电子信息工程专业综合训练案例教学探索.pdf
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1、物联网技术 2023年/第11期 人才培养Vocational Education1360 引 言电子信息工程专业综合训练是重要的实践性教学环节,是对学生进行专业基础训练,培养实践动手能力,掌握分析问题、解决问题能力的重要课程。在训练过程中,学生以团队合作形式,形成分工协作、互相讨论、相互促进的氛围1,能够将所学知识正确应用到综合训练中,实现综合训练课题提出的要求和功能,达到学以致用的教学目的,提升学生工程实践能力和创新能力2。STM32 是目前常用的主控芯片,具备资源丰富、高性能、高性价比特点3,本文选择 STM32F103RCT6 为主控单片机,设计基于阿里云的远程数据采集与控制系统,作为
2、综合训练的教学案例。通过该案例,把 STM32 相关知识点和传感器技术等贯穿其中;同时将 STM32 终端设备与物联网平台结合,实现远程数据传输与控制。相比于以往单一功能训练课题,该案例具备较强的综合应用特点,对提高学生的综合应用能力有较好的促进作用4。1 系统组成与功能系统组成如图 1 所示,STM32F103RCT6 为主控单片机,该芯片主频达 72 MHz,具备串口、定时器(PWM)、外中断、SPI、DMA、AD 转换等丰富资源5,是理想控制器。LCD 显示部分采用 2.0 寸 8 位数据并口的显示屏,分辨率为320240,具备分辨率高、占用单片机数据线少的优点。字库芯片作为可选择添加系
3、统的芯片,可以接在 SPI1 接口,用以显示汉字,当然也可以省略;温湿度传感器 HDC1080、存储芯片 AT24C02 和时钟芯片 DS3231 是 I2C 接口,因此规划一组 IO 端口作为 I2C 接口,程序通过不同的器件地址访问,读取温湿度数据和时间信息等,云平台下发的设置报警阈值存放于 AT24C02 中;远程访问通过 WiFi 模块 ESP8266 连接物联网云平台,实现远程数据传输与控制。图 1 系统总体设计结构系统实现以下功能:终端装置采集温湿度数据,读取时间等参数;在 LCD 显示温湿度数据、时间和阈值、状态信息等;通过 WiFi 模块连接阿里云飞燕平台后,创建手机可视化页面
4、,接收温湿度数据和终端装置状态信息;手机端可设置报警阈值,下发到终端装置,当测量的温度或湿度超过阈值后,启动语音提示,同时控制对应风扇运行,风扇转速根据温湿度数据高低分不同的转速挡位运行。2 硬件设计图 2 是硬件设计原理图,硬件设计主要是综合考虑STM32 的外部资源合理分配,LCD 接在 PB 端口,其中有电子信息工程专业综合训练案例教学探索刘静波,苏格诺,刘烨楠(南京工程学院 信息与通信工程学院,江苏 南京 211167)摘 要:设计了基于阿里云的远程数据采集与控制系统的教学案例,将其作为电子信息工程专业综合训练项目。该系统由终端装置和阿里云飞燕平台两部分组成,终端装置包括 STM32
5、单片机、WiFi 模块、温湿度模块和 LCD显示部分等,终端装置采集温湿度数据,发送数据和状态信息至飞燕平台,在飞燕平台创建手机端可视化界面,可以远程接收数据、状态信息,并下发参数命令等。对教学案例的设计过程和教学组织实施进行阐述,通过该教学案例,对学生软硬件设计与调试能力进行综合训练,激发学生学习兴趣,提高学生学习主动性,培养学生的实践动手能力。结果表明,将案例教学应用于综合训练中,采用循序渐进的方式,引导学生掌握项目设计分析能力以及从单元模块测试到整体调试的方法,对提高学生的分析学习能力、团队合作精神、工程应用能力等方面都能起到很好的作用。关键词:案例教学;实践教学;综合训练;远程控制;飞
