时间：2023-03-25 10:43:38
导语：在单片机理论论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
关键词：AT89C51串行口无线数字电台串行通信
一般的数字采集系统，是通过传感器将捕捉的现场信号转换为电信号，经模/数转换器ADC采样、量化、编码后，为成数字信号，存入数据存储器，或送给微处理器，或通过无线方式将数据发送给接收端进行处理。无线数据传输系统就是样一套利用无线手段，将采集的数据由测量站发送到主控站的设备。
1系统组成
系统组成如图1、图2所示。
系统由测量站和主控站两部分组成。测量站主要完成对现场信号的采集、存储，接收遥控指令并发送数据。主控站的主要工作是发送遥控指令、接收数据信息、进行数据处理和数据管理、随机显示打印等。
2AT89C51与数字电台的串行通信
Atmel公司的AT89C51单片机，是一种低功耗、高性能的、片内含有4KBFlashROM的8位CMOS单片机，工作电压范围为2.7～6V（实际使用+5V供电），8位数据总线。它有一个可编程的全双工串行通信接口，能同时进行串行发送和执着收。通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。
2.1通信协议与波特率
数字电台与单片机、终端主控机的通信协议为：
通信接口——标准串行RS232接口，9线制半双工方式；
通信帧格式——1位起始位，8位数据位，1位可编程数据位，1位停止位；
波特率——1200baud。
数字电台选用Motorola公司的GM系列车载电台，工作于VHF/UHF频段，可进行无线数传（9线制标准串行RS232接口），也可进行话音通信；采用二进制移频键控（2FSK）调制解调方式，符合国际电报电话咨询委员会CCITT.23标准。在话带内进行数字传输时，推荐在不高于1200b/s数据率时使用。实际使用时，电台工作于220～240MHz频率范围，采用半双工方式（执行收、发操作，但不能同时进行）即可满足系统要求。
2.2AT89C51串行口工作方式
AT89C51串行口可设置四种工作方式，可有8位、10位和11位帧格式。本系统中，AT89C51串行口工作于方式3，即鳘帧11位的异步通信格式：1位起始位，8位数据位（低位在前），1位可编程数据位，1位停止位。
发送前，由软件设置第9位数据（TB8）作奇偶校验位，将要发送的数据写入SBUF，启动发送过程。串行口能自动把TB8取出，装入到第9位数据的位置，再逐一发送出去。发送完毕，使TI=1。
接收时，置SCON中的REN为1，允许接收。当检测到RXD（P3.0端有“1”到“0”的跳变（起始位）时，开始接收9位数据，送入移位寄存器（9位）。当满足RI=0且SM2=0或接收到的9位数据为1时，前8位数据送入SBUF，第9位数据送入SCON中的RB8，置RI为1；否则，这次接收无效，不置位RI。
串口方式3的波特率由定时器T1的溢出率与SMOD值同时决定：
方式3波特率=T1溢出率/n
当SMOD=0时，n=32；SMOD=1时，n=16。T1溢出率取决于T1的计数速率（计数速率=fosc/12）和TI预置的初值。
定时器T1用作波特率发生器，工作于模式2（自动重装初值）。设TH1和TL1定时计数初值为X，则每过“28-X”个机器周期，T1就会发生一次溢出。初值X确定如下：
X=256-fosc×(SMOD+1)/384×BTL
本系统中，SMOD=0，波行率BTL=1200，晶振fosc=6MHz，所以初值X=F3H。
2.3AT89C51与数字电台的硬件连接
AT89C51与数字电台的硬件连接如图3所示。
系统采用异步串行通信方式传输测量数据。利用单片机串口与数字电台RS232数据口相连。电台常态为收状态（PPT=0，收状态；PPT=1，发状态），单片机P3.5脚输出高电平。单片机使用TTL电平，电台使用RS232电平，由MAX232完成TTL电平与RS232电平之间的转换。3片光电耦合器6N137实现单片机与电台之间的电源隔离，增强系统抗干扰性能。
单片机通过带控制端的三态缓冲门74HC125、非门74HC14控制电台的收发转换，以及指令的接收和数据发送。接收时，P3.5=1,c2=1，74HC125B截止；P3.5经74HC14反相、光电隔离，使电台PPT脚为低电平，将其置为接收状态；同时c1=0，74HC125A导通，接收的指令由电台的RXD端输入，经MAX232电平变换、光电隔离、74HC125A缓冲门，送入单片机RXD脚。发射时，P3.5=0，经74HC14反相、光电隔离，使电台PPT脚为高电平，将其置为发射状态；同时c1=1，74HC125A截止，c2=0，74HC125B导通，数据由单片机TXD脚输出，经74HC125B缓冲门、光电隔离、MAX232电平变换，通过电台TXD端口将数据发送出去。
3通信软件设计
通信软件至关重要，一旦出现问题，整个系统就会瘫痪。采取差错控制与容错技术是非常重要的。
*主控站发送的指令中包含一定数量的同步符55H和3字节的密码。测量站在连续收到5个同步符后进行密码验证，验证通过后正式接收指令字节；如未通过，则测量站发一信号让主控站重发，三次验证不过则停发该命令。测量站发/主控站收时，验证方式与此相同。验证通过后，测量站开始发送数据。
*一个指令由3字节构成，第二字节等于第一字节加上35H，第3字节等于第二字节加上36H。如果收到的指令不符合此规则，则重发该命令，连续三次错误时停发。
*主控站每发一个指令，测量站都回送一个应答信号。该应答信号中包含原指令样本。
