基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的電工電子綜合性實驗課程設計與探索

孫樹祥 黨藝博 文樺 張亞軍

摘 要 為了提高學生的創(chuàng)新能力及提高電工電子課程的實驗教學質(zhì)量，課程設計了以Arduino開發(fā)板為控制核心的智能助老機器人的電工電子課程綜合實驗。該實驗采用模塊化的設計方案，利用傳感器、揚聲器、攝像頭等多種硬件集成，結合ESP32 OV2460平臺和語音配置工具，實現(xiàn)實時監(jiān)控和語音播報功能。再將這兩種功能貫穿于自動跟隨、自動循跡、語音交互這三種行為方式中。該項目將多知識點結合，內(nèi)容相互交叉滲透，并且在實驗過程中，學生可以充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造性實現(xiàn)多功能的組合，提高了學生的創(chuàng)新和解決實際問題的能力。

關鍵詞 綜合設計實驗；智能機器人；實踐創(chuàng)新能力

中圖分類號：G712?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.9.021

Design and Exploration of Electrical and Electronic Comprehensive

Experimental Course Based on Innovation Ability Training

SUN Shuxiang1， DANG Yibo1， WEN Hua1， ZHANG Yajun2

（1. Huanghuai University， Zhumadian， Henan 463000;

2. Zhumadian Vocational and Technical College， Zhumadian， Henan 463000）

Abstract In order to improve the innovation ability of students and improve the experimental teaching quality of electrical and electronic courses， a comprehensive experiment of electrical and electronic courses with an intelligent aid robot based on Arduino development board as the control core is designed. The experiment adopts a modular design scheme， using sensors， speakers， cameras and other hardware integration， combined with ESP32 OV2460 platform and voice configuration tools， to achieve real-time monitoring and voice broadcast functions. Then these two functions run through the three behavior modes of automatic following， automatic tracking and voice interaction. This project combines multiple knowledge points and cross-permeates each other. In the process of experiment， students can give full play to their creativity to realize the combination of multiple functions， which improves their ability to innovate and solve practical problems.

Keywords comprehensive design experiment; intelligent robot; practical innovation ability

電工電子綜合性實驗課程是培養(yǎng)本科電子類專業(yè)學生理論聯(lián)系實際能力的實踐性環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生動手能力、綜合設計能力和創(chuàng)新能力的重要綜合課程[1-4]。由于受教材的限制，教師在電工電子技術基礎實際教學中僅注重原理、定理等系統(tǒng)知識的傳授，忽視了學生的實際接受能力[5]。電工電子技術基礎教學“授課方式單一、缺乏實踐練習”的情況在相當大的范圍內(nèi)存在[6]。為改變此現(xiàn)狀，課程組引入一個綜合性電子實驗——智能助老機器人作為實驗案例，從而體現(xiàn)電工電子綜合性課程實踐教學大多數(shù)知識點，并通過一個實踐項目的開展來激發(fā)學生的學習興趣。本案例可使學生掌握常用電工電子儀器儀表的使用方法和常用電路的調(diào)試測量方法，加深對基礎電路工作原理的理解，提高學生的分析設計能力，培養(yǎng)學生查閱電子器件手冊并選用合適的元器件的能力，培養(yǎng)學生根據(jù)技術要求，設計、調(diào)試電路和分析、排查故障的能力。

1? 電工電子綜合性實驗項目設計

1.1? 綜合性實驗項目的設計思路

在“大眾創(chuàng)新，萬眾創(chuàng)業(yè)”的大背景下，實驗教學要更好地服務于學生，就需要緊密聯(lián)系當前的應用熱點，不斷將工程實踐項目引入實踐教學，培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識[7]。為了緊密聯(lián)系工程實際，提高教學質(zhì)量，將老人智能陪護機器人實踐項目引入電工電子綜合性設計實驗教學，讓學生在實驗中設計生活中的具體應用案例，學以致用，在提高學生實驗興趣的同時，發(fā)揮學生的主動性，鍛煉學生的動手實踐能力[8]。

