淺談電阻測試儀在智能電子產(chǎn)品課程中的應用

吳友蘭 朱恭生 湯鋒

(北京電子科技職業(yè)學院，北京 100016)

1.引言

《智能電子產(chǎn)品設計制作》課程的開設是為了提高高職院校電子類相關課程理論與實踐相結(jié)合而設立的。該課程以項目驅(qū)動為導向，課程中所選取大部分項目案例來源于歷屆全國大學生電子設計大賽，該課程以真實的項目為依托，訓練學生電路的搭建、測試、程序的編寫以及儀器儀表的使用，學生能從設計、制作到調(diào)試整個過程，完成一個小型的智能產(chǎn)品的開發(fā)，從而提高學習興趣。每個項目包含了電子類相關課程所涉及的知識點，為課程體系中的前序課程的知識的延伸提供了依據(jù)。本文主要以電阻測試儀的設計制作作為依托，提出了項目驅(qū)動教學的新思路，供相關課程教學改革提供參考。

2.項目驅(qū)動教學法在課程中的意義

智能電子產(chǎn)品設計制作課程在電子類課程體系中屬于綜合性課程，它涉及到多門課程的知識點，其特點是要求學生制作具有一定技術含量的硬件作品，我們設計了5個綜合性的實訓項目，其中有三個項目均來源于歷屆大學生電子設計大賽，其項目選擇具有一定的典型性和應用性，知識內(nèi)容可能涉及多門課程。學生3-5人一組，通過階段性的實踐來完成項目任務。這些項目涵蓋70%的課程內(nèi)容，30%的擴展知識，充分發(fā)揮學生的自學能力，培養(yǎng)他們的團隊合作意識，進一步地激發(fā)他們對單片機課程、模擬電路設計、傳感器技術的興趣，為選拔各類電子大賽人才做好準備。

3.課程結(jié)構(gòu)模塊化

智能產(chǎn)品設計課程結(jié)構(gòu)根據(jù)教學內(nèi)容分項目進行，課程中安排5個綜合性案例：頻率計的制作、萬年歷的制作、水溫控制系統(tǒng)的制作、電阻測試儀的制作、信號發(fā)生器的制作。

每個項目又按照設計方案分為以下幾個模塊：主控模塊、待測模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、控制模塊（總體框架見圖1）。

圖1 總體框架圖

下面以2011年大學生電子設計大賽中電阻測試儀的制作為例詳細分析項目驅(qū)動教學的方法。

本簡易自動電阻測試儀采用了AT89S51單片機。該系統(tǒng)主要包括電阻測量模塊，LCD顯示、按鍵模塊、電源電路等功能模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電阻測試儀設計框圖

3.1 主控模塊

主控模塊主要是指具有處理控制功能的處理器模塊，在電阻測試儀中我們可選的處理器很多，比如AT89S51、MSP430、ARM等，但是從學生的接收知識的連貫性考慮，我們選取了最簡單而且具有代表性的AT89S51單片機作為主控制器。學生在學習智能產(chǎn)品設計課程的前序課程有電工基礎、數(shù)字電路、模擬電路技術、單片機技術、傳感器技術。對基本電路的設計和單片機控制系統(tǒng)已經(jīng)有了初步認識，我們在這選用AT89S51單片機，學生可以把前序課程中單片機的知識進行復習和回顧，并在原基礎上得以提高，使得學生所學知識得以貫穿。在學生的知識拓展環(huán)節(jié)，主控模塊我們可以換成MSP430系列單片機，由于該系列單片機在我們的課程體系中暫時還沒有加入進來，需要學生自學，這樣可以提高學生的自學能力，拓寬學生的眼界，提高他們的綜合能力。

3.2 輸入模塊

輸入模塊在大部分產(chǎn)品設計中都需要涉及，選取方案大致分為兩個。

方案一：采用獨立式鍵盤。這種方式是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。軟件設計采用查詢方式和外部中斷相結(jié)合的方法來設計，低電平有效。通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷那個按鍵被按下了。采用獨立式鍵盤電路配置靈活，軟件簡單。

方案二：采用矩陣式鍵盤。采用4x4矩陣鍵盤輸入，這種接口方式適用于按鍵數(shù)量較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于每個行、列的交叉處。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一決定。這樣，適用8個I/O口，就可以有16個按鍵。若使用“一鍵多功能”能實現(xiàn)更多更方便的設置。占用比較少的I/O口。

在電阻測試儀設計和制作中，要輸入的數(shù)值比較簡單。所以以上兩個方案都能實現(xiàn)題目要求，學生可以根據(jù)自己以前的相關知識的掌握情況，自行選擇一種方案。從而把以前所學的知識加以貫穿。

3.3 輸出模塊

輸出模塊屬于很多電子產(chǎn)品開發(fā)的重要模塊之一，選取方案大致分為兩個。

方案一：采用數(shù)碼管顯示

其優(yōu)點是元件價格便宜，而且外圍的電路簡單，編程簡單。但是掃描占用大量的I/O口資源，從而增大了單片機的運算開銷，顯示信息不豐富，功耗比較大。

方案二：液晶顯示

相對數(shù)碼管顯示液晶顯示有著他得天獨厚的優(yōu)勢，液晶顯示能夠精確地還原圖像，液晶顯示器采用的是直接數(shù)碼尋址的顯示方式直接將視頻信號一一對應在屏幕上的液晶像素上顯示出來。而且其顯示字符銳利，畫面穩(wěn)定不閃爍，屏幕調(diào)節(jié)方便。液晶顯示器的直接尋址顯示方式，使得液晶顯示器的屏幕調(diào)節(jié)不需要太多的幾何調(diào)節(jié)和線性調(diào)節(jié)以及顯示內(nèi)容的位置調(diào)節(jié)。由此可見液晶屏顯示更為合適。