下面给出单片机串行口与电台的基本通信程序。
初始化程序：
BTLEQU2FH；波特率放在内部RAM的2FH单元
MOVTMOD，#21H；T0方式1，16位计数器，T1方式2，串口用
SETBTR0；启动T0
MOVBTL，#0F3H；波特率设定为1200
MOVSCON，#0C0H；串口方式3，9位数据，禁止接收
接收及验证程序：
NUMEQU2BH；同步符个数值存放在内部RAM的2BH单元
TEMPEQU2CH
ROM-CH：DB55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H
DB55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H；20字节同步符
MIMDB''''WSC''''：3字节密码“WSC”
SETBP3.5；置电台收状态
SETBREN；允许串口接收
A1：MOVNUM，#0；记录连续到同步符55H的个数
A2：JBRI，A2；串口有数据转A3
A3：CLRRI；清接收中断标志
MOVA，SBUF；读串口数据
CJNEA，#55H，A1；不是同步符转A1
INCNUM；收到的同步符个数加1
MOVA，NUM；取收到的同步符个数
CJNEA，#5，A2；未收够连续5个55H转A2
A4:MOVNUM,#0;密码验证，记录收到密码字节数
A5：MOVDPTR，#MIM；密码字符首址
MOVA，NUM
MOVCA，@A+DPTR；查表取密码
MOVTEMP，A；保存密码
JBRI，A6；串口收完一个字节转A6
…
A6：CLRRI；清接收中断标志
MOVA，SBUF；读串口数据
CJNEA，TEMP，A4；与密码不符转A4
INCNUM；收到的密码个数加1
MOVA，NUM；取已收到的密码字节数
CJNEA，#3，A5；密码未收完转A5
发送程序：
CLRP3.5；置电台发状态
MOVB，#23
MOVDPTR，#ROM-CH
B1：CLRA
MOVCA，@A+DPTR；查表发送同步符和密码共24字节
INCDPTR
LCALLSEND-CH；调发送单字节子程序
DJNZB，B1
…
CLRA
MOVDPTR，#7000H；外部RAM数据首址，发送外部RAM中的数据到电台
B2：CJNER4，#0，B3
CJNER3，#0，B3；R4R3=发送字节数
B3：MOVXA，@DPTR；取数据
INCDPTR
LCALLSEND-CH
CJNER3，#0，B4
CJNER4，#0，B5
B4：DECR3
LJMPB2
DECR3
DECR4
LJMPB2
…
SEND-CH：SETBTB8
MOVSBUF，A
DB0，0，0，0，0，0，0，0
JNBTI，$；延时4μs
CLRTI
RET
论文关键词：单片机；实践教学；全国大学生电子设计大赛；项目教学
全国大学生电子设计竞赛是由原国家教委和电子工业部组织的面向全国高等学校相关专业在校学生的竞赛项目，是我国高校中举办时间长、实施范围广、参与学生最多的竞赛之一，已成为考核大学生创新实践能力的一个重要标尺，得到了高等教育界和社会的广泛认可。大学生电子设计竞赛对高校电子专业的教学内容、课程体系、教学实践、教学手段、实验室建设等方面的改革起到了积极的促进作用，为培养学生的创新设计能力搭建了良好的平台。在沈阳工程学院，经过多年实践，在电子设计竞赛平台上对单片机实践教学进行改革，并取得了一定的效果。
一、单片机实践教学中存在的主要问题
目前各高校由于观念、资金、师资和环境等方面的原因，单片机实践教学存在以下几方面问题：
第一，实践教学观念仍存在偏差。由于受传统文化教育观念的影响，部分师生重理论、轻实践的观念仍客观存在，实践教学缺乏整体性、关联性和系统性，仍处于理论课程的从属部分，甚至部分实践教学环节流于形式。
第二，实验教学的弊端仍然存在。实践教学课程的设置较为零散，顺序和内容仍需优化；在开设的实验中验证型的内容多，开放性、设计性、创新型的实验内容少，同时实验内容存在单一性，而多知识点相结合的实验少，并且在所开设的实验课程中缺少与工程实际相结合的综合性、研究性的实验内容，不利于学生个性的发展和综合能力的提高。
第三，实践教学师资力量有待提高。教师中能够满足实践实训技能要求的人数比例不高，一部分年轻教师从高校毕业后进入学校从事教学工作，缺乏实践教学环节的专门训练，自身尚不能成为行家，难以胜任相关的实践指导工作。
第四，实验室建设投资有限，校内外实践基地的建设不尽完善，不能满足教学实践的需要。
第五，实践教学缺乏科学的评价与考核方法。现行的教学评价机制不能起到强化实践教学环节和鼓励实践教学环节改革创新的积极性，相反存在着制约倾向。
二、电子设计竞赛促进实践教学改革
大学生电子设计竞赛的目的在于推动电子信息类课程建设，引导高等学校在教学中培养学生的创新能力、协作能力和理论联系实际的学风，培养学生的工程实践素质、提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力；吸引、鼓励广大青年学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才的脱颖而出创造条件。本文从师资队伍建设、实践教学内容、单片机实践教学模式等方面探讨实践教学改革。
1.师资队伍建设
随着电子技术的高速发展，教学内容往往落后实际几年甚至更多，这就要求教师能适应和赶上这种发展、变化，要有更宽更新的知识面和更丰富的实践经验，不断地将新内容、新技术、新方法充实到教学中去。我们研究制定了教学队伍知识、技术不断更新的科学有效的培养培训制度。鼓励教师到国内知名高校和高新技术企业学习深造，同时积极邀请高水平的技术人才给教师作报告。
