學生電子設計創新社團實踐研究

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人工智能發展的大環境下，企業用人單位對畢業生的實踐創新能力、自主學習能力、團隊協作能力都提出了新的要求。重視對高職院校學生實踐創新能力的培養，提高他們的就業競爭力，培養高技術技能型人才，既是時展的需要，又是高職教育恒久不變化的話題。把培養學生的實踐創新能力作為教育教學的主要方向，改變原有的教學觀念［1］，充分調動學生學習的積極性和主動性，鼓勵學生開動腦筋去探索、去研究，激發他們的創造性和創新精神，培養團隊協作和實踐動手能力，讓課堂教學在創新社團延續下去，鼓勵和支持大學生盡早參與科學研究、技術開發和社會實踐等創新活動，為學生今后的成長成才做好引導和鋪墊作用。

1創新社團簡介

大學生電子設計創新社團的建立以鍛煉和提升學生的綜合能力為出發點，是以學生開展專業技能活動、開啟頭腦風暴、碰撞思維火花、鍛煉自身研究探索能力、溝通協調能力和人際交往能力為主要宗旨，立足于提升學生的專業技能和自我管理、自主學習的能力，以項目任務為載體，按照項目要求教師進行有針對性的知識點分解講授，充分發揮老生帶新生、小組討論學習的模式方法，讓學生直接參與到每個項目的設計、選型、制作、調試中。教師最終根據電路功能狀態以及其他標準來進行評定。一個學期完成一定數量的設計項目，期末時候進行綜合考察評定，選出優秀學員進行鼓勵鞭策。每個項目以一定的周期為限，學生在有關知識點內容的基礎上，自主的查找資料、分頭研究仿真模擬測試結果、討論涉及項目的方案、器件材料的選擇，查找項目的最新資料信息，查閱項目已有的傳統方案，加以推敲研究改進創新，設計出更為優異的東西，為各類電子設計大賽、今后的畢業設計、進入更高一個層次學校的學習或者踏入工作崗位以后從事開發設計提供鍛煉培養的機會，這是建立學生創新社團的主要目標，也同時解決了學院各級各類技能競賽的參賽組隊、參賽成績等的實際問題。大學生電子設計創新社團最為注重的是學生實踐創新研究的過程。不斷提高學生的自我學習能力、團結協作能力和組織實施能力。鼓勵學生在專業課程的學習過程中，從自身所長與興趣出發，積極參與實驗實踐活動，引導學生探索、研究和創新［2］，提出自己的創新觀點與見解。同時為了加強學生對社團的主人翁意識，在項目經費的使用問題上讓學生也參與進來。對自己做的每個項目做費用預算，嚴格規劃社團經費的開支，公開賬目明細，對社團每年的開支做相應的預算，學會在自由支配的基礎上統籌規劃，老師既能夠起到統籌管控的作用又能夠給學生一定程度的自由發揮空間，讓學生自己做社團的主人，不僅鍛煉學生金錢管理能力和資金規劃能力，更激發了他們的積極主動性［3］，充分發揮他們的聰明才智，為今后學生踏入工作崗位或自主創業、自我生活規劃奠定基礎。

