基于烟雾报警器的单片机教学项目设计

周立萍　周立红

[摘 要]教学项目设计是项目教学的一个关键环节。通过项目开展，学生可以自己动手设计一个完整的单片机应用系统，掌握前面所学的各种知识和技能，并对单片机的应用有一个完整的认识和训练。通过项目的实施，学生掌握系统结构设计、模块型号选择、软硬件联合设计与调试等重要的产品设计与开发知识。该教学方法在教学过程中取得理想教学效果。

[关键词]单片机；项目教学法；烟雾报警器

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.41.151

21世纪以来，特别是工业4.0这个高科技战略计划提出后，培养高水平的技能人才迫在眉睫。近年来，我国高职教育在国外培养模式的启发下，逐步加大校内生产实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价，开展项目教学。项目教学法是在开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。

1 项目教学方法采用

单片机应用技术课程是高职院校自动化、电子工艺、机电一体化等专业基础课[1]，也是工程实践性很强的应用设计课。对于高职类院校来说，采用理实一体化的项目教学方法最为适合。通过让学生动手实施项目内容，提高实际设计和应用开发能力，以适应社会的需求。

在开课前，将班级进行分组，每组3～4人，设立组长、质检员、领料员、员工等，由组长制定详细的任务并进行分工。通过布置任务、项目资讯、项目决策、项目实施、项目检查、项目总结与评价等过程制定项目方案[2]。学生在烟雾报警器的设计与调试过程中，了解单片机系统开发的流程。实现从原理图设计到PCB制版、硬件搭建、程序设计、软硬件联合调试的过程。让学生了解单片机系统设计注意事项，建立控制系统概念。

2 烟雾报警控制项目描述

项目题目选定好后，指导教师需要为烟雾报警器提出相应的任务需求。在课堂中，通过模拟客户提出设计需求。要求项目的实施场所为家庭厨房。

项目描述：日常生活中，泄漏的可燃气体在一定范围内很难被人们发现，对人们的生命财产安全构成很大的安全隐患[3]。随着人们的安全意识逐渐提高，可燃气体泄漏问题受到了极大重视。在家居环境中，烟雾报警器是一种必备的选择，它可以检测空气中可燃气体（如煤气、甲烷）的含量，如果可燃气体含量超出正常指标，系统会进行报警，提醒人们及早采取措施，避免事故发生[4]。

项目任务要求：设计一款供家居使用的烟雾报警器，它的气体探测范围300 ～ 10000ppm；主要适用气体：可燃气体、烟雾；环境温度：-20℃～+55℃，采用数码显示温度值。设计的烟雾报警器具有以下功能：

（1）火情探测功能：根据不同的防火场所，用户可以选用温度探测法、可燃气体检测法及烟雾探测法等合适的火灾探测方法，来有效地探测火灾。[5]

（2）灯光报警功能：当室内烟雾浓度过大、有火情等情况发生时，报警器要进行灯光报警。当烟雾超过最大设定值时，或是温度超过阀值时，都可以声光提示报警。

3 烟雾报警控制项目实施

经过充分分析任务需求，各小组组长组织成员讨论并制定项目实施方案，经过系统方案设计、模块选型、电路设计、PCB版绘制、电路焊接、程序设计与系统调试等过程完成项目的整体设计。

3.1 项目方案确定

由项目任务描述，小组成员开始着手设计控制系统结构框图，经过讨论设计后形成完整的设计思路。期间教师通过巡视指导，与学生共同讨论确定项目系统设计方案。按照设计要求，烟雾报警控制系统分为控制器模块、报警控制模块、温度检测模块、显示控制模块、键盘控制模块、烟雾检测模块、指示灯模块、电源模块等部分。系统设计结构图如图1所示：

3.2 项目电路设计

项目的控制系统整体方案设计好后，需要对控制系统各个部分进行元件选择和原理图设计。通过查找技术手册和相关参数，各个小组确定烟雾报警器控制系统的控制器为STC89C52型号的单片机。显示部分采用价格合理满足控制要求的数码管进行温度显示，通过三种不同颜色的LED灯作为温度、烟雾报警指示。气体传感器模块采用MQ-2型号的传感器，并由LM393作为气体传感器的放大电路，采用蜂鸣器作为报警模块。温度控制部分采用DS18B20作为温度检测传感器。

3.3 项目硬件搭建

项目原理图和元件选择后，经过老师和学生们共同讨论，确定项目设计的可行性，并通过仿真测试方法进行验证。确定方案设计可行性后，开始进行电路的硬件搭接。实物如图2中所示。

3.4 程序设计与系统调试

硬件焊接好后，需要各个小组进行控制系统编程，控制系统主要的控制流程如图3中所示。首先进行系统初始化，开中断；然后进行温度显示，并实时监测温度和MQ-2气体传感器的感应变化，通过判断温度传感器的温度值与气体传感器的感应值得变化范围，进行指示灯的控制与报警器报警工作。

通过程序编写并在线调试，确定该烟雾报警器的程序控制，完成烟雾报警器制作与调试。最终，各个小组成员经过两周的设计、硬件焊接、程序编写、软硬件联调等工作后终于完成烟雾报警器的控制系统设计项目。

3.5 项目的测试与评估

经过小组互相测试作品的功能性、性能可靠程度，最终确定一组优秀的项目产品。该组的产品焊接工艺较好，能实现项目任务描述中的各项功能，具有一定的可靠性与实用性，合格产品。通过教师和小组成员进行项目产品评价和打分，确定各个小组及其成员的成绩。

4 烟雾报警控制项目总结

单片机课程是一门实用性非常强的课程，通过将设计项目引入课堂，让学生感受一个项目的整个环节。整个过程使学生体验到企业各个工作环节，让学生脑中产生系统的概念。经过项目的设计，学生对各种芯片选型、原理图设计、硬件焊接与检测、单片机中定时器、中断等重点知识的理解更加透彻。

5 结 论

项目将单片机中的端口定义、定时器、中断等知识融合，结合温度、气体传感器等设计完成一个烟雾报警器控制。使学生完成烟雾报警器过程中，不仅学到了知识，也提高了技能水平。在今后的教学过程中，需要不断的开发实际项目，将项目设计引入课堂，不断提高学生技能。

参考文献：

[1]王静霞.单片机应用技术[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]丛文龙.应用“六步教学法”的常见问题及对策[J].辽宁高职学报，2010.8（12）.

[3]许磊.传感器技术与应用[M].北京：高等教育出版社，2014.

[4]陈卫.传感器应用[M].北京：高等教育出版社，2014.

[5]孙巨勇.基于单片机的烟雾报警器的设计探究[J].微处理器与可编程控制器，2013（15）.