2.依托电子设计竞赛丰富单片机实践教学内容
（1）优化实践教学内容。制订实践教学大纲时应该适当调整学时，以顺应单片机技术的快速发展，对现有的教材进行适当的增减，删除一些课本中的老化的、无关紧要的、过于理论化或抽象化的内容，增加一些在生产生活中可能运用到的真实案例和最新的单片机理论知识，通过实际案例将抽象的理论具体化。在教学中，适当加强C语言的学习，让学生既能看懂汇编语言也能够运用C语言将复杂的程序简单化。
（2）推广应用proteus仿真软件及keil编译软件。Proteus仿真软件上有国际通用的虚拟仪器及电子元器件库，学生可以更加方便地进行电路原理图的设计和仿真测试，观察电路的工作状态及软件运行后的变化情况。同时通过网络课件等形式引导学生练习使用keil软件。在单片机中，所有硬件电路设计、对应软件都可以在proteus和keil平台上进行。Keil完成单片机软件设计调试，proteus完成硬件设计及系统运行结果查看。这些软件极大地开拓了单片机的学习空间，降低了单片机的学习成本，提高了学习效果。转贴于
3.结合电子设计竞赛，改进单片机实践教学模式
（1）项目教学法的应用。建立以任务或项目为教学主线、教师为主导、学生为主体的实践教学模式。在学生最初接触单片机课程时，将单片机在实践生产的应用介绍给学生，并将科研项目或往届电子设计竞赛的作品（如多功能函数发生器、数字存储示波器等）带进课堂，激发学生对单片机课程的学习兴趣。通过实践的操作，带领学生在动手实践中深化理论知识的学习，并在动手实验教学中培养学生完成创新实验和课程设计的能力。课程设计和创新实验不仅要求学生具有独立分析问题和解决问题的能力，更加对学生的创新能力提出一定要求。在教师的引导和指导下，学生根据电子竞赛方向设计具有实际意义的电路，这不仅是对学生综合能力的提升，更是为学生将来走向社会成为应用型人才打下良好基础。
（2）以竞赛为契机，推进单片机课外教学。作为一门知识更新速度较快的课程，单片机教学的实战性得到重视。在全国大学生电子设计竞赛的推进下，学生逐渐走出课堂，不仅仅满足于平时课堂上学习的内容，而是自动自发地走进实验室，将单片机的学习当做课余生活的重要组成部分。我校为学生成立了开放性实验室，并为学生购置了AT89S51单片机最小系统开发板、51系列单片机试验箱等最新实验器材和实验操作中使用到的各类元器件。同时教研室机房的每台计算机均配备了keil编译软件和proteus仿真软件，使学生在自主学习过程中可先通过仿真软件验证实验思路、电路和程序的正确性，并在仿真成功后利用开发板或实验箱完成实验操作。以大赛为契机，让学生在以“取得名次为目标，提高能力为目的”思想指导下，主动思考，勤于钻研，通过大量电路板的绘制、编程仿真、调试等练习将动手操作能力不断地提到新的高度。
在整个竞赛的准备过程中，学生表现出单片机学习的极大热情，每次项目完成后教会学生做好总结和巩固工作并鼓励他们探索新的任务，通过亲身实践获得实际经验，养成科学精神和科学态度，掌握基本的科学方法，综合运用所学知识解决实际问题。
（3）加深校企交流，为学生就业创造良好平台。填鸭式的教学模式使得许多大学毕业生在就业后只会“纸上谈兵”。为填补工程技术人才的空缺，真正让学生带着技术走向工作岗位，我校不断通过与企业的交流进行课程改革。近年来，我校与东软集团、中科院微电子所、中科院自动化所、中科院计算所等多个企业均有合作，安排学生到生产线及公司研发部门参观学习，到相应岗位短期实习，许多在电子竞赛中涌现的优秀人才更是被各企业录用。
我校还建立了完整的网络平台。在平台上，学生不仅可以获取最新的单片机技术知识和科技资讯，还可以与往届毕业生进行在线交流，对目前的就业形势、就业方向有更好的把握。促使学生提高自身水平，为顺利就业打下良好基础。
4.单片机实践教学考核方式的改革
单片机实践教学考核重点考核和评价学生技术应用能力的掌握程度。改革过去主要以平时成绩为主考核模式，采取更加系统、合理并与实践教学内容和教学方法相适应的多样化考核方式，促进学生实践创新能力的发展与提高。具体做法如下：平时出勤成绩占20%，平时各章课题实验成绩占40%，期终实践技能考核成绩占40%（其中，考核内容完成情况占20%，课题报告答辩成绩占20%）。
期终实践技能考核内容为完成一个单片机应用系统开发任务。为了有效、合理地组织考核，安排2～3人一组，每组内容不同、难度相当，完成时间为3～4天。评分（包括系统测试、审阅课题报告和答辩）时间为1～2天。
关键词：单片机；实践教学；创新精神
随着科技的不断发展，单片机的应用也越来越广泛，它渗透到了我们生活的各个领域。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机，更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。高校的很多专业，单片机是必修课。单片机是一门应用性很强的课程，为了让学生学好这门课程，教学实践是非常好的手段。单片机实践教学包括单片机基本理论试验、典型功能实验（课程设计）、应用开发实验（毕业设计）以及新技术使用实验等多环节训练。
一、单片机实践教学的意义及现状分析
随着经济和科技的飞速发展，社会需要很多素质高、能力强、有开拓精神的人才。高校单片机教学，不仅要传授给学生单片机理论上的知识，还应该让学生掌握基本实践手段，更为重要的是要让学生拥有运用这些手段从事科学研究的能力。高校单片机教学中的实践教学，就是基于上述原因考虑的。但是，在实践教学中，教师传授学生实践技术还远远不够，尤其是不能培养学生的能力，不能让学生的知识和能力得到全面的发展。因此，在单片机实践教学中，教师必须选择合适的教学方法，培养创新型人才。
