吳友蘭 朱恭生 湯鋒

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100016)

1.引言

《智能電子產(chǎn)品設(shè)計制作》課程的開設(shè)是為了提高高職院校電子類相關(guān)課程理論與實踐相結(jié)合而設(shè)立的。該課程以項目驅(qū)動為導(dǎo)向，課程中所選取大部分項目案例來源于歷屆全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽，該課程以真實的項目為依托，訓(xùn)練學(xué)生電路的搭建、測試、程序的編寫以及儀器儀表的使用，學(xué)生能從設(shè)計、制作到調(diào)試整個過程，完成一個小型的智能產(chǎn)品的開發(fā)，從而提高學(xué)習(xí)興趣。每個項目包含了電子類相關(guān)課程所涉及的知識點，為課程體系中的前序課程的知識的延伸提供了依據(jù)。本文主要以電阻測試儀的設(shè)計制作作為依托，提出了項目驅(qū)動教學(xué)的新思路，供相關(guān)課程教學(xué)改革提供參考。

2.項目驅(qū)動教學(xué)法在課程中的意義

智能電子產(chǎn)品設(shè)計制作課程在電子類課程體系中屬于綜合性課程，它涉及到多門課程的知識點，其特點是要求學(xué)生制作具有一定技術(shù)含量的硬件作品，我們設(shè)計了5個綜合性的實訓(xùn)項目，其中有三個項目均來源于歷屆大學(xué)生電子設(shè)計大賽，其項目選擇具有一定的典型性和應(yīng)用性，知識內(nèi)容可能涉及多門課程。學(xué)生3-5人一組，通過階段性的實踐來完成項目任務(wù)。這些項目涵蓋70%的課程內(nèi)容，30%的擴展知識，充分發(fā)揮學(xué)生的自學(xué)能力，培養(yǎng)他們的團隊合作意識，進(jìn)一步地激發(fā)他們對單片機課程、模擬電路設(shè)計、傳感器技術(shù)的興趣，為選拔各類電子大賽人才做好準(zhǔn)備。

3.課程結(jié)構(gòu)模塊化

智能產(chǎn)品設(shè)計課程結(jié)構(gòu)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容分項目進(jìn)行，課程中安排5個綜合性案例：頻率計的制作、萬年歷的制作、水溫控制系統(tǒng)的制作、電阻測試儀的制作、信號發(fā)生器的制作。

每個項目又按照設(shè)計方案分為以下幾個模塊：主控模塊、待測模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、控制模塊（總體框架見圖1）。

圖1 總體框架圖

下面以2011年大學(xué)生電子設(shè)計大賽中電阻測試儀的制作為例詳細(xì)分析項目驅(qū)動教學(xué)的方法。

本簡易自動電阻測試儀采用了AT89S51單片機。該系統(tǒng)主要包括電阻測量模塊，LCD顯示、按鍵模塊、電源電路等功能模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電阻測試儀設(shè)計框圖

3.1 主控模塊

主控模塊主要是指具有處理控制功能的處理器模塊，在電阻測試儀中我們可選的處理器很多，比如AT89S51、MSP430、ARM等，但是從學(xué)生的接收知識的連貫性考慮，我們選取了最簡單而且具有代表性的AT89S51單片機作為主控制器。學(xué)生在學(xué)習(xí)智能產(chǎn)品設(shè)計課程的前序課程有電工基礎(chǔ)、數(shù)字電路、模擬電路技術(shù)、單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)。對基本電路的設(shè)計和單片機控制系統(tǒng)已經(jīng)有了初步認(rèn)識，我們在這選用AT89S51單片機，學(xué)生可以把前序課程中單片機的知識進(jìn)行復(fù)習(xí)和回顧，并在原基礎(chǔ)上得以提高，使得學(xué)生所學(xué)知識得以貫穿。在學(xué)生的知識拓展環(huán)節(jié)，主控模塊我們可以換成MSP430系列單片機，由于該系列單片機在我們的課程體系中暫時還沒有加入進(jìn)來，需要學(xué)生自學(xué)，這樣可以提高學(xué)生的自學(xué)能力，拓寬學(xué)生的眼界，提高他們的綜合能力。

