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育才造士、技能报国:“抗疫神器”(红外测温枪)的设计与制作——《单片机控制技术》课程思政案例

作者: 澳门十大正规网赌网址谭建斌   信息来源:    发布时间: 2020年07月27日 10:32

该案例获全国职业院校课程思政案例优秀奖

(该案例获得全国职业院校课程思政研究院承办的全国职业院校“战疫课堂”课程思政典型案例征集活动优秀奖)

一、案例综述

1.案例挖掘

岁末年初,一场突如其来的新型冠状病毒肆虐武汉,席卷全国,无数白衣战士用无私无畏的坚守,为人民生命安全撑起一片晴空。在新冠肺炎疫情防控一线,体温枪(也叫红外测温枪)成了这场没有硝烟的战争中必备的“武器”,高速公路、车站、小区、超市、单位等公众场所出入口,总有人拿着体温枪帮民众测体温。虽然“发烧”并不是肺炎患者的必备症状,但体温监测仍是疫情检测的第一关口,体温枪为我国迅速控制疫情提供了重要保障。

体温枪外形小巧,反应快速、灵敏,契合了疫情期间高效安全的测温需求。被广泛用于小区门口、汽车站、飞机场、港湾、高速路口等众多人口流动的要塞,与口罩、防护服并列为 “抗疫神器”!

当人们被体温枪频繁检测体温时,不少人产生了这样的疑问:体温枪会不会对身体有害?会不会间接造成病毒传播?主要利用了那些高科技呢?

其实,体温枪(红外测温枪)的工作原理对于工科类的同学们来说是很简单的:大自然中,任何物体都会对外产生红外热辐射,我们的身体也会对外产生一定强度的红外辐射,体温枪利用红外温度传感器采集人体皮肤表面的红外辐射强度,采集的数据经过单片机的运算处理,再通过数码管或者液晶屏等显示器件显示出来,显示的数据就是我们所看到的体温值了,故体温枪属于一个采集器,不会对身体有害。由于红外测温枪属于医用非接触式测温,不会直接接触到人体,因此,即便给被感染的人测温,也不会造成病毒传播。

2.课程简介

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、使用方便等优点,广泛应用于工业控制、航空航天、智能仪表、家用电器、医用设备、汽车电器等各个领域。《单片机控制技术》是我校光伏工程技术、电子技术等专业的一门重要的专业必修课程,以《电路基础》、《电子技术基础与实践》、《C语言程序设计》等课程为基础,是一门实践性、应用性很强的课程,学习本课程不仅需要学生掌握与单片机相关的理论知识,还需要培养学生动手实践能力、综合设计能力和创新能力,对学生后续专业课学习、毕业设计、各类竞赛等提供知识支持,为其继续深造和提升就业能力都大有裨益。

3.课程案例与思政教育的结合点

本课程根据每个单元的知识及实训内容,分别选取相关的思政题材对学生进行思想政治熏陶和教育,思政题材包括爱国情怀、法治意识、社会责任感、工匠精神等方面。

“抗疫神器”(红外测温枪)的设计与制作是在原来课程章节--“项目五:温度监控系统的设计与制作”中结合当今疫情的情况下挖掘出来的,通过自己制作一款较为准确的手持式红外测温仪(红外测温枪),引导学生弘扬爱国主义精神、科学精神、工匠精神、奋斗精神,自觉担当青春使命。

红外测温枪的设计与制作章节的知识目标,技能目标以及思政目标如下:

知识目标:

1.熟悉LCD1602液晶显示控制的相关指令;

2.掌握LCD1602液晶模块引脚特性;

3.掌握红外温度传感器MLX90614的工作原理。

技能目标:

1.能运用LCD1602液晶屏显示对应的数据;

2.能运用红外温度传感器MLX90614开发简单的产品;

3.能运用万能板焊接较为复杂的电子产品。

思政目标:

