應用型高校特色實踐教學改革研究

曲娜，宋毅，崔海鑫，李雅

（吉林建筑科技學院，長春 130114）

0 引言

電子信息工程專業(yè)實踐教學的研究非常多，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)的實踐教學相關研究的趨同性較大，沒有較好地與市場需求聯(lián)系到一起，結合當前的實際情況及應用型高校的自身特點，進行專業(yè)的實踐教學改革，構建市場需求引導、校企合作推動、科技創(chuàng)新驅(qū)動下的電子信息工程專業(yè)實踐教學的改革模式，培養(yǎng)學生實踐能力與創(chuàng)新能力一體化的綜合素質(zhì)。

1 大學生“雙創(chuàng)”項目電供暖控制平臺設計

在經(jīng)濟與科技飛速發(fā)展的今天，冬季供暖方式被人們越來越重視，電采暖作為一種清潔綠色供暖方式是社會發(fā)展的必然趨勢，本學校率先在全國整體校園應用無水電采暖技術，依托學校電采暖控制平臺，大學生“雙創(chuàng)”項目主要完成電采暖控制系統(tǒng)管理層總控制設計，擬采用單片機為控制核心，通過管理層總控制設計，實現(xiàn)現(xiàn)場層所有教室的多節(jié)點控制。

整體系統(tǒng)總共分為5個模塊，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。最終設計完成基于電供暖控制的小型集控系統(tǒng)，達到精準供熱的目的。

在STM32單片機上為其搭建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)動程序。然后上電啟動后，UCOS-III系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)將會檢測溫控器的信息，并進行解碼顯示在TFT觸摸屏上，通過TFT觸摸屏設置參數(shù)從串口發(fā)送給STM32單片機上，單片機再進行解析，通過RS-485電路發(fā)送給溫控器，當溫控器設置成功后，會回傳數(shù)據(jù)進行響應，當單片機接收到數(shù)據(jù)后，判斷參數(shù)設置成功后，報警電路將會滴一聲表示設置成功，原理框圖如圖1所示。

圖1 原理組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控電路

本設計采用STM32F103RCT6型單片機對溫控器集中控制系統(tǒng)進行調(diào)控，STM32F103RCT6采用了ARM Cortex-M3核心，采用了哈弗結構，程序存儲器和程序存儲器都是獨立的，具有較高的執(zhí)行效率。STM32F103RCT6的最小系統(tǒng)由時鐘電路、復位電路，BOOT選擇電路、電源電路、濾波電路構成。

ARM Cortex-M3是一個32位的核，在傳統(tǒng)的單片機領域中，有一些不同于通用32位CPU應用的要求。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，完全基于硬件進行中斷處理，最多可減少12個時鐘周期，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

在本次設計中，由于單片機要跟溫控器通信，溫控器支持的通信方式為Modbus協(xié)議，這個協(xié)議利用了RS-485總線。所以需要設計一個485通訊電路。

本次設計采用了支持RS-485總線的SP3485芯片。這個芯片支持3.3V供電，正好符合系統(tǒng)的電源。由此可以應用碼分多址技術，也就是說單片機在定義一串報文的時候，在某個位設置地址，底層只對一個地址進行應答?？梢蕴崆皩Φ讓釉O定好地址，這樣一個地址只對一個底層有效，其余的位寫其他的控制命令。這個通訊協(xié)議可以最高控制128個底層。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進行連接。圖3是本次設計的RS-485通信電路。把RE與DE接在一起，為一個與門，一個引腳就可以同時作為發(fā)送和接收的使能端口。R/D為低時，禁止發(fā)送，接收有效；R/D為高時，傳輸有效，接收關閉。通過單片機引腳控SP3485發(fā)送和接收模式。在主從模式下，主機發(fā)出命令后，應立即在接收模式下拉動R/D，同時機器上的設備處于接收狀態(tài)。反之向上拉動，使機器上的設備處于發(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)絡失效保護，提高RS-485節(jié)點與網(wǎng)絡的可靠性，R13、R14、R15這三個電阻，需要根據(jù)實際應用改變大小。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。本次設計采用了經(jīng)驗值。

2.3 TFT觸摸屏電路

此次設計選用的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，并且使用簡便，具有文本控件、滾動文字控件、二維碼控件、曲線波形控件、定時器控件、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、復選框控件、進度條控件、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。這樣可以很快地達到自己想要的目的，圖3-7為串口觸摸屏實物圖。可以通過串口連接在單片機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軟件，可以實現(xiàn)十分鐘就可以做出一個好看的界面，同時這個界面支持實時變換，并且速度較快。在輸入時可以利用虛擬按鍵給單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，然后單片機進行處理。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。本設計通過虛擬輸入來控制底層的溫控器。

2.4 報警電路

對于報警電路的設計，本設計采用了NPN型三極管S8050和3V有源蜂鳴器，通過單片機控制S8050導通，當BE高電平時CE間導通，這樣蜂鳴器就會工作，本設計利用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間導通速度，第一點PN結有結電容，加一個電阻可以使結電容充電快放電快，第二點由于NPN型三極管是由高電平觸發(fā)，這個電阻同時也是一個下拉電阻，可以防止干擾產(chǎn)生的信號讓蜂鳴器響，所以此電路這樣設計。與單片機管腳連接之中加了個1K電阻，這樣的作用是為了阻抗匹配，防止不過電流。這個報警電路的主要作用是在按觸摸屏時候，滴的一聲，就可以知道是否按下去了，主要作用是作為一個反饋。

2.5 開關電源電路

在實際的生活中，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的市電轉換為5V的直流電。那么從市電轉化開始設計，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。那么就需要一個變壓器來實現(xiàn)這個功能。變壓器是利用電磁感應的原理來降低電壓的裝置，主要結構是初級線圈、次級線圈和磁芯。通過初級與次級的匝數(shù)比，可以按照比例對交流電壓進行降壓。只有電流方向不斷變換才能有感應電壓，所以變壓器只能應用于交流電壓中。變壓器實物如圖6所示。

圖5 報警電路

圖6 開關電源電路

2.6 溫控器電路

在溫控器的選擇上，本設計選擇了億科成公司的E52型號的溫控器。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。能夠獨立設置地址，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、低溫保護功能、控制溫度開放，上下可調(diào)、開關機斷電記憶功能、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為溫控器的實物圖。

3 系統(tǒng)軟件設計

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

圖7 溫控器實物圖

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置好，接下來需要點擊溫度設置，把設備ID調(diào)到01，溫度設成22度。點擊設置后，會發(fā)現(xiàn)溫控器的設置溫度由最高15度變?yōu)榱?2度。溫度設置如圖9所示。

圖9 溫度設置界面

4 結語

特色鮮明的工程系統(tǒng)化應用型人才培養(yǎng)體系，打破原來以學科理論系統(tǒng)化的培養(yǎng)體系，轉而以一個個典型控制系統(tǒng)為對象，遵循由淺入深、由小到大的知識認知規(guī)律，圍繞電子技術應用工程過程來組織教學，輔之以必要的現(xiàn)場實習、實驗實測等實踐性教學環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)與企業(yè)需求緊密對接的技術復合應用型人才培養(yǎng)目標。構建全新的實踐創(chuàng)新教育教學體系和考核標準，借助科技平臺將科技成果迅速轉化為教學內(nèi)容。使得學生眼界寬、知識全、能力強、適應快，從而很好地滿足企業(yè)對應用型人才的需求。