3.2 輸入模塊

輸入模塊在大部分產(chǎn)品設(shè)計中都需要涉及，選取方案大致分為兩個。

方案一：采用獨立式鍵盤。這種方式是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。軟件設(shè)計采用查詢方式和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計，低電平有效。通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷那個按鍵被按下了。采用獨立式鍵盤電路配置靈活，軟件簡單。

方案二：采用矩陣式鍵盤。采用4x4矩陣鍵盤輸入，這種接口方式適用于按鍵數(shù)量較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于每個行、列的交叉處。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一決定。這樣，適用8個I/O口，就可以有16個按鍵。若使用“一鍵多功能”能實現(xiàn)更多更方便的設(shè)置。占用比較少的I/O口。

在電阻測試儀設(shè)計和制作中，要輸入的數(shù)值比較簡單。所以以上兩個方案都能實現(xiàn)題目要求，學(xué)生可以根據(jù)自己以前的相關(guān)知識的掌握情況，自行選擇一種方案。從而把以前所學(xué)的知識加以貫穿。

3.3 輸出模塊

輸出模塊屬于很多電子產(chǎn)品開發(fā)的重要模塊之一，選取方案大致分為兩個。

方案一：采用數(shù)碼管顯示

其優(yōu)點是元件價格便宜，而且外圍的電路簡單，編程簡單。但是掃描占用大量的I/O口資源，從而增大了單片機的運算開銷，顯示信息不豐富，功耗比較大。

方案二：液晶顯示

相對數(shù)碼管顯示液晶顯示有著他得天獨厚的優(yōu)勢，液晶顯示能夠精確地還原圖像，液晶顯示器采用的是直接數(shù)碼尋址的顯示方式直接將視頻信號一一對應(yīng)在屏幕上的液晶像素上顯示出來。而且其顯示字符銳利，畫面穩(wěn)定不閃爍，屏幕調(diào)節(jié)方便。液晶顯示器的直接尋址顯示方式，使得液晶顯示器的屏幕調(diào)節(jié)不需要太多的幾何調(diào)節(jié)和線性調(diào)節(jié)以及顯示內(nèi)容的位置調(diào)節(jié)。由此可見液晶屏顯示更為合適。

液晶顯示有很多的型號，如LCD1602和T6963C。LCD1602其優(yōu)點是顯示方便，使用方便靈活，占用I/O口少，不需要循環(huán)掃描，節(jié)省了大量的程序開銷，但是其顯示內(nèi)容比較單一，不能顯示中文，所以建議學(xué)生不采用此方案。T6963C其優(yōu)點是顯示信息非常豐富，方便使用者使用，占用I/O口少，不需要循環(huán)掃描，節(jié)省了大量的程序開銷。而且功能很多，使用起來比LCD1602更加方便快捷，所以在電阻測試儀的設(shè)計中我們建議學(xué)生顯示模塊選擇T6963C。

3.4 待測模塊

在電阻測試儀的設(shè)計中，我們的待測模塊主要包括測量模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、換擋模塊三部分。因為在很多項目中都涉及到輸入輸出模塊，它的設(shè)計基本是相通的，而待測模塊針對不同的項目會有不同的設(shè)計方案，下面以電阻測試儀為例詳細(xì)講解待測模塊的設(shè)計以及該模塊所涉及到學(xué)科中的知識點。

測量模塊：在該系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)電阻比較法，利用待測電阻Rx與標(biāo)準(zhǔn)電阻R1串聯(lián)在標(biāo)準(zhǔn)電壓5V電壓上如圖3，根據(jù)分壓定律：5-U1/Rx=U1/R1，得 Rx=（5-U1）R1/U1（其中U1為被測電壓，R1為標(biāo)準(zhǔn)電阻）。經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到的直流電壓U1經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機控制輸出顯示被測電阻值到LCD。此方法電路實現(xiàn)簡單，設(shè)計中可以通過選擇多種標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較提高測量精度。

