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1.2设计过程流于形式思想上重视不够
由于学生人数过多，教师人数偏少。以至于设计过程处于“放羊”状态，教师在指导过程中，没有对同学们提出准确地要求，其原因是在该环节中指导教师都没有相应的实施方案，导致指导环节过于形式、敷衍，教师无法一一了解每位学生的设计情况。同学们也没有认真对待该环节，其主要原因是网络化程度的发展，很多相应的资料网络上一应俱全，同学们直接下载修改而不加思考，完成报告上交，没有主动去探索设计。种种原因使该课程设计流于形式。
1.3最终考核方式单一检查评价力度不足
在很多高校，课程设计的最终体现形式就是课程设计报告，只要学生在规定的时间内完成报告，一般就被认为通过了该环节的考查，考核形式单一。并且对整个设计过程的评价没有细分，体现不出设计过程中的工作量。
2课程设计组织实施管理及质量控制
2.1前期认真组织，确保选题质量
为了保证题目的难易程度适中，在课程设计前期，组织教学第一线的有经验的和常年指导学生参加电子设计类竞赛的教师根据自己的课题项目，从中精炼出一些适合学生完成课程设计的题目，每年保证有一定的更新率。并且对选出的题目也分出难度系数的等级，便于因材施教。而后，组织指导教师进行培训。讲解该课程设计的指导大纲，讲述指导过程中教师应该完成的任务，注意设计的时间节点，以便教师掌握学生的设计进度。尤其是第一次指导该课程设计的教师，为其指定帮带教师全程学习。建立教师评价办法，提升指导教师责任心，评价教师在整个指导过程中是否尽心指导学生选题、是否按时答疑并监督学生的进度、后期是否按要求进行答辩。检查评比工作由学院督导完成，并进行考核评分。评分结果直接作为优秀指导教师评定的依据，该结果作为下学年教师指导学生人数的依据。
2.2全程指导，把控各个环节
整个设计过程选题，答疑，设计，答辩，成绩评定几个环节。
1）选题环节
学生可以在教师指定的题库中选出适合自己或者自己感兴趣的题目；也可以根据自己的兴趣与指导教师商讨确定选择题库以外的题目，实现“双向选择”。该课程设计涉及自动化学院3个专业10个班，其中每班指定一名负责人。每位指导老师指导人数按学院单片机原理及系统设计课程设计上学年评价结果排名在前1/3的安排15～20名学生，排名在中间1/3的安排10～15名学生，排名在后1/3的人数较去年人数减少分派，带本课程的上课老师优先安排。每位指导教师指导学生人数不宜过多，保证指导教师有精力指导每一位同学。
2）答疑环节
该课程设计为期两周，各指导教师安排答疑的具体时间及地点。每位教师的答疑时间和答疑地点在课程设计开始后汇总到教务办以便学院督导检查，作为评价教师指导工作的依据之一。每位老师在课程设计期间应积极主动为学生答疑，固定答疑次数不少于五次，并根据情况检查学生的完成情况。该环节是最容易被忽视，但又是十分重要的环节。学生在整个设计过程中的表现只能通过答疑的形式体现出来。指导教师应该在每次答辩过程中不仅帮助学生解决问题，而且要针对每位同学的设计内容提出问题，检查其设计过程中是否对问题已经理解，辨别其是否存在抄袭他人设计的可能性。
3）学生自主设计环节
在整个设计过程中，一定要发挥学生的主观能动性。学生需要按照课程设计大纲的进度安排以及要求按时完成设计任务。熟悉设计任务和要求，查阅相关设计资料；进行系统软、硬件总体设计；设计电原理图，系统硬件调试；系统软件设计，设计仿真或实物调试；完成课程设计报告书；课程设计答辩。
4）答辩环节
答辩环节由小组答辩和集体答辩两个环节构成。小组答辩：该答辩过程是指导教师对本组所指导的学生进行答辩。首先由学生讲述自己的设计过程，而后指导教师提出问题，学生回答问题。最后指导教师根据答辩情况给出答辩的成绩。集体答辩：①每组的指导老师提交成绩汇总表并注明排在最后一名的原因，指定成绩排在本组内最后一名同学参加答辩。指导教师提交的成绩有一人或多于一人不及格者该学生成绩定为不及格本组不再派学生参加集体答辩。②每组排在第一名的同学参加优秀课程设计答辩。③答辩委员会根据答辩情况进行排序，并简要注明答辩存在问题情况。④若参加答辩的同学成绩评定与原成绩有较大出入时，该组同学的成绩按答辩同学的情况相应降级或升级。答辩组织：各专业组成专业答辩委员会，对评定优秀课程设计和集体答辩同学的答辩工作。答辩委员会由系主任任答辩委员会主席，答辩委员由系主任和课程负责人共同商定，答辩委员会成员由7～10人组成，指定一名老师为答辩秘书。在课程设计完成日的最后一天进行答辩，答辩题目为自己所做课程设计题目并提交自己的设计报告。
5）成绩评定
课程设计成绩分五部分：①平时表现及考勤占10%（即10分）；②纪律及答疑占10％（即10分），遵守设计纪律，按时完成各阶段任务，认真答疑，积极提问；③设计过程占40%（即40分，含报告的修改10分，报告无修改符合要求得10分，修改一次和修改的正确性扣2分，修改5次数以上得0分；设计过程完成程度总计20分：方案设计5分，硬件设计5分，软件设计5分，系统调试5分；老师提问10分，根据提问问题及解答情况给分等）④设计报告和图纸占30％（即30分）：(分值：30-27分)设计叙述清楚，书写规范；设计方案合理，设计内容正确；掌握基础理论知识，具有较强的分析问题和解决问题的能力。(分值：26-22分)设计叙述清楚，书写较为规范；设计方案较合理，设计内容较正确；较好的掌握基础理论知识，具有一定的分析问题和解决问题的能力。(分值：21-18分)设计叙述清楚，书写较规范；设计方案基本合理，设计内容基本正确；掌握一定基础理论知识，具有初步的分析、解决问题的能力。(分值：17-0分)设计叙述不清楚，书写不规范；设计方案基本合理，设计内容不正确；不掌握基础理论知识，不具备分析问题和解决问题的能力；⑤答辩占20%：分数根据学生对答辩委员会提出的问题回答情况进行给定。有下列情况之一者课程设计不及格：不能按时提交设计；设计报告有严重雷同者；图纸有严重雷同者；对老师的提问完全不能正确回答者；答辩不及格者获不按指定时间参加答辩者。
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目前检测温度一般采用热电偶或热敏电阻作为传感器，这种传感器至仪表之间一般都要用专用的温度补偿导线，而温度补偿导线价格很贵，并且线路太长也会影响测量精度。在实际应用中往往需要对较远处（1KM左右）的温度信号进行监视。现有的解决方案有很多，例如：
1、在现场用智能仪表对温度信号进行测量，用计算机作上位机与智能仪表进行通讯来实现远程温度监测（采用这种方案要增加计算机设备及相关计算机软件）。
2、NCU+DDC实现远程温度监测。用两个DDC，一个安装在现场测量温度，另一个安装在监视地，两个DDC通过NCU进行通讯从而实现远程温度监测。
但以上方案都存在成本高的问题，有没有低成本的解决方案呢？其实，在单片机应用日益广泛的今天，完全可以用单片机以极低的成本来实现远程温度监测。
二、问题的提出
我单位管理的锅炉房同时给两栋建筑物内的两家酒店供应蒸汽，由安装在两栋建筑物地下室的热交换器进行热交换后产生热水送给客房。从锅炉房至两个热交换站的距离分别约600米，值班人员要不停地奔波于两个热交换站与锅炉房之间进行设备巡视，检查热水温度是否控制在规定的范围，这样不仅增加了值班人员的劳动强度，同时也使锅炉房经常无人(因每班1人值班)。如果能在锅炉房显示两个热交换站内各热交换器的热水温度，则值班人员仅在热水温度异常时才需到各热交换站检查设备，这样便可解决上述问题。我公司曾就此问题找专业公司作过方案，其报价在人民币10万元左右，后因种种原因该项目未实施。经过分析，本人发现可以用单片机+智能仪表以低成本实现温度远程显示，并且经过实验取得了成功，现将设计方案简述如下：
三、控制要求及解决方案选择
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1.2设计原理
