验报告的要求，规范实验报告撰写格式。

教学引导：

1. 学生查阅资料后，引导学生综合各种因素确定最终方案。

2. 锻炼学生制作实际电路时找错和纠错的能力，培养学生的动手及实践能力。在调试中，鼓励学生积极思考，利用各种调试手段和调试设备分段分功能进行检查，找出原因，思考后解决问题。

3. 介绍PCB板画板、制版过程，电路焊接技术及各个环节的注意事项。指导学生下载程序到单片机中。注重布局布线的规范性和合理性。

4. 在验收答辩阶段，教师对实验所涉及的知识点和实验各个环节出现的常见问题进行归纳和总结，对个别同学提出的疑惑进行解答。

5. 组织学生在答辩阶段以项目演讲、评讲等形式互相交流经验，拓宽知识面。

6. 提出撰写实验报告的要求，给出实验报告模板，规范实验报告撰写格式。

实验原理及方案

1. 系统结构

根据实验要求设计系统框图如图1所示：

电源

按键控制

LED指示灯

51单片机

随机信号生成

液晶显示

蜂鸣器

图1 系统框图

2. 系统原理图

根据方案设计出系统原理图。

图2是主控芯片最小系统，学生可以根据自己的方案进行设计，分配管脚。

图3-4是按键、指示灯及LCD模块的原理图，学生可以自行设计。

图2 主控芯片最小系统

a)按键参考原理图 b)指示灯参考原理图

图3 按键及指示灯参考原理图

a)LCD模块参考原理图 b)LCD外观图

图4 LCD模块参考原理图及外观图

3）系统流程图

图5 系统流程图

图6 仿真演示参考

设计步骤:

1. 确定各部分模块对应要实现的功能，写出对应程序中的控制信息，便于软件编写。

2. 用Keil软件对应各模块功能模块化编写，便于程序的检查和调试，生成hex文件。

3. 设计方案及元件确定后，为了验证方案选择是否合理，电路设计是否正确，可用Proteus软件绘制电路图进行仿真，根据仿真结果在需要的情况下优化调整系统结构和元件直到满足设计要求。

4. 依照电路图，完成系统实物设计，制作PCB，进行焊接和调试。

5. 将焊好的电路板反复进行硬件调试和系统整体调试，直到实现系统要求实现的功能。

教学实施进程

教学实施进程包括以下5个环节：

1. 准备阶段：教师讲解实验任务，引导学生查阅资料，提前预习相关知识，以任务推动学生学习。学生需仔细研读、明确设计任务目标，理清设计思路。在实验开始前学生自由分组（可单人独立完成），每组需要说明实验的方案、人员分工、基本实验原理和具体时间安排等信息。教师对学生的实施方案进行必要的指导，帮助学生把握正确的实施方向。

2. 软硬件设计：学生需根据设计好的系统框图及方案，通过查阅相关资料完成电路原理图的设计，编写单片机控制程序，进行软件仿真。

3. 硬件制作：学生需利用Altium Designer等PCB设计软件，完成PCB设计及PCB制作，并焊接调试。在设计阶段教师对于基本的设计方法进行讲解，引导学生进行多种方案的比较，注重要求学生掌握设计技巧和设计的规范。设计完成后，由教师进行检查并及时纠正学生设计中的不足。在这个流程，需强调PCB制作的规范性。

4. 综合调试：学生对实验做最终的综合调试，使其满足设计功能和指标，在过程中需注重调试的方法和步骤，提高效率和成功率。

5. 验收交流：学生制作PPT并进行5分钟左右的总结演讲。独立完成实验的学生完整介绍实验的原理和方案，进行实物演示，解答教师提出的问题。分组完成的学生先进行实物演示，然后分别介绍实验中本人完成部分的原理和方案，解答教师提出的问题。所有学生答辩结束后进行讨论，互相交流实验心得，总结遇到的实际问题和解决方法，以及未来改进的方向。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验的目的和意义。

2. 实验的内容和要求，明确系统需要实现的功能。

3. 分析比较各种实验方案的优缺点，确定最终方案。

4. 具体阐述所选方案的原理,绘制原理图，确定元器件，列出元器件清单，参数选择等。

5. 实验软件设计过程，包括程序流程图，Keil编译调试程序和Proteus仿真。

6. 实物制作和调试过程，包括如何制作实际电路，利用Keil及仿真器运行调试程序。调试中出现的问题，原因和解决方法。

7. 制作PCB板、下载程序等过程。

8. 扩展系统功能部分的实现与调试。

9. 实验总结，心得体会，系统设计特点说明、系统的升级开发方向讨论。

10. 参考文献和源程序。

考核要求与方法（限300字）

成绩评定标准：

1. 软硬件设计：是否熟练运用Keil编译程序，Proteus运行调试程序和电路。方案设计的合理性，电路设计的规范性。占10%

2. 实物验收：是否完成电路的搭建，是否制作PCB板，焊接质量，电路运行的稳定性，功能和性能指标的完成程度，完成时间，实物所用元器件选择的合理性。占30%

3. 实现功能及创新能力：自主思考与独立实践能力，能否综合运用所学知识完成实验，考察学生分析和解决问题的能力，是否具有一定的扩展性。占15%

4. 答辩验收：是否清楚阐述实验设计的内容，实物演示情况，回答教师提出问题情况。30%

5. 实验报告：撰写报告是否规范完整，文字表达是否简明清楚。占15%

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：

1. 实验趣味性、探索性强。实验来源于实际生活中广受欢迎的小游戏，鼓励学生在实现游戏的基本功能后进行功能的扩展和完善，对学生有较强的吸引力，使学生有着较强的创新欲望。

2. 实验综合性强。通过该实验，学生可掌握单片机系统的综合设计。

3. 实验过程中注重培养团队合作精神。

4. 实现方法多样性，鼓励学生发散思维。

参赛选手信息表