在传统的单片机实践教学课程中，单片机实验均是以单片机实验箱或者单片机技术开发装置为实验器材，这些实验都是验证性试验和训练性实验，学生在进行这些实验时，只是被动根据教师的指导和实验讲义一步一步来完成实验的相关内容。在进行这些实验时，学生非常被动，同时，这些实验又与实际应用完全脱轨，因此经常出现学生学完了整个单片机课程但是却不知道单片机的应用场合的现象。这样培养出来的学生，根本就不具备实际开发能力，更别说是创新型人才了。
为了从根本上解决这个问题，我们应该在单片机实践教学中注重对学生能力的培养，这样就要求我们建立单片机实验教学新体系，打破单片机实验教学依附于理论教学、为理论教学服务的传统观念。建立这个新的实验教学体系，首先就得改变传统观念，提高实验教学的地位。新体系中的实验不应再是简单的验证性试验和训练性试验，而应该是各阶段的实践训练。为了把学生培养成为有单片机开发能力的高素质人才，我们必须利用实验室的有利条件，运用现代化的实践教学手段，改革和完善单片机实践教学的内容和方法。
二、单片机实践教学改革的具体途径
（一）改变教育观念，提高单片机实践教学的地位
在以前的单片机教学中，教师普遍重视理论教学而轻视实践教学，实践教学只是附属和服从于理论教学。要培养出高素质的、具有单片机开发能力的人才，教师必须改变传统观念，重视实践教学，把实践教学放在和理论教学同等重要的地位。另外，在以前的单片机教学思想上，注重的是继承，要培养创新型人才，就必须改变这种教育思想，树立创新教育观念，努力培养学生创新的思维方法和敏锐的观察力。
（二）完善实践教学方法，丰富实践教学内容
1.改革实践教学方法
将实验过程在理论教学中体现。教师在进行理论教学时，可以联系实际，联系学生设计的课题，在课堂上进行互动式教学，激发学生的学习积极性，培养学生独立思考的能力。单片机实验是一个内容丰富、灵活机动的设计性、综合性实验，它要求学生自行进行电路设计、程序编写、安装、制作、仿真调试、烧录到脱机运行。学生进行实际操作以及排除各类故障的过程，实际上是一个培养他们动手能力和独立创新意识的过程。这个过程让学生将理论知识和实际操作进行结合，让他们的综合素质得到锻炼和提升。在实验课程中增加新技术实验，让学生在学习新技术的过程中了解该技术的发展空间，会激发学生的学习积极性。采用全开放的实验教学模式，让学生参与单片机实验室和单片机科研基地的建设，参与科研项目的设计开发，这样能够锻炼学生各方面的能力。在各个阶段的实训中，教师要特别注意自己的定位，要把自己定位为一个实验组织者和指导者，让学生发挥主体作用。在实验中，要让学生自始至终都是主角，把传统教育中成功的方面与创新教育有效地结合起来，培养学生的创新精神。
以全开放的实验教学模式为例，全开放式实验教学是指实验内容、实验时间和实验仪器设备的“三开放”实验教学模式。这种实验教学模式是由学生自主完成实验，教师在其中只是起引导作用。实行开放式实验教学能够有效地提高实验教学的效果，对学生自主学习能力的提高有着显著成效，同时，还能够有效地培养学生的实践动手能力和创新精神。开放式实验教学的具体做法是：每个学期开学的前两周，通过学校的网络实验室开放时间以及实验项目类型，其中实验项目类型包括计划内实验项目和可选实验项目。学生提前预约，然后由教师安排时间进行试验。学生在实验时，可以做计划内项目，也可以做可选实验项目，甚至可以自己设定一些实验进行操作，教师可要求学生把实验情况记录下来，做一份实验报告，由教师进行指导和审核。教师应该尽量保证实验在教学时间、教学内容和教学环境上的开放。所谓教学时间上的开放是指实验室一直对学生开放，只要学生愿意，可以随时去实验室做实验，而且实验过程不受计划学时的限制；所谓教学内容上的开放是指教师不必拘泥于教学计划，可以适当地突破限制，根据学生的实际需要进行教学；所谓教学环境上的开放是指教师应该为学生提供自主学习的环境。因此，教师必须改变传统教学观念，改变教学方法，给学生更大的独立思考的空间，为学生提供充分的教学课件和实验手段等，真正做到让学生能够放开手脚、大胆探索。
2.实践教学内容的改革
教师在实践教学中，要增加设计性、研究性的实验，而减少验证性实验。教师在进行实验项目的挑选时，要特别注意区别对待不同层次的学生，对实验项目进行适当修改，让实验既可以变得困难，也可以变得容易，真正让学生得到锻炼和提升。比如，在单片机实践教学中最常用的电子时钟系统设计，用LED数码管或者LCD液晶来显示时、分、秒，教师可以让学生完成正常功能设计，而对有更高能力的学生，则让他们更充分地发挥，将其设计成竞赛记分牌、定时器、秒表等，以激发学生的学习兴趣和创造力。另外，教师还可以先选择一些课题，然后让学生对这些课题进行发挥，设计出一系列的子课题，再引导学生进行电路设计、程序编写，最后完成产品。要真正提高学生的单片机应用和开发能力，就必须进行教学方法和教学内容的改革。
3.加强单片机应用系统毕业设计的实践教学
毕业设计是学生大学生活中一次大型的综合性训练，也是提升学生单片机应用和开发能力的一个平台。学生完成一次毕业设计，电路的设计、程序的编写、产品的制作完成，对学生的单片机应用和开发能力会有很大的提升。教师可以选择一些实际生活中应用到的课题，这样不但可以让学生将所学的知识应用于实际，也能够有利于学生学会站在实际的角度考虑问题。在毕业设计的过程中，要要求学生先进行方案的设计和论证，然后再进行软件系统和硬件系统的设计，再进行调试和安装，最后完成论文编写。毕业设计对学生实践能力的培养有极大的好处，教师应该利用这个平台，提升学生能力。