电子台历软件主要包括程序初始化、按键检测等，硬件则为单片机，由于单片机芯片接口数量较多，在实际应用中比较复杂。诚然，电子台历体积小，但是，其内部系统包含电源电路、时钟等部件，能够确保其稳定、正常运行，另外，在其设计中，台历前板显示屏幕是价格比较昂贵的数码管液晶显示器，能够有效突破传统仅能够显示一种字体的弊端，通过这种设计，不仅能够满足个性化需求，有效节约成本，还能够提高电子台历市场占有率。目前，Proteus系统电子台历应用范围比较广泛。
2在电子信息中单片机电子台历的应用
2.1激发学生兴趣，挖掘创新潜能
传统教学主要采用标准模块，学生被动地在课前对相关实验进行预习，并将事先编好的程序录入系统中进行验证即可，在很大程度上写弱了学生学习积极性和热情，而单片机教学不同，学生在教师引导下，可以利用单片机软件进行创新设计，有效激发学生兴趣，拓展学生思维，能够深入挖掘创新潜能。另外，该技术自身结构简单、学生操作难度较低，能够为学生进行自主实验提供支持，不仅能够优化教学，提升教学有效性，还能够充分调动学生积极性和热情。
2.2丰富教学内容，拓展知识范围
电子信息工程作为计算机应用科学的重要组成部分，是适应现代社会发展的基础，在社会经济迅速发展影响下，电子信息技术已经在社会各个领域中得到了广泛推广和普及，在推动社会、经济发展等方面具有重要作用。传统电子信息工程中的设计与运用，已经不能够更好地帮助学生参与现代社会发展，特别是在单片机在人们生活中的应用，使得人们对电子信息工程提出了更高的要求情况下。因此，将单片机技术引入教学中成为未来主要趋势，在教学中渗透，不仅能够丰富教学内容，丰富知识范围，还能够进一步激发学生创造力，提升自身专业技能。在实际教学中，教师要认识到单片机添加到教学中的重要性，并引导学生全面、系统了解和掌握单片机知识，从而推动电子信息工程实现可持续发展目标。
2.3提供实验素材，培养综合能力
电子信息工程发展过程中，实验在促进其不断发展中占据不可替代的重要位置，传统教学中，教师普遍将理论知识的传授作为课堂教学核心，在很大程度上限制学生发挥想象力和创造力，无法真正理解和掌握单片机技术相关内容，为了能够突破传统单一模式的缺陷，教师可以引导学生认识并掌握此设计相关知识，例如：台历结构等，并将单片机在电子台历中的运用作为实验课题，围绕实践操作进行模拟实验，在实验过程中，教师通过正确引导，使得学生在体会实验的同时，扎实的掌握基础知识，从而为进一步开展电子信息工程教学奠定坚实的基础。除此之外，教师还需要放手让学生自主进行实验，并及时发现自身存在的不足之处，参照原始实验过程进行对比，加以调整和优化，提高学习效率。通过这种方式，不仅能够使得学生更好地掌握专业知识，丰富知识面，还能够有效培养学生自主学习等综合能力，从而进一步挖掘电子信息工程。
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在生物识别领域中，声纹识别，也称为说话人识别，以其独特的方便性、经济性和准确性等优势受到世人瞩目，并且益成为人们日常生活和工作中重要且普遍的安全认证方式。声纹识别是一种根据说话人语音波形中反映说话人生理和行为特征的语音参数，自动识别说明人身份的技术。
声纹识技术可分为两类，即说话人辨认和说话人确认。前者用以判断某段语音是若干人中的哪一个所说的，是多选一的问题；而后者用以确认某段语音是若干人中的哪一个所说的，是多选一的问题；而后者用以确认某段语音是否是指定的某个人所说的，是一对一判别的问题。从另一方面，声纹识别又有与文本有关和与文本无关两种，根据特定的任务和应用，应用范围不同。与文本有关的声纹识别系统要求用户按照规定的内容发音，每个人的声纹模型逐个被精确地建立，而识别时也必须按规定的内容发音，因此可以达到较好的识别效果；而与文本无关的识别系统则不规定说话人的发音内容，模型建立相对困难，但用户使用方便，应用范围较宽。
本文介绍的语音电子门锁是一种在凌阳16位单片机SPCE061A上实现的与文本有关的说话人确认系统。该系统主要由说话人识别模块、门锁控制电机以及门锁等部分组成。在训练时，说话人的声音通过麦克风进入说话人语音信号采集前端电路，由语音信号处理电路对采集的语音信号进行特征化和语音处理，提取说话人的个性特征参数并进行存储，形成说话人特征参数数据库。在识别时，将待识别语音与说话人特征参数数据库进行匹配，通过输出电路控制门锁电机，最终实现对门锁的控制。
1算法原理
说话人识别算法原理框图如图1所示。
1.1预处理
（1）去噪
对麦克风输入的模拟语音信号进行量化和采样，获得数字化的语音信号；再将含噪的语音信号通过去噪处理，得到干净的语音信号后并通过预加重技术滤除低频干扰，尤其是50Hz或60Hz的工频干扰，提升语音信号的高频部分，而且它还可以起到消除直流漂移、抑制随机噪声和提升清音部分能量的作用。
（2）端点检测
本系统采用语音信号的短时能量和短时过零率进行端点检测。语音信号的采样频率为8kHz，每帧数据为20ms，共计160个采样点。每隔20ms计算一次短时能量和短时过零率。通过对语音信号的短时能量和短时过零率检测可以剔除掉静默帧、白噪声帧和清音帧，最后保留对求取基音、LPCC等特征参数非常有用的浊音信号。
1．2特征提取
在语音信号预处理后，接着是特征参数的提取。特征提取的任务就是提取语音信号中表征人的基本特征。
1．2．1特征参数的选取
特征必须能够有效地区分不同的说话人，且对同一说话人的变化保持相对稳定，同时要求特征参数计算简便，最好有高效快速算法，以保证识别的实时性。
说话人特征大体可归为下述几类：
（1）基于发声器官如声门、声道和鼻腔的生理结构而提取的参数。如谱包络、基音、共振峰等。其中基音能够很好地刻画说话人的声带特征，在很大程度上反映了人的个性特征。
（2）基于声道特征模型，通过线性预测分析得到的参数。包括线性预测系数（LPC）以及由线性预测导出的各种参数，如线性预测倒谱系数（LPCC）、部分相关系数、反射系数、对数面积比、LSP线谱对、线性预测残差等。根据前人的工作成果和实际测试比较，LPCC参数不但能较好地反馈声道的共振峰特性，具有较好地识别效果，而且可以用比较简单的运算和较快的速度求得。
（3）基于人耳的听觉机理，反映听觉特性，模拟人耳对声音频率感知的特征参数。如美国尔倒谱系数（MFCC）等。MFCC参数与基于线性预测的倒谱分析相比，突出的优点是不依赖全极点语音产生模型的假定，在与广西无关的说话人识别系统中MFCC参数能够比LPCC参数更好地提高系统的识别性能。
此外，人们还通过对不同特征参数量的组合来提高实际系统的性能。当各组合参量间相关性不大时，会有较好的效果，因为它们分别反映了语音信号的不同特征。
在计算机平台的仿真实验中，通过各种参数的实际比较，采用MFCC参数比采用LPCC参数有更好的识别效果。但在SPCE061A平台上做实时处理时，与LPCC系统相比，MFCC系数计算有两个缺点：一是计算时间长；二是精度难以保证。由于MFCC系统的计算需要FFT变换和对数操作，影响了计算的动态范围；要保证系统识别的实时性，就只有牺牲参数精度。而LPCC参数的计算有递推公式，速度和精度都可以保证，识别效果也满足实际需要。
本系统采用了基音周期和线性预测倒谱系数（LPCC）共同作为说话人识别的特征参数。
1．2．2LPCC参数的提取
基于线性预测分析的倒谱参数LPCC可以通过简单的递推公式由线性预测系数求得。递推公式如下：
其中p为LPC模型的阶数，也是模型的极点个数。
（1）LPC模型阶数p的确定
为使模型假定更好地符合语音产生模型，应该使LPC模型的阶数p与共振峰个数相吻合，其次是考虑声门脉冲形状和口唇辐射影响的补偿。通常一对极点对应一个共振峰，10kHz采样的语音信号通常有5个共振峰，取p=10，对于8kHz采样的语音信号可取p=8。此外为了弥补鼻音中存在的零点以及其他因素引起的偏差，通常在上述阶数的基础上再增加两个极点，即分别是p=12和p10。实验表明，选择LPC分析阶数p=12，对绝大多数语音信号的声道模型可以足够近似地逼近。P值选得过大虽然可以略微改善逼近效果，但也带来一些负作用，一方面是加大了计算量，另一方面有可能增添一些不必要的细节。
（2）线性预测系数的求取
