基于arudino平臺的電子課堂模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

朱琳

摘 要：高等職業(yè)教育中，電工基礎(chǔ)和模數(shù)電子等課程實(shí)踐條件相對緊張，開放式實(shí)驗(yàn)室等舉措不能完全滿足培養(yǎng)對象的實(shí)訓(xùn)實(shí)踐需要，大量驗(yàn)證性實(shí)踐只能由計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，采用以簡arudino單片機(jī)與開源庫為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)以電池供電的可移動(dòng)電子實(shí)踐平臺，能滿足電工基礎(chǔ)與模數(shù)電課程基本實(shí)踐需要，還可以在后續(xù)課程中提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，推進(jìn)課堂教學(xué)改革。

關(guān)鍵詞：Arduino；開放實(shí)驗(yàn)；電工基礎(chǔ)；模擬電子技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.080

1 需要解決的問題

由于電子信息產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要組成部分，高職院校中大量開設(shè)了弱電類專業(yè)，但高職電工和模擬教學(xué)中往往存在實(shí)踐條件受限的矛盾。由于歷史發(fā)展的限制，目前高等職業(yè)教育中專業(yè)課實(shí)踐條件改善明顯，但相對于學(xué)生規(guī)模，專業(yè)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐條件仍然有限，臺位仍顯不足。尤其是在電工基礎(chǔ)，模擬電子技術(shù)等電類專業(yè)的基礎(chǔ)性課程中，由于實(shí)踐訓(xùn)練量大，在日常教學(xué)計(jì)劃的執(zhí)行當(dāng)中往往是進(jìn)實(shí)驗(yàn)室難，實(shí)踐培養(yǎng)效果難以滿足人才培養(yǎng)方案的要求。

另一方面，目前廣泛投入電工試驗(yàn)箱以電工基礎(chǔ)的安裝訓(xùn)練為主要實(shí)踐內(nèi)容，這樣的配置便于學(xué)生完成電工職業(yè)資格證書所要求的訓(xùn)練。但無法實(shí)施基本理論中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如果學(xué)生需要實(shí)踐，只能通過仿真或是課外自行實(shí)驗(yàn)來完成。目前現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)仿真需要從計(jì)算機(jī)抽象圖像數(shù)字轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場實(shí)物的思維能力，適合抽象思維能力強(qiáng)，綜合素質(zhì)較高的學(xué)生。對于高職層次學(xué)生，其教學(xué)效果差異性很大。模數(shù)電課程也有類似的問題，基礎(chǔ)部分實(shí)驗(yàn)時(shí)間比較少，不利于學(xué)生進(jìn)行多次嘗試。教學(xué)實(shí)踐中，采用一體化教學(xué)可以解決上述問題，但對實(shí)驗(yàn)臺位數(shù)提出了極高的要求。

如果有一種不依托統(tǒng)一供電的實(shí)踐設(shè)備，就可以保證電工基礎(chǔ)甚至部分模數(shù)電教學(xué)中的實(shí)踐環(huán)節(jié)可以放在普通課堂完成，學(xué)生在課下也可以方便的同時(shí)學(xué)生可以完成相應(yīng)的實(shí)踐任務(wù)。如果實(shí)驗(yàn)?zāi)K和后續(xù)課程統(tǒng)一起來，也便于學(xué)生學(xué)習(xí)理解后續(xù)專業(yè)課程。

在此指導(dǎo)思想下，以arduino平臺為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個(gè)可以電池供電的簡易的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用簡易顯示測量模塊加上信號源配合自由插孔電路板就能完成大多數(shù)基本電路驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。同時(shí)系統(tǒng)電路和源程序均為公開資源，學(xué)生可以進(jìn)一步對程序電路調(diào)整實(shí)驗(yàn)。當(dāng)學(xué)生后續(xù)學(xué)到單片機(jī)等課程以后，這套系統(tǒng)可以讓學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)與實(shí)踐中，提供一個(gè)實(shí)踐對象，理解與實(shí)踐電子產(chǎn)品軟硬件結(jié)合項(xiàng)目。

2 實(shí)踐系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要組成部分測量顯示模塊，1KHz交流發(fā)生模塊，具體電路由學(xué)生自行用面包板或者萬用板實(shí)現(xiàn)。

顯示測量模塊采用arduino平臺構(gòu)成核心檢測顯示模塊，采用Arduino平臺是因?yàn)锳rduino 封裝了atmega 128單片機(jī)ATmega128。該單片機(jī)是ATMEL公司的 8位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片機(jī)，穩(wěn)定性極高，被廣泛的應(yīng)用在了汽車電車管理、門禁系統(tǒng)、遙控器、智能家居以及計(jì)量電表等領(lǐng)域。相比51等傳統(tǒng)單片機(jī)該CPU采用AVR內(nèi)核，擁有16MHz工作頻率，工作電壓為2.7-5.5V。工作于16 MHz、擁有4K字節(jié)的EEPROM與128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，運(yùn)算速度快，存儲容量大適應(yīng)簡易示波器的開發(fā)需求。