（三）建立高水平的教师队伍
优秀人才的培养不仅仅需要相应的教学条件和教学环境，更加需要高水平的教师队伍。总理曾在科教领导小组会议上指出：“百年大计，教育为本，教育大计，教师为本。有好的教师才能有好的教育”。教学质量和教学水平是由教师水平的高低决定的。作为单片机实践教学的教师，应该具备产品研发能力和科技研究能力，同时，还要教书育人，对学生进行新技术指导。
三、结语
单片机实践教学应该具备相应的目标和功能。它的目标不应该是传统教学中的进行理论验证，最起码不能是单纯地进行理论验证，而应该是培养学生的单片机实践能力和创新精神。它的功能应该是培养学生在实践中设计电路、编写程序、发现问题、分析问题、最后解决问题的能力，培养学生科学严谨的作风和科学研究的能力。在单片机实践教学中，只有要求学生既要动脑又要动手，才能达到单片机实践教学的目标，实现单片机实践教学的功能。在单片机实践教学中，教师只有有效地培养学生的实践能力和创新精神，加强学生独立思考的能力，丰富教学内容和教学方法，才能推动单片机实践教学水平的发展，提高人才培养的质量，更好地为国家、为社会培养优秀人才。
参考文献：
［1］ 章万静，刘长荣，刑海霞，顾军林.软硬联合仿真在单片机实践教学中的应用［J］.电脑知识与技术，2010，17（21）：256-257.
［2］ 陈淑洁.“开放―自制―开发”一体的单片机实践教学创新研究［J］.中国现代教育装备，2009，12（9）：105-107.
关键词：温度传感器，湿度传感器，GSM，远程监测
1、引言
高级别的质量检测需要在高质量的环境中进行。温度和湿度是环境的重要参数，对温湿度的监测是实现优质环境的重要手段。为了避免人为干扰环境和提高效率，远程监测是一种有效的方法。目前的远程监测系统大多采用以太网络、无线数据传输模块或zigbee无线网络传输数据[ 1-6]。但是，以太网是有线传输，需布线，受地理环境影响较大；无线数据传输模块的传输误码率高，可靠性差；zigbee是专用协议无线网络，成本高，开发难，而且覆盖范围有限。本文提出一种基于GSM的温湿度远程监测系统，具有传输误码率低、成本低及覆盖范围广等优点，并且可与监测人员的手机绑定，实现随时、随地，移动监测。
2、传感器的数学模型
2.1 半导体温度传感器原理
根据PN结理论，在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度具有很好的线性关系。对于理想二极管，只要正向电压VF大于几个KT/q，其正向电流IF与正向电压VF和温度T之间的关系可表示为
(1)
式中IS 为二极管反向饱和电流， K 为波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K），T 为绝对温度（K）， q为电子电荷（1.602×10-19库仑），
整理后，得
(2)
如前所述，晶体管的基极一发射极电压在其集电极电流恒定条件下，可以认为与温度呈线性关系[7]。
2.2 阻抗型高分子湿度传感器原理
阻抗型高分子湿度传感器的感湿原理如下：高分子湿敏膜吸湿后，在水分子作用下，离子相互作用减弱，迁移速度增加；同时吸附的水分子使解离的离子增多，膜电阻随湿度增加而降低，由电阻变化可测知环境湿度。阻抗型高分子湿度传感器复阻抗与空气相对湿度、材料配方和电极结构都有关系： 与我有关系
(3)
其中m为叉指对数，b为单个叉指长度，n为电化学反应电子转移数，f为法拉第常数，c*为氧化剂浓度，D为扩散系数[8]。
但由于传感器的材料配方、电极结构等方面的不同，导致各种不同的阻抗型高分子湿度传感器的特性曲线有较大差别，不能用统一的曲线来概括。
3、远程监测系统
本系统采用先进的GSM无线通信技术、配合以嵌入式解决方案和数据采集等先进技术，构建了一种基于GSM的温湿度远程监测系统。
3.1 系统组成及功能
系统分为监测中心站和远程监测终端两个部分:监测中心站主要有PC主机、GSM通信模块TC35i组成（或用户手机）；远程监测终端主要是由LPC2148ARM内核控制器、GSM通信模块TC35i、信号调理电路、人机接口和通信接口电路组成。监测中心站通过GSM网络与监测终端进行无线远程通信,实现了基于GSM的远程监测。系统结构图如图1所示。
图1 远程监控系统框图
系统实现的功能主要包括数据采集、数据传送、报警、实时控制和数据处理。远程监测终端主要负责采集温度、湿度、2项数据，根据监测中心的命令进行实时上传数据。中心对收到的采集数据进行处理，报警，实现实时监控。
3.2 温度检测电路
本系统采用AD公司生产的单片半导体集成模拟型温度传感器AD590。它具有线性度高、精度高、体积小、响应快、价格低等优点,测温范围为-55~+150℃。具有良好的互换性,非线性误差为±0.3℃。此外,AD590的抗干扰能力强,信号的传输距离可达100 m以上[9]。
流过器件AD590的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：
(4)
式中，—流过器件(AD590)的电流，单位K
AD590的灵敏度为1μA/K,0℃时输出273μA电流,每上升1℃输出电流增加1μA ,每下降1℃输出电流减小1μA。AD590基本测温电路如图2所示。
图2 温度检测电路
3.3 湿度监测电路
