曲娜，宋毅，崔海鑫，李雅

（吉林建筑科技學(xué)院，長春 130114）

0 引言

電子信息工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的研究非常多，既有宏觀視角人才培養(yǎng)模式的研究，也有微觀具體課程設(shè)置內(nèi)容的研究，但是基于本科專業(yè)特色視角的電子信息工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)相關(guān)研究的趨同性較大，沒有較好地與市場(chǎng)需求聯(lián)系到一起，結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際情況及應(yīng)用型高校的自身特點(diǎn)，進(jìn)行專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)改革，構(gòu)建市場(chǎng)需求引導(dǎo)、校企合作推動(dòng)、科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下的電子信息工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的改革模式，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力一體化的綜合素質(zhì)。

1 大學(xué)生“雙創(chuàng)”項(xiàng)目電供暖控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

在經(jīng)濟(jì)與科技飛速發(fā)展的今天，冬季供暖方式被人們?cè)絹碓街匾?，電采暖作為一種清潔綠色供暖方式是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，本學(xué)校率先在全國整體校園應(yīng)用無水電采暖技術(shù)，依托學(xué)校電采暖控制平臺(tái)，大學(xué)生“雙創(chuàng)”項(xiàng)目主要完成電采暖控制系統(tǒng)管理層總控制設(shè)計(jì)，擬采用單片機(jī)為控制核心，通過管理層總控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)層所有教室的多節(jié)點(diǎn)控制。

整體系統(tǒng)總共分為5個(gè)模塊，分別是微控制器最小系統(tǒng)模塊、TFT觸摸屏顯示模塊、TTL-RS485模塊、電源模塊、警報(bào)電路。其中的微處理器模塊采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6型微控制器作為核心外接外圍電路的模塊。TFT觸摸屏采用的淘晶馳公司的7寸的USART串口屏，利用微控制器與TFT串口屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，得到觸摸屏上的反饋，并將信息通過TTLRS485模塊控制下面的溫控器。最終設(shè)計(jì)完成基于電供暖控制的小型集控系統(tǒng)，達(dá)到精準(zhǔn)供熱的目的。

在STM32單片機(jī)上為其搭建UCOS-III系統(tǒng)（系統(tǒng)移植），并為TTL-RS485模塊與TFT觸摸屏編寫驅(qū)動(dòng)程序。然后上電啟動(dòng)后，UCOS-III系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)將會(huì)檢測(cè)溫控器的信息，并進(jìn)行解碼顯示在TFT觸摸屏上，通過TFT觸摸屏設(shè)置參數(shù)從串口發(fā)送給STM32單片機(jī)上，單片機(jī)再進(jìn)行解析，通過RS-485電路發(fā)送給溫控器，當(dāng)溫控器設(shè)置成功后，會(huì)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，判斷參數(shù)設(shè)置成功后，報(bào)警電路將會(huì)滴一聲表示設(shè)置成功，原理框圖如圖1所示。

圖1 原理組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

本設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6型單片機(jī)對(duì)溫控器集中控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，STM32F103RCT6采用了ARM Cortex-M3核心，采用了哈弗結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器都是獨(dú)立的，具有較高的執(zhí)行效率。STM32F103RCT6的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，BOOT選擇電路、電源電路、濾波電路構(gòu)成。

ARM Cortex-M3是一個(gè)32位的核，在傳統(tǒng)的單片機(jī)領(lǐng)域中，有一些不同于通用32位CPU應(yīng)用的要求。在工業(yè)控制中，用戶希望擁有更快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，完全基于硬件進(jìn)行中斷處理，最多可減少12個(gè)時(shí)鐘周期，TM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品。其最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 STM32F103RCT6最小系統(tǒng)圖

2.2 RS-485通訊電路

在本次設(shè)計(jì)中，由于單片機(jī)要跟溫控器通信，溫控器支持的通信方式為Modbus協(xié)議，這個(gè)協(xié)議利用了RS-485總線。所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)485通訊電路。