圖3 串聯(lián)分壓

A/D轉(zhuǎn)換模塊：在電阻測試儀設(shè)計中輸出的電壓U1如何被單片機接收并加以控制顯示，這里就需要用到A/D轉(zhuǎn)換芯片，在教學(xué)過程中，學(xué)生可以根據(jù)自己以前知識的掌握情況先選擇一種A/D進(jìn)行測試，因為我們學(xué)生在初學(xué)A/D轉(zhuǎn)換時用的是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，故我們在教學(xué)中選用了這款A(yù)D芯片，該芯片是8位的A/D芯片，測量精度會受到一定的影響。但是學(xué)生對該款芯片已經(jīng)比較熟悉，所以在設(shè)計開發(fā)過程中難度也不會太大，能夠?qū)崿F(xiàn)該系統(tǒng)的功能，并且會增加對該門課程的興趣。在課程的拓展環(huán)節(jié)，學(xué)生可以自由發(fā)揮選擇一種高精度的A/D芯片，在原有基礎(chǔ)上更換精度更高的芯片，從而提高該系統(tǒng)地精度。在這部分教學(xué)過程中考慮以前知識的連貫性，我們并不是選擇精度最高的AD芯片，而是根據(jù)學(xué)生的情況選擇一款他們已經(jīng)比較熟知的芯片，目的是為了實現(xiàn)知識的連貫性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來也不會覺得有難度，增加了他們的學(xué)習(xí)興趣，在拓展環(huán)節(jié)我們更換了精度更高的AD芯片，使得他們在復(fù)習(xí)鞏固以前知識的基礎(chǔ)上能學(xué)習(xí)到新的知識。

換擋模塊：換擋電路是一個關(guān)鍵部分，單片機通過A/D轉(zhuǎn)換器采集分壓測量電路的電壓，同時控制繼電器進(jìn)行換檔操作，即根據(jù)需要改變參考電阻阻值。因為繼電器具有動作快、工作穩(wěn)定體積小等特點，和單片機配合使用能夠很好地實現(xiàn)準(zhǔn)確快速的自動換擋功能。

我們在設(shè)計中利用單片機控制三極管來驅(qū)動繼電器的打開和閉合如圖4，選中和被測電阻最接近的基準(zhǔn)量程電路進(jìn)行測量，從而提高測量精度。在換擋模塊中學(xué)生可以根據(jù)題目要求自行設(shè)計需要幾路換擋電路，考慮繼電器的切換需要時間，并不是設(shè)計越多路換擋，精度越高，這個是學(xué)生在設(shè)計開發(fā)過程中自己去體會的。

圖4 檔位切換電路

4.結(jié)語

項目驅(qū)動法教學(xué)，也稱為基于項目活動的研究性學(xué)習(xí)，這種教學(xué)方法的突出特點在于學(xué)習(xí)過程的實踐與研究活動相融合。在課程的設(shè)計中，學(xué)生并不是以完成項目為目的，而是把項目分解成若干個模塊，不同模塊涉及到不同的知識點。每個模塊成三個層次—基礎(chǔ)部分、提高部分、拓展部分。其中基礎(chǔ)部分是學(xué)生能對以前知識進(jìn)行回顧和復(fù)習(xí)，提高部分是學(xué)生對新知識的獲取，拓展部分是學(xué)生的綜合能力，舉一反三和觸類旁通的能力。項目驅(qū)動教學(xué)法能將教學(xué)內(nèi)容的理論與實踐有機結(jié)合在一起，項目完成過程是以學(xué)生為主體，以實踐為中心，注重前后的知識連貫性，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，值得廣泛推廣。

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