应用型高校特色实践教学改革研究

曲娜，宋毅，崔海鑫，李雅

（吉林建筑科技学院，长春 130114）

0 引言

电子信息工程专业实践教学的研究非常多，既有宏观视角人才培养模式的研究，也有微观具体课程设置内容的研究，但是基于本科专业特色视角的电子信息工程专业的实践教学相关研究的趋同性较大，没有较好地与市场需求联系到一起，结合当前的实际情况及应用型高校的自身特点，进行专业的实践教学改革，构建市场需求引导、校企合作推动、科技创新驱动下的电子信息工程专业实践教学的改革模式，培养学生实践能力与创新能力一体化的综合素质。

1 大学生“双创”项目电供暖控制平台设计

在经济与科技飞速发展的今天，冬季供暖方式被人们越来越重视，电采暖作为一种清洁绿色供暖方式是社会发展的必然趋势，本学校率先在全国整体校园应用无水电采暖技术，依托学校电采暖控制平台，大学生“双创”项目主要完成电采暖控制系统管理层总控制设计，拟采用单片机为控制核心，通过管理层总控制设计，实现现场层所有教室的多节点控制。

整体系统总共分为5个模块，分别是微控制器最小系统模块、TFT触摸屏显示模块、TTL-RS485模块、电源模块、警报电路。其中的微处理器模块采用ST公司生产的STM32F103RCT6型微控制器作为核心外接外围电路的模块。TFT触摸屏采用的淘晶驰公司的7寸的USART串口屏，利用微控制器与TFT串口屏进行数据交流，得到触摸屏上的反馈，并将信息通过TTLRS485模块控制下面的温控器。最终设计完成基于电供暖控制的小型集控系统，达到精准供热的目的。

在STM32单片机上为其搭建UCOS-III系统（系统移植），并为TTL-RS485模块与TFT触摸屏编写驱动程序。然后上电启动后，UCOS-III系统初始化后，系统将会检测温控器的信息，并进行解码显示在TFT触摸屏上，通过TFT触摸屏设置参数从串口发送给STM32单片机上，单片机再进行解析，通过RS-485电路发送给温控器，当温控器设置成功后，会回传数据进行响应，当单片机接收到数据后，判断参数设置成功后，报警电路将会滴一声表示设置成功，原理框图如图1所示。

图1 原理组成框图

2 系统硬件设计

2.1 主控电路

本设计采用STM32F103RCT6型单片机对温控器集中控制系统进行调控，STM32F103RCT6采用了ARM Cortex-M3核心，采用了哈弗结构，程序存储器和程序存储器都是独立的，具有较高的执行效率。STM32F103RCT6的最小系统由时钟电路、复位电路，BOOT选择电路、电源电路、滤波电路构成。

ARM Cortex-M3是一个32位的核，在传统的单片机领域中，有一些不同于通用32位CPU应用的要求。在工业控制中，用户希望拥有更快的中断速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术，完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个时钟周期，TM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品。其最小系统如图2所示。

图2 STM32F103RCT6最小系统图

2.2 RS-485通讯电路

在本次设计中，由于单片机要跟温控器通信，温控器支持的通信方式为Modbus协议，这个协议利用了RS-485总线。所以需要设计一个485通讯电路。

本次设计采用了支持RS-485总线的SP3485芯片。这个芯片支持3.3V供电，正好符合系统的电源。由此可以应用码分多址技术，也就是说单片机在定义一串报文的时候，在某个位设置地址，底层只对一个地址进行应答。可以提前对底层设定好地址，这样一个地址只对一个底层有效，其余的位写其他的控制命令。这个通讯协议可以最高控制128个底层。如果控制的多的话需要用带有屏蔽的双绞线。输入端用串口1进行连接。图3是本次设计的RS-485通信电路。把RE与DE接在一起，为一个与门，一个引脚就可以同时作为发送和接收的使能端口。R/D为低时，禁止发送，接收有效；R/D为高时，传输有效，接收关闭。通过单片机引脚控SP3485发送和接收模式。在主从模式下，主机发出命令后，应立即在接收模式下拉动R/D，同时机器上的设备处于接收状态。反之向上拉动，使机器上的设备处于发送状态。

图3 RS-485通讯电路

上拉电阻R14和下拉电阻R13，用于保证无连接的SP3485芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，提高RS-485节点与网络的可靠性，R13、R14、R15这三个电阻，需要根据实际应用改变大小。一般AB之间的电阻取值为120欧姆。上拉和下拉电阻取值为1K。本次设计采用了经验值。

