朱琳

摘 要：高等職業(yè)教育中，電工基礎(chǔ)和模數(shù)電子等課程實(shí)踐條件相對(duì)緊張，開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室等舉措不能完全滿(mǎn)足培養(yǎng)對(duì)象的實(shí)訓(xùn)實(shí)踐需要，大量驗(yàn)證性實(shí)踐只能由計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，采用以簡(jiǎn)arudino單片機(jī)與開(kāi)源庫(kù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)以電池供電的可移動(dòng)電子實(shí)踐平臺(tái)，能滿(mǎn)足電工基礎(chǔ)與模數(shù)電課程基本實(shí)踐需要，還可以在后續(xù)課程中提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，推進(jìn)課堂教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞：Arduino；開(kāi)放實(shí)驗(yàn)；電工基礎(chǔ)；模擬電子技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.080

1 需要解決的問(wèn)題

由于電子信息產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要組成部分，高職院校中大量開(kāi)設(shè)了弱電類(lèi)專(zhuān)業(yè)，但高職電工和模擬教學(xué)中往往存在實(shí)踐條件受限的矛盾。由于歷史發(fā)展的限制，目前高等職業(yè)教育中專(zhuān)業(yè)課實(shí)踐條件改善明顯，但相對(duì)于學(xué)生規(guī)模，專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐條件仍然有限，臺(tái)位仍顯不足。尤其是在電工基礎(chǔ)，模擬電子技術(shù)等電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)性課程中，由于實(shí)踐訓(xùn)練量大，在日常教學(xué)計(jì)劃的執(zhí)行當(dāng)中往往是進(jìn)實(shí)驗(yàn)室難，實(shí)踐培養(yǎng)效果難以滿(mǎn)足人才培養(yǎng)方案的要求。

另一方面，目前廣泛投入電工試驗(yàn)箱以電工基礎(chǔ)的安裝訓(xùn)練為主要實(shí)踐內(nèi)容，這樣的配置便于學(xué)生完成電工職業(yè)資格證書(shū)所要求的訓(xùn)練。但無(wú)法實(shí)施基本理論中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如果學(xué)生需要實(shí)踐，只能通過(guò)仿真或是課外自行實(shí)驗(yàn)來(lái)完成。目前現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)仿真需要從計(jì)算機(jī)抽象圖像數(shù)字轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物的思維能力，適合抽象思維能力強(qiáng)，綜合素質(zhì)較高的學(xué)生。對(duì)于高職層次學(xué)生，其教學(xué)效果差異性很大。模數(shù)電課程也有類(lèi)似的問(wèn)題，基礎(chǔ)部分實(shí)驗(yàn)時(shí)間比較少，不利于學(xué)生進(jìn)行多次嘗試。教學(xué)實(shí)踐中，采用一體化教學(xué)可以解決上述問(wèn)題，但對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)位數(shù)提出了極高的要求。

如果有一種不依托統(tǒng)一供電的實(shí)踐設(shè)備，就可以保證電工基礎(chǔ)甚至部分模數(shù)電教學(xué)中的實(shí)踐環(huán)節(jié)可以放在普通課堂完成，學(xué)生在課下也可以方便的同時(shí)學(xué)生可以完成相應(yīng)的實(shí)踐任務(wù)。如果實(shí)驗(yàn)?zāi)K和后續(xù)課程統(tǒng)一起來(lái)，也便于學(xué)生學(xué)習(xí)理解后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程。

在此指導(dǎo)思想下，以arduino平臺(tái)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個(gè)可以電池供電的簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用簡(jiǎn)易顯示測(cè)量模塊加上信號(hào)源配合自由插孔電路板就能完成大多數(shù)基本電路驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。同時(shí)系統(tǒng)電路和源程序均為公開(kāi)資源，學(xué)生可以進(jìn)一步對(duì)程序電路調(diào)整實(shí)驗(yàn)。當(dāng)學(xué)生后續(xù)學(xué)到單片機(jī)等課程以后，這套系統(tǒng)可以讓學(xué)生在后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)與實(shí)踐中，提供一個(gè)實(shí)踐對(duì)象，理解與實(shí)踐電子產(chǎn)品軟硬件結(jié)合項(xiàng)目。

2 實(shí)踐系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要組成部分測(cè)量顯示模塊，1KHz交流發(fā)生模塊，具體電路由學(xué)生自行用面包板或者萬(wàn)用板實(shí)現(xiàn)。

顯示測(cè)量模塊采用arduino平臺(tái)構(gòu)成核心檢測(cè)顯示模塊，采用Arduino平臺(tái)是因?yàn)锳rduino 封裝了atmega 128單片機(jī)ATmega128。該單片機(jī)是ATMEL公司的 8位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片機(jī)，穩(wěn)定性極高，被廣泛的應(yīng)用在了汽車(chē)電車(chē)管理、門(mén)禁系統(tǒng)、遙控器、智能家居以及計(jì)量電表等領(lǐng)域。相比51等傳統(tǒng)單片機(jī)該CPU采用AVR內(nèi)核，擁有16MHz工作頻率，工作電壓為2.7-5.5V。工作于16 MHz、擁有4K字節(jié)的EEPROM與128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)容量大適應(yīng)簡(jiǎn)易示波器的開(kāi)發(fā)需求。