1.2? 綜合性實驗項目的結構

老人智能陪護機器人是利用單片機技術、電路原理、電機與拖動技術、模擬電子技術和數(shù)字電路技術，將各種元器件接入主控板。采用模塊化的設計方案，利用多種傳感器采集各種數(shù)據(jù)并將收集到的數(shù)據(jù)送至控制電路進行處理，由控制電路根據(jù)傳感器所檢測反饋的數(shù)據(jù)實現(xiàn)機器人在行駛過程中的具體動作行為。該機器人可實現(xiàn)不同生活場景的三種行為方式，并在機器人行駛的過程中始終伴隨有實時監(jiān)控和語音播報的功能。

2? 電工電子綜合性實驗教學方法研究

教學方法是實現(xiàn)教學目標的關鍵，電工電子綜合性實驗課程具有周期長、工作量大的特點，且學生需要自主設計，獨立完成實驗。所以電工電子綜合性實驗課程的教學要從封閉管理轉為開放式管理，不僅是針對實驗教學內(nèi)容而言，更多的是在實驗教學的場所與實驗教學設備方面，逐步讓學生可以根據(jù)自己的時間與學習程度進行自主性實驗，這種教學方法可以最大化地培養(yǎng)學生的動手與創(chuàng)新能力。

2.1? 從理論到實踐

電子電工綜合性實驗是電類本科專業(yè)的專業(yè)基礎課程，主要包括電路分析實驗和模擬電路實驗兩部分內(nèi)容。課程精選實驗項目，從基礎驗證性實驗到綜合設計性實驗，由易到難，引導學生逐步掌握基本的實驗方法和實驗技能，具備良好的工程素養(yǎng)，為后續(xù)專業(yè)課的學習奠定堅實的基礎。

為了方便電子電工綜合性實驗課程的開展，課程組結合具體實驗課程推出一個老人智能陪護機器人系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同工程實踐系統(tǒng)與創(chuàng)新實踐案例，通過對該實踐案例的設計、開發(fā)和學習，發(fā)揮學生的主觀能動性，鍛煉學生獨立分析和解決問題的能力，以及創(chuàng)新思維能力和理論聯(lián)系實際的能力。

2.2? 結合實踐的知識點規(guī)劃

實踐教學是各專業(yè)教學中非常重要的環(huán)節(jié)，要將老人智能陪護機器人的開發(fā)與設計與理論中各個知識點一一對應起來，便于學生對知識有著更加深刻的理解，培養(yǎng)學生的綜合運用知識、動手能力和創(chuàng)新精神。

2.3? 典型設計融入實驗教學中

本課程的目標在于將電路分析基礎、模擬電子技術課程的理論知識與工程實踐相結合，不僅能促進學生對理論知識的理解，還能使學生對電子技術的工程性、技術性有更進一步的認識和理解。通過老人智能陪護機器人的系統(tǒng)設計，由簡單到復雜，由基礎到綜合，循序漸進地使學生掌握電子技術相關基礎實驗的基本方法和實驗技能。通過課內(nèi)實驗和課外開放實驗相結合的方式，培養(yǎng)學生在電子技術應用領域的實驗和實踐能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。綜合運用相關課程的理論知識，觀察分析實驗現(xiàn)象，排查實驗故障。提高學生運用理論知識和實踐經(jīng)驗分析、解決實際問題的能力，培養(yǎng)其嚴謹細致、勇于克服困難和開拓創(chuàng)新的科技素質(zhì)。

通過本課程的學習，學生能夠熟練掌握電工電子儀器儀表的使用方法、掌握基本電路參數(shù)的測量方法、模擬電路器件使用和電氣制圖等實驗技術方面的知識；掌握電子設計自動化（EDA）技術，能夠運用軟件對實驗電路進行仿真分析，加深對實驗原理的理解，提高硬件實驗的效率與效果；能夠掌握模擬單元電路工程設計的基本方法，具備根據(jù)電路理論設計實驗電路，擬訂實驗方案及電路裝配、調(diào)測，實驗數(shù)據(jù)處理和撰寫實驗報告等方面的能力。

3? 綜合創(chuàng)新性實驗項目具體案例

指導學生設計和開發(fā)出基于Arduino的老人智能陪護機器人，實現(xiàn)不同生活場景的三種行為方式，并在機器人行駛的過程中始終伴隨有實時監(jiān)控和語音播報的功能。

