學(xué)生電子設(shè)計創(chuàng)新社團(tuán)實踐研究

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人工智能發(fā)展的大環(huán)境下，企業(yè)用人單位對畢業(yè)生的實踐創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力都提出了新的要求。重視對高職院校學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提高他們的就業(yè)競爭力，培養(yǎng)高技術(shù)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(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力作為教育教學(xué)的主要方向，改變原有的教學(xué)觀念［1］，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，鼓勵學(xué)生開動腦筋去探索、去研究，激發(fā)他們的創(chuàng)造性和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作和實踐動手能力，讓課堂教學(xué)在創(chuàng)新社團(tuán)延續(xù)下去，鼓勵和支持大學(xué)生盡早參與科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和社會實踐等創(chuàng)新活動，為學(xué)生今后的成長成才做好引導(dǎo)和鋪墊作用。

1創(chuàng)新社團(tuán)簡介

大學(xué)生電子設(shè)計創(chuàng)新社團(tuán)的建立以鍛煉和提升學(xué)生的綜合能力為出發(fā)點，是以學(xué)生開展專業(yè)技能活動、開啟頭腦風(fēng)暴、碰撞思維火花、鍛煉自身研究探索能力、溝通協(xié)調(diào)能力和人際交往能力為主要宗旨，立足于提升學(xué)生的專業(yè)技能和自我管理、自主學(xué)習(xí)的能力，以項目任務(wù)為載體，按照項目要求教師進(jìn)行有針對性的知識點分解講授，充分發(fā)揮老生帶新生、小組討論學(xué)習(xí)的模式方法，讓學(xué)生直接參與到每個項目的設(shè)計、選型、制作、調(diào)試中。教師最終根據(jù)電路功能狀態(tài)以及其他標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行評定。一個學(xué)期完成一定數(shù)量的設(shè)計項目，期末時候進(jìn)行綜合考察評定，選出優(yōu)秀學(xué)員進(jìn)行鼓勵鞭策。每個項目以一定的周期為限，學(xué)生在有關(guān)知識點內(nèi)容的基礎(chǔ)上，自主的查找資料、分頭研究仿真模擬測試結(jié)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(tǒng)方案，加以推敲研究改進(jìn)創(chuàng)新，設(shè)計出更為優(yōu)異的東西，為各類電子設(shè)計大賽、今后的畢業(yè)設(shè)計、進(jìn)入更高一個層次學(xué)校的學(xué)習(xí)或者踏入工作崗位以后從事開發(fā)設(shè)計提供鍛煉培養(yǎng)的機(jī)會，這是建立學(xué)生創(chuàng)新社團(tuán)的主要目標(biāo)，也同時解決了學(xué)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(xué)生電子設(shè)計創(chuàng)新社團(tuán)最為注重的是學(xué)生實踐創(chuàng)新研究的過程。不斷提高學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和組織實施能力。鼓勵學(xué)生在專業(yè)課程的學(xué)習(xí)過程中，從自身所長與興趣出發(fā)，積極參與實驗實踐活動，引導(dǎo)學(xué)生探索、研究和創(chuàng)新［2］，提出自己的創(chuàng)新觀點與見解。同時為了加強(qiáng)學(xué)生對社團(tuán)的主人翁意識，在項目經(jīng)費的使用問題上讓學(xué)生也參與進(jìn)來。對自己做的每個項目做費用預(yù)算，嚴(yán)格規(guī)劃社團(tuán)經(jīng)費的開支，公開賬目明細(xì)，對社團(tuán)每年的開支做相應(yīng)的預(yù)算，學(xué)會在自由支配的基礎(chǔ)上統(tǒng)籌規(guī)劃，老師既能夠起到統(tǒng)籌管控的作用又能夠給學(xué)生一定程度的自由發(fā)揮空間，讓學(xué)生自己做社團(tuán)的主人，不僅鍛煉學(xué)生金錢管理能力和資金規(guī)劃能力，更激發(fā)了他們的積極主動性［3］，充分發(fā)揮他們的聰明才智，為今后學(xué)生踏入工作崗位或自主創(chuàng)業(yè)、自我生活規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