同時(shí)arduion平臺(tái)的開(kāi)發(fā)環(huán)境Arduino IDE基于processing IDE開(kāi)發(fā)。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，極易掌握，同時(shí)有著足夠的靈活性。Arduino語(yǔ)言基于wiring語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，是對(duì) avr-gcc庫(kù)的二次封裝，不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后，學(xué)生也可以快速的進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。由于arduino平臺(tái)可以使用4節(jié)1.5V供電，同時(shí)能對(duì)外提供3.3V和5V穩(wěn)壓輸出，所以可以將交流信號(hào)發(fā)生模塊與學(xué)生自主電路接入arduino平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，移動(dòng)性好，可以由學(xué)生上課自主攜帶。

測(cè)量顯示模塊的測(cè)量平臺(tái)為ARUDINO UNO系統(tǒng)板，被測(cè)電壓通過(guò)引腳引入arduino實(shí)驗(yàn)板并通過(guò)內(nèi)置的10位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)班由實(shí)驗(yàn)板供電，被測(cè)電壓控制在5V以下，所以一般不存在電壓超范圍問(wèn)題。測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，以串行模式輸入一塊基于ST7920驅(qū)動(dòng)的 12864單色液晶顯示屏，進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)圖每秒刷新屏幕25次，信號(hào)掃描周期可由外置按鍵可調(diào)，由于信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生信號(hào)固定為IKHz左右，掃描周期調(diào)整范圍不大，可以由軟件調(diào)整實(shí)現(xiàn)。

IkHz信號(hào)發(fā)生電路采用自激振蕩器實(shí)現(xiàn)，由arduion實(shí)驗(yàn)平臺(tái)供電，頻率范圍1-3kHz，振幅范圍在200-400mV，用滑動(dòng)變阻器調(diào)整頻率與幅值輸出范圍。

3 系統(tǒng)成本與擴(kuò)展性

本設(shè)計(jì)總體成本不高，搭建簡(jiǎn)便便于學(xué)生自學(xué)研究。ARUDINO UNO的成品板價(jià)格在20元左右，基于液晶屏的模塊成本為70元左右，1kHz信號(hào)發(fā)生模塊電路成本在20元左右，所以此基于arduino的自主試驗(yàn)平臺(tái)僅為120元。無(wú)論是學(xué)生自行采購(gòu)還是學(xué)院統(tǒng)一購(gòu)買(mǎi)，成本壓力并不大。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中只要加入部分電阻電容與二極管三極管就能構(gòu)成實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

而采用 Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫(kù)文件均為開(kāi)源，在開(kāi)源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼。GITHUB網(wǎng)站也有詳盡的開(kāi)放式例子與源程序。學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后，可以在本基本實(shí)驗(yàn)電路上進(jìn)行修改，加入其它功能。

arduino平臺(tái)提供兩路8 位PWM輸出，一個(gè)10 位ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 兩個(gè)可編程的串行USART，以及同時(shí)可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口。平臺(tái)提供豐富的接口與控制功能，如果有需要系統(tǒng)可以很方便的連接發(fā)光二極管，各種傳感模塊。學(xué)生能按照自己意愿搭建各種應(yīng)用系統(tǒng)。避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)單調(diào)枯燥測(cè)電壓看波形的缺點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

如果學(xué)生需要連接計(jì)算機(jī)或手機(jī)等外設(shè)顯示可以采用串口線(xiàn)直連計(jì)算機(jī)USB口，由串口顯示工具顯示數(shù)據(jù)。如果想連接手機(jī)，可以使用wifi ESP8266WIFI模塊，成本在20元左右，連接arduino實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，可通過(guò)wifi與手機(jī)調(diào)試APP連接，顯示數(shù)據(jù)，更加符合當(dāng)今學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣。

4 結(jié)論

由于為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)便攜性，電源系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，采用電池供電并由實(shí)驗(yàn)板提供5V穩(wěn)壓電源。這一設(shè)計(jì)可以保證學(xué)生在課堂、寢室、圖書(shū)館隨時(shí)使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而且也具備良好安全性。但是由于系統(tǒng)功率有限，不能支持大功率器件實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路設(shè)備過(guò)多時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定，今后的改進(jìn)方向?qū)⒃O(shè)置獨(dú)立電源模塊，提高模塊供電質(zhì)量。另外，目前的設(shè)計(jì)的成本仍有進(jìn)一步壓縮的空間，測(cè)量通道數(shù)也可以改進(jìn)提高，隨著性能完善，系統(tǒng)將更加適合實(shí)踐教學(xué)需要，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道.

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