3.1? 實驗總體硬件設計和搭建

3.1.1? 總體設計方案

該機器人設計硬件選用探索者零件搭建而成的四輪式小車；控制系統(tǒng)選用Basra主控板和BigFish擴展板為核心，采用模塊化的設計方案，利用多種傳感器采集各種數(shù)據(jù)并將收集到的數(shù)據(jù)送至控制電路進行處理，由控制電路根據(jù)傳感器所檢測反饋的數(shù)據(jù)實現(xiàn)機器人在行駛過程中的具體動作行為。機器人硬件視圖如圖1，系統(tǒng)總體框圖如圖2（p11）。

3.1.2? 系統(tǒng)硬件電路設計

實時監(jiān)控模塊：ESP32-CAM是一個帶有攝像頭的單片機，采用DIP封裝，配有ESP32 OV 2460平臺可觀察到監(jiān)控畫面，直接接入USB TO TTL即可使用。通信協(xié)議是ieee802.11協(xié)議的一個組成部分WiFi協(xié)議，用于無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，工作頻段分為2.4Ghz和5Ghz。可作為最小系統(tǒng)獨立工作，可以在上面運行C語音程序。

該模塊位于機器人車身正前方靠中，在機器人行駛過程中會監(jiān)測到實時畫面，監(jiān)護人可在PC端或手機上通過ESP32 OV 2460平臺觀察到此畫面。實時監(jiān)控模塊電路如圖3所示。

語音播報模塊：HBR640語音識別模塊采用了基于heilos-adsp的新一代中大詞匯語音識別協(xié)同處理方案，支持中文音素識別，可任意指定中文識別詞條（小于8個漢字），識別率大于95%，可自動檢測環(huán)境噪聲，噪聲環(huán)境下也能保證較好的識別率。

內(nèi)置16位高精度DAC及喇叭驅(qū)動電路，用于語音播報；前端帶有麥克風放大器的16位ADC，用于語音錄制?？赏ㄟ^SPI接口讀取Flash中的語音指令，采用標準UART接口與主機進行通訊。HBR640系統(tǒng)架構如圖4。

該模塊工作流程為：先通過改變跳線帽位置將其改變?yōu)榕渲媚Ｊ?，通過語音配置工具配置出所要播報的語音。然后將其改變?yōu)檫\行模式插入主板。熱釋電紅外傳感器位于車頭正前方，對前方是否有人進行監(jiān)測并為主控芯片提供數(shù)據(jù)判斷是否播報語音，其與主控芯片PA2相連。語音播報模塊連接框圖如圖5。

①行為方式1：自動跟隨模塊。

超聲波測距原理[4]：聲音在空報中的傳播速度約為340m/s，時間 t為發(fā)射器發(fā)射超聲波的瞬間到接收器接收到超聲波的時長。

根據(jù)式（1）就能測出機器人到障礙物的距離S。本文選用的是HC-SR04超聲波模塊，其測距范圍為2cm―400cm。

模塊自動發(fā)送8個40Khz的方波，超聲波模塊固定在機器人的正前方，用來檢測正前方的障礙物，自動檢測是否有信號返回。有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。與主控芯片P13、P12相連。自動跟隨模塊電路圖如圖6所示。

灰度傳感器自動循跡模塊利用不同顏色的檢測面對光的反射程度不同，當傳感器檢測到有深色標記時會觸發(fā)傳感器來進行循跡。該模塊共3個，位于車頭下方，從左至右在同一水平面上。檢測的有效距離為0.7―3cm。3個傳感器從左至右分別與主控板中的PA0、PA2、PA1相連接。自動循跡模塊電路圖如圖7所示。

語音交互模塊選用HBR640語音識別模塊如前文圖4。在使用前先使用語音合成工具合成機器人所要交互的語音，再使用語音配置工具將其配置成功，與使用者所發(fā)出的指令相對應，達到人機交互的效果。用語音配置工具來配置交互語音，結果如圖8。

3.2? 系統(tǒng)軟件設計和實現(xiàn)

3.2.1? 自動循跡

循跡時，將灰度傳感器與主控板對應IO引腳相連，當機器人位于規(guī)定的場景中，在有效的檢測距離內(nèi)，發(fā)光二極管發(fā)出白光，照射在檢測面上，檢測面反射部分光線，光敏電阻檢測此光線并將其轉換為機器人可以識別的信號。基于此信號并結3個傳感器的狀態(tài)真值表，機器人完成自動循跡。循跡場景圖如圖9，狀態(tài)真值表如表1。