2實例說明

根據所在高職院校創新社團的實際實施過程，選擇以《太陽能熱水器溫控系統》項目設計為例，簡單闡述學習教學流程。太陽能熱水器溫控制系統是一個比較典型的檢測控制應用電路，能夠實現對水溫的檢測、信號處理、以及實現水溫加熱的控制系統。教師評分標準就以整體功能實現狀況、精準度和誤差率如何以及是否滿足檢測、控制的要求來判定。課前，學生自主選題或教師指定項目內容，選擇了應用較為廣泛的太陽能熱水器中溫控系統為本次項目的課題，該項目涉及知識點包括:《模擬電子技術與應用》中要講授的電源電路、報警指示電路;《單片機技術與應用》中涉及的主控電路;《數字電子技術與應用》中的數碼顯示電路制試點內容;以及其他包括傳感器等可以讓學生自我搜集材料、自主學習、自我拓展的相關知識點內容。課中，不同課程的專任教師將相關知識點給學生進行講授提點。如《單片機技術與應用》任課教師將書本材料中的傳統芯片8051及構成的主控電路相關內容進行介紹，并留一定拓展內容和思路給學生進行自主學習，引導學生查找相關資料和手冊對比傳統的80C51、80S52芯片，選用較為先進、編程靈活、控制簡單的新型主控芯片，讓學生在掌握基礎知識的前提下更重要的是根據自身的不同學習能力和理解能力選擇最合適的進行學習;《模擬電子技術與應用》老師將常見的電源電路結構原理和報警指示電路進行總結概括分享，引導學生根據實際項目的要求進行適當的改進和修正;每個教師的課時根據內容量有所不用，《數字電子技術與應用》老師也根據項目內容將課本材料中的LED、LCD的構造和原理進行講授指導，讓學生學會選擇適當的顯示設備。課外，學生在對該項目有一定程度的了解和掌握基礎上，查找相關文獻網絡資料，消化老師所講授的每個環節的知識點內容，同時進行拓展創新，并且根據項目需要自主學習選擇市面上比較成熟的溫度傳感器DS18B20采集溫度變化信號，之后進行電路圖的設計及仿真，利用仿真軟件調整電路的設計中可能出現的線路故障、電容電阻等元器件參數選擇不合適等狀況;在此基礎上學生采購元器件或在已有的元器件倉庫中尋找自己需要的合適元件進行實物制作安裝;實物制作完成之后通過燒錄編譯控制算法觀察最終調試結果;對控制精度要求較高的同學則會不斷地對算法進行研究和改進，在這過程中，學生提升了自己的設計和邏輯能力。個別同學制作的太陽能熱水器溫度控制系統的實物電路板，還緊密聯系社會實際，創新地提出了多機通信接口，為完善的人機交互界面提供了可能。也有的同學在對主控芯片的選擇上進行了一番調研，選用的核心主控芯片STC12C5410ADSOP28價格合適，功能完善。綜合學生的設計電路，在太陽能熱水器溫控系統這個項目中有顯著的三個設計的優異之處，分別體現在:一、主控芯片的選擇。常見的溫度控制電路大多采用AT89系列作為控制芯片，社團的章同學和其他兩名同學選用了STC12C5410ADSOP28單片機，該單片機對傳統8051系列的功能具有良好的兼容性，同時還有具有諸如功耗低、價格低廉、抗干擾能力強、易于開發、實現在線編程容易等的優點。二、電源電路的設計。在我們常見的電路中電源電路常采用交直流轉換的整流穩壓電路，但是這種結構要求固定安裝，并且占空間而且笨重，不利于電路系統的整體安裝和調試。在陸同學和其他幾名同學的控制電路電路中，他們選用了已廣泛應用于手機、便攜式電腦等的USB接口供電，USB供電體積小、重量輕、便于攜帶，調試和操作起來也很方便便捷，并且接口及數據線的通用性好，是一個供電電路的不錯選擇。三、數碼顯示電路及按鍵電路的設計。傳統的電路中常常采用矩陣鍵盤方式設計鍵盤控制電路部分，通過軟件編程實現數碼顯示。而鍵盤往往數量多、所占面積較大。創新社團的孫同學和其他幾位同學設計的控制系統則完全不同，他們通過將單片機上的數模轉換I/O端口直接連接數碼顯示，同時設定了兩個按鍵控制溫度調節，大大縮小了電路板的面積，簡化了電路結構，使電路的集成度得到了較大地提高［4］?？梢园l現，在這些細小的改進上學生們動了腦筋，也花了心思，只有通過大量的資料查找閱讀和理解才能夠有這么出彩的設計創新，這樣的舉動就已經達到了創新社團建設的根本目的。

