实验题目

智能防疫测温门禁控制系统的设计

所 在 学 校 ： 山西工程职业学院所 属 专 业 ： 电气自动化技术课 程 名 称 ： 单片机应用技术负 责 人 ： 乔倩

实验题目：智能防疫测温门禁控制系统的设计

1. 课程简要信息

课程名称：单片机应用技术
课程学时： $1 6 { + } 8$ （课内 $^ +$ 课外）
适用专业：电气自动化技术、智能控制技术、机电一体化
学生年级：高职二年级（4 学期）

2. 实验内容与任务

基于 STC15W4K56S4 单片机，设计制作一个综合检测的智能道闸装置：智能防疫测温门禁控制系统。该装置可解决疫情期间校园、医院等人流较大公共场所的人工测温不准确、耗时耗力的难题，提高智能性与时效性。该系统能够实现温度和距离的测量、根据预设条件自动开关门、反馈门禁状态、人流量计数、按键输入修改条件预设值、信息综合显示等功能。

通过专业实验实践课程，学生能够切身体会到科技抗疫的力量，提升专业自信，同时注重学思结合、知行统一，增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力。

系统设计框架如图1所示：

图 1 系统设计框架

（1）基本要求

1. 能够准确测量人体接近门禁的距离，在一定距离范围内启动温度测量，并能在人员通过时实时计数；

2. 液晶屏实时显示测量值，含距离、温度、人流计数、门禁状态；

3. $\mathrm { E ^ { 2 } P R O M }$ 中存储预设值（如温度报警上下限值、启动检测距离值等），可被单片机读写，实现数据交换；

4. $4 { * 4 }$ 矩阵按键上分布有数字键 $0 { \sim } 9$ 、“输入”键、“清除”键、“修改”键，以及三个备用按键，支持用户扩展功能；

5. I/O 口连接三极管驱动电机运转，实现智能防疫测温门禁控制系统开关功能；

6. 能够反馈门禁开关状态，预防出现因门禁机械故障导致的“应开未开”现象。智能防疫测温门禁控制系统基本功能要求如图 2 所示：

图 2 功能示意图

（2）拓展要求

1. 增加图像识别和处理模块，能够通过识别健康码颜色拓展门禁系统管理功能。

2. 自行设计 PCB 布板、导出 bom 表，并焊接调试装配出成型产品。

3. 实验过程及要求

1. 掌握单片机基本工作原理和 C 语言程序设计应用基础；

2. 选择距离、温度、倾角传感器以及红外对管，并设计它们与单片机的接口电路；

3. 选择合适的液晶显示屏，设计驱动电路、显示内容和相应程序；

4. 学习单片机内部 $\mathrm { E ^ { 2 } P R O M }$ 的读写方法，设计读写程序；

5. 复习矩阵按键扫描原理，布局 $4 { * 4 }$ 按键电路，设计按键扫描程序；

6. 选择合适的驱动电路，根据任务要求设计控制电机运转状态；

7. 运用单片机内部定时/计数器实现定时 25 秒功能；

8. 对“智能防疫测温门禁控制系统”进行整体硬件电路设计；

9. 编写程序，在实现系统基本功能的前提下，完成拓展功能；
   10)在Proteus中进行系统的硬件电路及软件程序的仿真实现；

10. 运用单片机开发板进行“智能防疫测温门禁控制系统”的搭建与调试；
    12)利用立创EDA软件进行原理图导入和PCB布板设计；

11. 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，分享交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景

本实训在大二第二学期开设，学生已学习了《电路分析》、《模拟电子技术》、《C 语言编程》、《单片机应用技术》等前导课程，具备一定的单片机项目实施能力。根据《单片机应用技术》课程测验结果，学生对单片机内部结构及相关模块工作原理、C 语言、Proteus 仿真软件的使用等基础知识和技能掌握较好，测验结果如图 3所示：

图 3 《单片机应用技术》课程测试结果

5. 实验环境条件

项目实施配备了完善而丰富的实验资源，确保学生形成“理论学习-仿真设计-实操验证”的闭环学习过程。

理论学习

理论讲授区域设置在多媒体教室，配备联网计算机 50 台，均安装有 Proteus8.7、

Keil uVision5、立创 EDA 软件，学生在学习理论知识的同时可同步进行仿真设计；同时安装e-Lab“云端”实验教学平台，便于教师统计实验中的高频故障，提高课堂效率。软件界面如图 4 所示：

a. Proteus8.7 界面

b. Keil uVision5 界面

图 4 软件截图

实操训练

实操区域位于微控制器实训室，设置有小组讨论区、装配操作区、软硬联调区。实验仪器设备包括数字万用表、示波器、焊接套件、装配工具、直流稳压电源、信号发生器；实验装置包括风标电子PROTUES教学实验系统（E型）、STC大学计划实验箱（4.C）、STC15开发板、传感器模块、师生共创实用新型发明专利《一种无焊接单片机开发套件》。

a. 多媒体教室---理论讲授区域

b. 微控制器实训室---实操区域

图 5 实操装置实拍图

其它配置

师生联合自主研发的“FTA 联调故障排查”软件，辅助课程实施。实验所用到的主要元器件有：STC15W4K56S4 单片机、HC-SR04 超声波测距模块、GY-614V3DCC 红外辐射测温模块、JY60陀螺仪、0-80cm红外开关计数模块、LCD12864液晶显示屏、矩阵按键、SS8050 NPN 型三极管、28BYJ4+ULN2003 驱动板步进电机。