1.通过红外测温模块GY-906使用的是Melexis公司MLX90614传感器,由芯片导入核心技术是国之重器,鼓励学生要勤奋学习、积极掌握技能,提高自主创新能力,培养学生的爱国主义精神和科学精神;

2.通过焊接复杂的万能板电子产品,鼓励学生要认真细心,严格要求,培养学生的工匠精神和奋斗精神;

3.通过制作一款精准的红外测温枪案例,鼓励学生为了达到医疗标准,需要不断改进程序算法以及优化硬件电路,产品经得起检验,培养学生的工匠精神和社会责任感。

二、案例解析

1. 思路与理念

在课程教学过程中,执行“以应用创新为目的”的思路,重点讲解元器件工作原理、功能以及使用方法,使得学生在了解原理的基础上,能根据性能指标设计合理的单片机应用系统并进行正确合理的选型,培养他们的自由、文明、公正、爱国和敬业精神。

案例基于“以培养职业能力为核心,以工作实践为主线,以项目为载体,用任务进行驱动”的设计理念,在教学过程中使用项目化教学,任务驱动的教学方法来设计课程内容。先实践,后理论,在实践中以点带面,带动理论的学习,以应用设计为切入点,注重学生动手能力的开发和培养。具体如下:

1)根据工作过程开发建设课程案例资源库

《单片机控制技术》课程是依据“光伏工程技术专业专业工作任务与职业能力分析表”中的光伏应用产品设计与开发工作领域而设置的,结合现如今的疫情,为培养学生的爱国主义情感和社会责任感将原有课程的教学内容光伏组件产品温度检测项目(项目五 温度监控系统的设计与制作进行解构,组建工作过程体系下的工程项目,丰富教学资源,对于显性的技能训练不断进行丰富,对于隐性的理论依托找到更加合适的训练载体,形成技能训练与理论支撑的相互促进,完成职业能力培养目的。深入挖掘《单片机控制技术》课程中爱国主义素材,激发学生的爱国主义情感和社会责任感。

2)依据认知规律安排课程案例顺序

将课程资源库内的项目(案例)按照认知规律进行排序,比如红外测温枪的设计与制作”项目,可以分为:任务1:单片机最小系统的制作,让学生回忆一下前面学习的基础知识,温故而知新;任务2:红外测温模块的设计与制作,重点学习一款医用红外温度传感器MLX90614基本知识,及其与单片机的通信与编程;任务3:液晶显示模块的设计与制作,在学生回忆以前学习过的LCD1602液晶显示的基础上,结合此红外测温模块能够实时显示温度数据,增加项目实用性,让学生规划设计项目,深入单片机的技术参数;任务4:红外测温计软硬件调试,增加项目的实践性、先进性,提高学生的动手能力和专业能力。

从项目所使用的医用红外温度传感器MLX90614是Melexis公司生产的,导入核心技术是国之重器,鼓励学生要勤奋学习、积极掌握技能,提高自主创新能力,培养学生的爱国主义精神和科学精神。

3)丰富课程资源提高学生学习兴趣

由于疫情期间不能面对面、手把手的指导学生做实验,所以需要精心录制教学视频,以及使用单片机仿真软件进行虚拟仿真实验教学,以提高学生们学习的兴趣:比如可以使用电路虚拟仿真软件proteus仿真单片机电路,使用编程软件(keil)进行编程,最后可以把编写好的程序下载到仿真电路里面去看现象,比如基于DS18B20的数字温度计的设计与制作的程序编写软件和电路仿真图,如下图1、2所示:

另外搜索单片机使用手册比如STC89C51中文手册、STC15中文手册,以及MLX90614红外芯片中文数据手册等参考资料,利用网络课程平台和直播两种途径引导学生自主学习和查阅等。

疫情期间很多国家级精品示范课程也都免费开放,可以推荐和课程相关的优秀课程给学生自主学习,还可以推荐很多优秀的自学视频网站和论坛,引导学生:疫情尚未解除,同学仍需努力,可以宅家修炼,争取弯道超车!