3總體設計構造舉例

溫度控制系統是一種性能顯著、使用廣泛的電路裝置，在冶金工業、化工生產、電力工程、造紙行業、機械制造和食品加工等諸多領域得到大量研究和應用，具有良好的應用前景。早期的溫度控制電路有通過薄膜鉑電阻作為傳感器將溫度轉換成電壓值，經溫度采集、電路放大以及濾波之后，送入A/D轉換器采樣和量化，量化后的數據送單片機做進一步處理;當前溫度數據和設定溫度數據經PID算法得到溫度控制數據;控制數據經D/A轉換器得到控制電壓，經功率放大后供半導體制冷器加熱或制冷，從而實現溫度的閉環控制。實際上，現在使用較多的是以AT8951、AT89S52系列單片機為核心，采用溫度傳感器AD590或其他傳感器感測溫度，通過A/D采樣芯片ADC0804、可控硅MOC3041及PID算法對溫度進行控制。本課題將在現有的基礎上進行改進，不但簡化現有電路結構，改進A/D轉換方式和顯示譯碼方式，同時還針對提高溫度的測量精確度、穩定度、靈敏反應度等方面通過試驗進行驗證［5］。通過對此次項目任務中若干個較為優秀的電路板進行測試對比，發現學生能夠突破傳統的溫控電路設計的局限，總結其中典型的應用設計，電路組成結構包括有:選用較為合適的傳感器DS8B20和主控芯片STC12C5410ADSOP28，結合USB轉換電路實現供電和數據通信，使用繼電器控制加熱電路，通過單片機中的ADC通道連接并實現顯示功能，最后通過蜂鳴器報警電路實現超溫報警功能。選用的數字溫度傳感器芯片DS18B20能夠實現從－55℃到+125℃的溫度測量，并且較傳統的AD590、PT100耐磨耐碰、體積小、使用方便，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域，現在在溫度傳感裝置中得到廣泛的采用，同時具有獨特的單線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與傳感器的雙向通訊，可在ls(典型值)內把溫度變換成數字。STC12C5410AD系列SOP28單片機是我國本土知識品牌宏晶科技生產的新一代8051單片機，兼容性好，抗干擾能力強，同時內部還包含有4路PWM和8路高速10位ADC轉換，可以直接實現模數轉換，為電路的功能拓展提供了便利。加熱部分采用三極管控制繼電器，通過繼電器控制電熱絲加熱。這種加熱方式可以通過軟件設計控制電熱絲的加熱時間，當溫度達到規定值時，使被控制的電加熱絲斷開。繼電器控制信號所需的功率極低，即通過弱信號控制強電流。同時動作快、工作穩定、使用壽命長、體積小，在實際的安裝過程中，學生考慮到方便與兼容，直接采用普通的繼電器。數碼顯示電路采用4個LED共陰數碼管顯示溫度數值大小，精度精確到0.1℃，實際日常測量中基本上只用到三個LED。電路無須譯碼部分，直接通過STC12C5410AD單片機中的ADC通道連接即可達到譯碼功能［6］，這也是本電路較市場上普遍溫控電路更為簡單、便捷、實用之處。電路中所有三極管都選用NPN三極管9013，限流電阻阻值大小為220歐姆，三極管的集電極端口用于連接并控制數碼管的公共端。同時電路裝有紅、綠兩個指示功能的發光二極管，當測量顯示的溫度值在正常范圍內時，綠燈亮同時數值顯示;當測量到的溫度超出了設定范圍以外的時候，紅燈亮以示報警，同時蜂鳴器響起，提醒用戶注意安全。報警電路采用有源蜂鳴器，使用方便。采用兩個按鍵易于用戶對溫度進行設置，其中兩個按鍵分別對應為設置溫度“+”、“–”。同時電路中選用三極管起開關作用，與單片機的I/O口連接用于通過三極管來驅動蜂鳴器，當三極管基極為高電平時三極管飽和導通，蜂鳴器發聲;而正常時刻基極為低電平使三極管關閉，蜂鳴器停止發聲。此外，系統電路板上還帶有USB—UART轉換接口，可以實現PC機到控制板之間的數據通信。同時，利用FT232BM進行USB接口的開發優點較多，在很多電路系統的設計場合被廣泛采用?？刂破鬈浖O計采用模塊化結構，主程序內包括DS18B20溫度檢測程序、按鍵控制子程序、加熱時間設定計算子程序等。系統主程序主要完成溫度的檢測以及進行加熱時間預算和一些初始化功能。程序開始的時候先設置初始化［7］，然后控制數碼管顯示當前溫度.接著判定兩個按鍵是否被按下;程序控制設置溫度的三個數碼管的點亮與否;當有按鍵按下的時候進入按鍵處理程序，按下“確定”按鍵以后，程序進入判斷程序和繼電器控制程序。繼電器動作后，程序回到顯示當前程序，并開始循環。在系統的程序過程中，由于存在有溫度傳感器對溫度進行感測，溫度讀取的子程序不可或缺。溫度讀取的子程序主要是針對DS18B20中隨機存儲器內字節進行讀取，經過循環冗余碼校驗，就可以將溫度值讀取出來。溫度的控制是采用兩個繼電器對溫度進行加熱和降溫，溫度控制子程序的設計主要是以傳感器感測到的當前實時溫度是否超過設定的溫度上限值來進行編譯的，溫度過高時指令發出，驅動控制加熱片的繼電器斷開，停止加熱;溫度不過高時，繼電器導通，加熱片正常工作。按鍵程序的設計中，還需要考慮按鍵的抖動時間和機械特性的長短，一般為5－10毫秒。通常手動按下按鍵，然后立即釋放這個過程穩定閉合時間超過20毫秒。因此，單片機檢測按鍵是否按下必須要加上去抖動操作，在程序中就必須要將這部分檢測掃描并且消去。