3.2.2? 實時監(jiān)控

設計時，利用安信可程序案例，將其中通訊部分程序改為自己的手機熱點，即可使用。核心程序如下：

#define CAMERA_MODEL_AI_THINKER

#include "camera_pins.h"

const char* ssid = "nova 7 5G";

const char* password = "dyb123456";

void startCameraServer（）;

3.2.3? 語音播報

設計時，將紅外熱釋電傳感器與主控板對應IO口連接，當傳感器檢測到人體輻射時將其轉換成微弱的電壓信號經(jīng)場效應管放大后向外輸出，再經(jīng)過菲涅爾透鏡將信號放大送至控制電路進行處理，語音模塊開始播報相應的語音。核心程序如下：

void loop（） {

if（ReadSensor（Near_Infrared_Sensor）

{

Get_Mode（ a+2，b ，c ，1）；//如果紅外傳感器觸發(fā)，語音模塊執(zhí)行相對應的語音；

}

else? ?delay（2）；//如果紅外傳感器沒有觸發(fā)，不動作；

}

3.3? 調(diào)試

實時監(jiān)控調(diào)試：配置ESP32-CAM時，會因為通信信號不好導致監(jiān)控畫面不清晰。經(jīng)過多次測試后，需將PC端與手機熱點置于同一WiFi協(xié)議下，并將AP頻段調(diào)至5.0GHz頻段，監(jiān)控畫面才可流暢清晰。

語音交互調(diào)試：使用者發(fā)出命令須與機器人回答的指令相對應，使人機交互性能達到高效的設計需求。初次測試使用者發(fā)出命令與機器人回答指令數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)過連續(xù)測試改進，在語音配置工具中多次調(diào)整使用者發(fā)出的指令及機器人回答的指令位置，再將程序進行優(yōu)化，所獲得數(shù)據(jù)如表3所示。

4? 結語

通過設計老人智能陪護機器人綜合性實驗，增強了理論知識與實際應用的聯(lián)系，在設計和實現(xiàn)相關功能的過程中培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新和工程意識。同時增強了學生解決實際問題時的動手能力。綜合實驗的設計還激發(fā)了學生對新事物探索的興趣，其將來的學習和工作奠定科技創(chuàng)新意識。

基金項目：2021年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“應用型本科高校電子信息類專業(yè)‘三育融合課程建設研究與實踐”（2021SJGLX533）；2022年度黃淮學院校級研究性教學改革研究與實踐項目“泛在學習下研究性實驗教學模式探索與實踐——以《微電子技術實驗》課程為例”（2022XJGYLX03）。

參考文獻

[1] 畢亞軍，焦智，智凌云，等.基于SPOC+翻轉課堂的模擬電子技術混合式教學研究與實踐[J].北華航天工業(yè)學院學報，2021，31（6）：29-41.

[2] 付揚.基于Multisim技術的電子電路綜合設計改革[J].實驗技術與管理，2017，34（4）：112-113，198.

[3] 廖美英，鄧若宇，禹銘典，等.基于工程師思維的開放性電子技術綜合實驗裝置研究[J].綿陽師范學院學報，2020，39（8）：45-50.

[4] 冼進，畢盛.基于創(chuàng)新性綜合實驗的嵌入式教學研究[J].實驗科學與技術，2022，20（4）：82-85.

[5] 李冰，張妍，苑朝，等.單片機綜合實踐中的可燃氣體報警系統(tǒng)設計[J].實驗科學與技術，2022，20（5）：7-11.

[6] 楊風健，霍旭陽，李洪亮，等.醫(yī)學院校單片機綜合實驗教學研究與實踐[J].吉林醫(yī)藥學院學報，2023，44：71-72.

[7] 王娟娟.Multisim與《電子技術綜合實驗》課程的深度融合[J].西安交通工程學院學術研究，2021，6（2）：109-112.

[8] 董玉冰，李明晶.新工科背景下混合式創(chuàng)新教學在數(shù)字電子課程中的應用探索[J].長春大學學報，2017，27（10）：117-120.