实验教学大纲（course syllabus）

*实验名称

（Course Name）

《单片机系统设计》课程实验模块

Course experimental module of Microcontroller System Design

教学课程代码

（Course Code）

ME384

*课程学时

（Credit Hours）

48

*实验学时

（Class Hours）

14

授课教师

（Lecturer）

付庄、张波等

实验负责教师

(Mentor)

唐静君

实验学生

（Audience）

本科生四年级

授课语言

(Language of Instruction)

中文

*开课院系

（School）

机械与动力工程学院/School of Mechanical Engineering

先修课程基础

（Prerequisite）

《电工与电子技术G类》、《模型、分析与系统控制》、《机械振动》、《测试原理与技术》《动力学》《机器人学》

*实验简介（Description）

该课程以理论学习为基础、系统工程实践及项目实施为导向，通过结合现代工业控制系统，介绍现场机械电子，涉及机器人等机电系统的设计、体系结构、测量控制、开发设计以及工程实践等基本内容，使学生掌握机电系统基本设计和工程实现技术，提高动手能力，课程理论联系实际，突出工程应用。

课程实验以单片机及ARM为主，包括环境信号感知，系统模型与控制方案，系统设计与工程实践等方面，主要涉及单片机技术、ARM技术、电机驱动及功率放大、数字信号处理器、以及实现机电系统控制的基本方法。

*实验简介（Description）

The course is based on theoretical learning which is oriented towards system engineering practice and project implementation. Introducing on-site mechanical electronics by combining modern industrial control systems. The basic content such as design of electromechanical systems like robots, architecture, measurement control, development design and engineering practice. Making students to master the basic design and engineering realization method of electro-mechanical systems, enhance the students' hands-on skills, link theory to practice, and highlight the engineering application about the course.

The course experiment is based on single-chip microcomputer and ARM, including environmental sensing, system model and control scheme, system design and engineering practice, mainly related to single-chip technology, ARM technology, motor drive and power amplification, digital signal processor, and realization the basic method of electromechanical control systems.

Students' analytical, design, programming and debugging skills will be trained through the course experiment. Learning how to solve electromechanical problems including program design, engineering realization and performance evaluation, etc. Focusing on cultivating students' ability to solve problems using professional skills, independent thinking and innovative design. It will lay a solid foundation for future engineering and technical work, scientific research and development of new technologies.

*实验教学目标(Learning Outcomes)

1. 熟悉单片机编程方法，掌握I/O口、定时器及中断、静态数码显示、查表等关键知识点。

2. 熟悉51单片机串口功能控制，实现单片机与PC机之间的数据发送和接收。同时掌握ASCII码的编码方法、16进制数与BCD码之间的转换。（A3，A4，A5，B2，B3，C2，C4）

3.  熟悉采用C语言对51单片机进行DA转换、中断程序、键盘、LED显示、定时器/计数器、查表编程。

4. 进一步熟悉单片机的C51编程，该实验中应用到C51的标准库函数printf，scanf等，结构体的定义和使用，函数参数值的传递和函数值返回，指针的定义和使用等；

5. 进一步熟悉单片机资源的C语言编程方法，该实验包括外部中断、定时器中断及中断优先级，串口通讯，LED显示等；

6. 熟悉速度测量的M法和T法，简单使用PID算法控制速度，该实验中采用T法，即通过定时器记录电机旋转一周所用的时间来计算速度。

7. 掌握单片机模拟量测量及闭环控制原理。（A3，A4，A5，B2，B3，C2，C4）

*实验项目

 (Experiment items)

*实验项目

 (Experiment items)

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

1

数字方波信号发生器

2

综合

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机，示波器

内容与

要求

1. 从P1.5输出方波信号，四位数码管显示当前方波信号的周期，单位为ms，用示波器测量；
2. 通过定时器T0完成硬件定时，软件计数器完成对中断数的计数，实现方波信号周期5ms-50ms可调，初始周期是25ms；
3. 按键SW1按一下时，方波周期增加5ms，当到达50ms时，再按下SW1时，方波周期设为5ms；按键SW2按一下时，方波周期减少5ms，当到达5ms时，再按下SW2时，方波周期设为50ms；

