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(jì)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(shí)踐相結(jié)合而設(shè)立的。該課程以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向，課程中所選取大部分項(xiàng)目案例來源于歷屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽，該課程以真實(shí)的項(xiàng)目為依托，訓(xùn)練學(xué)生電路的搭建、測(cè)試、程序的編寫以及儀器儀表的使用，學(xué)生能從設(shè)計(jì)、制作到調(diào)試整個(gè)過程，完成一個(gè)小型的智能產(chǎn)品的開發(fā)，從而提高學(xué)習(xí)興趣。每個(gè)項(xiàng)目包含了電子類相關(guān)課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)，為課程體系中的前序課程的知識(shí)的延伸提供了依據(jù)。本文主要以電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)制作作為依托，提出了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的新思路，供相關(guān)課程教學(xué)改革提供參考。

2.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在課程中的意義

智能電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)點(diǎn)，其特點(diǎn)是要求學(xué)生制作具有一定技術(shù)含量的硬件作品，我們?cè)O(shè)計(jì)了5個(gè)綜合性的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，其中有三個(gè)項(xiàng)目均來源于歷屆大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽，其項(xiàng)目選擇具有一定的典型性和應(yīng)用性，知識(shí)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(shí)踐來完成項(xiàng)目任務(wù)。這些項(xiàng)目涵蓋70%的課程內(nèi)容，30%的擴(kuò)展知識(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生的自學(xué)能力，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，進(jìn)一步地激發(fā)他們對(duì)單片機(jī)課程、模擬電路設(shè)計(jì)、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(jì)課程結(jié)構(gòu)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容分項(xiàng)目進(jìn)行，課程中安排5個(gè)綜合性案例：頻率計(jì)的制作、萬年歷的制作、水溫控制系統(tǒng)的制作、電阻測(cè)試儀的制作、信號(hào)發(fā)生器的制作。

每個(gè)項(xiàng)目又按照設(shè)計(jì)方案分為以下幾個(gè)模塊：主控模塊、待測(cè)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(jì)大賽中電阻測(cè)試儀的制作為例詳細(xì)分析項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的方法。

本簡(jiǎn)易自動(dòng)電阻測(cè)試儀采用了AT89S51單片機(jī)。該系統(tǒng)主要包括電阻測(cè)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(cè)試儀設(shè)計(jì)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(cè)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(shí)的連貫性考慮，我們選取了最簡(jiǎn)單而且具有代表性的AT89S51單片機(jī)作為主控制器。學(xué)生在學(xué)習(xí)智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)。對(duì)基本電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)有了初步認(rèn)識(shí)，我們?cè)谶@選用AT89S51單片機(jī)，學(xué)生可以把前序課程中單片機(jī)的知識(shí)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(shí)得以貫穿。在學(xué)生的知識(shí)拓展環(huán)節(jié)，主控模塊我們可以換成MSP430系列單片機(jī)，由于該系列單片機(jī)在我們的課程體系中暫時(shí)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(jì)中都需要涉及，選取方案大致分為兩個(gè)。

方案一：采用獨(dú)立式鍵盤。這種方式是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)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(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。軟件設(shè)計(jì)采用查詢方式和外部中斷相結(jié)合的方法來設(shè)計(jì)，低電平有效。通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷那個(gè)按鍵被按下了。采用獨(dú)立式鍵盤電路配置靈活，軟件簡(jiǎn)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(chǎng)合，它由行線和列線組成，按鍵位于每個(gè)行、列的交叉處。對(duì)于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號(hào)和列號(hào)唯一決定。這樣，適用8個(gè)I/O口，就可以有16個(gè)按鍵。若使用“一鍵多功能”能實(shí)現(xiàn)更多更方便的設(shè)置。占用比較少的I/O口。

在電阻測(cè)試儀設(shè)計(jì)和制作中，要輸入的數(shù)值比較簡(jiǎn)單。所以以上兩個(gè)方案都能實(shí)現(xiàn)題目要求，學(xué)生可以根據(jù)自己以前的相關(guān)知識(shí)的掌握情況，自行選擇一種方案。從而把以前所學(xué)的知識(shí)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(gè)。