系统采用CHR-01型阻抗型高分子湿度传感器，其复阻抗与空气相对湿度成指数关系。其基本特性为：工作电压1V AC（50Hz ～ 2 K Hz），检测范围20%～ 90% RH，检测精度±5%，工作温度范围0℃～＋85℃，特征阻抗范围21 ～ 40.5KΩ。湿度传感器阻抗变化与温度有关，其关系见规格书中湿度阻抗特性数据表，通常先检测温度，然后按阻抗查表获得湿度值。由于直流电压可使水分子电离，加速老化，所以采用交流电压测试其阻抗[10]。
将CHR-01与555构成多谐振荡器，通过检测频率，进而获得阻抗。湿度检测电路如图3所示。
图3 湿度检测电路
低电平表达式：
高电平表达式：
输出频率表达式：
(5)
利用单片机的定时器/计数器进行频率测量，假设计时时间为T(s)，此期间计数值为N，则被测频率f=N/T
则CHR-01的阻抗为
(6)
其中R1与C的选择很关键，电容C要选择高精度电容，一是保证其充放电的能力，二是为了其电容值精确，更方便计算湿敏电阻的返回值。
3.4 GSM模块
本系统采用西门子公司工业级GSM模块TC35i进行远程数据传输。TC35i支持中英文短消息，自带异步串行通信接口，方便与PC机和单片机接口，可传输语音和数据信号，通过AT命令可实现双向传输指令和数据，波特率可达300b/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short MessageService，短消息)，电源范围为直流3.3～4.8V，电流消耗为空闲状态为25mA，发射状态平均为300mA。
3.5 微控制器LPC2148
现场监测站采用了PHILIPS公司基于ARM7 TDMI-S 内核的微控制器LPC2148作为主控制器，完成现场监测站的全局控制。论文参考网。LPC2148内嵌32KB 的片内静态RAM 和512 KB 的片内Flash 存储器，片内集ADC、DAC 转换器，实时时钟RTC，2 UART ,及USB2.0等多种接口。具有JTAG调试接口、方便在线调试，而且应用电路相对简单，开发和生产的成本低。芯片可以实现最高60 MHz 的工作频率，能够满足嵌入式系统μC/OS-II 及人性化的人机界面的要求。大容量的内存，方便了收发短消息时的数据缓冲。
4、系统的软件设计
系统采用GSM无线通信模块TC35i实现远程数据通信，TC35i通过AT命令来进行控制，采用短消息方式进行数据传输。系统软件包括现场监测站软件和监测中心站软件两部分。现场监测站软件主要完成短消息收发、PDU数据协议分析、A/D转换、串口通信及人机接口的功能，其中重点是短消息收发和PDU数据协议分析，这是解决现场监测站与监测中心站之间远程无线通信的关键。论文参考网。监测中心站的短消息收发及PDU数据协议分析与现场监测站软件流程基本相同，不再赘述。
4.1 发送短消息
发送短消息的过程:首先将短消息中心号码、对方号码、短消息内容编码成PDU格式;然后计算出短消息的长度,发送AT+CMGS=〈lenghth〉〈CR〉,〈CR〉代表回车即ASCⅡ码0x0D。等待TC35i模块返回ASCⅡ字符“〉”,则可以将PDU数据输入,PDU数据以〈Z〉作为结束符。短消息发送结束后模块返回〈CRLF〉OK〈CRLF〉。发送短消息流程图如图4所示。
图4 发送短消息流程图
4.2 接收短消息
接收短消息使用定时器进行周期性串口查询的方式。短消息到达后,计算机可以接收到指令〈CRLF〉+CMTI:“SM”,INDEX(短消息存储位置)〈CRLF〉。读取PDU数据的AT命令为AT+CMGR=INDEX〈CRLF〉,执行此命令后模块返回刚刚收到的PDU格式的短消息内容。收到PDU格式的短消息后,将这个短消息进行解码,解码出短消息发送方的手机号码、短消息发送时间、发送的短消息内容。接收短消息流程图如图5所示。论文参考网。
图5 接收短消息流程图
6、结论
为了实现质检所需的优质环境，本文研究一种基于GSM的温湿度远程监测系统。设计了以LPC2148为核心的现场监测终端系统，实现温湿度的采集，短消息收发及人机接口等功能，并通过GSM模块TC35i与监测中心站通信，接受指令并实时上传信息，实现了监测中心对现场温湿度的远程监测。实验表明，本系统传输误码率低，通信可靠，具有很好市场前景，也为高效率远程监测系统的实现提供了一种新方法。
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[关键词]电能质量；分析；技术研究；实践；支持向量机
中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0254-01
在电力系统发展的早期，地理负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，因此衡量电能质量的指标也比较简单，主要由频率偏差和电压偏差两种。然而，随着多种、大型高科技机电的使用，对电能的质量要求不断增高。为了确保提供更好质量的电能，就必须解决电压偏差、频率偏差、谐波偏差、电压波动和闪变、三相电压不平衡等问题。在想办法供应优质电能的最初，要掌握电能质量分析方法、电能质量扰动的因素原因以及采取怎样的措施进行改变和完善。下面就大家一起来进行探讨一下。
1.电能质量分析方法
电能质量问题主要的分析方法可分为时域仿真、频域分析和基于数学变换的分析方法三种。在这三种方法中，时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，主要用途为利用时域仿真程序对电力系统电能质量扰动现象进行研究分析。电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范。