STC大学计划实验箱（4.C）、STC15开发板仅使用一根USB线与电脑连接即可完成供电、加载目标码，便于学生携带，随时随地进行拓展学习。

图 6 实验环境条件

教学目标与目的

依据课程标准、岗位需求及学情分析结果，在工程项目实现过程中，引导学生掌握单片机内部资源的使用方法、数据显示方法、按键技术、存储技术、传感检测技术，引导学生根据需要选择元器件、设计电路、编写程序，构建仿真工程及调试，并通过仿真测试与分析得出项目的功能评价。从知识、能力、素养三方面确定了实验项目教学目标，如下图。

图 7 项目教学目标

教学设计与实施进程

“智能防疫测温门禁控制系统”以实际单片机工程应用项目为载体，模拟单片机工程应用开发流程，将安全规范生产贯穿课堂始终。

教学过程包括“课前预习与测试”、“课中学练”以及“课后拓展”三个模块。采用任务驱动教学法，灵活运用智慧职教云平台、 Proteus 虚拟仿真软件、实时投屏播放、操作过程录制等信息化手段。

依据专业教学标准、人才培养方案、课程标准及岗位工作任务设计了“析 $\twoheadrightarrow$ 仿→调 $\twoheadrightarrow$ 研”四环节的教学活动，充分体现“学生为主体，教师为主导”的教学理念。

融入新时代职业素养和课程思政元素，将典型单片机技术与工程实际应用相结合，将虚拟仿真和真实操作有效融合，将职业素养、岗位技能积累、思政育人贯穿始终。“智能防疫测温门禁控制系统”实验项目具体教学设计如图 8 所示：

图 8 “智能防疫测温门禁控制系统”教学设计

“智能防疫测温门禁控制系统”实验项目的教学实施进程包括“课前预习与测试”、“课中学练”以及“课后拓展”三个模块。依据“学生为主体，教师为主导”的教学理念设计了“析 $\twoheadrightarrow$ 仿 $\twoheadrightarrow$ 调 $\twoheadrightarrow$ 研”四环节的教学活动。具体实施过程如下：

课前测试

学生在智慧职教云平台上完成单片机相关基础知识测验，教师根据测试结果对个别学生进行线上辅导。随后发布学习资料和任务单，布置课前需完成的任务，通过学生的完成情况及时调整教学策略。如图 9 所示：

图 9 发布课前自测任务

课中学练

“智能防疫测温门禁控制系统”实验项目包括多项测量模块设计（测温度、测距离、测数量、测倾角）、电机驱动及控制模块设计、矩阵按键模块设计、液晶屏显示模块设计、数据存储模块设计五个任务，各任务教学过程分为三个阶段。

阶段一

任务引入

在课前让学生深入思考，课堂设置小组讨论，正确认识到在当前疫情常态化形势下，亟需一种能够提高测量准确性和时效性的综合检测装置，提升学生分析、解决问题的热情度，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。结合“智能防疫测温门禁控制系统”应用实例，分析各模块设计任务单，各小组代表阐述前期任务完成情况，教师点评并进行深入分析，帮助学生找到问题根源和解决方法，有效激发学生的学习兴趣。

图 10 项目引入、思政育人

阶段二

任务实施

通过“任务要点分析”、“Proteus 虚拟仿真”、“软硬联调”、“深研熟虑”四个环节，实现全体学生运用单片机技术实现“智能防疫测温门禁控制系统”的实际操作

技能。

环节一

任务要点分析

此环节目的是使学生运用单片机知识来实现工程应用，将知识的理解转化为技能的掌握，通过实物演示、动画、微课等方法，将抽象的编程语言具象化，直观呈现单片机编程指令的工作原理。任务要点分析如图11所示：

图 11 任务要点分析

环节二

Proteus 虚拟仿真

此环节目的是使学生掌握单片机项目的开发步骤，利用单片机智能仿真软件Proteus，学生进行硬件设计、编写程序。节约教学成本、保证操作安全、提高教学效率.虚拟操作训练如图 12 所示：

图 12 虚拟仿真操作训练

环节三

软硬联调

软硬联调是单片机项目开发的核心任务，影响任务完成的全过程。教师利用悬臂监控云台实时演示软硬联调的操作方法，分小组完成软硬联调及排故操作，利用 e-Lab“云端”实验教学平台实时记录学生端检测数据并上传至教师端，教师随时查看各组“云