2.3 TFT触摸屏电路

此次设计选用的TFT触摸屏为淘晶驰公司生产的USART串口触摸屏，这款触摸屏具有丰富的控件，并且使用简便，具有文本控件、滚动文字控件、二维码控件、曲线波形控件、定时器控件、图片控件、切图控件、热触区控件、数字控件、双态按钮控件、复选框控件、进度条控件、按钮控件、指针控件、滑块控件、变量控件、单选框控件。利用这些功能可以很快地开发出图形界面，可以避免复杂的函数来编写。这款屏幕的显示与输入可以通过编程从串口与主控芯片进行通信，还可以支持特有的“自定义协议通讯功能”接任何具有串口通讯的产品，例如 TTL、RS-232、RS-485、CAN。这样可以很快地达到自己想要的目的，图3-7为串口触摸屏实物图。可以通过串口连接在单片机上获取输入也可以显示。于是将串口2连接至串口屏上。如图4。

图4 串口触摸屏接口电路

通过官方提供的上位机软件，可以实现十分钟就可以做出一个好看的界面，同时这个界面支持实时变换，并且速度较快。在输入时可以利用虚拟按键给单片机发送数据，然后单片机进行处理。利用串口发送指令还可以让屏幕上显示各种字符。利用这款屏可以将开发界面编的很容易。本设计通过虚拟输入来控制底层的温控器。

2.4 报警电路

对于报警电路的设计，本设计采用了NPN型三极管S8050和3V有源蜂鸣器，通过单片机控制S8050导通，当BE高电平时CE间导通，这样蜂鸣器就会工作，本设计利用PWM波，可以让蜂鸣器响滴滴的声音，R5的作用是考虑到阻抗问题。R10的作用是加快BE间导通速度，第一点PN结有结电容，加一个电阻可以使结电容充电快放电快，第二点由于NPN型三极管是由高电平触发，这个电阻同时也是一个下拉电阻，可以防止干扰产生的信号让蜂鸣器响，所以此电路这样设计。与单片机管脚连接之中加了个1K电阻，这样的作用是为了阻抗匹配，防止不过电流。这个报警电路的主要作用是在按触摸屏时候，滴的一声，就可以知道是否按下去了，主要作用是作为一个反馈。

2.5 开关电源电路

在实际的生活中，最常用的就是220V的市电。而本系统的供电电压为5V，那么就需要一套电路将220V的市电转换为5V的直流电。那么从市电转化开始设计，逐渐满足要求。市电为工频50Hz的交流电，并且电压在220-240之间，需要一个线性元件将高额的交流电变为小额的交流电。那么就需要一个变压器来实现这个功能。变压器是利用电磁感应的原理来降低电压的装置，主要结构是初级线圈、次级线圈和磁芯。通过初级与次级的匝数比，可以按照比例对交流电压进行降压。只有电流方向不断变换才能有感应电压，所以变压器只能应用于交流电压中。变压器实物如图6所示。

图5 报警电路

图6 开关电源电路

2.6 温控器电路

在温控器的选择上，本设计选择了亿科成公司的E52型号的温控器。这款温控器采用了三星温控器专用温控器芯片，具有485通信功能，支持Modbus协议。能够独立设置地址，传感器大面积都暴露在空气中，还可以自己加传感器，切换为外部传感器。测量温度更精确，还具有双温双显功能、可编程和不可编程功能、低温保护功能、控制温度开放，上下可调、开关机断电记忆功能、按键锁功能。比起其他的温控器功能多，而且更加稳定。并且体积小，能耗低，图7为温控器的实物图。

3 系统软件设计

在STM32中，如果要使用串口必须经过初始化才能使用，然后需要对缓冲数据进行初始化，也就是从串口回来的数据需要写入缓冲数组进行解码。等待串口屏传回来的数据，进行编码对温控器发送。在对温控器传回的数据进行数据解析，CRC校验码验证成功后，然后编码发给串口屏。

图7 温控器实物图

图8 主程序流程图

在调试之前把所有温控器的地址都设置好，接下来需要点击温度设置，把设备ID调到01，温度设成22度。点击设置后，会发现温控器的设置温度由最高15度变为了22度。温度设置如图9所示。

图9 温度设置界面

4 结语

特色鲜明的工程系统化应用型人才培养体系，打破原来以学科理论系统化的培养体系，转而以一个个典型控制系统为对象，遵循由浅入深、由小到大的知识认知规律，围绕电子技术应用工程过程来组织教学，辅之以必要的现场实习、实验实测等实践性教学环节，从而实现与企业需求紧密对接的技术复合应用型人才培养目标。构建全新的实践创新教育教学体系和考核标准，借助科技平台将科技成果迅速转化为教学内容。使得学生眼界宽、知识全、能力强、适应快，从而很好地满足企业对应用型人才的需求。