实验题目：基于物联网的综合信息体制测量仪设计

1. 课程简要信息

课程名称：《电子技术综合实践》，课程学时：40学时，适用专业：高等教育院校电子类专业，学生年级：大三

2. 实验内容与任务（限 500 字）

实验项目要求完成一个在刷卡后测量身高、体重、肺活量这些体制信息的测量仪，并能够通过无线模式和移动通信模式发送测量的综合信息到无线设备与移动终端并显示，完成物联网应用。项目考察的核心是学生对单片机串行通讯总线的掌握和使用。完成项目设置了 5 个功能模块的学习，多点强化串行总线的使用。

1） 单片机的使用：学习单片机的基本原理，结构及使用方法。要求熟练使用编译软件，仿真软件等对单片机的编程与调试，实现以单片机为基础的人机交互功能（液晶显示、 $4 \times 4$ 键盘）。
2） RFID 读写：学习 RFID 工作原理，掌握以 RDM6300 射频模块为例通过串行通讯读写 IC 卡信息的使用方法。要求单片机能够读出预先写入 IC卡的学生信息。
3）传感器的使用及检测：学习超声波传感器模块、称重压力传感器模块、气体压力传感器模块的工作原理，要求完成身高测量，量程为 1500-1900mm，精度为 $5 , 0 \ \mathrm { m m }$ ，误差 $\pm 5 . 0 \mathrm { m m }$ ；体重测量，量程为 $3 0 \mathrm { - } 1 8 0 \mathrm { k g }$ , 精度为 $0 . 0 1 \mathrm { K g }$ ，误差 $\pm 0 . 1 \mathrm { K g } \cdot$ ；肺活量测量，量程为 $1 0 0 0 { - } 8 0 0 0 \mathrm { m l }$ ，精度为 $\pm 0 . 1 \mathrm { m l }$ 。误差±1ml，并自动判别肺活量/体重指数是否合格。
4） 无线通讯：了解以蓝牙通信方式为例的无线通讯的原理，掌握HC06蓝牙通信模块通过串行通讯收发数据的使用方法。要求实现单片机与其他蓝牙通讯设备的无线数据收发，显示测量数据和被测量人的信息（姓名、学号、年级专业等）
5）移动通讯：了解GSM 通信的原理，掌握GSM模块通过串行通讯实现短信收发的方法。要求实现单片机与移动终端的短信收发，个人体质指标全部发送到任意指定的手机上。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1） 查阅资料，学习实现系统方案的软硬件方法，作软件平台和测试仪器准备。
2）整体方案设计，查找满足实验要求的各类传感器，注意传感器的类型测量范围和测量精度、输出信号形式等关键的特征参数；
3） 硬件准备，选择功能传感器和模块，设计相应的辅助电路。利用测试仪器或上位机对传感器进行数据矫正和自检。
4） 各部分软件编程、仿真与测试。
$\textcircled{1}$ 设计单片机最小系统，掌握模/数转换方式，编写传感器模块功能程序，作仿真和硬件测试。
$\textcircled{2}$ 利用液晶显示方式（12864/19264），编写显示与按键模块程序，作仿真和硬件测试。
$\textcircled{3}$ 作上位机与单片机的串口调试，编写串口通讯程序，作所有使用串口通讯的传感器和模块软件仿真和硬件测试。
5） 整机测试流程软硬件联调
6） 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同测试流程方案的特点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个运用电子技术实现的涉及物联网概念的的体制综合信息采集系统。涉及传感器及检测技术，串行总线通信技术，模数转换技术，电压转换技术、液晶显示技术、RF射频技术等多种电子技术知识的项目，解决问题的重点是合理运用串行总线通信技术。涉及仪器使用、电路仿真、软件编程及印制板制作等综合实践技能，项目涉及面广，难度适中，成本可控，组合自由度高。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

通过实验培养学员系统掌握电子作品的的设计制作流程和方法，培养仪表使用，软件编程，硬件制作，产品调试，报告撰写的多种能力，引导学生利用有限的知识解决复杂问题的能力，提高电子技术的工程实践和创新能力。