1.1 时域仿真法
利用暂态仿真程序可以对电容投切造成的暂态现象、电弧炉造成的电压波动等电能质量问题进行分析，还可以对电力系统的各种控制器以及控制策略进行仿真分析。利用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模拟的最大频率范围，因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。
1.2 频域仿真法
频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，利用常规的谐波潮流计算，分析谐波在系统中的分布情况。这种方法简单，适用于大多数情况，因此在实际谐波潮流计算中的应用较多。
1.3 电能质量的数学分析方法
电能质量数学变换的分析方法主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、矢量变换方法、小波变换方法、瞬时无功理论以及基于支持向量机等。其中最为广泛应用的是基于支持向量机的方法。下面重点介绍一下基于支持向量机的方法。
2.基于支持向量机的电能质量扰动分析
电能质量分类一般步骤是对电能扰动进行傅立叶变换或小波变换等数学变换，提取特征量，建立分类规则进行分类。目前常用于电能质量扰动分类的方法有贝叶斯方法、BP、专家系统、模糊逻辑、综合数值评判理论等。最初用来解决模式识别问题，随着ε-不敏感损失函数的引入，已被拓展为解决线性、非线性回归问题估计问题。电能质量分析中的电能质量扰动分类实际上就是模式识别问题，利用基于回归估计的谐波分析模型也可以对谐波和间谐波进行分析。因此将该方法引入电能质量监测分析中，应用在谐波分析、扰动分类、扰动定位、扰动信号压缩、电能质量诊断等领域，这是值得探求的问题。
支持向量机理论可以方便快捷地对电能扰动进行分类，但是如果要准确得出各种扰动的具体特征量，如跌落的幅值，相角突变等只有通过对扰动波形实时采样、特征计算得到。论文下面内容就是利用单片机设计电能质量在线监测装置，除监测常规电能质量指标外，还利用单相电压变换平均值法监测跌落、瞬态中断等动态电能质量指标。
3. 电能质量控制的具体实践
电能质量监测系统设计首先要考虑的是要具有很强的处理能力，以满足电能质量重大数据量的运算要求。系统必须易于实现、灵活，具有通信功能，便于系统集成和高级应用的开发。
3.1 电能质量监测系统的软件设计
3.1.1跌落等动态电能质量的监测算法
（1）均方根值计算法
（公式1）
（2）基波分量法
（公式2）
3.2 常规电能质量指标的监测
对谐波、三相不平衡、电压电流均方根值、有功无功等的监测也进行了程序设计，由于其监测原理在其他文献己多有介绍，这里不在重复。只给出谐波和三相不平衡的流程图，如图2所示。
3.3 实践应用
（1）电压转换电路
以a相为例，a相电压转换电路如图3所示。
（2）电流转换电路
电流转换电路主要由电流互感器、运放等组成。如图4所示。
由于篇幅有限，其他设计不再一一赘述。
4 结束语
随着国民经济的高速发展，轻工业与重工业并驾齐驱，电能的需求不断增加，电能质量问题频频出现也越来越受到关注。当然，问题也不仅仅这些，电能质量问题同电力系统自身的发展同步并随着电力系统的发展而不断增添新的内容。开展电能质量的长期监测和统计分析，进而实现对电能的全面质量控制，已经成为许多电力公司的共同愿望和实际行动。
参考文献
[1] 姚建刚，郭知非，陈锦攀.基于小波和BP神经网络的电能扰动分类新方法[J].电网技术.2012（05）.
1.1计算机工程专业方向培养目标
计算机工程专业方向学士学位学制为4年,学习科目主要内容为广大领域内计算机科学及其应用。专业的主要培养目标为:1、理解并掌握计算机的基本理论和实践;2、培养能应用计算机新技术的能力;3、在计算机领域为学生提供进一步学习的知识基础。该专业主要为信息技术类企业的生产和研发培养人才。毕业生的就业范围也比较大,可以在软件开发、软件测试、网络管理、软件系统管理、客户培训和服务、项目开发、设计和调试等方面从事工作。该培养目标比较简单,以培养学生的工程素养为基准,满足社会对大批量的开发性人才的需要。
1.2科学合理的课程设置
按照培养目标,应加大计算机应用方面课程设置,注重新课程的开设和引入计算机的新技术新应用,使计算机工程专业方向与时俱进,合乎信息社会发展的节拍。相比当前国内高校的计算机学科各个方向,本课程体系侧重应用性、实践性环节。计算机工程专业方向的课程分为非计算机专业课程和计算机专业课程两类。非计算机专业课程占总课时的比例应该为17%;其必修课为国家本科工程类教学规定的。增加了非计算机专业课程选修课,其目的是提高学生的文化修养和相关领域知识的了解,能够拓宽视野和扩大知识层面,这些课程主要为文学院、工商学院、信电学院、机电学院和法学院所开设的课程中选择,要求该专业的学生必须限选7门,主要是按照学生个人的兴趣和个人目标为选择指导。计算机工程专业课程分为3个层次:专业必修课、专业选修课和实践环节,其中必修课占总课时的比例38%,选修课占总课时的比例19%,实践环节占总课时的比例26%。专业课程主要为计算机应用以及软件工程和信息处理课程,包括当前应该掌握的课程如离散数学、计算机原理、操作系统、数据库原理、算法分析、计算方法、Web技术、多媒体技术、人工智能及其应用、Java和C++面向对象程序设计、软件工程、计算机系统结构和计算机网络等,注重计算机学科应用能力的培养。减少了计算机硬件的课程,例如模拟电子和电路、单片机原理和微型计算机原理;而是以计算机组成原理课程为核心,以课程事例引入嵌入式计算机和微型计算机的内容。按照国际和国内信息社会对软件业发展需求来设置教学课程,以适合应用型软件人才培养的目标。不应过多强调全面的基础课程,缩小基础,加强知识综合,以培养应用型人才为主。在教学内容上强调应用性、针对性和系统性。
