模块化开放式电路综合实验的研究与教学实践

王 帅，王明全，杨 琳，李 露

(东北大学 机器人科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819)

电工电子实验是工科院校基础的实践教学内容之一。几十年来，电工电子实验教学形成了一套完备的基础教学体系，分成电路原理实验、电工学实验、电子技术基础实验等相互独立的类别，并已形成标准化的实验内容。根据实验教学安排，教学仪器设备制造厂家开发出配套的实验设备，训练学生基本实验技能。纵观上述课程的实验具有下述几个问题[1]:1)依照理论内容逐一安排实验内容，各环节间关联性差；2)缺乏应用背景，学生觉得实验内容简单枯燥，缺少趣味性；3)由于配套硬件平台、实验内容和教学方法以及实验教学管理的限制，禁锢了不同层次学生的能力发展空间。

针对上述弊端，很多学校对开放式教学展开了广泛的探索[2－3]，提出了模块化的教学模式[4－7]，不过大多面向系统性较强的专业课，较少涉及电工电子基础实验课。东北大学信息工程学院以国家级电子实验教学示范中心建设和 “卓越工程师教育培养工程”建设为契机，努力打造新型的电路综合实验课程。对开放式模块化的实验教学模式进行了探索，在实验内容选择、教学和管理方法、考核方式以及相应的实验器材与设施等方面进行优化与配套。这样，一些综合设计型实验内容就可在基础实验课程中引入，使学生体验实验的趣味性和知识的关联性，从而培养学生的自主学习能力和创新能力。

本文以多功能智能小车为例，讲述如何通过精心规划电路综合实验的教学内容，开发模块化、开放式电路综合实验项目。实践表明，模块化开放式教学内容更能激发学生自主学习的热情，培养学生的工程实践能力和创新意识。

1 模块化开放式实验教学模式

为了使不同层次的低年级学生能够在复杂的应用背景下设计自己的实验，必须要搭建性能优良的开放式测试平台和灵活方便的模块化实施方案。模块化是指解决一个复杂电路组件问题时自顶向下逐层把系统组件划分成若干模块的过程。每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块按某种方法组装起来，成为一个整体，完成整个电路系统所要求的功能。在系统的结构中，模块是可组合、分解和更换的单元，便于自主地设计解决方案。所谓开放式是指当这个电路中的某些功能模块被学生设计的电路模块替换或增加某个功能电路模块时，系统功能能够照常发挥，有助于学生测试单个实验模块的功能是否正常运行[7]。

在实验内容上，将 “自下而上”组织的实验内容，改成以实际应用为背景，“由上带下”的方式安排课程内容，设立 “基础—提高—应用创新”多层次的实验内容[8]。在实验教学过程中，模拟真实项目开发流程进行实验，以团队为单位，按照模块化予以实施，采用现场答辩进行考核，培养学生的产品设计能力、信息检索能力、分析问题和解决问题能力。在教学方法上，“以教师为主导，学生为主体”的教学理念[9]，教师的引导体现在对设计方案、系统调试时解决问题的审核和指导上。实验室采用开放式进行管理并与课程网站、计算机虚拟仿真系统等立体化的实验教学资源相配合，构建一种模块化开放式的立体化教学系统[10]，使不同层次学生的创新能力和团队协作能力得到提高。

2 项目举例

下面以多功能智能小车为例，对模块化开放式电路的实验内容做详细的介绍。

2.1 总体结构设计

多功能智能小车整个系统分为51单片机控制模块、电机驱动模块、数码管显示模块和传感器检测模块[11]，结构框图如图1所示，具体实验设置如表1所示。

图1 智能小车结构框图

表1 综合实验的设置

2.2 硬件设计

2.2.1 电机驱动模块

由单片机产生两路PWM波，通过L293D电机驱动芯片控制两个直流电机，分别驱动左轮和右轮。直走时两路PWM波频率相同，改变PWM波的占空比可以控制小车的速度；当需要转弯时，使一个电机不动，一个电机正转，两边形成差速即可实现转弯，调整转弯的时间，可以控制转弯的大小和快慢[12]。电机模块的电路原理图如图2所示。

图2 电机模块的电路原理图

2.2.2 避障、循迹模块

避障模块主要利用一对光电对管来实现避障功能[13]，如图3所示。

图3 循迹、避障模块实物图

当前方有障碍物时，光电对管内的发光二极管发出的光，不能被反射到接收管上，此时，接收端T1上电位为＋5 V，接到LM324的反向输入端2脚，LM324的正向输入端通过滑动变阻器接电源，电位为＋3 V，反向端大于同向端则OUT1输出低电平，接单片机输入引脚。单片机检测到输入的低电平就会对电机进行相应的处理，使小车躲避障碍物，反之小车直行。循迹模块是通过3个光电对管来实现寻线功能的，具体算法见软件设计部分，电路原理图如图4所示。

图4 避障、循迹模块电路原理图

2.2.3 寻光电路模块

为了使智能小车具有趋光效果，采用光敏电阻作为传感器[14]。当有光照到光敏电阻R1上时，阻值变小，V2变大，当V2＞V3，反向端大于同向端，则OUT5输出低电平。电路原理图如图5所示。单片机扫描OUT5给的引脚电平并做出判断。主板左右两个光敏传感器感应光照，当右边光敏传感器检测到光照而左边没有检测到时，小车向右转弯；当左边光敏传感器检测到光照，而右边没有检测到时，小车左转；当两个光敏传感器同时检测到光照时，小车则前进，当关照源移动时，小车停止。