6. 教学设计与引导

本次实验课程的进行方式是任务式驱动，每一部分功能都相对独立，学生完成每一个功能部分都有相应的成绩，但是要把每一部分有机的构成一个整体就相当有难度，以 51单片机为核心的项目为例，一方面考察学生对 51 单片机的理解程度，另一方面针对 51 单片机只有一组串口的情况下，实现串口功能的重复使用，对编程需要较好的统筹能力，能够做到时分复用，还要辅以相应的硬件实现线路的切换，做到软件和硬件对串口资源的释放和使用；或者使用普通 $1 / 0$ 口模拟串口，无论哪种方案目的就是实现多路数据通过串行数据格式传送。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）明确功能，以及能够完成该功能的模块，清晰的构建系统框图。
2）明确完成项目所选方案，是有目的的针对串口通讯功能的练习和强化，不以单片机的选型作为解决系统方案的途径。
3）掌握比较器电路、信号放大电路、DC/DC变换电路的等基本电路模型和设计方法，确保各部分电路结构、参数的设计合理，为整体功能的实现作准备。
4） 所有传感器和功能模块在进行项目实验前都要使用通用仪器调试和校准，针对学生学习层次的不同，结合电工基本实验内容，要求水平较高的学生，利用示波器等标准仪器绘制传感器的物理特性，与英文资料里的数据做对比，加深学生对传感器在电路里的器件特性的认识。
5） 深入的学习串口通信基本原理，不能想当然的做简单多路物理连接。要自行设计解决方案。
6） 掌握24位的ADC 芯片的使用方法，区分不同 ADC芯片的区别，根据电路设计能力培养要求合理设计外围电路选择正确的封装形式，正确连接各管脚，实现提高测量精度的目的。
7） 设计故障场景，尤其是串口通信的故障，让学生通过解决故障深度的理解原理，分析和总结错误原因，这也是本次实验的难点。
8） 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数
要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可
靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7. 实验原理及方案

1） 系统结构

图 1 系统框图

2） 实现方案

图 2 实现方案框图

主控模块作为系统的控制核心，其选择的正确与否不仅关乎着系统的工作效率，也关乎着系统设计的可行性和可靠性。

方案一：采用 FPGA 作为系统控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。但是由于其集成度高，使其成本偏高，同时其引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，对电路设计和实际焊接要求比较高，这样就加重了设计负担。

方案二：采用可编程逻辑器件 CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，体积小，稳定性好，采用并行的输入输出方式，比较适合作为大规模实时系统的控制核心。

方案三：采用 STC 公司的 AT89C52 芯片作为单片机的最小控制核心，实现对功能转换及变换电路以及显示电路的控制。AT89C52芯片完全兼容MCS-51 系列单片机，是一个低功耗、高性能、低价格的51内核的CMOS 8位单片机，具有256bytes的随机存取数据存储器，32个 IO口，2个 16位可编程定时计数器，且该系列的单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机下载程序。

RFID读写功能的实现

方案一：采用并口传输模块。EM4150RW并口读卡模块具有接收灵敏度高、工作电流小、单直流电源供电、低价位高可靠性等特点，但采用并口传输，编程麻烦，不易安装。

方案二：采用串口传输模块。RDM6300读卡模块，安装方便，具有可直接串口读取，灵敏度高，体积小巧以及价格便宜等优点，是简易制作的良好选择。

传感器的使用及检测

根据题设要求，该模块包含身高测量、体重测量、肺活量测量三个基本功能单元。具体实现方案选择如下：

方案一: $\textcircled{1}$ 采用传统机械式测身高，通过编码器测量圈数得到长度，但机械误差较大。 $\textcircled{2}$ 采用杠杆称体重，实现简单但精度较低。 $\textcircled{3}$ 采用肺活量计测肺活量，通过水压测得相应气压，易于实现，但体积较大，精度较低，无法传输信号。

方案二: $\textcircled{1}$ 采取非接触超声波方式测身高，其结构简单、成本较低,不易受光线、烟雾、电磁波的干扰, 以毫米为单位，误差小于2毫米。 $\textcircled{2}$ 采用YZC-516压力传感器测量体重，通过AD转换，能够准确感知重量变化，误差小于0. $2 5 %$ 。 $\textcircled{3}$ 采用MPX2010压力传感器测量肺活量，通过测得气压值与时间的乘积，得到肺活量值，具备重量轻、易集成，精度高等优点。

无线通信功能的实现

方案一：采用 wifi 与上位机连接。基于 Uart-Wifi 的 WL1251 模块是基于 Uart 接口的符合 wifi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议 IEEE802.11 协议栈以及 TCP/IP 协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。但不适用于点对点数据传输。

