基于生物电人机交互的单片机课程设计实施探索

吕继东，陈岚萍，张 继

(常州大学 信息科学与工程学院，江苏 常州 213164)

单片机原理及应用是电类相关专业一门重要的专业基础课程，其课程设计是课程实践教学过程中最为重要的环节之一[1－2]。通过单片机课程设计，不仅可以加强学生对单片机、模/数电等技术综合应用的理解，还可以锻炼学生的创新思维，科技报告的撰写能力，最重要的是可以培养学生的团队协作精神和工程项目开发能力[3－5]。

1 实施依据

应用性本科教育应是以理论为基础，应用为导向，应用能力培养为核心、全面职业素质教育为方向来培养符合现代化企业岗位要求，具备良好职业道德和职业技能的技术人才[6－7]。为此，定位于应用型本科院校的课程设计首先应着重于选题。选题应符合教学大纲要求，以锻炼学生的职业能力为目标，以完成具体工作任务来引导学习活动和评价学习效果，同时题目还应遵循综合实践性、适用可行性和新颖创造性等共性特征，避免题目陈旧和过于基础而导致学生不感兴趣，敷衍应付等问题。

1)综合实践性。

课程设计的总体目标是要求学生综合应用先修课程和本门课程等所学知识独立完成系统相关设计，因此，课程设计的题目应考虑覆盖相关课程知识，理论联系实践，综合运用完成实际工作。通过这一教学环节，使学生掌握设计的基本方法和步骤，从所学课程知识和查找相关技术资料的理解消化中，经过锤炼思考，提出符合要求的合理设计方案并付诸实施，最终完成课程设计。

2)适用可行性。

课程设计不同于毕业设计，时间有限，通常为1～2周，所以，工作量和难度应该适当可控，在有限的时间内，选题既要让学生得到锻炼，通过努力可以独立完成，能够带来成就感，又不至于压力过大，产生畏惧心理，不利于设计的完成，挫败积极性。

3)新颖创造性。

老旧的选题难以引起学生的兴趣，更无法激发学生的创造性，另外容易在网上找到雷同度高的设计，照搬照抄，得不到应有的训练效果。因此，课程设计的选题内容应结合当今日新月异的科学技术发展，注重实际的应用背景，发掘出新颖实用有趣的题目供学生选择，学生由此会产生探索的愿望，主动愿意接受并积极乐于设计，沉浸其中，激发出更多的创造力。

2 实施思路

生物电是指在生命活动过程中在生物体内产生的各种电位或电流，包括肌肉、脑电、心电、眼电等。近年来，基于生物电信号识别人类的不同行为，并将识别结果转换为机器命令的交互方式成为国内外研究的热点。如文献[8－9]利用放置在手前臂的肌电传感器获取信号控制操纵杆和虚拟按键；文献[10]则基于肌电信号手势识别，控制虚拟飞机执行三个自由度的飞行动作；文献[11]基于脑电α/β波控制智能轮椅前进和左右转；文献[12]利用眼球运动的八个方向及有意识眨眼来进行人机交互作用，来控制外部设备。因此，以生物电人机交互为单片机课程设计选题会引起多数学生的兴趣，而且该课程设计涉及课程除单片机原理及应用课程外，还涵盖模拟电子技术、数字电子技术、电路分析等多门课程，以此为理论指导进行课程设计，适用可行。此外，在课程设计当中，将课程相关知识基于目标综合运用来设计诸如信号放大、滤波、采集、显示等硬件电路、软件编程、仿真分析、调试优化和焊接、仪器的有效应用等，不但能够让学生在实践当中加深理解所学内容，还能够锻炼学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力。总之，基于生物电人机交互的单片机课程设计是以单片机为控制中心，与相关课程紧密结合的实践课题。我们鼓励学生思考更具创意的交互方式，完成软硬件设计等工作。在课程设计过程中遵循以下3点开展工作。

1)引导激发。

课程设计的前期首先讲解项目的设计流程、模块化的设计方法和相关软硬件开发平台的介绍，以及对设计报告的撰写要求。而对于项目涉及的有关理论和电子元器件的选型使用则只做引导，推动学生从教材、文献数据库、网络等各个方面获取有价值的信息资料，整合梳理，支撑项目实践，并鼓励在项目实践中有创新性表现。项目的进行以小组为单位，每组3～5人，实行组长项目负责制。组长由组队时组员推选产生，一般由公认理论知识扎实、动手能力强的同学担任。组长根据组员意愿以及各自能力分配任务，协作执行，并依据项目执行截止日期确定任务时间节点，确保按时完成；执行过程中关键问题适时讨论，交流分析，找出解决问题的办法。由此充分调动学生的主观能动性，培养学生的团队协作能力。