自相关解法主要有杜宾（Durbin）算法、格型（Lattice）算法和舒尔（Schur）算法等几种递推算法。其中在杜宾算法是目前最常用的算法，而且在求取LPC系数时计算量也量小，本系统采用该递推算法。
1．2．3基音参数的提取
基音估计的方法很多，主要有基于短时自相关函数和基于短时平均幅度差函数（AMDF）等基音估计方法。
（1）基于短时自相关函数的基音估计
短时自相关函数在基音周期的整数倍位置存在较大的峰值，只要找出第一最大峰值的位置就可以估计出基音周期。
（2）基于短时平均幅度差函数（AMDF）的基音估计
基于短时平均幅度差函数（AMDF）在基音周期的整数倍位置存在较大的谷值，找到第一最大谷值的位置就可以估计出基音周期。这种方法的缺点是当语音信号的幅度快速变化时，AMFD函数的谷值深度会减小，从而影响基音估计的精度。
实际上第一最大峰（谷）值点的位置有时并不能与基音周期吻合，第一最大峰（谷）值点的位置与短时窗的长度有关且会受到共振峰的干扰。一般窗长至少应大于两个基音周期，才可能获得较好的估计效果。语音中最长基音周期值约为20ms，本系统在估计基音周期时窗长选择40ms。为了减小共振峰的影响，首先对语音进行频率范围为[60,900]Hz的带通滤波。因为最高基音频率为450Hz，所以将上限频率设为900Hz可以保留语音的一、二次谐波，下降频率为60Hz是为了滤除50Hz的电源干扰。
以上两种方法都是对语音信号本身求相应的函数。本系统采用的基音估计方法是：首先对带通滤波后的短时语音信号进行线性预测，求取预测残差；再对残差信号求自相关函数，找出第一最大峰值点的位置，即得到该段语音的基音估计值。实验表明，通过残差求取的基音轨迹比直接通过语音求取的基音轨迹效果更好，如图2所示。图2中横坐标为语音帧数，纵坐标为8000/f，其中f为基音频率。
1．3模式匹配
目前针对各种特征参数提出的模式匹配方法的研究越来越深入。典型的方法有：矢量量化方法、高斯混合模型方法、隐马尔可夫模型方法、动态时间规整（DTW）方法和人工神经网络方法。
这些方法都有各自的优点和缺点。其中DTW算法对于较长语音的识别，模板匹配运算量太大，但对短语音（有效语音长度低于3s）的识别既简单又有效，而且并不比其他方法识别率低，特别适用于短语音、与文本有关的说话人识别系统。本系统采用端点松驰两点的（DTW）算法，端点松驰引起的计算量增加并不大，还可以放松对端点检测的精度要求。
动态时间规整（DTW）算法基于动态规划的思想，解决了说话人不同时期发音长短、语速不一样的匹配问题。DTW算法用于计算两个长度不同的模板之间的相似程度，用失真距离表示。假设测试模板和参考模板分别用T和R表示，按时间顺序含有N帧和M帧的语音参数（本系统为12维LPCC参数），失真距离越小，表示T、R越接近。把测试模板的各个帧号n=1～N在一个二维直角坐标系中的横轴上标出，把参考模板的各帧号m=1～M在纵轴上标出，如图3所示。通过这些表示帧号的整数坐标画出纵横线即形成网络，网格中的每一个交叉点（n,m）表示测试模板中某一帧与参考模式中某一帧的交会点，对应两个向量的欧氏距离。DTW算法可以归结为寻找一条通过此网格中若干交叉点的路径，使得该路径上节点的距离和（即失真距离）为最小。对于端点松弛的情况，路径搜索原理相同，只是增加了搜索路径。
2硬件系统
语音电子门锁系统的核心是说话人识别模块。包括按键输入、语音信号采集、语音信号处理、FLASH存储扩展、扬声器输出、控制输出以及LCD模组等。说话人识别模型的原理框图如图4所示。其核心为语音信号处理，本系统选用特别适用于数字语音识别领域的凌阳16位单片机SPCE061A，并通过SPCE061A实现对其他各组成部分的编程控制。
SPCE061A是凌阳公司开发的一种性价比非常高的16位单片机。在2.6V～3.6V工作电压范围内，工作频率范围为0.32MHz～49.152Mhz，较高的处理速度使其能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号；中断系统支持10个中断向量以及14个可来自系统时钟、定时器/计数器、时间基准发生器、外部中断、键唤醒、通用异步串行通信及软件中断的中断源，非常适合实时应用领域；内嵌2K字的SRAM和32K字的FLASH，具有32位可编程的多功能I/O端口；包含有7通道10位通用A/D转换器和内置麦克风放大器与自动增益控制AGC功能的单通道声音A/D转换器，以及具有音频输出功能的双通道10位D/A转换器；SPCE061A采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2μA3.6V，极大地降低了其功耗；另外，μ’nSPTM的指令系统还提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令,为其应用增添了DSP功能,在复杂的数字信号处理方面既非常便利,又比专用的DSP芯片便宜得多.
说话人识别模块各组成部分完成的功能如下：
（1）按键输入部分：共有数字键、训练键、删除键、确认键和取消键等16个按键，用于密码输入和工作模式选择。采用4×4矩阵式键盘输入，只使用具有键唤醒功能IOA的低8位，可以合理利用硬件资源，且编程灵活。
（2）语音信号采集部分：通过SPCE061A内置麦克风放大器与自动增益控制AGC功能的单通道声音A/D转换器完成8kHz语音信号采集。
（3）FLASH存储扩展部分：用于存储说话人的个性特征参数参考模板。
（4）扬声器输出部分：通过SPCE061A具有音频输出功能的双通道10位D/A转换器完成用户训练、识别等各种操作的语音提示。
（5）控制输出部分：通过SPCE061A的可编程I/O口控制门锁控制电机。
（6）LCD模组部分：用以显示系统的工作状态，该部分根据成本和实际需要可选。
（7）SPCE061A：说话人的语音信号处理以及各部分的编程控制均由SPCE061A完成。
说话人识别模块有三种工作模式：训练模式、认证模式和密码模式，这三种模式都可通过工作模式按键选择。
（1）训练模式，说话人的声音通过麦克风进入语音信号采集前端电路。第一次语音输入时，由16位单片机SPCE061A对采集的语音信号进行处理，提取说话人的个性特征参数，并存储到外扩的FLASH内，形成说话人特征参数模板。可以进行三次训练，第二语音输入时，提取的个数特征参数与由第一次语音输入形成的特征参数模板进行匹配，在匹配距离小于模板更新阈值时，将说话人特征参数模板更新为两次特征参数的平均值。第三次语音输入时，提取的个性特征参数与由第一、二次语音输入形成的特征参数模板进行匹配，在匹配距离小于模板更新阈值时，将说话人特征参数模板更新为三次特征参数的平均值，形成最后的该说话人的特征参数模板。
（2）认证模式，同样通过麦克风录入说话人的声音，再由SPCE061A对采集的语音信号进行处理，将提取的说话人特征参数与存储在外扩FLASH内的特征参数模板进行匹配，匹配距离小于认证阈值时，通过认证；然后再判断匹配距离是否小于认证模式下的模板更新阈值，决定是否对模板进行更新。
（3）密码工作模式，在说话人感冒或其他使其声音发生暂时改变的情况下，可以采用长密码方式进行认证，以免因为非常原因被拒之门外。
另外，每个用户都有一个短密码（用户可自行修改），无论在训练模式还是认证模式都要输入此密码，以形成或找到与该用户相对应的特征参数模板。系统还设置一个具有长密码的超级管理员用户，可以通过键盘对用户模板进行添加或删除。
3实验结果
对于说话人确认系统，表征其性能的最重要的两个参量是拒识率和误识率。前者是拒绝真实的说话人而造成的错误，后者是接受假冒者而造成的错误，二者与匹配阈值的设定相关。匹配阈值的设定与语音锁系统的应用场合、功能侧重有关，对于家庭、宾馆等门锁用户，要求误识率尽可能低，甚至为零；若用于公司员工考勤等同类功能，就不能有太高的拒识率。表1是对以下每种情况各进行100次实时匹配的结果，其中设定的阈值适合门锁用户。
表1100次实时匹配结果
发音分类
次数同一个人相同发音同一个人相似发音同一个人不同发音不同人相同
