智能视力保护台灯设计与制作
课程名称：专业综合实训
实验题目：智能视力保护台灯设计与制作
课程简要信息
课程名称：专业综合实训
课程学时：56学时
适用专业：电气自动化专业
学生年级：三年级
实验内容与任务（限500字）
以单片机为主控制器，设计一款安全环保的智能视力保护台灯，5V电源供电，LED光源，并且可以手动和自动调节灯光亮度。
（1）手动模式
灯光亮度不随环境光线变化而变化，而是通过手动按键来调节。
（2）自动模式
①能够根据周围环境的光线自动调节自身亮度，以达到最佳照明效果。
②当人处在台灯感应范围内且环境光强较弱时，自动感应开灯；当人离开时，自动感应关灯，以节省能源，且感应距离可以根据实际需求进行调节。
③当人体太靠近台灯时，自动感应并发出报警，提醒人们纠正坐姿，防止近视。
④可以通过按键设定学习时间，设定时长到，蜂鸣器报警，提醒休息。
实验过程及要求（限300字）
（1）明确内容要求，进行任务分解，制定作业计划；
（2）确定主控芯片型号，了解主控芯片的引脚功能、性能参数等；
（3）查找满足要求的传感器，了解传感器的电路构成、功能特点、电气参数等；
（4）思考根据环境亮度自动调节灯光亮度的方法，讨论确定检测电路结构；
（5）思考数码管显示、蜂鸣器报警、按键控制及LED照明电路的构成，讨论确定各电路模块与主控芯片间的连接，完成电气原理图设计及仿真硬件电路搭建；
（7）完成系统程序开发，并进行仿真调试与优化，确保仿真功能实现；
（8）小组合作完成产品焊接制作。产品焊接完成后，下载源程序，联调实现功能要求；
（9）分组演示产品功能，参照配分评分标准进行自评互评，整理技术资料并撰写设计报告；
（10）完成产品外观设计及产品宣传PPT制作。
相关知识及背景（限150字）
这是一款运用电子技术及单片机相关知识设计的智能环保型家用电子产品，需要运用传感器及检测技术、A/D转换、信号放大、数码管显示、按键扫描处理、定时器中断、LED照明控制等相关知识方法，并涉及原理图设计、程序开发、系统仿真分析、元器件筛选、产品焊接装配、软硬件联调，系统参数调整、仪器仪表使用等实践技能技术。
教学目标与目的（限100字）
（1）知识目标：
①熟练运用相关知识点；
②理解系统工作原理；
（2）技能目标：
①能完成产品装配；
②会使用仪器仪表；
③会故障定位与检修；
（3）素质目标：
①提高自主学习能力；
②提高表达、沟通能力；
③培养协作、创新精神。
教学设计与引导
| 课前——任务准备 | |
|---|---|
| 实验环节 | 教学设计与引导 |
| 任务明确 | (1)下发工作任务书，明确任务内容及要求； (2)安排学生进行分组，3人一组，分解实验任务，制定作业计划； |
| 资料搜集 | （1）要求学生搜集单片机控制芯片、红外传感器及数模转换芯片相关资料； （2）指导学生对搜集资料进行分析，简单介绍芯片及模块的选择依据，引导学生自主完成主控芯片、红外传感器及数模转换芯片的选取； |
| 课中——任务实施 | |
| 实验环节 | 教学设计与引导 |
| 电路设计 | 1.组织学生复习数码管显示电路、按键电路及LED照明电路等相关知识，讨论确定系统模块组成、模块电路结构及相关元件参数，完成电气原理图设计； 2.要求利用DXP进行电气规则检查，生成报表文件； 3.设计过程中，提醒学生注意设计的规范性，如电路模块间的接口方式、参数要求、电气特性等，并对设计过程中出现的问题进行巡回指导； |
| 程序开发 | 1.简单介绍系统控制思路； 2.引导学生完成控制程序流程图的绘制； 3.要求利用Keil软件自行编写程序，对程序编写编译过程中出现的问题进行指导； |
| 仿真分析 | 1.要求利用Proteus仿真软件完成系统硬件电路搭接； 2.指导学生进行仿真分析，更改元件参数，优化控制程序，确保仿真功能正常实现； |
| 产品装配 | 1.指导学生利用DXP完成PCB制图设计，提醒学生注意元器件布局及走线规范性； 2.要求利用万用表完成元器件的引脚辨别、类型判断及性能测试； 3.要求利用万能板完成实物焊接制作，提醒学生注意工艺要求及元器件的正确插装； 4.要求下载程序，进行软硬件联调，联调过程中进行巡回指导，保证产品功能实现； |