本次設(shè)計(jì)采用了支持RS-485總線的SP3485芯片。這個(gè)芯片支持3.3V供電，正好符合系統(tǒng)的電源。由此可以應(yīng)用碼分多址技術(shù)，也就是說單片機(jī)在定義一串報(bào)文的時(shí)候，在某個(gè)位設(shè)置地址，底層只對(duì)一個(gè)地址進(jìn)行應(yīng)答。可以提前對(duì)底層設(shè)定好地址，這樣一個(gè)地址只對(duì)一個(gè)底層有效，其余的位寫其他的控制命令。這個(gè)通訊協(xié)議可以最高控制128個(gè)底層。如果控制的多的話需要用帶有屏蔽的雙絞線。輸入端用串口1進(jìn)行連接。圖3是本次設(shè)計(jì)的RS-485通信電路。把RE與DE接在一起，為一個(gè)與門，一個(gè)引腳就可以同時(shí)作為發(fā)送和接收的使能端口。R/D為低時(shí)，禁止發(fā)送，接收有效；R/D為高時(shí)，傳輸有效，接收關(guān)閉。通過單片機(jī)引腳控SP3485發(fā)送和接收模式。在主從模式下，主機(jī)發(fā)出命令后，應(yīng)立即在接收模式下拉動(dòng)R/D，同時(shí)機(jī)器上的設(shè)備處于接收狀態(tài)。反之向上拉動(dòng)，使機(jī)器上的設(shè)備處于發(fā)送狀態(tài)。

圖3 RS-485通訊電路

上拉電阻R14和下拉電阻R13，用于保證無連接的SP3485芯片處于空閑狀態(tài)，提供網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)，提高RS-485節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的可靠性，R13、R14、R15這三個(gè)電阻，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用改變大小。一般AB之間的電阻取值為120歐姆。上拉和下拉電阻取值為1K。本次設(shè)計(jì)采用了經(jīng)驗(yàn)值。

2.3 TFT觸摸屏電路

此次設(shè)計(jì)選用的TFT觸摸屏為淘晶馳公司生產(chǎn)的USART串口觸摸屏，這款觸摸屏具有豐富的控件，并且使用簡(jiǎn)便，具有文本控件、滾動(dòng)文字控件、二維碼控件、曲線波形控件、定時(shí)器控件、圖片控件、切圖控件、熱觸區(qū)控件、數(shù)字控件、雙態(tài)按鈕控件、復(fù)選框控件、進(jìn)度條控件、按鈕控件、指針控件、滑塊控件、變量控件、單選框控件。利用這些功能可以很快地開發(fā)出圖形界面，可以避免復(fù)雜的函數(shù)來編寫。這款屏幕的顯示與輸入可以通過編程從串口與主控芯片進(jìn)行通信，還可以支持特有的“自定義協(xié)議通訊功能”接任何具有串口通訊的產(chǎn)品，例如 TTL、RS-232、RS-485、CAN。這樣可以很快地達(dá)到自己想要的目的，圖3-7為串口觸摸屏實(shí)物圖。可以通過串口連接在單片機(jī)上獲取輸入也可以顯示。于是將串口2連接至串口屏上。如圖4。

圖4 串口觸摸屏接口電路

通過官方提供的上位機(jī)軟件，可以實(shí)現(xiàn)十分鐘就可以做出一個(gè)好看的界面，同時(shí)這個(gè)界面支持實(shí)時(shí)變換，并且速度較快。在輸入時(shí)可以利用虛擬按鍵給單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后單片機(jī)進(jìn)行處理。利用串口發(fā)送指令還可以讓屏幕上顯示各種字符。利用這款屏可以將開發(fā)界面編的很容易。本設(shè)計(jì)通過虛擬輸入來控制底層的溫控器。

2.4 報(bào)警電路

對(duì)于報(bào)警電路的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用了NPN型三極管S8050和3V有源蜂鳴器，通過單片機(jī)控制S8050導(dǎo)通，當(dāng)BE高電平時(shí)CE間導(dǎo)通，這樣蜂鳴器就會(huì)工作，本設(shè)計(jì)利用PWM波，可以讓蜂鳴器響滴滴的聲音，R5的作用是考慮到阻抗問題。R10的作用是加快BE間導(dǎo)通速度，第一點(diǎn)PN結(jié)有結(jié)電容，加一個(gè)電阻可以使結(jié)電容充電快放電快，第二點(diǎn)由于NPN型三極管是由高電平觸發(fā)，這個(gè)電阻同時(shí)也是一個(gè)下拉電阻，可以防止干擾產(chǎn)生的信號(hào)讓蜂鳴器響，所以此電路這樣設(shè)計(jì)。與單片機(jī)管腳連接之中加了個(gè)1K電阻，這樣的作用是為了阻抗匹配，防止不過電流。這個(gè)報(bào)警電路的主要作用是在按觸摸屏?xí)r候，滴的一聲，就可以知道是否按下去了，主要作用是作為一個(gè)反饋。