发音不同人相似
发音不同人不同
发音
拒绝次数885100100100100
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电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。故引入模糊控制，采用模糊PID算法，运用MSP430F149单片机对电阻炉实现智能的温度控制，可以解决上述种种不足，从而实现可靠的控制，达到生产实际的需要。
一、智能温度控制的硬件系统
智能温度控制系统利用MSP430F149单片机及其接口电路实现对电炉所加热的水或空气等介质温度进行控制，可以方便快捷地调节和控制所要设定的温度。此系统由电源、控制算法、温度检测、键盘输入、温度显示等几大部分组成，如图1。
用MSP430F149作为控制芯片，热电偶采集温度数据，由于控制芯片集成有外部8路A/D转换器，再者对温度信号又没有很高的要求，可以达到预期的效果。采用1602显示，显示两行，每行显示16个字符，上面一行显示设定值，下面一行显示当前值。4X4键盘用来输入0~9数字、“*”、“确定”和“小数点”。热电偶采集温度范围选择在400℃～1000℃范围。留些余量，实际采集范围500-900℃。如果温度范围不满足采集需要，可以用合适范围的热电偶替换，再对A/D转换部分程序做小的改动就可以了。报警模块：对超出设定值±10℃进行报警。
二、模糊PID控制算法设计
1.模糊控制原理
s：系统的设定值。
x1、x2：模糊控制的输入（精确量）。
X1、X2：模糊量化处理后的模糊量。
U:经过模糊控制规则和近似推理后得出的模糊控制量。
u：经模糊判决后得到的ΔKp、Δki、ΔKd
v：经PID算法计算的PWM波占空比。
Y：对象的输出。
常规PID参数自调整的模糊控制器采用二输入三输出的形式，该控制器是以e和Δe即上图的x1、x2，以ΔKp、Δki、ΔKd作为输出。
2.模糊化设计
电阻炉温度控制系统将采样得到的温度信号与系统温度设定值进行比较，得到系统的输入语言变量温度误差e、温度误差变化Δe，输出语言变量为PID的调节系统的变化ΔKp、Δki、ΔKd。将温度误差e、温度误差变化Δe定义为模糊集上的论域：E，ΔE={-10，-5，0，5，10}。
其模糊子集为：E，ΔE={NB，NS，ZO，PS，PB}，子集中的元素风别为负大、负小、零、正小、正大。
3.模糊推理及模糊决策
（1）根据控制规则表编写对应的模糊推理语句，例如：
If e is NB and Δe is NB then ΔK is PB[0]
If e is NS and Δe is NS then ΔK is PS[0]
……….
（2）模糊推理
模糊推理是不确定性推理方法的一种，其基础是模糊逻辑。这里为了程序的简单，给这二十五条规则分别对应一组ΔKp、Δki、ΔKd值，计算输出时加在系统的基础PID值上，作为修正。
3.精确化计算
由于模糊推理机得出的控制量是一个经过修正的PID量，经过计算也不能对系统进行控制。因此，接了常规的PID控制器，让其控制输出有一定占空比的PWM波，来控制电阻炉的加热功率，从而控制温度。
三、系统软件设计
为便于程序的使用和维护，系统全部程序采用模块化结构，由一个主程序和若干中断响应子程序组成，这里给出主程序流程图如图4所示。
增量型PID控制器计算程序流程图如图5所示
采用模糊PID控制，系统响应速度加快，调节精度提高，稳态性能变好；无超调和振荡，具有较强的鲁棒性；在同样的精度要求下，系统过渡时间变短。在电阻炉的温度控制中，避开了对电阻炉建立精确的数学模型这一难题，取得了较好的控制效果。
参考文献：
[1] 潘笑，高玉玲等.基于模糊PID的AT89C2051单片机智能温度控制系统[EB/OLD].兵工自动化网，2006.
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随着知识经济的不断发展，企业对于综合型人才的需求更加的迫切，培养高素质的创新型人才已被确定为我国高等教育发展的根本目标。单片机课程是电子类专业的一门核心课程，具有很强的综合性与实践性特征，该课程不仅为后续课程的学习奠定基础，并且也提供了一种培养创新能力的良好手段。传统的单片机课程教学在提升学生创新能力培养方面还存在很大的欠缺性，因此，为了在单片机课程教学中强化创新能力培养，必须对传统单片机课程的教学模式进行改革。
1.教学与实践改革存在的问题
1.1教学方式有待改进
在单片机的教学过程中不少教师常常以单片机理论为教学的重中之重，实验常安排一些与实践结合不紧密的基础实验，从而难以与实践紧密结合起来；再加上一些教师强调笔试的重要性，势必造成学生失去学习的兴趣和积极性，将更多精力用于考试过关，而难以使理论知识得到实践和应用。例如循环左移和右移指令的讲解，只做理论上的推导，很难加深学生的印象，若能引入适当的EDA技术将这个循环左移和右移过程形象地展示出来，既能加深学生的印象还能提高其学习兴趣[1]。
1.2传统教学的内容问题
由于单片机教材与实际应用有一定的差距，教材中提到的理论与实物已经是几年前的市场产品或者是面临淘汰的产品，这样就会使学生接触到一些过时的知识却没有看到新的改进，从而在一定程度上影响了学生的知识面和实践能力。实验课程体系验证性实验过多、综合性、启发性实验太少，没有大型设计性和综合性实验，基本没有对学生动手实践能力达到提高和训练[2]。
1.3学生对实践和动手缺乏积极性
不少学生对单片机的实践性缺少认识，不主动参与实践和设计，他们宁愿将时间放在英语考试或计算机等级考试上，却对单片机技术的实践和操作缺少兴趣，因此培养和调动学生积极性显得尤为重要。
2.教学实践改革中的有效建议
2.1教学项目的创新设计
教学项目是课程教学内容的载体，教学项目设计的好坏直接关系到单片机课程的教学效果。为了培养学生的创新能力，笔者设计了一些创新性的教学项目，旨在为学生提供更大的创新设计空间。比如：设计智能打铃器、盆栽自动灌溉装置、自动避障小车等。这些教学项目不仅可以锻炼学生的单片机开发能力，也可以为学生提供很大的创新空间。学生在完成这些项目的基本功能后，还可以根据自己的想象力对其进行改进，使其功能更加完善。
2.2n程题目的创新设计
单片机课程设计是单片机教学的一个重要检验环节，其题目的设计对于培养和考核学生的创新能力非常重要。题目的设计和选取可以从以下几个方面入手：借鉴历届电子设计大赛的题目；从日常生活中寻找与们课堂教学相关的资源，将其改良为可行性课题；以在研的教师科研课题为蓝本，将部分研究内容作为设计制作的题目供学生练习，培养其创新能力。比如，笔者根据自己的日常生活经验，设计了智能水杯题目，不限定水杯的具体功能，要求学生充分发挥自己的想象力和创新能力，分组设计出不同功能的智能水杯。各个小组完成了不同的创新设计，有的小组设计了具有自动显示水温功能的水杯，有的小组设计了具有定时提醒喝水功能的水杯，有的小组设计了具有音乐播放功能的水杯，等等。
2.3开发单片机创新实验装置
传统的单片机实验箱内部电路固定，学生只能按照实验指导书的步骤，机械地做一遍验证性实验，无法进行创新性设计。针对传统单片机实验箱的缺点，笔者开发了一套灵活性和扩展性强、易于升级的单片机创新实验装置。其设计思路是将搭建各种不同功能单片机系统所必需的组成电路分离，设计出各个独立的功能模块，在该装置上学生可自主选择功能模块，完成创新性单片机系统的设计。另外，利用Proteus与Keil软件整合构建单片机创新虚拟仿真实验室，它可为学生提供丰富的虚拟仪器和元器件资源，为学生提供良好的创新平台。
2.4请高校研究生作有趣易懂的产品设计报告
以往常有教师向院上提出应该多请专家给学生作专题报告以拓展学生的知识面，尽管学院作出了一定的努力，然而许多国内专家总是忙于手头工作，或者因为路程问题最后不能完成这一愿望，即便有的专家过来作完报告，却也难以收到预期的效果，一些学生往往反映太过深奥，或者难于理解或者与所学知识关联不大。对此我们可以请来高校一些发表过优秀论文的研究生，利用周末过来讲解和展示他们的设计成果这些研究生往往非常乐意奉献自己的论文成果，因此讲解得较为详细具体，并且可以做到浅显易懂而本科生在具有一定理论基础情况下都能听懂。