| 评价总结 | 1.组织学生以组为单位进行产品功能演示与汇报，交流设计制作心得； 2.要求小组对照考核评价表进行自评互评，找差距，找不足； 3.归纳分析设计制作过程中存在的典型问题，对各小组实验产品进行综合评价； (1)邀请企业导师对产品进行点评，引入行业规范，树立标准； 3.整理技术资料（作业计划书、原理图、PCB图、元器件报表、流程图、源程序等），完成实验报告，撰写总结； |
| 课后——任务拓展 | |
| 实验环节 | 教学设计与引导 |
| 外观设计 | (1)指导学生进行外观造型及内部结构设计； (2)指导学生选择好外壳材料，完成产品整体组装与检查； (3)组织学生对产品外观进行装饰美化。 |
| 推广宣传 | (1)组织学生进行市场调研，了解市面上相关产品价格，估算产品生产成本，完成产品定价； (2)指导学生完成产品宣传PPT制作； (3)组织学生进行产品营销推广，培养学生创新精神与创业能力。 |
实验原理及方案
（1）系统结构框图
图1 系统结构框图
（2）电气原理图
本系统主要由六部分组成，电气原理图如下图2所示。
①传感器部分：包括热释电传感器、红外测距传感器、光敏电阻。自动控制时，通过热释电红外探测器检测附近是否有人，如果有人，通过ADC0809转换芯片不断检验光敏电阻的电压来间接测量感应光线强度，将电压和预设的阈值进行对比，调整PWM的占空比对LED的电流进行控制，从而实现了对灯光亮度的自动调节。如果没有人，则灯会自动熄灭以节能。同时，通过红外接近传感器检测人离桌面的距离，距离过近，蜂鸣器报警，提醒使用者注意坐姿，防止近视。
②主控单元：单片机芯片STC89C51作为主控芯片，处理信号并发出控制命令，综合实现全部控制功能。
③灯光控制电路：选用12草帽型白光LED，根据STC89C51给出的命令控制灯光亮灭和亮度；
④蜂鸣器报警电路：用于学习时间到报警和坐姿矫正报警。
⑤数码管显示电路：采用四位一体数码管，来显示设定的学习时间。
⑥按键控制部分：手动控制时，按键按下，输出不同的PWM占空比对LED的电流进行控制，共十个档，从而实现了对光度的手动调节。另外，还可以通过按键来切换工作模式并设置定时时间。
图2 系统电气原理图
（3）系统控制思路
图3 主函数流程图 图4 显示函数流程图
图5 定时函数流程图 图6 ADC0809函数流程图
教学实施进程
| 实验任务——智能视力保护台灯设计与制作 | 学时：28学时 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 课前——任务准备 | ||||||||
| 实验环节 | 实验内容 | 学习资源 及工具 |
双边活动 | 教学方法 | 学时分配 | |||
| 教 师 | 学 生 | |||||||
| 任务明确 | (1)云平台推送工作任务书与相关任务资讯； (2)采用卡片式抽签随机分组，明确实验任务及要求，分解任务，制定作业计划。 |
(1)工作任务书； (2)作业计划书。 |
(1)推送资源； (2)安排分组； (3)检查、指导作业计划。 |
(1)学习资源； (2)任务分工，制定作业计划并上传。 |
任务 驱动法 |
20 min |
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| 资料搜集 | (1)搜集单片机控制芯片、红外传感器及数模转换芯片相关资料； (2)完成主控芯片、红外传感器及数模转换芯片的选取。 |
(1)多媒体课件； (2)元器件手册。 |
((1)简单介绍芯片及红外模块的选择依据； ((2)解答疑问。 |
(1)整理分析搜集资料； (2)自主完成芯片及模块选型； (3)问题反馈。 |
讲授法 讨论法 |
70 min |
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| 课中——任务实施 | ||||||||
| 实验环节 | 实验内容 | 学习资源 及工具 |
双边活动 | 教学方法 | 学时分配 | |||
| 教 师 | 学 生 | |||||||
| 电路设计 | (1)数码管显示、定时器中断、按键扫描处理、LED照明等相关知识点复习； (2)完成系统结构框图及原理图设计； (3)利用DXP进行电气规则检查，生成报表文件。 |
(1)多媒体课件； (2)电气原理图； (3)DXP软件。 |