      

1:数字温度计程序编写软件                图2:数字温度计电路仿真图

2. 设计与实施

2.1 系统方案设计和硬件制作

1) 红外线测温原理

体温作为人体的基本生理指标 ,一直以来都是临床基本和生命体征判断的重要依据。近期流行的新冠肺炎,其外部一个重要的症状是有发热现象,所以通过监测人体体温对控制疾病的快速传播变得非常重要,只有这样才能够在早期将发现的感染者隔离,推迟疫情的爆发,有助于政府有更多的时间来组织。

温度的测量方式可以分为接触式和非接触式两类。传统的体温测量采用的是水银温度计,它是接触性测量,需要与人体进行热交换 ,只有热交换完毕,才能得出体温结果,使得检测速度慢且易于产生交叉感染。

红外测温属于非接触测量的一种,它不需要与被测物进行接触,通过热辐射测温原理,响应速度快(如下图3、4所示)。鉴于这个特点,近年来,科技界对红外测温进行的更深入的研究和传感器的研制,在温度分辨率、测温范围、稳定性上得到的长足的进步,使得红外测温在医疗 、工业、航空、军事 、消费类产品上均得到的越来越广泛的应用。

 

 

 

 

 

 

3 红外测温枪                4  红外测温枪的工作过程

2)红外测温枪设计任务要求

系统在工作时,操作者先将红外测量仪对准被测物1-2cm,接通电源,随后红外传感器就会把温度信号传送到STC89C51中进行处理,然后送到液晶显示屏LCD1602上显示。该系统可以调节报警的上下限,当实时温度高于设定温度时,报警灯快速闪烁,蜂鸣器持续响;正常温度时,只有蜂鸣器发出“嘀—嘀”两声;温度低于设定温度时,报警灯持续点亮,蜂鸣器持续响。另外,该系统还可以进行温度值的微调与校准。

3)系统总体硬件设计

系统总体硬件方框图如下图5 所示。采用课程主要学习的单片机控制芯片STC89C51作为系统的控制核心,负责接收并计算测量温度值,并通过液晶显示模块LCD1602直观地把温度值显示出来;GY—609红外测温模块负责温度数据的采集,并将采集到的数值传回给单片机;电源模块负责提供电源并且在电量低时给出提醒;声光报警模块主要是根据系统测量的数据和预设的数据进行对比,数值不一样的时候进行相应的声光提醒,根据系统硬件方框图利用PTROTEL软件画出对应的电路图,参考如下图6:

 

5 系统总体硬件方框图

 

6 红外测温枪参考电路图

4)GY-906红外测温模块介绍

系统采用的是GY-906传感器产品(HW-691模块),其核心是使用了Melexis公司的MLX90614传感器,MLX90614传感器是一个系列,有许多的的子型号,在性能和外观上略有差异,具体产品图如下图7所示。

MLX90614 是一款红外非接触温度计芯片,它的金属外壳里面同时集成了红外感应热电堆探测器芯片和信号处理专用集成芯片,以及17 位的数模转换器和数字信号处理器,具有高精度和高分辨率的优点,MLX90614 测量的温度是物体温度的平均值。 MLX90614 的物体温度和环境温度的测量和计算是利用内部状态机控制的,经过处理后,由 SDA 输出。在 MLX90614 中使用到 I2C 通信, I2C 通信共有两根信号线,并且是双向的,一根是 SCL 时钟信号,另一根是SDA 数据信号线。

 

7 GY-906红外测温模块实物图

 

疫情期间,原来只需要40元左右的芯片,现在基本上都是120元以上,而且还供不应求,如图8所示,主要是芯片核心技术是国外Melexis公司的,核心技术是国之重器,落后要挨打。

 

 

8 某宝上供不应求的红外测温模块

5)系统硬件制作

疫情期间,学校的实验室没有开放,雕刻机等制板设备不能使用,故可以采用万能板进行焊接,焊接的时候主要注意以下几点:

1)初步确定电源、地线的布局。电源贯穿电路始终,合理的电源布局对简化电路起到十分关键的作用。某些万能板布置有贯穿整块板子的铜箔,应将其用作电源线和地线;如果无此类铜箔,你也需要对电源线、地线的布局有个初步的规划。

2)善于利用元器件的引脚。万能板的焊接需要大量的跨接、跳线等,不要急于剪断元器件多余的引脚,有时候直接跨接到周围待连接的元器件引脚上会事半功倍。另外,本着节约材料的目的,可以把剪断的元器件引脚收集起来作为跳线用材料。

3)先焊接完电源部分,进行测试,如果电源led灯亮,则可以进行下一步焊接;

4)焊接尽量按照模块的划分来焊接;

5)焊接完一个模块都要用万用表测量一下电源和地之间是否出现短路,如果有短路,需立即检测何处焊接导致的短路;

6)焊接器件时,应该先焊接小器件,再焊接大器件,先焊接低器件,再焊接高器件;

7)电路板通电之前要避免有其他散落在板子上的金属物导致短路,通电后禁止焊接和用手触摸芯片。

参考焊接产品图如下图9所示:

 

 

 

 

 

 

 

9 红外测温枪DIY产品图

2.2 系统软件设计

系统通电以后,首先执行初始化程序,主要对51单片机和红外模块以及液晶模块的初始化,红外模块检测到的数据发送给单片机进行处理,单片机处理后发送给液晶显示屏进行显示,如果有按键输入,则执行按键程序。按键可以通过调整温度的上下限来控制声光报警以及数据的微调校准,程序主要采用keil软件编写,工作流程图和主要程序参考如下图10、11所示:

        

10 工作流程图                    图11 主要程序参考

2.3 软硬件联调与测试

经过电路的制作及不断的整机软硬件的联合调试,系统测量的精准度能够达到0.1℃,检测温度的范围可以在 150℃以上。实际的数据的测量如表1所示:

1所示是同一个人在同一时间的不同仪器测量的温度数值比较,从上表可以发现,红外辐射测温仪所测量的温度值和水银体温计所测量的温度值存在一定的误差。主要是因为用红外辐射测温仪所测的是人体手部皮肤表面的温度,它会受周围环境温度的影响;水银温度计测的是人体腋下的温度,这两种测温仪器所测人体的部位有不同,也是导致结果误差的原因。

1 某成年男子体温实测值

   日期

仪器

4月1日

4月2日

4月3日

4月4日

4月5日

4月6日

4月7日

红外测温计

36.2

36.1

36.1

36.0

36.1

36.0

36.2

水银温度计

36.5

36.4

36.7

36.5

36.6

36.5

36.8

 

2.4 丰富的教学手段

创设形式丰富多样的单片机课程教学情景,将显性思政与隐性思政有机结合,实现思政教育贯穿专业课程教学全过程,在春风化雨、润物无声中达到课程育人目的。

教师可以在课堂中嵌入中国科技领先的话题,以此作为每节课固定的显性思政内容。比如:“国产航母终于装上“中国芯”西方又一垄断技术被攻克”,如图12所示,通过在学生之间、师生之间的沟通、交流,增强师生的政治辨识能力、提高爱国热情、增强民族自豪感和责任心。

 

12 我的中国“芯”    图13 佛职院“STC杯”单片机竞赛

此外,教师还可以通过技能竞赛,将隐性思政内容内化与专业技能实践外化进行有机融合。单片机课程是一门实践性很强的课程,学以致用是教学的目的。而动手制作基于单片机控制的电子产品就是学生掌握单片机技术最有效的途径。在单片机课程教学过程中,教师可以经常举行一些单片机小作品的制作竞赛,如图13所示,从做中学。在实践过程中理解并掌握专业知识,有效激发学生的学习热情,提升学生的成就感,培养学生的实践动手能力、创新能力、团队精神、敬业精神。

