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GSM模块单片机创新实验设计实践

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摘要:提高学生的创新素质和实践能力是当今高校的迫切需求,设置单片机创新实验符合创新性教学的理念。以学号151003142为负责人的创新小组选取“GSM通信”设计任务,以共享储物箱为应用背景,设置了基于单片机与GSM模块的储物箱终端控制系统,经过仿真实验和实物调试,实现了物品存取、短信通知等功能。经过教学实践证明,基于GSM模块的单片机创新实验,既夯实了学生的理论知识,提升了学生的创新实践能力,也有助于创新创业实验室的建设。

关键词:创新实验;GSM;单片机

创新性实验是普通高等学校教学质量与改革工程的重要组成部分。其目的是通过真实的工程验证帮助学生消化所学课堂内容,提升实践能力,拓展知识结构和思维意识,让创新反哺教学。因此,在专业向应用型转变和国家实施创新驱动发展的战略背景下,课题组将“单片机与接口技术实验”进行课程改革。将传统的以验证性为主、综合性为辅的实验教学架构,转变为基础验证性、仿真综合性和应用创新性三类共存的单片机实验教学模式。其中,单片机应用创新性实验是让学生通过硬件设计、程序编写、运行调试等实现单片机创新实践设计,是新模式的难点和重点。单片机应用创新性实验实现教学的实践性、创新性和开放性,符合创新性教学理念,代表着科研、实践与教学的有机结合[1-3]。同时,课题组结合单片机应用创新性实验建设了辽宁大学创新创业实践平台,学生的创新设计转化为教学资源。总之,创新性实验的建设,对于提高学生的应用能力和创新精神、夯实知识空间有着非常重要的意义。

1创新实验设计

课题组设置的单片机应用创新性实验,是学生通过查阅资料、设计硬件电路、编写程序、安装调试等环节,完成一个涉及单片机多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用[4-6]。目的是使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来,而且在软件编程、排错调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高;使学生增进对单片机的感性认识,强化单片机应用电路的设计与分析能力,提高学生在单片机应用方面的实践技能和科学作风。课题组设置“GSM通信”、“电机控制”、“红外检测”等单元,以设计任务的形式,由学生创新实验小组自选或抽选。创新性实验为3人一组,自选组长,其中组长占团队成绩的40%,组员分别占总成绩的30%;需要团队提交设计实物、成果演示视频、设计报告等。每组抽选实验内容,并领取实验耗材,规定时间内递交实验成果。学生可利用实验室提供的实验装置和实验模块,根据各组学生的构思来动手实践形成一个具备实现设计任务的单片机应用系统,各组成绩的高低取决于所设计和实现系统的功能。

2内容设计

本文以“GSM通信”单元为例,设计任务要求以某一应用为背景,实现GSM模块的自主收发信息[7-9]。课题组对所需的实验耗材提供多种方案,创新实验小组可根据设计内容自主选取;对特殊种类耗材或未在提供范围内的耗材,创新实验小组可申请经费自行采购。课题组提供“GSM通信”单元有如下几种固定模块方案。

2.1主控模块

在选取主控模块时,考虑其操作简单与价格优势的特性,课题组提供了三种选择方案:方案一是ATMEL公司的AT89S52芯片;这是以89C51单片机的结构和指令为基础的,是一款标准的高性能单片机,同时也是与专业的单片机理论课程讲解内容一致。方案二是宏晶公司的STC12C5A08S2芯片;这是具有1个时钟/机器周期、8通道10位高速A/D转换、宽工作电压,具备超强抗干扰能力、超低功耗、高可靠性,管脚直接兼容传统89C52的新一代芯片。方案三是基于Cortex处理器内核的STM32;其融合了高性能、实时性、低功耗、低电压、数字信号处理于一身,同时保持高集成度和开发简易的特点,但其模块知识超出了学生课堂所学。

2.2键盘模块

在选取键盘输入模块时,课题组考虑其链接简易与按键符合需求的特性,提供了三种选择方案。方案一:独立式键盘。独立式键盘特点是各按键相互独立,每个按键占用一根I/O口线。通过检测电平状态,很容易判断哪个按键被按下。这种按键软件程序简单,但占用I/O口线较多。方案二:矩阵式键盘。矩阵式键盘又称行列式键盘,常用于按键数目较多的场合,它由行线和列线组成,按键位于行列的交叉点上。与独立式键盘相比,单片机口线资源利用率大幅提高了。方案三:编码键盘HD7279模块。其芯片功能强,具有一定的抗干扰能力,与单片机间采用串行连接,可控制并驱动8位LED数码管以及实现8*8的键盘管理。

