高英，王蓓蓓，韋思健，楊德元，陳開(kāi)峰，李屹

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

制造工程體驗(yàn)課程、課程以綜合價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授“三位一體”為教學(xué)理念[1]，依靠先進(jìn)的教學(xué)理念，基于訓(xùn)練中心實(shí)踐教學(xué)基地的一門(mén)實(shí)踐教學(xué)課程。課程注重培養(yǎng)工程素養(yǎng)、工程制造知識(shí)和能力，以及工程文化的基本概念及其內(nèi)在關(guān)系，通過(guò)基礎(chǔ)制造工程體驗(yàn)工程制造的基本方法和文化內(nèi)涵，通過(guò)系統(tǒng)制造工程深入體驗(yàn)工程制造過(guò)程[2]。

課程教學(xué)目標(biāo)為，重視從注重技能的培養(yǎng)到重視動(dòng)手解決問(wèn)題的能力提升以及工匠精神的養(yǎng)成，堅(jiān)持“行勝于言、真刀真槍”優(yōu)秀傳統(tǒng)；通過(guò)設(shè)定問(wèn)題的分析與解決，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和習(xí)慣，注重創(chuàng)新教育與專(zhuān)業(yè)教育緊密結(jié)合。

課程隨著文科生選課人數(shù)的比例增多，為了提高課程及產(chǎn)品質(zhì)量，增加課程趣味性，本單元課程設(shè)計(jì)中包含設(shè)計(jì)思維、電子和機(jī)械設(shè)計(jì)、電子制作和機(jī)械加工。首先安排設(shè)計(jì)思維課程，讓同學(xué)在整個(gè)設(shè)計(jì)中能更好完成系統(tǒng)思考，快速原型迭代以多方反饋的方法引導(dǎo)同學(xué)完成設(shè)計(jì)的持續(xù)流程。其次電路設(shè)計(jì)制作部分利用單片機(jī)控制，電子電路焊接實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)LED顯示字幕、紅外遙控控制字幕、時(shí)間等切換，實(shí)現(xiàn)顯示屏多樣化的方式顯示各種信息。機(jī)械設(shè)計(jì)與加工使用CAD外殼設(shè)計(jì)及激光加工完成外殼制作。最后將電路部分及外殼進(jìn)行裝配調(diào)試。

1 設(shè)計(jì)思維與產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思維就是學(xué)習(xí)如何思考問(wèn)題，提出有意義的創(chuàng)意和想法以同理心的角度對(duì)目標(biāo)群體進(jìn)行深入觀察并整合跨領(lǐng)域分析工具從而獲得洞見(jiàn)，還原事物本質(zhì)最終設(shè)計(jì)出令特定人群感動(dòng)或愉悅的產(chǎn)品/服務(wù)的方法[3]。通過(guò)案例分析學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)思維課程之后，安排電子電路設(shè)計(jì)與制作、機(jī)械設(shè)計(jì)與激光加工、產(chǎn)品組裝與字幕內(nèi)容編寫(xiě)。最終形成一個(gè)完整的有“情感”產(chǎn)品。

2 電子電路部分設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制作方案

2.1 電子電路總設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)字幕部分是本次課程產(chǎn)品的核心。此部分以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)頂面及側(cè)面柱式立體旋轉(zhuǎn)LED顯示字幕，主要由電源模塊、紅外傳感遙控字幕切換模塊、單片機(jī)控制模塊、傳感器定位模塊、時(shí)鐘模塊、LED顯示模塊。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，電源供給點(diǎn)擊正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)LED字幕旋轉(zhuǎn)，用電感線圈無(wú)限發(fā)電的方式為主板提供穩(wěn)定的電源；紅外傳感器通過(guò)接收信號(hào)將信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)完成控制實(shí)現(xiàn)字幕切換功能；940紅外接收和發(fā)射傳感器決定屏幕顯示信息起始的定位；時(shí)鐘模塊控制顯示日期和時(shí)間。本次使用的主控芯片為STC12C5A32S2。在總的電子電路功能實(shí)現(xiàn)要求下，根據(jù)學(xué)科背景不同要求學(xué)生必須了解每個(gè)功能環(huán)節(jié)和理論知識(shí)。[4]設(shè)計(jì)總框圖如圖1。

圖1 設(shè)計(jì)總框圖

2.2 電源模塊和時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

電源模塊主要給顯示板及LED字幕供電、采用電感線圈無(wú)線供電。電機(jī)接直流電后帶動(dòng)顯示主板旋轉(zhuǎn)，電流經(jīng)過(guò)自激振蕩電路將直流改成交流電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)利用電磁感應(yīng)原理整流濾波形成穩(wěn)定直流電給單片機(jī)及LED顯示主板供電，讓系統(tǒng)保持正常運(yùn)行。時(shí)鐘模塊采用采用CS1302時(shí)鐘芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能，它是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。采用雙電源引腳，因此在停止運(yùn)行狀態(tài)后備電源可以使時(shí)鐘保持持續(xù)運(yùn)行的，當(dāng)再次重啟系統(tǒng)的時(shí)候不必進(jìn)行校時(shí)操作具體電路略。電源電路如圖2。