4數據分析

溫度控制系統能夠敏捷感知并顯示實時溫度，可對最上限溫度進行實時調整(0.1℃為調整單位)并也予以顯示。正常工作時，每一秒鐘感測一次溫度并進行調整顯示，同時綠燈顯示表示正常溫度內安全工作狀態。當外部溫度由于加熱或其他原因致使溫度超出限定最上限時，蜂鳴器報警并紅燈顯示，以表明非安全模式，以提醒使用者進行調整確保安全。研究電路的測試數據結果可以看出，設計系統的靈敏度好，選用合適的控制算法，能夠較好地達到系統的設計要求，且精確度較高［8］。由檢測數據可以看到，在設定溫度波動的前提下能夠很好地檢測出系統的誤差基本穩定在正負0.17℃。設定溫度為50℃，每隔5s記錄實測溫度如表2。從表2中的數據可知，該控制系統的反應速度快、穩定性好，從初始狀態到數據顯示系統運行只需要15秒的時間。對比系統的穩定性和測量誤差可以看到，能夠很好地達到一定的設計指標要求，精確地測量溫度并且誤差率低，具有一定的有實用性和應用價值。5結論注重培養學習過程的優化，創新社團為學生創造有利于個性發展與提高實踐創新能力的良好學習環境。在這種新的教學模式和教學理念的基礎上，學生學習的主動性和積極性被充分地調動起來，學生的實踐動手能力和團隊協作能力得到了極大的提升，參加各級各類技能競賽中獲得了較為優異的成績，累計獲獎達20余人次。其中榮獲江蘇省高等職業院校技能大賽二等獎3項，TI杯江蘇省大學生電子設計競賽二等獎1項、三等獎2項，無錫職業教育創新大賽高職院校學生組創造發明一等獎1項、二等獎3項。近年來，專業學生的就業率、就業質量以及專業對口率不斷提升，受到了企業和用人單位的歡迎;扎實的專業基礎知識也使得社團中學生轉本的比例逐年提升，對學生的進一步深造提供了保障。高等職業院校的教學之根本除了傳授理論知識、強化動手能力以外，更應該注重培養學生自主學習的能力，讓他們學會主動研究問題和探索創新能力。電子設計創新社團建立的主要目的就是讓學生在一定基礎上學會拓展和創新，高職教育的目的也就是如此，緊跟社會時展的步伐，把行業企業中的新技術、新知識、新技能融入課程教學及項目設計的學習中去，改變原有的灌輸式教學模式，開拓翻轉課堂、啟發式教學等新教學方式，深層次挖掘學生的潛能，激發學生的創新力和思考力［9］。大學生電子設計創新社團的實踐證明創新的教學模式是學生能力提升和綜合素質拓展的引導力量，為學生今后的就業和深造，為培養企業需要的肯學習、能動手、會思考的人才需求打好堅實的基礎。

參考文獻

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［5］張凱．小球滾動控制系統［J］．電子制作，2019，(17)．

［6］鄺允新．高職學生創新能力培養現狀分析研究［J］．教育教學論壇，2019，(09)．

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［8］董立鋒，黨麗敏，陳少軍．斷路器二次接線正確性檢測裝置設計［J］．電氣技術，2019，(07)．

［9］楊啟堯，劉煜博，許鑫焱，吳眾，胡曹娟，郭棟，潘鑫鑫．管道內鋼珠運動測量裝置的設計與實現［J］．工業控制計算機，2019，(01)．

作者:張墅 陸淵章 單位:江蘇信息職業技術學院