同時(shí)arduion平臺的開發(fā)環(huán)境Arduino IDE基于processing IDE開發(fā)。對于初學(xué)者來說，極易掌握，同時(shí)有著足夠的靈活性。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對 avr-gcc庫的二次封裝，不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡單學(xué)習(xí)后，學(xué)生也可以快速的進(jìn)行二次開發(fā)。由于arduino平臺可以使用4節(jié)1.5V供電，同時(shí)能對外提供3.3V和5V穩(wěn)壓輸出，所以可以將交流信號發(fā)生模塊與學(xué)生自主電路接入arduino平臺。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡，移動(dòng)性好，可以由學(xué)生上課自主攜帶。

測量顯示模塊的測量平臺為ARUDINO UNO系統(tǒng)板，被測電壓通過引腳引入arduino實(shí)驗(yàn)板并通過內(nèi)置的10位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)班由實(shí)驗(yàn)板供電，被測電壓控制在5V以下，所以一般不存在電壓超范圍問題。測量信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，以串行模式輸入一塊基于ST7920驅(qū)動(dòng)的 12864單色液晶顯示屏，進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)圖每秒刷新屏幕25次，信號掃描周期可由外置按鍵可調(diào)，由于信號發(fā)生模塊產(chǎn)生信號固定為IKHz左右，掃描周期調(diào)整范圍不大，可以由軟件調(diào)整實(shí)現(xiàn)。

IkHz信號發(fā)生電路采用自激振蕩器實(shí)現(xiàn)，由arduion實(shí)驗(yàn)平臺供電，頻率范圍1-3kHz，振幅范圍在200-400mV，用滑動(dòng)變阻器調(diào)整頻率與幅值輸出范圍。

3 系統(tǒng)成本與擴(kuò)展性

本設(shè)計(jì)總體成本不高，搭建簡便便于學(xué)生自學(xué)研究。ARUDINO UNO的成品板價(jià)格在20元左右，基于液晶屏的模塊成本為70元左右，1kHz信號發(fā)生模塊電路成本在20元左右，所以此基于arduino的自主試驗(yàn)平臺僅為120元。無論是學(xué)生自行采購還是學(xué)院統(tǒng)一購買，成本壓力并不大。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中只要加入部分電阻電容與二極管三極管就能構(gòu)成實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

而采用 Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件均為開源，在開源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼。GITHUB網(wǎng)站也有詳盡的開放式例子與源程序。學(xué)生通過簡單學(xué)習(xí)后，可以在本基本實(shí)驗(yàn)電路上進(jìn)行修改，加入其它功能。

arduino平臺提供兩路8 位PWM輸出，一個(gè)10 位ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 兩個(gè)可編程的串行USART，以及同時(shí)可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口。平臺提供豐富的接口與控制功能，如果有需要系統(tǒng)可以很方便的連接發(fā)光二極管，各種傳感模塊。學(xué)生能按照自己意愿搭建各種應(yīng)用系統(tǒng)。避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)單調(diào)枯燥測電壓看波形的缺點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

如果學(xué)生需要連接計(jì)算機(jī)或手機(jī)等外設(shè)顯示可以采用串口線直連計(jì)算機(jī)USB口，由串口顯示工具顯示數(shù)據(jù)。如果想連接手機(jī)，可以使用wifi ESP8266WIFI模塊，成本在20元左右，連接arduino實(shí)驗(yàn)平臺后，可通過wifi與手機(jī)調(diào)試APP連接，顯示數(shù)據(jù)，更加符合當(dāng)今學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣。

4 結(jié)論

由于為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)便攜性，電源系統(tǒng)比較簡單，采用電池供電并由實(shí)驗(yàn)板提供5V穩(wěn)壓電源。這一設(shè)計(jì)可以保證學(xué)生在課堂、寢室、圖書館隨時(shí)使用實(shí)驗(yàn)平臺完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而且也具備良好安全性。但是由于系統(tǒng)功率有限，不能支持大功率器件實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路設(shè)備過多時(shí)也會產(chǎn)生不穩(wěn)定，今后的改進(jìn)方向?qū)⒃O(shè)置獨(dú)立電源模塊，提高模塊供電質(zhì)量。另外，目前的設(shè)計(jì)的成本仍有進(jìn)一步壓縮的空間，測量通道數(shù)也可以改進(jìn)提高，隨著性能完善，系統(tǒng)將更加適合實(shí)踐教學(xué)需要，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道.

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