2.5 考核方法的创新设计
通常来说考核就是对教师教学效果的检验和学生水平的测试，同时也是督促和激发学生认真学习的原因和动力。在单片机的教学与实践改革过程中，我们提出了一种注重实践能力和应用能力培养的考核方式，课堂考勤占10%，平时成绩占30%期末考试占60%。这种考核方式突出的特点是平时成绩比例较高，同时对其考核将一半的分值设定为实验成绩，并对学生在实验中的具体表现从实验态度、完成实验的情况、实践动手能力和课程设计等几方面进行量化。
3.结语
单片机技术是电子类专业的核心课程，有较强的实践性，因此学生只有在单片机开发实践中才能真正掌握其开发方法、锻炼创新能力。但加强学生的实践应用能力和创新能力并不是一件容易的事情，需要教师首先转变教学的观念，从教学的教学项目、课程题目上大胆创新，并在实验装置上下功夫，做出创新，并通过产品设计报告、以及考核方法创新的辅助，全面的提升学生的创新能力，相信在坚持不断的推进、实践和努力中，一定能在学生单片机应用及创新能力提升上有所收获。
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文章编号：1671-489X（2013）33-0100-02
1 引言
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在电力、化工、家电和仪器仪表等工业控制领域得到了广泛应用。单片机原理及应用课程是一门实践性很强的课程，课程的开设不仅能提高学生的理论基础知识，而且能提高学生的实践能力[1-2]。
但在日常教学中，多采用以教材教授为主的传统教学模式，教学过程中有一些课时的实验。对于工程专业学生来言，只依靠教学过程中的实验，很难掌握单片机的教学内容。在本文中，以泰山医学院电子信息专业的单片机课程教授为例，在教学实践中将理论教学与科技竞赛结合[3-4]，采用“赛教结合”的教学方法，取得了较好的教学效果。
2 课程特点以及教学方法的改革
单片机原理及应用课程的基本任务是使学生掌握单片机硬件结构、接口技术以及相应的软件编程方法，掌握单片机应用系统软硬件的设计、开发、调试技术，具有较好的单片机实际应用能力，为进一步提高科学技术水平打下坚实的基础[5]。课程的特点是：
1）知识含量高，课程要求在掌握数字电路、模拟电路和微机原理的基础上才能很好地学习本课程；
2）内容结构复杂，本课程包括单片机的硬件结构、汇编指令系统和软硬件设计；
3）实践性强，单片机目的在于工程应用，所以要求学生能动手设计和开发单片机应用系统。
理论教学方法的改革 针对以上课程的特点，对理论教学方法进行了改革。
1）在教学过程中树立了“以学生为本”，以提高学生科学素质及创新思维能力为基点的指导思想。以学生为本，就是以教师为主导，以学生作为一切教学活动的主体、出发点和落脚点，加强师生互动，调动课堂内外一切手段，让学生主动地掌握课程知识，培养学生科学的分析思维能力及创新能力，提高学生科学的专业素质。
2）改进课堂教学，讲究讲课艺术。注重把讲课的科学性、系统性、启发性和趣味性相结合，配合现代化多媒体教学手段，努力增强教学效果。
3）在课堂教学中，讲授理论知识时，结合课程相关内容，以山东省机电大赛参赛项目为例，讲解理论知识。这样既避免了讲授理论知识的枯燥，提高了学生学习兴趣，又激发了学生的学习积极性，学生更积极地参与到科技竞赛中来。
4）针对医学院相关专业的实际情况，编写《单片机原理及应用》教材，教材内容中不仅保留传统教材中的理论知识，并且将与专业相关的科技竞赛案例作为题例来加以体现，使学生可以采用更得心应手的教材。
赛教结合在实验教学中的应用 为了掌握单片机应用系统的设计和实现，实验和实践是非常必要的一个教学环节。提高学生的动手能力，最好的方法就是让学生参与项目研究和开发，但是受实际情况限制，学生参与企业项目研究的机会比较少。山东省机电大赛是为加强大学生创新意识、合作精神和实践创新能力的培养，激发大学生科学研究与探索的兴趣和潜能，促进山东省高校机电类专业教育教学改革而设置的，每年举行一次。泰山医学院每年都参加，参赛产品中电气部分可以采用单片机设计，正好为学生通过实际项目研究，提高单片机设计与开发能力，掌握单片机课程提供了绝佳的机会。在教学中采用了以下方法。
1）以学生为主体，组建兴趣小组。为了让学生了解山东省机电大赛，每年让往年参加机电大赛的教师和学生做报告，使下一级学生了解大赛情况；并以学生为主，按照自愿原则组建兴趣小组，小组成员按照能力进行搭配，一个小组中既要有进行硬件设计的，也要有进行软件设计的。
2）以学生为主体，按照大赛主题，构想符合要求的项目。每年大赛举行完，组委会会公布下一届大赛的主题，教师将大赛要求告诉每一个兴趣小组，充分发挥学生的创新性，让小组构想符合要求的项目，这样可以调动学生积极性，提高学生的学习兴趣。当然，在构想过程中，教师会全程对学生进行指导。
3）利用已有实验设备，为学生搭建实践的平台。项目要加以实现，需要学生去努力实践，在教学中利用已有实验设备，让学生进行项目的设计和开发。为了支持学生进行科技竞赛项目的设计，实验室延长了开放时间，利用每年参加大赛获得的奖金购买电子元器件，并提供一些开发板，为学生实践搭建一个良好的单片机研究平台。
4）在实验教学中构想与大赛有关的实验项目。实验教学中，精心设计实验项目，将大赛中用到的知识点融合到基础实验中，并且结合机电大赛，构想了一些综合性实验。这样不仅加强了学生对基本理论知识的理解，同时使学生体会到知识在实际工程中的应用，提高了学生学习的兴趣。
5）坚持理论结合实验的考核原则。根据单片机课程实践性强的特点，在课程考核中，理论知识考核占70%，实验考核占30%，实验以报告结合实际实验结果形式提交，报告从内容、格式、结果和创新性等方面进行了详细要求，实验结果在实验室现场考核。
理论结合实验，以实验报告结合实际实验结果为考核依据的教学模式，能激发学生的学习兴趣，培养学生自学能力，提高学生的创新能力。
教学改革成果 科技竞赛活动是课堂知识的综合运用和延伸，将赛教结合方法融进理论和实验教学，不仅促进了学生掌握单片机知识，还对这种实践性强的课程的教学模式进行了有益的探索，教学改革取得了以下成果。
1）对于这种实践性强的课程的教学观念得以改变，不再过分强调学科本位，偏重和局限于理论知识，而是加强课程内容与学生生活和社会发展的联系，关注学生的学习兴趣。
2）对单片机理论和实验教学进行了探索。研究了将科技大赛与理论教学结合的教学方法，以及科技竞赛内容融合进日常实验教学的方式方法。
3）在参加大赛后，让学生进行总结，将他们的成果以论文和专利形式予以体现，学生已经发表两篇科技论文，申请两个国家实用新型专利，促进了学生科学研究的能力。
4）促进了学科交叉，在机电大赛中，结合医学院特点，提出了很多与医学结合的项目，如“背部按摩式多功能椭圆护理床”等项目。
5）参加大赛取得了优秀的成绩。课题组组织学生参加山东省机电大赛，获得一等奖两项、二等奖四项、三等奖五项，这样的成绩在同类医学高校中是十分优异的。
实践表明，这种以“赛教结合”形式进行的教学形式，不仅可以激发学生的学习激情，还可以加强学生科学研究的能力，更好地培养了理工结合、理论基础扎实、素质全面、实践能力与创新能力强的高级人才。同时在竞赛题目设计过程中，学生查阅大量各个行业的资料和文献，拓展了他们的视野。
3 结束语
在单片机原理及应用课程教学中，采用了“赛教结合”的教学方法，将其融合进理论和实验教学中，通过实际参加山东省机电大赛，学生进行应用系统的设计与开发，进而掌握单片机的理论知识和实际应用。通过问卷调查，大多数学生反映良好，并且反映在理论知识的理解和动手能力方面都有很大的提高。因此，通过实践表明，这种教学方法是行之有效的。
参考文献
[1]侯俊才，郭文川，侯莉侠，等.“单片机原理与接口技术”教学改革与实践[J].中国电力教育，2011（30）：196-197.
