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实验题目：光平方系统

课程简要信息

课程名称：基于单片机的电子产品设计与制作综合实训

课程学时：60学时（集中实践环节，必修）

适用专业：电子信息工程技术

学生年级：二年级第二学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

实验内容：

本项目以单片机技术应用为基础，遵循国际和行业规范，应用模拟、数字和C语言方面知识，系统、完整地完成基于单片机控制系统的设计、组装和调试制作。项目任务包括：单机基础任务、一对一无线控制任务、多机组合协同显示（进阶）和光立方显示（高阶）。在单机基础任务中学生需要完成LED灯控制、按键识别和控制、PWM呼吸灯；在一对一无线控制任务中需要完成AD转换、串口通信、无线点灯；在多机组合协同显示（进阶）任务中要求3人一组，显示不同的符号或数字、或其他组网演示功能等，在光立方显示（高进）任务中5人一组（提供额外数量的单机）实现三维的LED显示效果。

根据任务要求，实验过程中需要完成项目任务书、硬件设计、软件设计、调试及总结。硬件设计包括：系统电路设计、器件选择、器件布局、焊接、调试；软件设计包括：程序流程、各部分函数设计、主函数设计、子函数调用、程序调试；最终完成所有调试功能。在调试过程中记录出现问题的解决方法，完成规定的学习任务单、技术总结。通过本课程的学习，掌握电子产品系统设计的方法和单片机的应用，了解STC单片机控制系统技术的知识，掌握传感器和智能算法、无线通信等技术应用。鼓励学生结合社会需求自行开发智能控制项目，并将设计申报专利、申报创新创业项目，为后续“嵌入式系统”课程与毕业设计的项目打好基础。

单机基础任务：

1）了解并掌握STC8单片机的基本结构；

2）掌握STC8单片机的下载设置和下载流程；

3）组装焊接扩展板，并完成测试和故障排除；

4）编写程序实现LED各种流水功能；

5）编程识别按键，用LED显示键盘控流水方向。

6）编程实现外部中断的应用，熟悉通过外部中断识别按键的程序编写；

7）编写程序产生PWM，利用PWM控制LED的亮度，并能有至少四种亮度同时出现；

一对一无线控制任务：

1）编写程序实现通过按键控制对方的LED灯；

2）编写程序实现上位机通过串口发送指令控制对方的LED灯；

3）编写程序实现通过按键控制对方的控制板采集电位器或是光敏电阻的电压进行AD转换，将AD转换值通过无线方式回传到本机的上位机等；

多机组合协同显示任务：

3人一组，实现不同模式的LED显示和任务。

拓展任务：

5个单机为一组（提供额外数量的单机），呈现不同的三维显示效果。

思政融入点：

本项目的控制核心用到的STC8单片机，STC8系列单片机是中国STC公司生产的一款8位单片机系列产品。通过本项目的实施，让学生了解中国集成电路的发展现状，与国外存在的差距，激发学生的爱国热情，激发学生的学习热情，积极投身到国家集成电路发展事业中去。

实验过程及要求（限300字）

理论知识要求：

学习掌握CAD软件绘制原理图和PCB板的方法和步骤；
学习掌握单片机IO的使用、定时/计数器的初始化和编程使用、串行通信初始化步骤、AD采集的外设功能及编程方法等；
学习掌握单片机的外部中断原理和程序设计实现；
学习掌握无线模块的设置和使用方法。

需求分析与资料查询：

查阅相关资料，充分了解项目的技术要求、技术参数和技术指标。结合设计要求、并制定各自以及小组工作计划。

电路板装配与焊接：

熟练使用焊接工具并能够根据工艺要求安装印制板；
根据调试说明，对电路板进行调试，并解决调试过程中的硬件问题；

项目验收：

项目的验收采用分任务验收和分组演示的方法，最后折算成综合成绩。

总结报告：

整理设计资料、各类文档，撰写设计总结报告，总结实验过程的经验和感想。

实验环境条件

常用实验仪器设备：

表1 实验设备及功能


名称	信号发生器	数字示波器	直流稳压电源	万用表	计算机	焊台	斜口钳	镊子	防静电胶垫
实物	$C:\Users\HP\AppData\Roaming\Tencent\Users\546883128\QQ\WinTemp\RichOle\C]78CXHCOYL`5DRVZQWGW6.png$ {width="0.6041666666666666in" height="0.28888888888888886in"}	$C:\Users\HP\AppData\Roaming\Tencent\Users\546883128\QQ\WinTemp\RichOle\E(LU0{$MG)F8_KF]6W3]BF1.png$ {width="0.5243055555555556in" height="0.2701388888888889in"}
功能	根据测试需要，提供相应的输入信号	调试串口通信时需要测试RXD口的数据	提供电路所需要的直流稳压电源	交直流电压测试、电阻测试、二极管测试、电路通断测试等	电路仿真、测试和调试	焊接元件及导线	剪切导线及印制电路板插件后过长的引线	夹持导线、元件及集成电路引脚等	使人体与台面上的不受静电放电现象产生的干扰

CAD绘图软件工具：

绘图工具名称：Altium Designer
原理图

图1 核心板

图2 扩展板

3）PCB板

图3 核心板和扩展板PCB板图

主要元件：

表2 主要元件


名称	STC8H1K28	下载器	JDY-40	按键	光敏电阻	高亮LED灯	电位器	电阻	贴片LED
实物
元件介绍	控制核心芯片	程序下载工具	2.4G串口无线透传模块，有8个通道	贴片按键	随入射光的强弱而改变的电位器	亮度高、功耗低的发光LED	体积小、耐潮湿和高温，温度系数小	贴片电阻体积小	贴片LED灯体积小