图5 寻光电路模块原理图

2.3 软件设计

系统软件采用C语言开发，在Keil μVision2环境下调试并实现功能[15]。软件程序采用模块化的结构，系统程序设计总流程如图6所示。

图6 程序流程图

小车由左减速电机、右减速电机，左轮和右轮组成，如图7所示。循迹模块与单片机的接口如表2所示。其中，P3.5、P3.6、P3.7为左、中、右3个光电模块的输出。单片机根据这3个输入的值，决定要完成的动作，并在P0.0、P0.1、P0.2和P0.3端口产生相应输出，控制电机工作。

图7 循迹模块组成

表2 循迹模块与单片机接口

2.4 具体实施方法

实验前教师将相关传感器资料、相似系统实现案例等学习资料放在实验中心网站上，学生在课下完成预习。在正常的教学时间内，学生可自主地选择实验题目和实验时间，实行网上预约。

实验内容分为基础性实验和拓展性实验，既有独立完成的内容，又有团队合作部分，有利于激发不同层次学生的潜在优点以及培养学生团队协作意识。一般由4～5人组成一个团队，要求团队成员通力协作，最终形成一套完整的实验装置。

首先，学生需要查阅相关资料，确定总体实验方案；要求组内每位学生设计各个模块电路，并进行相关的理论计算和仿真设计，选出每个模块的最佳设计方案；组内分配任务，焊接各个模块电路板，要求学生会测试各个模块电路能否正常工作；在确保每个电路模块都能正常工作的前提下，再将各个电路模块连接起来，形成一个完整的系统，记录各级输入输出实测的数据，将示波器输出的波形转存U盘打印输出；在STC89C52单片机上进行编程，实现系统功能；最后撰写总结报告，通过现场答辩，探讨实验中遇到的问题及解决方法。学生最终搭建的智能小车实物图如图8所示。

图8 智能小车实物图

3 结束语

经过近年来模块化开放式教学模式的研究与实践，电路综合实验环节取得了良好的教学效果。此模式的特色主要体现在以下3个方面。

1)以实际应用为背景，以科学研究为目的，锻炼了学生工程实践能力。充分使学生体验到从设计思路到产品实现的全过程，锻炼了单片机系统设计与调试等工程实践能力。

2)模块化的结构便于学生自主、开放地设计解决方案。在开放式的教学过程中，学生搜集、消化、整理技术资料，了解开发流程，熟悉相关的开发工具，熟练使用仪器设备，设计与调试单片机应用系统，培养了学生分析问题和解决问题的能力。

3)分层次教学有利于因材施教，培养团队协作思维。实践内容分为基础部分和拓展部分，实验过程以小组为单位，培养学生技术交流、团队合作、撰写技术文档等技能，完成各模块的学生只有通力协作，才能高质量地完成整个实验任务，使不同层次的学生能力得到提高。

实践证明，通过合理设置训练项目，以多功能智能小车为例的模块化开放式教学模式是电路综合实践教学改革中行之有效的方法，不仅激发了学生兴趣，提高了学生的工程实践素质，而且对于电路综合实验平台的建设提供了宝贵资源。

[1]唐炜.基于 “项目驱动”的单片机类课程实践教学改革[J].实验室研究与探索，2010，29(5):135－137.

[2]皮之军，李建海，于敏，等.开放式实验教学模式的研究与探索[J].实验技术与管理，2010，27(5):27－29.

[3]刁鸣，王松武.国家级电工电子实验教学示范中心建设的若干理论探讨与实践[J].实验技术与管理，2008， 25(6):1－5.

[4]潘海鸿，黄炳琼，秦钢年，等.具有重组功能模块化的机电一体化综合实验平台研制[J].实验室研究与探索，2008，27(9):50－52.

[5]倪晓军，章韵.基于模块化实验系统的单片机教学改革[J].计算机教育，2009(18):136－139.

[6]贾立新，施朝霞.模块化综合电子系统设计实验平台[J].北华航天工业学院学报，2010，20(s1):25－27.

[7]王鹏.基于模块化开放式电路综合实验的开发与实践教学[J].许昌学院学报，2012，31(5):126－128.

[8]王莉丽，艾欣，宋金鹏.国家级电气工程专业实验教学示范中心建设与实践[J].实验技术与管理，2014，31(12):124－127.

[9]王志伟，张田梅.构建多层次、模块化、开放式的实验教学体系[J].黑龙江高教研究，2008(5):162－163.

[10]姚缨英，樊伟敏，张伟，等.模块化开放式电路综合实验(1)——开发与实践综述[J].实验技术与管理，2011，28(4):12－15.

[11]谢富珍，戈林发.基于51单片机的智能小车设计[J].新余学院学报，2015，20(4):6－9.

[12]余炽业，宋跃，雷瑞庭.基于STC12C5A60S2的智能循迹小车[J].实验室研究与探索，2014，33(11):46－49.

[13]徐亚丹，何俊杰，何秦军，等.教学用智能小车的创新设计[J].科技创新与应用，2014(36):6－7.

[14]何光锋，王凌云，徐加鹏.基于模块化控制的多功能智能小车设计[J].现代电子技术，2013(16):137－139.

[15]吕云芳，陈帅帅，郝兴森，等.基于C51高级语言程序控制的智能循迹小车设计与实现[J].实验室研究与探索，2015，34(3):142－145.