模塊化開放式電路綜合實(shí)驗(yàn)的研究與教學(xué)實(shí)踐

王 帥，王明全，楊 琳，李 露

(東北大學(xué) 機(jī)器人科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

電工電子實(shí)驗(yàn)是工科院校基礎(chǔ)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容之一。幾十年來，電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)形成了一套完備的基礎(chǔ)教學(xué)體系，分成電路原理實(shí)驗(yàn)、電工學(xué)實(shí)驗(yàn)、電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)等相互獨(dú)立的類別，并已形成標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排，教學(xué)儀器設(shè)備制造廠家開發(fā)出配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，訓(xùn)練學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能?？v觀上述課程的實(shí)驗(yàn)具有下述幾個(gè)問題[1]:1)依照理論內(nèi)容逐一安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，各環(huán)節(jié)間關(guān)聯(lián)性差；2)缺乏應(yīng)用背景，學(xué)生覺得實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單枯燥，缺少趣味性；3)由于配套硬件平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的限制，禁錮了不同層次學(xué)生的能力發(fā)展空間。

針對(duì)上述弊端，很多學(xué)校對(duì)開放式教學(xué)展開了廣泛的探索[2－3]，提出了模塊化的教學(xué)模式[4－7]，不過大多面向系統(tǒng)性較強(qiáng)的專業(yè)課，較少涉及電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課。東北大學(xué)信息工程學(xué)院以國家級(jí)電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)和 “卓越工程師教育培養(yǎng)工程”建設(shè)為契機(jī)，努力打造新型的電路綜合實(shí)驗(yàn)課程。對(duì)開放式模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了探索，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇、教學(xué)和管理方法、考核方式以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材與設(shè)施等方面進(jìn)行優(yōu)化與配套。這樣，一些綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容就可在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中引入，使學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的趣味性和知識(shí)的關(guān)聯(lián)性，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

本文以多功能智能小車為例，講述如何通過精心規(guī)劃電路綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)模塊化、開放式電路綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)踐表明，模塊化開放式教學(xué)內(nèi)容更能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。

1 模塊化開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

為了使不同層次的低年級(jí)學(xué)生能夠在復(fù)雜的應(yīng)用背景下設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)，必須要搭建性能優(yōu)良的開放式測(cè)試平臺(tái)和靈活方便的模塊化實(shí)施方案。模塊化是指解決一個(gè)復(fù)雜電路組件問題時(shí)自頂向下逐層把系統(tǒng)組件劃分成若干模塊的過程。每個(gè)模塊完成一個(gè)特定的子功能，所有的模塊按某種方法組裝起來，成為一個(gè)整體，完成整個(gè)電路系統(tǒng)所要求的功能。在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，模塊是可組合、分解和更換的單元，便于自主地設(shè)計(jì)解決方案。所謂開放式是指當(dāng)這個(gè)電路中的某些功能模塊被學(xué)生設(shè)計(jì)的電路模塊替換或增加某個(gè)功能電路模塊時(shí)，系統(tǒng)功能能夠照常發(fā)揮，有助于學(xué)生測(cè)試單個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的功能是否正常運(yùn)行[7]。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，將 “自下而上”組織的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改成以實(shí)際應(yīng)用為背景，“由上帶下”的方式安排課程內(nèi)容，設(shè)立 “基礎(chǔ)—提高—應(yīng)用創(chuàng)新”多層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[8]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，模擬真實(shí)項(xiàng)目開發(fā)流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以團(tuán)隊(duì)為單位，按照模塊化予以實(shí)施，采用現(xiàn)場(chǎng)答辯進(jìn)行考核，培養(yǎng)學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力、信息檢索能力、分析問題和解決問題能力。在教學(xué)方法上，“以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)理念[9]，教師的引導(dǎo)體現(xiàn)在對(duì)設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)調(diào)試時(shí)解決問題的審核和指導(dǎo)上。實(shí)驗(yàn)室采用開放式進(jìn)行管理并與課程網(wǎng)站、計(jì)算機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)等立體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相配合，構(gòu)建一種模塊化開放式的立體化教學(xué)系統(tǒng)[10]，使不同層次學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到提高。

2 項(xiàng)目舉例

下面以多功能智能小車為例，對(duì)模塊化開放式電路的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做詳細(xì)的介紹。

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能智能小車整個(gè)系統(tǒng)分為51單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼管顯示模塊和傳感器檢測(cè)模塊[11]，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)置如表1所示。

圖1 智能小車結(jié)構(gòu)框圖

表1 綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

由單片機(jī)產(chǎn)生兩路PWM波，通過L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制兩個(gè)直流電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)左輪和右輪。直走時(shí)兩路PWM波頻率相同，改變PWM波的占空比可以控制小車的速度；當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，使一個(gè)電機(jī)不動(dòng)，一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，兩邊形成差速即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，調(diào)整轉(zhuǎn)彎的時(shí)間，可以控制轉(zhuǎn)彎的大小和快慢[12]。電機(jī)模塊的電路原理圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)模塊的電路原理圖

2.2.2 避障、循跡模塊

避障模塊主要利用一對(duì)光電對(duì)管來實(shí)現(xiàn)避障功能[13]，如圖3所示。

圖3 循跡、避障模塊實(shí)物圖

當(dāng)前方有障礙物時(shí)，光電對(duì)管內(nèi)的發(fā)光二極管發(fā)出的光，不能被反射到接收管上，此時(shí)，接收端T1上電位為＋5 V，接到LM324的反向輸入端2腳，LM324的正向輸入端通過滑動(dòng)變阻器接電源，電位為＋3 V，反向端大于同向端則OUT1輸出低電平，接單片機(jī)輸入引腳。單片機(jī)檢測(cè)到輸入的低電平就會(huì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，使小車躲避障礙物，反之小車直行。循跡模塊是通過3個(gè)光電對(duì)管來實(shí)現(xiàn)尋線功能的，具體算法見軟件設(shè)計(jì)部分，電路原理圖如圖4所示。