(1)引导讲授； (2)巡回指导； (3)解答疑问。 |
(1)认真倾听； (2)讨论确定电路构成及元件参数； (3)自主完成原理图设计。 |
讲授法 启发法 讨论法 实操法 |
180 min |
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| 程序开发 | (1)系统控制思路介绍； (2)程序流程图的绘制； (3)利用Keil软件完成控制程序编写编译。 |
(1)多媒体课件； (2)程序流程图； (3)Visio软件； (4) Keil C软件。 |
(1)引导讲授； (2)巡回指导； (3)解答疑问。 |
(1)认真倾听； (2)讨论完成流程图绘制； ((3)自主完成控制程序编写。 |
讲授法 启发法 讨论法 实操法 |
180 min |
||
| 仿真分析 | (1)利用Proteus仿真软件完成系统硬件电路搭接； (2)仿真调试，更改参数，优化程序，确保仿真功能正常实现； |
(2)Proteus软件。 |
(1)注意事项讲解； (2)巡回指导； (3)解答疑问。 |
(1)合作完成仿真电路搭接； (2)仿真运行，实现功能。 |
讨论法 实操法 |
90 min |
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| 产品装配 | (1)确定元件参数，更新原理图，完成PCB制图设计； (2)完成元器件引脚辨别、类型判断及性能测试； (3)完成元器件的正确插装及实物的焊接制作； (4)下载程序，软硬件联调，保证产品功能正常实现。 |
(1)元器件报表； (2)万用表； (3)万能板； (4)电烙铁； (5)稳压电源； (6)示波器； (7)STC-ISP程序下载软件。 |
(1)提醒注意布局及走线规范性； (2)巡回指导； (3)解答疑问。 |
(1)合作完成产品PCB设计； (2)合作完成元器件筛选； (3)合作完成产品焊接制作； (4)分析故障原因并排除故障。 |
讨论法 实操法 |
270 min |
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| 评价总结 | (1)以组为单位进行产品功能演示与汇报，分享心得； (2)小组依据考核评价表进行自评互评； (3)归纳实验过程中存在的典型问题并进行综合评价； (4)整理技术资料，完成实验报告，撰写总结。 |
(1)实验报告； (2)考核评价表。 |
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产品分享 参与评价 整理资料 |
演示法 讨论法 实操法 |
90 min |
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| 课后——任务拓展 | ||||||||
| 实验环节 | 实验内容 | 学习资源 及工具 |
双边活动 | 教学方法 | 学时 分配 |
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| 教 师 | 学 生 | |||||||
| 外观设计 | (1)考虑产品电路板尺寸及外接部分的安装方式，进行外观造型及内部结构设计，生成效果图； (2)选择确定好外壳材料，完成外壳与内部电路板的组装，检查可操作部分是否灵活、各部件之间是否有效连接及整体是否牢固安全。 (3)进行外观装饰（喷涂、绘画等），保证产品美观。 |
(1)Proe软件； (2)包装材料； (3)装饰材料。 |
(1)下达任务； (2)介绍流程； (3)指导建议； |
(1)合作完成外观造型及内部结构设计； (2)自主选择外壳材料，完成组装与检查； (3)思考创新，美化产品外观。 |
启发法； 讨论法； 实操法； |
180 min |
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| 推广宣传 | (1)了解市面上相关产品价格，估算产品生产成本，完成产品定价； (2)制作宣传PPT，说明产品功能特点及使用方法等； (3)借助宣传单、社团活动等，在校园内营销推广产品。 |
(1)调研报告； (2)宣传PPT； (3)宣传单。 |
(1)下达任务； (2)指导建议； (3)反思总结； |