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

2

51单片机与PC机通讯实验

2

基本

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机，

内容与

要求

1. 设定单片机串口为工作模式1，波特率为9600，数据位8位，不含奇偶校验位，包含1位起始位、1位停止位；
2. 从单片机发送字符串“I（空格）Love（空格）China！（回车）”，PC机上的串口调试助手进行显示，每3秒钟发送一次，时间间隔可以用定时器实现。
3. 从PC机上的串口调试助手发送4字节16进制数到单片机，单片机接收到数据后将每个字节的低4位数字显示在数码管上，同时将接收到的4字节数据求和，并将结果回传给PC机。

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

3

单片机室温测量实验

2

综合

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机

内容与

要求

1. 用2位数码管实时显示0809采集室温得到的数字量。

2. 将数字量转换成实际的温度值（十进制），显示在数码管上（带一位小数）。

3．为使数据采集平稳可靠，可考虑加入数字滤波。

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

4

正弦波信号发生器

2

综合

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机，示波器

内容与

要求

1.设计一幅值可调，周期固定的正弦波发生器。正弦波幅值的调节范围是Vpp5V ~10V，周期固定为100ms；

2.正弦波幅值的调节由按键SW1完成，按键每按下一次，幅值增加1V，幅值达到10V后返回到5V，幅值在LED上以V为单位显示。

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

5

单片机转速测量及控制实验

4

综合

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机，转速平台，光电传感器

内容与

要求

1. 速度测量和控制的范围是5转/s到50转/s；

2. 采用T法测量电机速度，每0.5秒进行一次调节PWM的占空比来调节电机速度，采用定时器0定时，定时时间0.4毫秒实现硬件定时，定时器采用中断方式；编码器信号接到单片机INT1引脚，电机每旋转一圈INT1中断一次；另定义两个软件计数器，分别用来记录INT1中断时定时器0的溢出次数和PWM的高电平定时器0的溢出次数；这样5转/s和50转/s的定时器溢出次数分别为400和40，PWM的载波周期（0.5s）内占空比的调节分辨率为1250；

3. 设定速度从上位机发送，printf函数输出“Please input the command speed!”,串口调试软件输入设定速度，单位转/s，单片机采用scanf函数接收指令速度，接收到后返回“The current command speed is xx!”,串口波特率采用单片机的定时器1实现；

4. 数码管的前两位显示设定速度，后两位显示当前速度；

5. 编写PID控制算法子函数，函数输入参量是指令速度和当前速度，函数返回值是PWM占空比的高电平计数值；

项目序号

实验项目名称

实验学时

实验类型

小组人数

主要实验设备

6

单片机水温控制实验

2

综合

1-2

单片机控制板，单片机仿真器，计算机，电控箱，热电阻或热电偶，电水壶

内容与

要求

1.用单片机控制水壶温度。测量传感器可用热电阻或者热电偶，通过编程，控制水温达到设定值。要求最终的误差在±1℃ 以内。

2.按照控制要求，自行连接硬件电路，自行设计控制方案。

3.数码管左边2位显示水温设定值（通过拨码盘设定），右边2位显示水温实测值。（用十进制数表示）

*考核方式

(Grading)

每个实验项目按20分计算成绩。实验总成绩以各必修实验项目的学时数加权平均值计算，实验成绩在课程期末成绩中占20%。各实验项目的20分成绩构成包括：

1. 实验预习    5分

2. 实验态度认真，独立完成实验内容，试验结果正确，善于观察提出问题，思路有创新  10分

3. 实验报告项目齐全，文字、图表清晰，认真完成实验分析与讨论  5分

*实验指导教材或参考资料

(Textbooks & Other Materials)

1.实验指导书

2.《机电控制技术导论》，付庄，张波，贡亮，机械工业出版社，2017

3.《单片机初级教程——单片机基础》，何立民，北京航空航天大学出版社，2012

备注

（Notes）