6、燕平台;应用型人才中图分类号:TP311;G426 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2023)11-0136-03DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2023.11.038收稿日期:2022-12-21 修回日期:2023-01-18基金项目:江苏省青蓝工程电子信息技术优秀教学团队、江苏省研究生教育教学研究课题“应用型高校工科专业硕士研究生数字化能力培养模式研究”(JGKT22_C049)2023年/第11期 物联网技术人才培养Vocational Education1378 位数据线和若干控制线;WiFi 模块接入串口 2,PA12 控制 WiFi 模块
7、复位;PC10 和 PC11 作为 I2C 接口接入时钟DS3231、温湿度模块 HDC1080 和存储芯片 AT24C02;语音播报可以选择 JQ8900 模块,占用两个 IO 端口控制对应的语音播报,可以自行选用未被占用的 IO 口,分别提示温度和湿度报警;两路风扇驱动采用 L298,其中 PC0、PC1和 PC6 控制风扇 1,PC2、PC3 和 PC7 控制风扇 2,PC6 和PC7 是 STM32 的定时器 8 的 PWM 输出通道 CH1 和 CH2 的控制端,用不同输出占空比控制风扇的转速。SPI1 接口如果接入字库芯片,通过 SPI 总线访问并读取字库数据,取出汉字字模,方便显
8、示中文字符;如果系统中字库芯片未采用,程序设计中可以自己取字模,显示必要的中文信息提示。PC4 端口接入 DS3231 的秒信号,配置 PC4 为外中断引脚,作为外中断控制端,在程序中读取数据、显示数据和状态信息等都在外中断服务程序中实现6,提高了主程序 效率。图 2 硬件电路设计3 软件设计图 3 是主流程。首先是终端装置与服务器建立连接;当连接成功后,完成报文订阅并确认订阅是否成功。单片机每隔 5 s 在定时器中断发送温湿度数据和状态信息,当终端装置接收到下发的数据或命令后,则对接收的数据或命令进行处理。这实际上是对接收到的字符串进行解析并提取和下发数据信息或命令关键字。主程序中,对测量的
9、温湿度数据与阈值进行比较,当超过设定的阈值后,则会分别进行报警提示和启动对应的风扇运行。当前状态信息也会上传至云平台,用户在手机端实时掌握所有数据和状态信息。终端装置读取温湿度数据和时间信息、显示数据和阈值以及状态信息等都在外中断服务程序中进行,不占用主程序运行。4 教学组织实施4.1 软硬件设计在教学过程中,首先对与本系统案例相关的软件程序作必要讲解与分析。本案例是一个综合应用,涵盖了关于STM32 的重要知识点,同时加入了云平台,构成远程数据传输和控制系统,进一步拓展了应用范围。其中包括:LCD 显示、I2C 接口的传感器应用等,串口 2 连接 WiFi 的远程访问,定时器主要应用于定时发
10、送数据和配合 WiFi 模块接收数据以及外中断读取并显示数据,定时器产生 PWM 波等很多方面。因此,应该逐步理解各方面的知识点,对每个方面的软件进行模块化编程与测试,这也可以在进行硬件设计时同步开展。在此过程中,可以看到不少同学学习过相关课程,也会有一些相关的软件包,但应该对此进行细致分析,特别是管脚定义、时序状态等细节方面,确认是否可以应用到本案例中,这样才能保证软件设计的正确性。软件设计时应该对每一个单元模块单独进行测试,这样才是事半功倍的做法。学生综合训练小组内部自行分工,负责硬件设计的同学重视硬件电路设计,硬件电路是基础,保证硬件电路的正确性才能为软件调试打下良好基础。鼓励在综合训练
11、过程中自己设计电路并完成实物制作,硬件设计同样是模块化设计方式,推荐的做法是把单片机芯片、LCD 显示、字库芯片集成设计到一块开发板上,开发板留有 WiFi 模块接口并引出所有 IO 端口,另外 I2C 接口的时钟、温湿度模块和存储芯片可以单独做成一个三合一的模块,最后连接到开发板上,开发板只保留基本的单元,不必把所有的芯片或传感器都集成到开发板上。这样做的优点在于:开发板相对独立,可以更换不同接口的模块,适用于不同的应用系统。4.2 组织实施负责软件编程和硬件设计的学生在综合训练时应加强沟通,编写若干个独立单元的软件模块测试开发板,查看硬件与软件是否都能正确运行。例如编写 LCD 显示、串口
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