[2]张江印.高校单片机教学模式的研究[J].实验室研究与探索，2011（30）：103-106.
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在电子技术理论和实验教学中，经常需要设计出电路，并连接实物进行原理分析和验证，在电子线路设计过程中，不仅需要考虑各种元器件的参数、性能、功耗、封装等多种因素，而且在电路的实现过程中还需要经过大量多次的电路焊接、调试和实验，费时费力，这种传统的设计方法很难适应现代电子电路设计的规模化、低成本、短周期的设计要求，当然，也不能很好的适应现代化电子技术的教学。随着EDA（电子设计自动化）技术的发展，电子线路设计过程可以通过计算机软件，搭建仿真实验电路，灵活调整元件参数进行动态仿真，进而能显著提高设计效率，降低成本，缩短设计周期。
Proteus是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。可以从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。不仅对科研开发，而且对于电子技术课程教学、学生实验、课程设计、毕业论文设计、电子技能竞赛等都提供便捷的辅助功能，对培养电子技术创新型复合人才提供了最便捷的实验条件。
二、Proteus在电子技术虚拟实验教学中的优势
（一）Proteus软件的资源丰富
1.Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。
2.Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。
3.除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
4.Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
（二）Proteus支持电路仿真
1.Proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程通过多媒体展示，这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能。
2.Proteus提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。
（三）Proteus应用领域广泛
Proteus软件是一个巨大的教学、仿真、开发资源库，不仅可以用于：模拟电路与数字电路、单片机、嵌入系统、微控制器系统的教学、实验与考评，也可以用于真实的项目设计与产品开发过程。
三、Proteus在电子技术虚拟实验教学中的应用案例分析
（一）Proteus在电路分析课程中应用案例
应用Proteus进行电路分析时，通过如下设置：点击system――set Animation options――在对话框的Animation options 区域选择show wire current with Arrows，即可以箭头的方向表示电流的流向，帮助学生理解。同时，可以将电流表、电压表、功率表等连接到电路中，对电路参数进行测试，快速得到仿真结果。
（二）Proteus在数字、模拟电子技术课程中应用案例
应用Proteus还可以进行数字、模拟电路的仿真分析，例如用译码器74LS138搭建的仿真电路，当控制信号E1接电源，E2、E3接地时，通过单刀双掷开关选择ABC三个输入端子的不同组合，即可在八路输出端子产生相对应的译码输出，控制相应的发光二极管点亮。将抽象的高低电平用发光二极管和单刀双掷开关形象的表示出来，从而更好地帮助学生理解数字逻辑器件74LS138的译码功能，同时也使枯燥的理论内容变得生动形象。
（三）Proteus在单片机技术课程中应用案例
单片机技术作为电子专业课程，一直以来都是学生们反映较难理解的课程，因为其内容综合性强、实践性强、且比较抽象。单片机课程的实践教学以往多采用验证性实验，学生按照实验指导书，将所需的器件在单片机实验箱上进行连线，下载程序并调试。但是这种方法必须在实验室内依托硬件完成，对实验室的设备数量要求较高，且对于一些综合性实验，需要较多的元器件支撑。为了提高实践教学效率、改善教学效果、降低教学成本，在单片机理论、实践教学过程中引入Proteus软件。例如在矩阵按键控制实验中，就只需将元器件从元器件库中拖放到图纸上，按照电路图将元件连接，再将keil编译好的程序下载到单片机中，按下play键即可进行仿真。需要修改电路只需在图纸上进行，快捷方便。
四、结语
在电子技术课程教学中，利用仿真软件将理论教学、实验和课程设计有机结合，提高了电子技术课程的教学效果，开发了学生自主学习的潜在能力，激发了学生的学习兴趣和创新意识，开拓了学生的视野，增强了学生综合运用知识的能力和实际动手能力，为后续高频电路、单片机等专业课程的学习以及参加电子设计竞赛等奠定了夯实的基础。
参考文献：
[1]朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等.proteus教程――电子线路设计、制版与仿真（第2版）[m].北京：清华大学出版社，2011.
[2]周润景，张丽娜.基于proteus的电路及单片机系统设计与仿真[m].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
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1单片机项目驱动教学法
以往的单片机教学模式是以教师为中心，老师在课堂上按照教材，或者教学大纲按部就班的讲授理论原理和知识点；以课堂教学为中心，学生学习为被动接受，由于知识点综合性比较强，理论太深奥使得学生往往学习兴趣不高,同时缺乏动手实践机会，教学效果一般不够理想。以项目驱动的教学法是学生为主体，教师为主导，以实践应用为根本目标，围绕具体的项目构建教学内容体系，通过师生共同参与完成一个具体的项目而展开的教学活动。注重的不是最终的结果，而是项目完成的过程，在项目的教学实施过程中，学生按需学习，亲身实践，学生在项目的实践过程中，理解知识和掌握技能，学习成为一个参与的创造实践活动，培养分析和解决问题的能力。引进单片机项目教学方式打破了原有的教学组织安排，以项目的开发步骤作为教学内容，将课程的内容分解为一个个小项目，从项目引入到项目解析再到任务分解然后到知识点讲解最后知识点应用，将原教学方案里单片机的知识点穿插到具体项目开发的过程中[2]。这里面包含了软、硬平台搭建到项目展开再到项目完成的一系列教学活动，使学生从被动学习变为主动学习，按照这种方法我们将以往教学体系中的知识内容变化为若干个工程项目（见表1），然后围绕着这些工程项目任务的展开同时开展教学，让学生以具体工作目标的展开来进行教学环节的工作。有利于激发学生的学习积极性和创新能力，调动了学生的学习积极性。在这整个过程中，学生能很好的把握课程的知识要求，在体验创新与探索的过程中，又培养了学生们的分析解决问题的能力及团队协作能力等。
2模块化的单片机教学方法
任何复杂的系统都是由具有完整基本功能的功能模块电路组成，单片机应用系统也是如此，一般由cpu系统、中断系统、I/O口等。同时任何复杂的电路系统都可以分解为多个具备单一功能的模块电路，按照这个思路，学习单片机系统我们也可以从单片机的功能模块电路入手，我们根据学生的认知规律,和学习单片的一般原理的方法，机将单片机教学模块分成几个部分，这里面每个部分有自己的专用模块[3]。比如程序功能部分、硬件部分；在对硬件电路设计部分进行模块化设计，将单片机的各个功能模块以独立的原理图形式出现，我们把单片机个硬件按功能分为了键盘模块、数码管显示模块、传感器控制模块、模数转换模块、显示模块、通信模块等几大模块，如图1。各个模块通过面包板上预留的连接器与系统主板进行连接,然后用排线组合成所需要的系统。在教学过程中，要不断收集遇到的各种硬件功能模块电路，弄清它们的工作原理、性能及特性、特定的功能及使用方法，把系统化整为零，建立起自己的硬件模块库。指导学生学会搜集、分析别人的设计案例、论文和相关书籍中的功能模块电路，不断地充实自己的功能模块电路库，日积月累，学生就会觉得自己的单片机系统设计能力越来越强。最后在进行模块分解时，各模块功能尽可能专一，联系尽可能简单，使模块独立性强，方便教学实用的模块。
3总结
新兴本院校定位应用型教学型高校，以培应用型、创新型人才为目标[4]。在此基础上的以项目驱动法教学和模块化教学为主线，以实际应用为培养为目标的“单片机技术”课程教学改革思路，按照这个方式能使学生在项目模块化的环节中一步一个台阶。此教学法脱离了枯燥无味的说教模式，使学生在具体的设计项目的工作环境里轻松自在的状态来投入到学习中，思维能力、动手能力、学习能力以及团队协作能力都有了明显提高，模块化学习过程中所积累的各种电路系统模块也促进构建成学生进行科技创新实践、参加大学生创新创业训练的重要模块库，激发了学生学习的主动性和成就感。法国文化教育学家斯普朗格曾言：教育的最终目的不是传授已有的东西，而是要把人的创造力量诱导出来[5]。本课程的教学改革正是朝着这个方向前进。
参考文献
[1]胡敬朋,王聪.单片机项目教学研究及实践[J].南京:电气电子教学学报,2009(5).
[2]冯冬菊,虹,等.基于项目驱动的机械制图教学改革[J].实验室科学,2012,15(3):25-27.