方案一：采用數(shù)碼管顯示

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

方案二：液晶顯示

相對(duì)數(shù)碼管顯示液晶顯示有著他得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，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(hào)一一對(duì)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(hào)，如LCD1602和T6963C。LCD1602其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(cè)試儀的設(shè)計(jì)中我們建議學(xué)生顯示模塊選擇T6963C。

3.4 待測(cè)模塊

在電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，我們的待測(cè)模塊主要包括測(cè)量模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、換擋模塊三部分。因?yàn)樵诤芏囗?xiàng)目中都涉及到輸入輸出模塊，它的設(shè)計(jì)基本是相通的，而待測(cè)模塊針對(duì)不同的項(xiàng)目會(huì)有不同的設(shè)計(jì)方案，下面以電阻測(cè)試儀為例詳細(xì)講解待測(cè)模塊的設(shè)計(jì)以及該模塊所涉及到學(xué)科中的知識(shí)點(diǎn)。

測(cè)量模塊：在該系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)電阻比較法，利用待測(cè)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(cè)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(hào)，由單片機(jī)控制輸出顯示被測(cè)電阻值到LCD。此方法電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中可以通過選擇多種標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較提高測(cè)量精度。

圖3 串聯(lián)分壓

A/D轉(zhuǎn)換模塊：在電阻測(cè)試儀設(shè)計(jì)中輸出的電壓U1如何被單片機(jī)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(shí)的掌握情況先選擇一種A/D進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)槲覀儗W(xué)生在初學(xué)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)用的是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，故我們?cè)诮虒W(xué)中選用了這款A(yù)D芯片，該芯片是8位的A/D芯片，測(cè)量精度會(huì)受到一定的影響。但是學(xué)生對(duì)該款芯片已經(jīng)比較熟悉，所以在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中難度也不會(huì)太大，能夠?qū)崿F(xiàn)該系統(tǒng)的功能，并且會(huì)增加對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)知識(shí)的連貫性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來也不會(huì)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?cè)趶?fù)習(xí)鞏固以前知識(shí)的基礎(chǔ)上能學(xué)習(xí)到新的知識(shí)。

換擋模塊：換擋電路是一個(gè)關(guān)鍵部分，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換器采集分壓測(cè)量電路的電壓，同時(shí)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?yàn)槔^電器具有動(dòng)作快、工作穩(wěn)定體積小等特點(diǎn)，和單片機(jī)配合使用能夠很好地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的自動(dòng)換擋功能。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)中利用單片機(jī)控制三極管來驅(qū)動(dòng)繼電器的打開和閉合如圖4，選中和被測(cè)電阻最接近的基準(zhǔn)量程電路進(jìn)行測(cè)量，從而提高測(cè)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(jì)需要幾路換擋電路，考慮繼電器的切換需要時(shí)間，并不是設(shè)計(jì)越多路換擋，精度越高，這個(gè)是學(xué)生在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中自己去體會(huì)的。

圖4 檔位切換電路

4.結(jié)語

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)，也稱為基于項(xiàng)目活動(dòng)的研究性學(xué)習(xí)，這種教學(xué)方法的突出特點(diǎn)在于學(xué)習(xí)過程的實(shí)踐與研究活動(dòng)相融合。在課程的設(shè)計(jì)中，學(xué)生并不是以完成項(xiàng)目為目的，而是把項(xiàng)目分解成若干個(gè)模塊，不同模塊涉及到不同的知識(shí)點(diǎn)。每個(gè)模塊成三個(gè)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(duì)以前知識(shí)進(jìn)行回顧和復(fù)習(xí)，提高部分是學(xué)生對(duì)新知識(shí)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(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法能將教學(xué)內(nèi)容的理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合在一起，項(xiàng)目完成過程是以學(xué)生為主體，以實(shí)踐為中心，注重前后的知識(shí)連貫性，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，值得廣泛推廣。

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