3. 实效与经验

落实了课堂育人主渠道作用,把社会主义核心价值观融入专业课程课堂教学全过程,实现德育教育与专业教育协同育人,在保证专业课程系统性与完整性的基础上,提升专业课程教学的科学性与有效性,满足学生成长发展的需求与期待,在单片机课程实际教学中取得了良好的教学效果:

1)学生的课堂参与度明显提高。课程平台上的任务点平均学习率超过90%,学生学习热情高涨,如下图14所示。

 

14  单片机课程学习通任务点学习率

2)学生实践动手能力、表达能力、创新能力和团队协作能力均得到了实际锻炼和提高。本人指导学生获得省市级比赛获奖10多项;国家级职业技能竞赛获奖1项;获得攀登计划广东省大学生科技创新项目两项;2019年作为第一指导老师指导17光伏发电1班林灿辉等同学获得了广东省第五届中国互联网+大学生创新创业大赛创意组银奖。

3)学生的科研水平也得到了提高。指导学生发表论文2篇,申请专利10多项。

4)激发学生的时代责任感和爱国情怀把疫情防控过程中紧缺的必需的防控物品体温枪与课程内容紧密结合起来,传递正能量,用疫情相关内容作为课程中的实践任务,学生在完成任务的过程中潜移默化的萌生强烈的时代责任感和爱国情怀。
    5)深刻体会了工匠精神的内涵为了制作一款精准的红外测温枪,需要不断的调试程序改进算法以及优化电路,推动学生不断提高技能,大胆创新,实现个人的产品(作品)的精益求精。

三、案例反思

1.创新之处

1)爱国主义精神与工匠精神在课程教学中深度融合。从项目所使用的医用红外温度传感器MLX90614是Melexis公司生产的,导入核心技术是国之重器,鼓励学生要勤奋学习、积极掌握技能,提高自主创新能力,培养具有爱国主义精神和社会责任感的高级应用型和复合型、创新型技能人才。

课堂之中带领同学们不断探索创新硬件和编程算法,以达到更好的实现方法。课后布置“小匠作业”,课堂上学习的体温枪,经历了“初级版”“进阶版”“优化版”,这时候体温枪已经做得完美了吗?追求完美,追求极致是每一名工匠的目标,布置课后作业制作“我的体温枪”。下次课“项目汇报”中可以比一比,看看哪个小组的作品做的最好,得分最高。

 

2)基于项目教学模式的项目汇报训练法,有效提高了学生的表达能力和项目参与度。每个项目开始时提出项目的相关任务,最后一个任务就是项目完成后按小组进行项目汇报,汇报前每个小组需要提前交相关PPT和项目设计报告等资料,为顺利上台汇报做好准备。这样不仅能提高学生的上课注意力、锻炼学生的口头表达能力,而且还提高了学生的团队协作能力、实践动手能力以及项目的参与度。

2.下一步改进措施

1)改良芯片,简化电路。STC89C51单片机改为新型STC15系列的单片机,此单片机芯片不需要焊接外部晶振与复位电路,提高了同学们焊接的成功率,而且速度比传统51单片机的速度快8-12倍,提高了产品的检测性能。

2)深耕产品研发,不断突破创新。光伏电站长期在户外工作,受环境因素影响, 组件表面易出现积灰,影响接收到的太阳辐射量,且组件易受树叶、鸟粪等的遮挡而产生局部“热斑效应”,这种效应对光伏组件具有很大的坏处,能够减少组件的发电量,严重的会损害光伏组件,为了有效减少“热斑效应”的危害,我们可以利用单片机开发光伏组件热斑检测工具--红外热成像仪,可以快速、简易又可靠的检测太阳能电池板性能,提高光伏电站的发电量,减低热斑效应带来的安全隐患。

3)组建分工协作课程教学团队。在学校公开招募致力于本课程思政教学改革的教师团队,组建单片机课程思政示范课程建设团队,团队由专业课程教师和思政课程教师构成,分工协作开展专业课程思政示范课程建设。

 

 

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