方案二：采用蓝牙 CH06 与上位机连接。蓝牙支持设备短距离通信（一般 10m 内），能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，它采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，工作在全球通用的 2.4GHz ISM频段，适合点对点及点对多点通信。该模块价格便宜，操作方便，通信效果佳。

移动通信功能的实现

方案一:TC35/TC35I 短信模块是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM短信模块。它易于集成，可以花较短的时间开发新产品，具有体积小、重量轻等特点，但功能过于强大，价格高，不适用于此处。

方案二: SIM900A 是 SIMCOM 推出新款紧凑型产品，属于双频 GSM/GPRS 模块，完全采用 SMT 封装形式，其性能稳定，外观精巧，性价比高，能满足多种需求。同时其采用工业标准接口，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。另外，SIM900A 的尺寸大小为 $2 4 * 2 4 * 3 \mathrm { m m }$ ，能适用于M2M应用中的各类设计需求，尤其适用于紧凑型产品设计。

3） 硬件电路设计

包括主控单片机、显示电路、测量电路、开关控制电路等，例如主控电路如下：

图 3 单片机原理图

4） 软件设计

软件流程图示例如下:

图4 软件流程图

5） 测试结果示例

肺活量测量结果示例如下:

表 1 肺活量信息测量表

图5 肺活量测量样本图

无线通讯显示结果与短息发送显示结果如下:

图6 蓝牙数据发送上位机显示

图6 短信数据发送上位机显示

8. 教学实施进程

本实验是一个相对完整的工程项目，采用的教学方式是任务驱动式，所以《电子技术综合实践》课程的前14个学时都是任务保障的铺垫，是涉及工具、焊接、仪表、元件、传感器的内容，在第 16学时开始学习设计入门和单片机基础的学习，并获取的基于物联网的综合信息体制测量仪的任务信息，各环节简述如下：

1） 目的与要求

$\textcircled{1}$ 了解电子作品的基本设计方法，熟悉单片机硬件结构和最小系统；
$\textcircled{2}$ 掌握基于物联网的综合信息体制测量仪需求分析过程和硬件设计方法；

$\textcircled{3}$ 掌握关键部件的编程与仿真，软硬件联调；

$\textcircled{4}$ 掌握故障分析排除方法。

2） 重点与难点

$\textcircled{1}$ 电子作品的设计的基本流程，绘制单片机最小系统的原理图和 PCB图$\textcircled{2}$ 把握基于物联网的综合信息体制测量仪的基本功能，提炼总结需求分析。

$\textcircled{3}$ 普通 $\mathrm { I } / 0$ 口模拟串口的方法，通信协议的制定，软件测试流程的绘制，多传感器和模块的协同工作。

$\textcircled{4}$ 根据故障现象，快速定位故障部位，软硬件联调进行故障排除。

3）授课方式和教具讲授 $^ +$ 实操，多媒体演示。

4）在每个内容完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，评价不同解决方案及其特点，给出成绩。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析:分析基于物联网的综合信息体制测量仪的设计背景和任务要求；

2）实现方案论证：主要论证串行总线通讯方式的实现方案选择；

3）理论推导计算：超声波传感器到目标物体的距离计算，肺活量的计算，体重的计算，采样率的计算。

4）电路设计与参数选择：单片机最小系统，供电的 DC/DC 变换电路，AD 外部电路，选用硬件实现串口通道选择的三端切换电路。

5）电路测试方法：主要描述串行通讯的测试方法，使用仪器校准传感器的方法。

6） 实验数据记录：设计数据表格，要求体现人员信息、测量参数（单位）、标准对比、误差分析等。

7）数据处理分析：分析产生误差的原因，修正方法性问题，提出改进的方案。

8）实验结果总结：总结是项目学习的理论知识，提出实验项目改进意见。

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，包括功能实现，方案选择，测试流程合理性，项目稳定性，记录完成时间。

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：测试数据和测量误差。

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）

项目的特色在于：考查学生对电子技术的了解涉及的范围广，但电子技术的使用上考查应用集中在在串口通信，引导学生使用有限的电子技术知识解决复杂的测试需求。实验项目本身将独立的传感器应用进行综合，可在不影响各部分独立性的情况下扩展，给不同层次的学生区分考核。

实验案例信息表