圖4 避障、循跡模塊電路原理圖

2.2.3 尋光電路模塊

為了使智能小車具有趨光效果，采用光敏電阻作為傳感器[14]。當(dāng)有光照到光敏電阻R1上時(shí)，阻值變小，V2變大，當(dāng)V2＞V3，反向端大于同向端，則OUT5輸出低電平。電路原理圖如圖5所示。單片機(jī)掃描OUT5給的引腳電平并做出判斷。主板左右兩個(gè)光敏傳感器感應(yīng)光照，當(dāng)右邊光敏傳感器檢測(cè)到光照而左邊沒有檢測(cè)到時(shí)，小車向右轉(zhuǎn)彎；當(dāng)左邊光敏傳感器檢測(cè)到光照，而右邊沒有檢測(cè)到時(shí)，小車左轉(zhuǎn)；當(dāng)兩個(gè)光敏傳感器同時(shí)檢測(cè)到光照時(shí)，小車則前進(jìn)，當(dāng)關(guān)照源移動(dòng)時(shí)，小車停止。

圖5 尋光電路模塊原理圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言開發(fā)，在Keil μVision2環(huán)境下調(diào)試并實(shí)現(xiàn)功能[15]。軟件程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)總流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

小車由左減速電機(jī)、右減速電機(jī)，左輪和右輪組成，如圖7所示。循跡模塊與單片機(jī)的接口如表2所示。其中，P3.5、P3.6、P3.7為左、中、右3個(gè)光電模塊的輸出。單片機(jī)根據(jù)這3個(gè)輸入的值，決定要完成的動(dòng)作，并在P0.0、P0.1、P0.2和P0.3端口產(chǎn)生相應(yīng)輸出，控制電機(jī)工作。

圖7 循跡模塊組成

表2 循跡模塊與單片機(jī)接口

2.4 具體實(shí)施方法

實(shí)驗(yàn)前教師將相關(guān)傳感器資料、相似系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例等學(xué)習(xí)資料放在實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站上，學(xué)生在課下完成預(yù)習(xí)。在正常的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生可自主地選擇實(shí)驗(yàn)題目和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)行網(wǎng)上預(yù)約。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和拓展性實(shí)驗(yàn)，既有獨(dú)立完成的內(nèi)容，又有團(tuán)隊(duì)合作部分，有利于激發(fā)不同層次學(xué)生的潛在優(yōu)點(diǎn)以及培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。一般由4～5人組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，要求團(tuán)隊(duì)成員通力協(xié)作，最終形成一套完整的實(shí)驗(yàn)裝置。

首先，學(xué)生需要查閱相關(guān)資料，確定總體實(shí)驗(yàn)方案；要求組內(nèi)每位學(xué)生設(shè)計(jì)各個(gè)模塊電路，并進(jìn)行相關(guān)的理論計(jì)算和仿真設(shè)計(jì)，選出每個(gè)模塊的最佳設(shè)計(jì)方案；組內(nèi)分配任務(wù)，焊接各個(gè)模塊電路板，要求學(xué)生會(huì)測(cè)試各個(gè)模塊電路能否正常工作；在確保每個(gè)電路模塊都能正常工作的前提下，再將各個(gè)電路模塊連接起來，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，記錄各級(jí)輸入輸出實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，將示波器輸出的波形轉(zhuǎn)存U盤打印輸出；在STC89C52單片機(jī)上進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能；最后撰寫總結(jié)報(bào)告，通過現(xiàn)場(chǎng)答辯，探討實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決方法。學(xué)生最終搭建的智能小車實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 智能小車實(shí)物圖

3 結(jié)束語

經(jīng)過近年來模塊化開放式教學(xué)模式的研究與實(shí)踐，電路綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)取得了良好的教學(xué)效果。此模式的特色主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

1)以實(shí)際應(yīng)用為背景，以科學(xué)研究為目的，鍛煉了學(xué)生工程實(shí)踐能力。充分使學(xué)生體驗(yàn)到從設(shè)計(jì)思路到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的全過程，鍛煉了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試等工程實(shí)踐能力。

2)模塊化的結(jié)構(gòu)便于學(xué)生自主、開放地設(shè)計(jì)解決方案。在開放式的教學(xué)過程中，學(xué)生搜集、消化、整理技術(shù)資料，了解開發(fā)流程，熟悉相關(guān)的開發(fā)工具，熟練使用儀器設(shè)備，設(shè)計(jì)與調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

3)分層次教學(xué)有利于因材施教，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作思維。實(shí)踐內(nèi)容分為基礎(chǔ)部分和拓展部分，實(shí)驗(yàn)過程以小組為單位，培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)交流、團(tuán)隊(duì)合作、撰寫技術(shù)文檔等技能，完成各模塊的學(xué)生只有通力協(xié)作，才能高質(zhì)量地完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，使不同層次的學(xué)生能力得到提高。

實(shí)踐證明，通過合理設(shè)置訓(xùn)練項(xiàng)目，以多功能智能小車為例的模塊化開放式教學(xué)模式是電路綜合實(shí)踐教學(xué)改革中行之有效的方法，不僅激發(fā)了學(xué)生興趣，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐素質(zhì)，而且對(duì)于電路綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)提供了寶貴資源。

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