[3]唐鸿儒,夏扬,黄亚忠.单片机课程的实践教学探索[J].南京:电气电子教学学报,2009(1).
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一、单片机教学的现状和存在的问题
（一）传统的理论教学环节
教师上理论课时，先讲述单片机的理论知识，如讲述单片机的概述与发展，单片机的内部结构，指令系统及I/O接口电路，而讲述单片机实例的课时比较少，达不到理想的效果，并且学生在学理论知识时，只是处于被动接受知识的一方，调动不了学生的主观能动性，学生对单片机知识的学习会感到很盲目，从而对这门课程产生不了很大的兴趣。
（二）传统的教学实践环节
教学实践环节分为实验教学环节和课程设计环节两部分。实验教学环节一般采取单片机实验箱，学生做实验时根据实验连线步骤连接好硬件电路，下载现有的实验程序，得出实验结果，一般只能起一个验证过程的作用，学生缺乏对整体电路的设计，也缺乏修改硬件电路和软件程序的机会，从而不能真正锻炼学生的动手实践能力。课程设计环节，对于设计一个单片机应用系统，要涉及到很多的单片机的专业知识，很多同学只是在网上下载一些实例，按照资料设计硬件电路图，复制其程序生成HEX文件，然后联调就基本仿真通过。如果要求他们改变或增加一些功能设计，很多同学基本完成不好，主要原因是他们还没有基本没有搞懂对应的知识。
二、单片机课程仿真案例教学的实施
（一）单片机案例教学简介
单片机案例教学就是将单片机课程所要求掌握的基本知识点、基本原理和方法都溶入到包含这些原理的实际项目例子的讨论与讲解之中，基于项目开发的过程来组织教学内容[2]。
（二）单片机案例确定
经过教研室教师对单片机案例进行设计，将单片机的基本知识点都包含到以下几个案例中。单片机案例从难易程度暂分为三个阶段，分别为第一阶段、第二阶段和第三阶段。第一阶段为初级阶段，基本掌握单片机的I/O口的使用，学生比较容易掌握，而且容易提高学生的兴趣。第二阶段为中等难度阶段，需要掌握单片机与各常用接口电路的应用。第三阶段比较难，涉及到的传感器驱动程序比较复杂。
（三）单片机课程仿真案例具体实施
1.教师进行具体案例任务的确定，并确定相应的单片机知识点，针对各个具体的案例，老师进行设问。同时，课前将下一堂课的案例材料发给学生，要求学生熟悉每一个案例的材料，针对设计的问题进行分小组思考和探讨。
2.在课堂教学组织方式上，每次教学过程均围绕一个案例进行各教学环节的组织，以任务目标为主线，结合相应案例对各相关知识点和技能点进行讲解，引导学生思考并提出相应的解决方案，激发学生的主观能动性和创新能力，学生在学习过程中以小组为单位，每组针对任务和要求进行分析，并对实现的方案、硬件电路和软件功能设计。最后，由老师进行总结和评价，指出案例所涉及的理论知识及其应用方法，就学生提出的问题进行解答[3，4]。
3.将实践教学环节溶入课堂教学，学生实践环节以课堂教学任务为对象，利用PROTEUS仿真软件绘制硬件电路图，用KeilC软件进行软件程序的编写，然后进行联合仿真调试。教师对学生调试过程中的重点、难点以及学生操作过程存在的问题进行实时点评，并要求学生在已经实现的硬件电路和程序的基础上，进行适当修改。
4.具体仿真案例教学的举例———交通灯案例分析。
第一，确定具体任务和要求：设置东南西北四个方向红、绿、黄共12个（或者6个，其中东西一组，南北一组）LED信号指示灯，南北方向的绿灯亮27秒，黄灯闪烁3秒，东西方向的红灯亮30秒，然后南北方向红灯亮30秒，东西方向绿灯亮27秒，黄灯闪烁3秒，依次循环，数码管倒计时显示，当出现紧急情况时，四个方向交通灯全部为红灯。要求利用并行接口芯片8255扩展设计相应的硬件电路、软件流程图和程序。
第二，确定交通灯案例的相关单片机知识点为：并行I/O接口芯片与单片机的接口电路设计，以及其相应的8255的驱动程序，定时器和中断程序，数码显示电路和按键电路驱动程序等。
第三，针对交通灯案例老师准备的问题：问题1：为什么设计黄灯和黄灯闪烁如何实现？问题2：倒计时1秒应该如何实现？问题3：紧急情况用什么来实现？单片机交通灯仿真图如图1所示。图1中南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮。P1口提供南北方向的段码，P2口提供东西方向的段码，P3.0-P3.3分别提供南北方向和东西方向数码管的位码，P0.0-P0.5分别提供6组交通指示灯。
三、单片机课程仿真案例教学的考核
单片机案例教学考核方法是课程教学的最后环节，它直接检验单片机教学的效果。随着教育教学改革的不断深入，变应试教育为素质教育，《单片机原理及应用》的考核应注重考核学生的实践和创新能力，该课程的考核一般采取开卷考试、实验成绩和平时成绩相结合的方式进行考核。其中平时成绩占20%，主要包括学生的考勤、作业、随堂测试以及课堂表现和回答老师的提问情况等。实验成绩占30%，主要考查学生的硬件电路的设计和软件编程能力，在完成基本的实验任务时，然后根据思考部分的提问进行相应硬件电路和软件程序的修改。开卷成绩考试占50%，主要考查学生单片机理论知识、单片机接口电路设计和软件编程。
四、结束语
文章针对传统单片机教学过程中存在的不足提出了单片机案例教学方法，将单片机的理论知识融入到实际的案例中去，在讲述案例的同时插入理论知识的讲解，这样充分调动了学生的学习兴趣，增强了学生对单片机的综合应用能力。基于单片机案例教学已取得了较好的效果，对学生参加各类电子设计竞赛和毕业论文设计具有较大帮助。
参考文献
[1]孙军业.案例教学[M].天津：天津教育出版社，2004.
[2]陈锟.单片机课程案例教学的思考与探讨[J].中南民族大学学报，2008（27）：10-12.