1.3实践教学体系设置
计算机专业具有实践性[1]非常强的特点,设置了课程实验、综合设计、教学实习、社会实践、毕业设计等多种形式比较系统的实践教学体系。实践教学以综合设计和毕业设计为主。按照计算机课程设置,综合设计有高级程序语言综合设计、计算机原理综合设计、操作系统综合设计、软件工程综合设计、Web技术综合设计、信息管理系统综合设计等6门次。综合设计是以班级为单位教学,以当前现实的计算机项目开发为目标,学生独立设计和完成,以培养学生的创新能力为核心。较大的项目则采用多名学生协同完成,进一步提高学生增强交流能力、解决问题能力和应用技术技能。毕业设计采用导师负责指导制,设计开发综合应用项目,按照软件工程和信息开发的标准编写文档、撰写程序代码,提交一个项目总结和程序系统,包括开发文档、程序源代码、数据库结构、配置文档和测试文档。在答辩委员会的审核和测试下完成毕业设计,不再进行包含大量基础知识和重复开发文档内容的毕业论文撰写,侧重于提高学生的应用能力。
2计算机工程专业方向的课程实施的若干教学改革
2.1注重课程实验教学
课程实验是计算机工程专业方向实践教学中的一个重要环节,其实施质量对专业教学质量具有举足轻重的影响[3]。实践性比较强的课程都设有试验内容,按照知识结构和学生需求分配合理的试验学时。课程的每个单元实验都是从讲授过该课程一段知识范围中选取的,其内容相对独立、自成体系。这些实验集中反映了各门技术课程的典型方法和基本技术,能够加深理解和掌握课堂学习主要内容。当前多数采用实验课程单列方式进行的,要求每个单元实验结束后,每一个学生应独立完成试验过程和结果的分析,撰写自己的实验报告,进一步训练学生的科技报告撰写能力。通过课程实验学生能够深入理解课堂中所学习的基本原理、基本方法和基本技术。在实验过程中掌握计算机专业学习所需要的实验技术和实验方法。
2.2教学方式改革
课堂教学仍然是主要的教学模式,以实践为核心的计算机工程专业方向的教学更应该注重教学互动,以灵活掌握技术为中心。课堂教学中增加讨论课、习题课、观摩课、演示课等方式,补充以大量相关技术讲座,自学辅导课相应增多,提高学生的自主性。以实践为目标的课程教学以大班讲课程内容,采用多媒体和网络,以丰富多样知识形式展示给学生,更加自然的方式掌握理论知识;同时采用小班辅导方式,进行个性化教学。小班辅导为学校划分的自然班级,或者自由组合而成的临时班,但每个班学生人数不超过30人,以便每个学生能够直接面对教师来解惑,消化并真正掌握课程内容。按照计算机工程专业方向的课程教学大纲知识点选择合适的教材和教学参考书,以国家优秀教材和各种专业学科规划教材为主要参考,也可以选择国外着名大学教材。但是一定要以课程体系完整性为核心,不能选择过多以计算机理论和抽象内容等先进性为主的教材,要选择适合专业和学校学生实际需要的教材。注重教材与教材之间的相互衔接,符合计算机工程的课程设置。计算机工程专业方向的理论核心和课程多数起源于美英等国家。为了提高计算机专业的大学生素质和学科的发展,双语教学教育[2]已经成为必然趋势,它能使学生直接和国际接轨,满足IT市场对学生素质的需求。普通高等院校的学生的英语水平参差不齐,为此要采用多种形式进行双语教学。对于学生基础素质好的学校和学校,外语教学课程达到所开课程的5%-10%。素质比较差的可以实现部分课程选用外语教材,采用中文授课,逐步到位。
2.3考试方式改革
减少闭卷考试,增加开卷考试,也可以采用项目系统开发、课程报告等考核方式。当前以多种方式的综合为主,总评成绩由考试成绩、平时成绩和试验成绩组成,其比例为30%、40%、30%。学生平时成绩为学生在课堂上的回答问题和讨论课的发言,以及作业和专题报告、期中测试等,以此来激励学生与教师的互动,提高学习积极性,也能提高他们的语言表达能力和思维能力。课程试验内容减少验证型和演示性,以设计性、综合性和研究性实验为主,采用实验过程和结果的考核,提高学生的实践和创新能力。该考核方式能及时了解学生学习状况,更好指导教学方向。
2.4教学资源库的建立
教学资源包括以学校数字图书馆为核心的公共数字信息资源和专业教学资源。公共信息资源建设以学校定位和办学特色为基准,购买其他高校优秀信息资源和社会商业信息资源为主,本校自己创建信息资源库补充。公共信息资源库以服务公共教学和学生自主学习为主。计算机工程专业教学资源建设关系到专业方向的发展和底气,以自己建设为主,突出精品课程,按照各个课程的自己特点建设比较全面的数字资源。
2.5开源应用到教学各个环节
开放源码程序就是公开源代码存取访问、软件自由再分发,任何人可以阅读、再、修改软件的源程序,通过让更多人参与来提高软件的质量、可靠性、安全性、开发速度等。把开源软件应用到计算机课程教学中可以提高学生真正地参与比较大且比较实用项目的实践机会,让学生培养融入IT市场,提高学生的实践能力;同时学生也能够学习到更多的核心技术和系统开发技术,开拓知识面,积累实际的开发经验把握住计算机新技术和掌握计算机发展方向。学生通过感兴趣的项目,能够在相互沟通中使计算机素质得到大大提升,也可以协同开发和学习中相互碰撞中产生新的思想,拥有新的技术,同时也必定激发出学生的创造性。
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