液晶顯示有很多的型號，如LCD1602和T6963C。LCD1602其優(yōu)點是顯示方便，使用方便靈活，占用I/O口少，不需要循環(huán)掃描，節(jié)省了大量的程序開銷，但是其顯示內(nèi)容比較單一，不能顯示中文，所以建議學生不采用此方案。T6963C其優(yōu)點是顯示信息非常豐富，方便使用者使用，占用I/O口少，不需要循環(huán)掃描，節(jié)省了大量的程序開銷。而且功能很多，使用起來比LCD1602更加方便快捷，所以在電阻測試儀的設計中我們建議學生顯示模塊選擇T6963C。

3.4 待測模塊

在電阻測試儀的設計中，我們的待測模塊主要包括測量模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、換擋模塊三部分。因為在很多項目中都涉及到輸入輸出模塊，它的設計基本是相通的，而待測模塊針對不同的項目會有不同的設計方案，下面以電阻測試儀為例詳細講解待測模塊的設計以及該模塊所涉及到學科中的知識點。

測量模塊：在該系統(tǒng)中采用標準電阻比較法，利用待測電阻Rx與標準電阻R1串聯(lián)在標準電壓5V電壓上如圖3，根據(jù)分壓定律：5-U1/Rx=U1/R1，得 Rx=（5-U1）R1/U1（其中U1為被測電壓，R1為標準電阻）。經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到的直流電壓U1經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機控制輸出顯示被測電阻值到LCD。此方法電路實現(xiàn)簡單，設計中可以通過選擇多種標準電阻進行比較提高測量精度。

圖3 串聯(lián)分壓

A/D轉(zhuǎn)換模塊：在電阻測試儀設計中輸出的電壓U1如何被單片機接收并加以控制顯示，這里就需要用到A/D轉(zhuǎn)換芯片，在教學過程中，學生可以根據(jù)自己以前知識的掌握情況先選擇一種A/D進行測試，因為我們學生在初學A/D轉(zhuǎn)換時用的是8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，故我們在教學中選用了這款AD芯片，該芯片是8位的A/D芯片，測量精度會受到一定的影響。但是學生對該款芯片已經(jīng)比較熟悉，所以在設計開發(fā)過程中難度也不會太大，能夠?qū)崿F(xiàn)該系統(tǒng)的功能，并且會增加對該門課程的興趣。在課程的拓展環(huán)節(jié)，學生可以自由發(fā)揮選擇一種高精度的A/D芯片，在原有基礎上更換精度更高的芯片，從而提高該系統(tǒng)地精度。在這部分教學過程中考慮以前知識的連貫性，我們并不是選擇精度最高的AD芯片，而是根據(jù)學生的情況選擇一款他們已經(jīng)比較熟知的芯片，目的是為了實現(xiàn)知識的連貫性，學生學習起來也不會覺得有難度，增加了他們的學習興趣，在拓展環(huán)節(jié)我們更換了精度更高的AD芯片，使得他們在復習鞏固以前知識的基礎上能學習到新的知識。

換擋模塊：換擋電路是一個關鍵部分，單片機通過A/D轉(zhuǎn)換器采集分壓測量電路的電壓，同時控制繼電器進行換檔操作，即根據(jù)需要改變參考電阻阻值。因為繼電器具有動作快、工作穩(wěn)定體積小等特點，和單片機配合使用能夠很好地實現(xiàn)準確快速的自動換擋功能。

我們在設計中利用單片機控制三極管來驅(qū)動繼電器的打開和閉合如圖4，選中和被測電阻最接近的基準量程電路進行測量，從而提高測量精度。在換擋模塊中學生可以根據(jù)題目要求自行設計需要幾路換擋電路，考慮繼電器的切換需要時間，并不是設計越多路換擋，精度越高，這個是學生在設計開發(fā)過程中自己去體會的。

圖4 檔位切換電路

4.結(jié)語

項目驅(qū)動法教學，也稱為基于項目活動的研究性學習，這種教學方法的突出特點在于學習過程的實踐與研究活動相融合。在課程的設計中，學生并不是以完成項目為目的，而是把項目分解成若干個模塊，不同模塊涉及到不同的知識點。每個模塊成三個層次—基礎部分、提高部分、拓展部分。其中基礎部分是學生能對以前知識進行回顧和復習，提高部分是學生對新知識的獲取，拓展部分是學生的綜合能力，舉一反三和觸類旁通的能力。項目驅(qū)動教學法能將教學內(nèi)容的理論與實踐有機結(jié)合在一起，項目完成過程是以學生為主體，以實踐為中心，注重前后的知識連貫性，不僅提高了學生的學習興趣，也調(diào)動了學生的學習積極性，值得廣泛推廣。

[1]戴士弘.職業(yè)教育課程教學改革[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2]彭遠芳，陸勤，胡寧，楊洋.基于“項目驅(qū)動法”的單片機課程一體化教學的探索與實踐[J].計算機教育，2010(0)：78.

[3]張躍西.論高職教育與課程項目化[N].光明日報，2007：12-10.

[4]徐國慶.職業(yè)教育項目課程的幾個關鍵問題[J].中國職業(yè)技術教育，2007，（02）.

[5]魏文芳.項目課程建設是教學基本建設的核心任務[J].湖北教育，2007，（11）.

[6]李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京：航空航天出版社.2005.