2.5 開關(guān)電源電路

在實(shí)際的生活中，最常用的就是220V的市電。而本系統(tǒng)的供電電壓為5V，那么就需要一套電路將220V的市電轉(zhuǎn)換為5V的直流電。那么從市電轉(zhuǎn)化開始設(shè)計(jì)，逐漸滿足要求。市電為工頻50Hz的交流電，并且電壓在220-240之間，需要一個(gè)線性元件將高額的交流電變?yōu)樾☆~的交流電。那么就需要一個(gè)變壓器來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。變壓器是利用電磁感應(yīng)的原理來降低電壓的裝置，主要結(jié)構(gòu)是初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和磁芯。通過初級(jí)與次級(jí)的匝數(shù)比，可以按照比例對(duì)交流電壓進(jìn)行降壓。只有電流方向不斷變換才能有感應(yīng)電壓，所以變壓器只能應(yīng)用于交流電壓中。變壓器實(shí)物如圖6所示。

圖5 報(bào)警電路

圖6 開關(guān)電源電路

2.6 溫控器電路

在溫控器的選擇上，本設(shè)計(jì)選擇了億科成公司的E52型號(hào)的溫控器。這款溫控器采用了三星溫控器專用溫控器芯片，具有485通信功能，支持Modbus協(xié)議。能夠獨(dú)立設(shè)置地址，傳感器大面積都暴露在空氣中，還可以自己加傳感器，切換為外部傳感器。測(cè)量溫度更精確，還具有雙溫雙顯功能、可編程和不可編程功能、低溫保護(hù)功能、控制溫度開放，上下可調(diào)、開關(guān)機(jī)斷電記憶功能、按鍵鎖功能。比起其他的溫控器功能多，而且更加穩(wěn)定。并且體積小，能耗低，圖7為溫控器的實(shí)物圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在STM32中，如果要使用串口必須經(jīng)過初始化才能使用，然后需要對(duì)緩沖數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，也就是從串口回來的數(shù)據(jù)需要寫入緩沖數(shù)組進(jìn)行解碼。等待串口屏傳回來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行編碼對(duì)溫控器發(fā)送。在對(duì)溫控器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，CRC校驗(yàn)碼驗(yàn)證成功后，然后編碼發(fā)給串口屏。

圖7 溫控器實(shí)物圖

圖8 主程序流程圖

在調(diào)試之前把所有溫控器的地址都設(shè)置好，接下來需要點(diǎn)擊溫度設(shè)置，把設(shè)備ID調(diào)到01，溫度設(shè)成22度。點(diǎn)擊設(shè)置后，會(huì)發(fā)現(xiàn)溫控器的設(shè)置溫度由最高15度變?yōu)榱?2度。溫度設(shè)置如圖9所示。

圖9 溫度設(shè)置界面

4 結(jié)語

特色鮮明的工程系統(tǒng)化應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系，打破原來以學(xué)科理論系統(tǒng)化的培養(yǎng)體系，轉(zhuǎn)而以一個(gè)個(gè)典型控制系統(tǒng)為對(duì)象，遵循由淺入深、由小到大的知識(shí)認(rèn)知規(guī)律，圍繞電子技術(shù)應(yīng)用工程過程來組織教學(xué)，輔之以必要的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)與企業(yè)需求緊密對(duì)接的技術(shù)復(fù)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。構(gòu)建全新的實(shí)踐創(chuàng)新教育教學(xué)體系和考核標(biāo)準(zhǔn)，借助科技平臺(tái)將科技成果迅速轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容。使得學(xué)生眼界寬、知識(shí)全、能力強(qiáng)、適應(yīng)快，從而很好地滿足企業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。