(1)市场调研，估算成本，完成产品定价； (2)制作宣传PPT； (3)营销推广，并做好售后服务。 |
启发法； 讨论法； 实操法； |
180 min |
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实验报告要求
实验报告需要反映以下工作：
（1）作业计划表：明确任务分工、任务完成时间及要求；
（2）系统结构框图：系统模块组成及模块、芯片选型论证；
（3）电气原理图：系统电路构成、工作原理分析及元件参数推导计算；
（4）系统控制思路：绘制程序流程图；
（5）系统仿真分析：仿真调试过程中存在的问题及问题解决办法；
（6）PCB制图设计：元件布局及走线规范性要求；
（7）元器件筛选报表：元器件型号、作用、数量、电路符号、性能测试结果等；
（8）系统功能调试：调试过程中存在问题与问题解决办法；
（9）实验现象记录：记录功能现象；
（10）实验结果总结：总结设计制作经验与方法。
考核要求与方法（限300字）
| 考核内容 | 考核标准 | 考核方法 | ||
|---|---|---|---|---|
自评互评 （30%） |
教师评价 （50%） |
企业导师评价 （20%） |
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工作过程知识 （20%） |
(1)知识点熟练掌握； (2)产品工作原理分析正确； |
(1)小组对照考核评价表进行自评互评； (2)教师对照考核评价表进行综合评价； (3)企业导师点评，引入行业规范，树立标准。 |
||
工作过程技能 （60%） |
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安全文明素养 （20%） |
(1)工具、材料、资料整理归位； (2)不迟到、早退、旷课； (3)安全用电，无人为损坏仪器、元件和设备； (4)保持环境整洁，秩序井然，操作习惯良好； (5)小组成员协作和谐。 |
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10.项目特色或创新（可空缺，限150字） {#项目特色或创新可空缺限150字}
（1）知识应用的综合性
实验完成过程中，需要综合运用《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《传感检测技术》、《单片机技术及应用》等课程相关知识；
（2）实验任务的实用性
选取智能视力保护台灯设计与制作作为实验任务，实验的过程就是一个完整电子产品的开发制造推广过程，最后完成的产品还可直接应用于实际生活中。
参赛选手信息表
| 案例提供单位 | 湖南铁路科技职业技术学院 | 相关专业 | 电气自动化专业 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 设计者姓名 | 徐美清 | 电子邮箱 | 76826314@qq.com | |||
| 移动电话 | 15873364374 | 通讯地址 (含邮编) |
湖南省株洲市天元区滨江南路88号中信蓝盾景园二期20-3201 | |||
| 设计者姓名 | 陈斗 | 电子邮箱 | 491141562@qq.com | |||
| 移动电话 | 13973352283 | 通讯地址 (含邮编) |
湖南株洲市建设中路１４号１６栋４单元３０８，邮编412000 | |||
| 设计者姓名 | 蒋逢灵 | 电子邮箱 | 158364038@qq.com | |||
| 移动电话 | 18573358031 | 通讯地址 (含邮编) |
湖南省株洲市云龙示范区职教大学城智慧路1号 | |||
| 相关x课程名称 | 《专业综合实训》 | 学生年级 | 三年级 | 学时(课内+课外) | 28学时 | |
支撑 条件 |
仪器设备 | 万用表，示波器，直流稳压电源 | ||||
| 软件工具 | Proteus，Protel DXP 2004,Keil C51 | |||||
| 主要器件 | STC89C51,热释电传感器HC-SR501，红外接近传感器E18-D50NK，光敏电阻，ADC0809，数码管，LED，按键，三极管，蜂鸣器等 | |||||