2.3显示模块

课题组提供显示模块时,考虑其显示清晰和功能符合需求的特性,共有三种选择方案。方案一:LED数码管。优点是操作简单,可实现动态扫描;缺点是操作接线时非常繁琐,同样编程会更加繁琐。方案二:8*8点阵式显示器。点阵式显示器是由发光二极管按矩阵方式排列而成,其应用广泛,公共场合随处可见,但缺点是显示不够直观。方案三:LCD1602液晶显示模块。与数码管的显示相比,无论视觉的直观性还是画面的清晰性都有非常强的优势,同样非常大众化。

2.4GSM通信模块

考虑到短信发送的稳定性和安全性,短信发送单元利用GSM电路模块完成。GSM模块是一个类似于手机的通讯模块,可以发送短消息、语音等等,信号稳定,且通讯距离不受周围环境影响[10]。课题组推荐了SIM900A芯片和TC35i作为GSM模块的选择。SIM900A是SIMCom公司生产的一个2频GSM模块,其体积小,通过串行控制SIM900A模块采用PC实现的发送和接收的短消息的功能,几乎能满足在空间尺寸要求的应用所有用户。芯片TC35i是SIEMENS公司专为GSM通信设计的专用模块。具有语音、数据、传真和点对点短信功能,在3.5~4.8V范围内均能正常工作。对ATCommandsInterfaceVersion所定义的主要指令都能很好地执行,另有扩展指令20多条。

3实验结果与分析

对于单片机应用创新实验,课题组只是规定了设计目标和必须完成的任务,而具体的设计和实现由各组学生自由发挥。成绩的评判标准以单片机应用设计的功能决定。下面选择“学号151003142为负责人”的实验小组为例,其以共享储物箱为应用背景,设置了储物箱终端控制系统,主要完成物品的暂存和自主寄取。给出该组创新实验设计结果。学号151003142为负责人的创新实验小组,对主控模块、键盘模块、显示模块和GSM模块等进行了研究和设计。根据设计方案的需要和自身的实际情况,选取了STC12C5A08S2芯片作为主控模块、矩阵式键盘为输入模块、LCD1602液晶模块为显示模块、SIM900A为GSM通信模块、蜂鸣器为实时报警单元。同时,利用Protues软件进行仿真验证,验证结果如图1所示,实验模拟电路成功运行了程序,实现了设计的功能。提交作业考核时,课题组在实验室内对储物箱的实际功能进行测试,基本实现了如下功能骤。第一步:开机后显示WELCOME界面,LCD提示输入取件人手机号码。第二步:快递员按键盘上的*号键并输入原始密码123456打开快递箱,如图2所示。第三步:快递员将快递放入快递箱后,快递箱自动关闭显示。同时,单片机按照程序继续运行自动发送短信到第一步中输入的电话号码。第四步:用户收到短信“请取快递验证码******”,按A键后并输入短信中的验证码,按#号键确认。确认成功后,快递箱提示输入正确并打开。

4结语

基于GSM模块的储物箱创新实验是由学号151003142等学生在单片机应用创新实验中设计并实现的。该组同学在阅读有关文献的基础上,提出基于GSM模块的储物箱设计方案。储物箱可以通过矩阵键盘输入模块进行开锁,并且通过矩阵键盘设置用户的手机号,通过SM900A模块发送GSM通知短信给收件人;用户收到验证码后,可以通过按键输入验证码进行取件,同时操作时输入信息可以在LCD1602显示屏上进行显示。经过仿真实验和实物调试,验证了以上一系列动作可实现快件存取、短信通知等功能,实现了基于单片机与GSM模块的储物箱设计。同时,课题组将单片机应用创新实验与学校的创新创业实践平台结合,经过学生和教师的实践运行得以证明其可行性。实践表明:这种将本科学生的创新实验与实验室建设相结合,既可让学生有机会参与具体的工程实践,同时学生的优秀设计又可以服务于实验室建设,更为以后的教学和学生实验实践提供参考,使实验资源得以充分利用。

作者:许超 闫袁琳 徐文想 龙跃 单位:辽宁大学

GSM模块单片机创新实验设计实践责任编辑:张雨    阅读:人次