2)适时指导。

课程设计在实施过程中，虽然是以学生为主体，也鼓励学生在遇到问题时能够自觉独立解决问题，但毕竟项目经验有限，解决问题的方法缺乏方向性的把控，不能快速有效地解决问题，有时甚至南辕北辙，浪费时间，所以指导教师有必要适时地进行指导，能够让学生顺利开展课程设计，不至于困守于一点，耽误执行；而对于在设计执行过程中发现的共性问题，还要集中起来引发讨论，畅所欲言，并进行有效指导，使他们能够找出解决问题的办法。另外，在最后设计报告撰写的过程中，对于设计思路方案的准确描述、软硬件原理图和流程图的绘图技巧、设计过程中的数据记录分析等也都给予针对性的指导，避免文字白话，不严谨；绘图混乱，不美观；数据分析浮于表面，不深入等问题。

3)考核评价。

对课程设计的考核评价基于有利于学生的培养和发展原则，公正公平地进行，使学生对学科专业充满兴趣，更能激发学生主动学习的积极性。为此，考核评价首先对每组设计方案的合理性和创新性、电路设计的规范性、功能实现的效果进行审核，对项目的完成实现情况有一个总体评价。通常由组长代表组员进行答辩，组员可以相应补充；而对每个小组每位学生的评价，是在上述评价的基础上，则首先由学生进行自评，说明在课程设计中所承担的任务、任务完成情况以及对项目的完成推动作用，而后由指导教师对学生的基本知识掌握程度、任务完成过程中解决问题的能力进行考查。最后对于设计报告的格式、撰写水平和认真态度进行浏览考评，由此得出每位考生的成绩。

3 案例

针对 “基于表面肌电信号的人机交互控制系统”的设计分析。

3.1 设计背景

表面肌电信号是一种非常微弱的信号，是肌肉中许多运动单元动作电位在时间上和空间上的叠加，反映了神经、肌肉的功能状态。通过表面肌电信号来判断人体动作意图并转换成设备输入指令，对设备进行相应控制，交互自然，更容易被使用者接受，已成为一个极受关注的研究方向。

3.2 设计内容

1)表面肌电信号的拾取调理。

拾取高质量的肌电信号是系统功能实现的基础也是关键所在。肌电信号取自人体表面，信号源阻抗较大，而且背面噪声强，因此要求拾取调理电路满足高增益、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声等要求。

2)表面肌电信号的采集。

从人体上采集到的肌电信号经过拾取调理电路进行相应处理后，得到了质量较高的模拟肌电信号。为了使之能够在单片机中进行进一步的处理，需要通过模数转换电路将模拟信号转化为数字信号。

3)基于表面肌电信号的手势识别。

肌电信号中蕴藏着大量的有用信息，通过对人体小臂所采集的肌电信号进行时域和频域特征分析，选取有效参数来识别诸如伸手、握拳等不同的手势动作。

4)基于表面肌电信号手势识别的人机交互。

对应于不同的手势动作，转换为控制指令，通过交互操作平台来完成交互控制。交互操作平台自己设定，可以对其他课程设计作品进行控制，也可以依据兴趣创意设计。

3.3 进度安排

表1 课程设计进度安排

本课程设计需要学生在规定工作时间内完成各项任务，首先根据设计内容查找相关文献梳理并确定设计思路，比如硬件电路的组成、要实现的交互动作以及交互操作平台的选择等；进一步针对设计思路具体化，包括硬件电路的设计，软件流程图的绘制以及交互手势动作的识别方法等。在上述基础上进行硬件电路板的搭建连线，基于单片机的软件编程，并进行模块测试以评估功能实现的质量。最后进行联调测试，优化改进，实现功能。在课程设计过程中，学生集中讨论，分工协作，确保完成分配任务的同时也要明晰整个设计过程。

本课程案例可以根据自身能力和学习精力加以调整，鼓励学生有所创新，能够实现更具创意性的交互控制，真正将理论和实践、软硬件结合起来，切实锻炼学生的动手能力和解决实际问题的能力。如图1为结合参加过飞思卡尔智能车比赛小车，通过肌电信号交互控制小车的启停及加减速的实物图。

图1 基于表面肌电信号的小车交互控制

4 结束语

将生物电人机交互引入单片机课程设计，是真正从社会应用角度开展课程教学活动的一次尝试，同时也为高校教学提供一种工程创新教育与前沿研究相结合的生动形式，体现出课程设计的主要价值——理论与实践相结合，巩固所学知识，探索新知识，锻炼动手操作能力，从而推进大学专业课程的职业化，更好地为社会服务。

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