端”数据，及时给予指导，对平台大数据统计得出排查频率较高的故障进行着重强调，使学生掌握软硬联调的操作技能。学生软硬联调操作训练如图 13 所示：

图 13 联调操作训练

环节四

任务评定

各小组针对各自的实施情况完成实验报告并进行汇报分享，依据任务完成情况进行自评与互评；教师评价贯穿教学全过程，融合实验报告、课前测试、小组讨论等多元考核方式。任务评定如图 14 所示：

图 14 任务评定

阶段三

任务优化

针对已实施的任务进行深研熟虑，优化操作，全班学生作为一个整体，每一小组作为一个单元共同合作，查阅资料、研讨方案、制定修改措施，提高团队合作能力。此环节目的是锻炼学生学习分析、解决问题能力以及创新能力。

课后拓展

课后学生在“单片机创意工作室”对“智能防疫测温门禁控制系统”进行功能优化、升级，制作出完善的作品；师生共同参与全国大学生电子竞赛、技能大赛、创新创业大赛及校企合作项目，融入企业生产元素，通过企业导师和校内教师共同教研，提高学生的创新能力。学生参加课外活动如图 15 所示：

图 15 学生参加课外活动

8. 实验原理及方案

（1）系统结构

智能防疫测温门禁控制系统结构框图如图16所示：

图 16 智能防疫测温门禁控制系统结构框图

（2）实现方案

智能防疫测温门禁控制系统采用 STC15W4K56S4 单片机作为核心处理器，经 $4 { * 4 }$ 矩阵按键输入的条件判断预设值可存储在单片机内部 E2PROM 内；当检测到有人体接近至某一距离值以内时结束待机状态唤醒系统；可通过无接触式红外辐射传感器实现腕温/额温测量；CPU 将测量值与预设值进行对比判断，若符合防疫要求，则控制开关“打开”，若不符合要求则开关仍处于“闭合”状态；检测到有人员实际通过门禁后，计数加 1；可通过与道闸同位安装的倾角传感器（陀螺仪）监测反馈门禁真实开关状态；可通过“清除”按键一键清零；以上测量值同步显示在 LCD 液晶屏上。

智能防疫测温门禁控制系统实现方案框图如图17所示，系统电路如图18所示：

图17 智能防疫测温门禁控制系统实现方案

图 18 智能防疫测温门禁控制系统电路

9. 实验报告要求

实验报告采用通用报告格式，可如实反映实验过程及结果。试验报告见图19和表1：

a. 实验报告实物图（封皮）

b. 实验报告实物图（内页 1-2）

c. 实验报告实物图（内页 3-4）
图19 实验报告实物图

表1 实验任务单

一、实验目的

通过智能防疫测温门禁控制系统的设计，熟练运用 Protues 软件仿真实现该项目的相关功能，掌握单片机中断、定时/计数器、矩阵键盘、存储器、液晶屏显示、多项传感检测接口技术的使用和设计，同时使用Keil编程软件设计并加载实验程序，观察实验结果并完成智能防疫测温门禁控制系统的功能测试。在项目设计中提高实际动手能力、相互协作能力。

二、实验思路

以小组合作的形式，对给定项目进行功能分解、需求分析与设计、运用仿真软件和编程软件进行电路搭建和程序设计，最终完成智能防疫测温门禁控制系统的设计任务，并提交实验报告。

实验步骤：

(1) 任务功能分解；
(2) 需求分析与设计；
(3) 完成硬件电路设计；
(4) 完成软件设计；
(5) 使用开发板完成软硬件联调，测试项目系统功能。

三、设计过程（一）任务功能分解

（三）硬件电路设计（包括原理图和元器件选型）

10.考核要求与方法

考核评价伴随整个教学过程，线上评价与线下评价相结合，教师评价与学生评价相结合，小组自评与组间互评相结合，根据各阶段考核得出学生综合考评，反馈教学效果，优化教学策略。考核评价权重如图 20 所示：

图 20 考核评价权重

小组自评与组间互评依据项目评分表进行评价打分，如表 2 所示：

表 2 项目评分表

11. 项目特色创新

“智能防疫测温门禁控制系统”实验项目以实际单片机工程应用为载体，模拟单片机工程开发流程，将安全规范操作、思政育人元素贯穿课堂始终。多种信息化手段合理使用， Proteus 智能仿真系统，配合 e-Lab“云端”实验教学平台，打破传统单片机教学对时间、空间、设备的要求，避免实际电路搭建中元件易损耗、检测设备昂贵的弊端，降低教学成本，提高学习效率。

秉承以学生为主体，教师为主导，师生同向同行的教学理念，以项目为依托，实践锻炼为抓手，实际应用为导向，达到教师专业综合技能和学生专业能力、职业素养双提升的效果。对接电子工程师岗位能力要求，辅助学生掌握单片机应用开发方法，规范学生操作行为。在教学和实际应用中具有可推广性。

参赛信息表