圖2 電源電路

2.3 字幕控制模塊和LED顯示模塊

采用紅外遙控的方法來(lái)控制字幕顯示的內(nèi)容切換等，主要由遙控器和紅外傳感器組成。遙控器發(fā)出紅外信號(hào)，傳感器接收到信號(hào)后將信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)接到信號(hào)后激發(fā)外部中斷由外部中斷控制功能切換。字幕始末定位采用紅外對(duì)管來(lái)控制，940L紅外發(fā)射傳感器通過(guò)測(cè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速向940L紅外接收管發(fā)送信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)接收紅外接收傳感器的信號(hào)開(kāi)始逐列掃描。LED字幕是電路設(shè)計(jì)制作部分的顯示終端。主板顯示字幕部分由20顆LED燈和限流電阻焊接而成，側(cè)板由16課LED和限流電阻焊接而成，主板和側(cè)板通過(guò)焊接組合。電路中的每個(gè)燈都是由單片機(jī)獨(dú)立控制的，D8為電源指示不可控。單片機(jī)控制顯示屏亮滅，電機(jī)保持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)顯示板旋轉(zhuǎn)，形成連貫圖像[5]。紅外控制及LED顯示電路如下圖3。

圖3 紅外模塊和平面主控LED 顯示字幕電路圖

2.4 電路焊接功能實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)上述功能將電路板分為三個(gè)板塊制作。分別為主控板、側(cè)板及電源板，裝接圖如圖4。

電子元器件包含插接元件、貼片元件兩類(lèi)。實(shí)現(xiàn)正常字幕功能要保證100%的焊接正確率。涉及元件識(shí)別、元件測(cè)量、焊接相關(guān)知識(shí)。

3 外殼設(shè)計(jì)與制作

LED旋轉(zhuǎn)字幕顯示運(yùn)用了視覺(jué)暫留的原理，字幕顯示時(shí)電路板處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。所以整個(gè)產(chǎn)品需要外殼保護(hù)以及美學(xué)處理。外殼的設(shè)計(jì)需要根據(jù)電路板原型讓同學(xué)進(jìn)行這是必要條件。課程中機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design）簡(jiǎn)稱(chēng)CAD軟件。激光加工制作外殼。外殼包括底面、頂面、側(cè)面以及電機(jī)固定板。本次提供材料為厚度為2.7mm的木板，形狀不固定，開(kāi)放性設(shè)計(jì)，但需要滿(mǎn)足固定和加工要求?；疽笕缦卤?。

圖4 電路板裝接圖

表1 加工需求表

外殼制作采用激光加工技術(shù)，是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在計(jì)算機(jī)控制下，通過(guò)脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復(fù)高頻率的脈沖激光。激光切割具有高的切割質(zhì)量、高切割速度、材料適用性廣等優(yōu)點(diǎn)[6]。因?yàn)闄C(jī)床加工的特點(diǎn)。首先課程加工要求圖紙需為二維圖，然后將CAD軟件畫(huà)出的圖紙導(dǎo)入激光加工的RD Works，最后根據(jù)設(shè)計(jì)圖形設(shè)置切割參數(shù)進(jìn)行加工。

圖5 將零件圖導(dǎo)入RD Works 設(shè)置參數(shù)進(jìn)行加工圖

根據(jù)不同的外殼設(shè)計(jì)，為同學(xué)提供多樣的組裝工具材料。如速干膠水、乳膠、各種尺寸螺釘螺母、螺絲刀等。將電路部分和外殼組裝在一起實(shí)現(xiàn)完整的產(chǎn)品。字幕內(nèi)容可以進(jìn)行編程調(diào)整使用遙控器實(shí)現(xiàn)字幕切換。課程中學(xué)生學(xué)科的差異性未選擇較復(fù)雜的編程方式，最終選擇的是的是基礎(chǔ)的圖形化編程。界面如下圖6。

圖6 字幕編寫(xiě)界面

4 總結(jié)

本文在基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心課程《制造工程體驗(yàn)》的課程目標(biāo)下，在實(shí)踐課程中，對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容與方式進(jìn)行變革探索[7]，滿(mǎn)足不同學(xué)科同學(xué)對(duì)課堂的需求。將真實(shí)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)等工程問(wèn)題與實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂結(jié)合起來(lái)。通過(guò)一個(gè)具體任務(wù)產(chǎn)品LED旋轉(zhuǎn)字幕案例讓同學(xué)學(xué)習(xí)了解到，設(shè)計(jì)思維、單片機(jī)、機(jī)電設(shè)計(jì)與加工、字幕編輯等工程知識(shí)。找到解決問(wèn)題的辦法及措施。提升課堂教學(xué)的趣味性，明顯提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程與創(chuàng)新能力的效果[8]。