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0 引言
随着我国工业现代化建设的快速发展，能源短缺日益严重，合理的利用能源变得更加重要。在流体传动及控制技术领域，节能技术同样必不可少。开展流体传动节能技术的研究不仅可从现有液压设备的节能技术改造中获得巨大经济效益，而且也是我国在先进制造业上赶超国际先进水平的需要[1]。在工业生产中变量泵是实现液压系统高效、节能的基础，因此研发性能优良的变量泵是流体传动节能技术研究的重要课题之一。
目前液压系统中的液压泵主要有齿轮泵、柱塞泵、叶片泵、螺杆泵等，其中的叶片泵是广泛被使用的一种液压泵。叶片泵按其结构来分有单作用式叶片泵和双作用式叶片泵。单作用式叶片泵主要用作变量泵，由于单作用叶片泵转子、主轴和轴承所承受的径向力较大，影响了泵的使用寿命和压力的提高。而双作用叶片泵的突出优点在于径向作用力平衡，但是由于结构上很难实现排量的变化，使用上也受到了限制[2]。因此，若能开发出可实现变量的双作用叶片泵，就可以将这两种泵的优点结合起来，既能克服径向不平衡力的缺点，又能实现排量的变化。针对这一技术问题，国内外很多学者都在进行研究探讨，研究的核心就是双作用叶片泵如何实现变量。目前比较成熟的变量方法是通过驱动泵的定子圈偏转，改变泵的定子和配油盘的位置关系，来实现排量的变化。
本文所要介绍的数字式双作用变量叶片泵是在这种变量方法的基础上，提出了以步进电机作为机电转换装置，以单片机作为控制器的数字式双作用变量泵。这样不但解决了双作用叶片泵的变量问题，同时实现了泵的数字化调节与控制，对于合理利用能源，提高液压传动工作效率具有重要的意义。
1 双作用变量叶片泵的工作原理
图1（a）、（b）分别是泵全排量时定子圈的位置和零排量时定子圈的位置示意图。通过转动定子圈，使其与配油盘之间的相对位置关系发生改变，也就是在需要泵输出流量时，调节定子使其过度曲线对应于配油盘吸、压油窗。而在不需要输出流量时，使定子的长半径和短半径圆弧段与配油盘的吸、压油窗相对应。因为这时工作容积不变，所以不吸、压油，即为零排量输出[4]。
但是，在定子圈偏转的时候，势必会产生比较大困油现象，影响泵的正常工作。为了解决这一问题，我们将定子圈做成两片叠加起来使用，同时把叶片等分成两个，并排地插在转子叶片槽中。当一个定子环长半径圆弧与吸油窗相对时，使另一个定子长半径圆弧与压油窗相对。因此当每个工作空间在经过定子过度曲线段时，正好在一个定子圈内是由大到小变化，而在另一个定子圈内是由小到大的变化。这样，由大到小的压缩容积就被另一个由小到大的容积所吸收，总容积并没有变化。这时，泵将零排量输出。如图2所示。
当需要从零排量到全排量变化时，必须同时使两定子圈反向偏转。使yy1y2重合，xx1x2重合，如图3所示。这时两片定子圈的过度曲线段都正好与吸、压油窗相对，泵将全排量输出。
综上所述，调整定子圈y1-x1，y2-x2与配油盘y-x的偏转角度α便可以调整其输出流量的大小。其中αmax=π/4，0≤α≤π/4，（度）。这样双作用变量叶片泵的理论流量公式就可以写成
式中：qtp为变量叶片泵的理论流量（m3/s）；B=b1+b2，b1，b2为单个叶片宽度（m）；R为定子内圆弧大半径（m）；r为定子内圆弧小半径（m）；δ为叶片厚度（m）；z为叶片数；θ为叶片倾角（°）；n为转子转速（r/s）；α为定子圈偏转角，αmax=π/4，0≤α≤π/4（°）。
2 变量机构控制方法
如何实现定子圈的偏转是双作用变量叶片泵最关键的问题。从全排量变到零排量或从零排量变到全排量时，要求两定子的偏转角同时作反向变化。驱动定子圈同时反向变化的机构即为变量机构[4]。本文采用51单片机作为数字化控制器，步进电机作为动力源，螺母丝杠作为传动副，数字阀控缸驱动齿条式柱塞与定子外圆柱面上加工出的齿相互啮合的方式进行工作。如图4为驱动一片定子圈偏转的变量机构工作原理图。
阀芯通过一个螺母丝杠副和步进电机相连，阀芯插入到活塞上端部配合的阀套中。并在活塞上开了三个阀口。a口和压力腔A相连，压力腔A在底部和排油口相连通。通过b口把控制腔和活塞内腔连在一起。c口与回油腔相连。当需要变量时，根据泵输出流量的要求，通过事先编辑好的程序，单片机发出相应的脉冲信号，经功率放大器放大后驱动步进电机，步进电机以相应的频率和转向转过一定的角位移θ，从而带动螺母转动并由丝杠提动伺服阀芯作向上或向下的运动，产生位移xv，使伺服阀口开启，这时泵靠自身油液驱动变量柱塞随阀芯的位移而运动，产生位移xp，进而驱动一片定子圈偏转角度α。另一片定子圈和变量机构原理相同。所以，通过这两个变量机构就可以使两片定子圈同时反向偏转，使泵实现全排量—零排量—全排量的变化，达到变量的需求。变量机构的控制框图如图5所示。
3 变量机构数学模型分析
3.1 变量机构基本方程
式中：xv为阀芯的位移量（m）；β为步进电机步距角（°）；t为螺距（m）；j为螺纹头数；Ni为单片机发出的脉冲数。
②变量柱塞的位移量
齿条柱塞与外圆加工齿的定子是齿轮齿条啮合，所以变量柱塞的位移量与定子偏转的角度的关系为
式中：xp为变量柱塞位移量（m）；α为定子圈偏转角（°）；Df为定子圈与变量柱塞组成齿轮齿条啮合分度圆直径（m）。
3.2 泵静态调节流量公式
由于伺服阀和变量缸是随动关系，因此，xv=xp，即
式（6）即为数字化双作用变量叶片泵的静态调节流量公式。由（7）、（8）可知该式中，Kq和Kβ均为常数。
3.3 变量机构参数化分析
本文是以YB1-25型叶片泵作为研究基础，结合该泵的部分结构参数，设计定子内圆弧大半径长度R为32.5mm，定子内圆弧小半径r为28.5mm，定子分度圆直径Df为75.5mm，叶片宽度B为20mm，叶片厚度δ为1.8mm，叶片倾角θ为13°，叶片数z为12。泵的转子转速n为1000r/min。本文采用了歩距角为1.5°的36BF003型步进电机；采用d=20mm，t=4mm，j=1的丝杠螺母副。根据泵的结构参数，设计变量柱塞由全排量到零排量行程为xp=29.6mm。这样全行程29.6mm所需要的脉冲数Ni=360°xp/βtj=1776个。据此，我们可以计算得到当定子偏转一定角度时，单片机需要发送的脉冲个数。如表1所示为定子偏转角以5度为间隔时，对应的单片机需要发送的脉冲数以及此时泵的理论流量。
由此，可以绘制此变量泵由全排量到零排量静态调节qtp-Ni特性图，如图6所示。
由此图可以看出，泵流量qtp的变化只取决于单片机发出的脉冲数Ni。因此，我们可以编写相应的单片机程序，来控制发送脉冲的个数，从而使泵的排量发生改变。
4 结论
本文针对双作用叶片泵实现变量的理论做了简单了陈述，在此基础上针对双作用叶片泵实现变量又做了数字化的改进。通过对泵变量机构数学模型的分析，得到了泵静态调节流量公式，绘制出qtp-Ni特性图，并对变量机构进行了参数化析。由此得出，通过控制信号输出量的变化就可以使泵排量发生相应的改变。因此基于单片机控制，步进电机驱动的数字式双作用变量泵是成立的。但是必须要进行参数优化以及动态实验研究，使其得到进一步的改善。
参考文献：
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在专业能力培养中的定位 该课程定位于让学生树立以交直流电机为控制对象的完整的自动控制系统的概念，结合已学过的电路原理、数字电子技术基础、模拟电子技术基础、单片机、电力电子技术等课程，搭建以电机为控制对象的闭环控制系统，并完成对电机性能的调试和控制。
与核心课程群中其他课程在知识体系与能力培养上的整体设计 《电机应用技术》与自动化专业的其他核心课程之间的关系，如下图所示。在一个完整的闭环控制系统中，《计算机控制》《单片机》《PLC》是控制手段，《电力电子技术》《数电》《模电》提供电机的驱动电路，《电机应用技术》构成系统的控制对象，《运动控制技术》和《控制系统设计》提供系统的理论概念和分析方法，《自动控制理论》《系统建模与仿真》《智能控制》偏重原理性地介绍和理论的分析，主要定位培养学生的系统概念和理论分析能力。
基础知识要求 要求掌握直流电机的结构和基本工作原理、直流电动机的电力拖动、变压器基本工作原理和变压器组别判断、交流电机的结构和基本工作原理、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、微特电机以及电动机的容量选择等。知识点：电力拖动系统的运动方程式;直流电机的工作原理、内部结构、用途、运行特性以及他励直流电机的起动、调速和制动;变压器的结构和工作原理、变压器空载运行和负载运行特性、变压器的接线组别判断;三相异步电动机的工作原理、内部结构、用途、工作特性、参数的测定、运行特性、三相异步电动机的起动、制动和调速问题;了解伺服电机、步进电机、测速发电机、无刷直流电动机的结构和基本工作原理。
能力培养要求 培养学生了解直流电机、变压器、交流电机的运行特性分析，同时结合已经学习过的电路原理、数字电子技术基础、模拟电子技术基础、单片机、电力电子技术等课程，搭建以电机为控制对象的闭环系统，树立闭环反馈系统的整体概念，完成对电机的性能分析和控制。技能点：能够搭建以电机为控制对象的闭环控制系统，并对电机性能进行分析，同时借助单片机等控制手段完成对电机的智能控制，能够独立完成闭环系统硬件搭建和调试，掌握PID等经典控制算法在实际系统中的应用。
实践教学要求 利用课外时间以三四人的小组为单位，搭建直流电机的闭环控制系统，要求完成硬件系统搭建、软件程序编写与调试以及报告的撰写。通过本次设计，增加学生对电机理论知识的感性认识，完成理论到实践的转换。
作业要求 随堂课后作业、课外引导性项目实践设计、网上在线测试。随堂与课堂讲授知识点匹配的作业要求跟随进度完成;课外引导性项目实践设计分6周完成，完成硬件系统搭建、软件程序编写与调试以及报告的撰写，实施分组进行。
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