教学目标与目的（限150字）

能够运用AD软件绘制电路原理图和PCB板；
能根据工艺文件，对电路板进行装配和焊接，掌握电路焊接的基本技能；
能根据调试说明，使用常用测试仪器，对电路板进行调试与测试，并能独立分析和解决问题；
通过复杂综合程序的编制和调试，提升学生综合编程和调试能力
培养学生严谨认真的科学态度，并通过一对一、以及小组合作，培养学生的团队协作能力。

教学设计与实施进程

本项目以单片机技术应用为基础，遵循国际和行业规范，应用模拟、数字和C语言方面知识，系统、完整地完成基于单片机控制系统的设计、组装和调试制作，在教学设计和实施过程中，贯穿思政线、知识技能线和分层教学线这三条主线。教学设计和实施进程如图4所示。

图4 教学设计与实施进程图

“思政线”：从国产STC8单片机的发展现状作为项目背景引入，进一步拓展到国外单片机的发展情况，让学生认识到中国在集成电路领域与国外存在的差距，从而树立学生科技报国的信念，激发学生的爱国热情和学习热情，积极投身到国家集成电路发展事业中去。通过对电路板焊接调试等技术技能的训练，厚植工匠精神的情怀。

“知识技能线”：通过“明-析-练-调-评”贯穿整个综合实训的知识技能线。首先明确项目任务，根据该项目的功能和技术指标对项目进行分阶的任务分解；接着，对涉及到单片机原理知识，如IO口的控制、定时计数器的原理、AD采集原理、串行通信初始化步骤等，引导学生从理论走向实践；然后通过各类元器件的焊接，让学生掌握直插元件、贴片元件的焊接技能，了解焊接的相关工艺，完成扩展板的焊接和调试；最后通过分阶段任务实施、验收和总结答辩的过程，对学生进行评价。

“分层教学线”：秉承因材施教的教育理念，综合考虑到学生学习能力和接受能力，实施“单机基础任务、一对一无线控制任务、多机组合协同显示（进阶）、光立方显示（高阶）”分层教学方式，对不同能力的学生进行分层教学和进行评价。

教学过程分为实施前、实施中和实施后三个部分。

实验项目实施前：

通过智慧职教平台发布预习任务，让学生复习相关理论知识，学习相关实验工具及仪器的使用。

实验项目实施中：

项目讲解

分析项目的技术要求、技术参数和技术指标，并讲解对工作任务的理解。

制定工作计划

● 第一部分：掌握基本概念，熟悉电路设计工具及应用：

a.了解项目背景及应用；分析项目的技术要求、技术参数和技术指标；资料查询，初步方案设计；方案研讨，设计流程和系统模块确定绘制控制板电路原理图

b.用AD软件绘出核心板和扩展板的原理图，修改电路

c.用AD软件软件绘出核心板和扩展板的印制电路，修改电路。

● 第二部分：系统组装、调试、功能实现

a. 组装、焊接控制板，根据元件清单清点器件，领取元件，并焊接电路；

b. 掌握程序下载的流程，修正电路焊接的问题,

c. 程序实现8只LED流水功能；实现17只LED灯的花样流水显示；用定时器0或1实现流水灯中1s的时间控制

d. 识别多个按键，控制多种LED显示模式切换，用一个按键实现控制多种LED显示模式切换（拓展任务）

e. 外部中断的应用和串口通信的实现；

f. 利用PWM控制LED的亮度，并能有至少四种亮度同时出现；实现呼吸灯效果

g. 通过AD采集光敏电阻的输出电压，并输出PWM自动调节LED亮度；

h. 将可调电阻的输出电压值通过AD采集，并将采集结果通过串口发送至PC显示出来；

i. 通过AD采集光敏电阻的输出电压，并输出PWM自动调节LED亮度；

j. 通过无线模块实现一对一的点灯控制；

k. 多机组合协同显示实现LED花样显示，通过无线通信，实现LED灯不同模式的显示效果，如显示符号、数字等。

l. 实现三维的光立方显示效果。

● 第三部分：答辩、总结与体会

实验项目实施后：

组织学生进行项目总结并制作PPT，分小组进行答辩演示，并进行作品的实物视频展示。

每日完成学习工作单，实验全部结束后撰写设计报告，要注意报告的规范性、全文结构的逻辑性。

实验原理及方案

1. 电路板

电路板如图5所示。左侧为核心板，在核心板中包括了STC8H1K28单片机及最小系统、光敏传感器电路，电位器电阻以及蓝牙无线模块，同时预留了单片机下载接口和无线模块的设置端口；右侧为扩展板，包括5只不同颜色的高亮LED灯和12只普通贴片发光LED，和四个贴片按键。核心板和扩展板之间通过接插件连接在一起。

图5 电路板

2. 单片机最小系统

单片机最小系统如图6所示。

图6 单片机最小系统

3. 单片机引出脚

核心板中单片机引出脚如图7所示，可以通过排母与扩展板连接，其中U2_RX_MOD_TXD和U2_TX_MOD_RXD用于蓝牙模块设置端口，LED_bit0~LED_bit11连接12只普通贴片发光LED灯，PLED1~PLED5连接五只高亮LED灯，KEY_1~KEY_4用于四个贴片按键连接，LIGHT_RES和RES_ADJ分别用于光敏电阻的检测和电位器的检测。