2實例說明

根據(jù)所在高職院校創(chuàng)新社團(tuán)的實際實施過程，選擇以《太陽能熱水器溫控系統(tǒng)》項目設(shè)計為例，簡單闡述學(xué)習(xí)教學(xué)流程。太陽能熱水器溫控制系統(tǒng)是一個比較典型的檢測控制應(yīng)用電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對水溫的檢測、信號處理、以及實現(xiàn)水溫加熱的控制系統(tǒng)。教師評分標(biāo)準(zhǔn)就以整體功能實現(xiàn)狀況、精準(zhǔn)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(xué)生自主選題或教師指定項目內(nèi)容，選擇了應(yīng)用較為廣泛的太陽能熱水器中溫控系統(tǒng)為本次項目的課題，該項目涉及知識點包括:《模擬電子技術(shù)與應(yīng)用》中要講授的電源電路、報警指示電路;《單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用》中涉及的主控電路;《數(shù)字電子技術(shù)與應(yīng)用》中的數(shù)碼顯示電路制試點內(nèi)容;以及其他包括傳感器等可以讓學(xué)生自我搜集材料、自主學(xué)習(xí)、自我拓展的相關(guān)知識點內(nèi)容。課中，不同課程的專任教師將相關(guān)知識點給學(xué)生進(jìn)行講授提點。如《單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用》任課教師將書本材料中的傳統(tǒng)芯片8051及構(gòu)成的主控電路相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹，并留一定拓展內(nèi)容和思路給學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生查找相關(guān)資料和手冊對比傳統(tǒng)的80C51、80S52芯片，選用較為先進(jìn)、編程靈活、控制簡單的新型主控芯片，讓學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識的前提下更重要的是根據(jù)自身的不同學(xué)習(xí)能力和理解能力選擇最合適的進(jìn)行學(xué)習(xí);《模擬電子技術(shù)與應(yīng)用》老師將常見的電源電路結(jié)構(gòu)原理和報警指示電路進(jìn)行總結(jié)概括分享，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際項目的要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和修正;每個教師的課時根據(jù)內(nèi)容量有所不用，《數(shù)字電子技術(shù)與應(yīng)用》老師也根據(jù)項目內(nèi)容將課本材料中的LED、LCD的構(gòu)造和原理進(jìn)行講授指導(dǎo)，讓學(xué)生學(xué)會選擇適當(dāng)?shù)娘@示設(shè)備。課外，學(xué)生在對該項目有一定程度的了解和掌握基礎(chǔ)上，查找相關(guān)文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資料，消化老師所講授的每個環(huán)節(jié)的知識點內(nèi)容，同時進(jìn)行拓展創(chuàng)新，并且根據(jù)項目需要自主學(xué)習(xí)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(jìn)行電路圖的設(shè)計及仿真，利用仿真軟件調(diào)整電路的設(shè)計中可能出現(xiàn)的線路故障、電容電阻等元器件參數(shù)選擇不合適等狀況;在此基礎(chǔ)上學(xué)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(jìn)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(diào)試結(jié)果;對控制精度要求較高的同學(xué)則會不斷地對算法進(jìn)行研究和改進(jìn)，在這過程中，學(xué)生提升了自己的設(shè)計和邏輯能力。個別同學(xué)制作的太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)的實物電路板，還緊密聯(lián)系社會實際，創(chuàng)新地提出了多機(jī)通信接口，為完善的人機(jī)交互界面提供了可能。也有的同學(xué)在對主控芯片的選擇上進(jìn)行了一番調(diào)研，選用的核心主控芯片STC12C5410ADSOP28價格合適，功能完善。綜合學(xué)生的設(shè)計電路，在太陽能熱水器溫控系統(tǒng)這個項目中有顯著的三個設(shè)計的優(yōu)異之處，分別體現(xiàn)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(tuán)的章同學(xué)和其他兩名同學(xué)選用了STC12C5410ADSOP28單片機(jī)，該單片機(jī)對傳統(tǒng)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(qiáng)、易于開發(fā)、實現(xiàn)在線編程容易等的優(yōu)點。二、電源電路的設(shè)計。在我們常見的電路中電源電路常采用交直流轉(zhuǎn)換的整流穩(wěn)壓電路，但是這種結(jié)構(gòu)要求固定安裝，并且占空間而且笨重，不利于電路系統(tǒng)的整體安裝和調(diào)試。在陸同學(xué)和其他幾名同學(xué)的控制電路電路中，他們選用了已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、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(diào)試和操作起來也很方便便捷，并且接口及數(shù)據(jù)線的通用性好，是一個供電電路的不錯選擇。三、數(shù)碼顯示電路及按鍵電路的設(shè)計。傳統(tǒng)的電路中常常采用矩陣鍵盤方式設(shè)計鍵盤控制電路部分，通過軟件編程實現(xiàn)數(shù)碼顯示。而鍵盤往往數(shù)量多、所占面積較大。創(chuàng)新社團(tuán)的孫同學(xué)和其他幾位同學(xué)設(shè)計的控制系統(tǒng)則完全不同，他們通過將單片機(jī)上的數(shù)模轉(zhuǎn)換I/O端口直接連接數(shù)碼顯示，同時設(shè)定了兩個按鍵控制溫度調(diào)節(jié)，大大縮小了電路板的面積，簡化了電路結(jié)構(gòu)，使電路的集成度得到了較大地提高［4］。可以發(fā)現(xiàn)，在這些細(xì)小的改進(jìn)上學(xué)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(shè)計創(chuàng)新，這樣的舉動就已經(jīng)達(dá)到了創(chuàng)新社團(tuán)建設(shè)的根本目的。

3總體設(shè)計構(gòu)造舉例

溫度控制系統(tǒng)是一種性能顯著、使用廣泛的電路裝置，在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域得到大量研究和應(yīng)用，具有良好的應(yīng)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(zhuǎn)換成電壓值，經(jīng)溫度采集、電路放大以及濾波之后，送入A/D轉(zhuǎn)換器采樣和量化，量化后的數(shù)據(jù)送單片機(jī)做進(jìn)一步處理;當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度數(shù)據(jù)經(jīng)PID算法得到溫度控制數(shù)據(jù);控制數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器得到控制電壓，經(jīng)功率放大后供半導(dǎo)體制冷器加熱或制冷，從而實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。實際上，現(xiàn)在使用較多的是以AT8951、AT89S52系列單片機(jī)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(jìn)行控制。本課題將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，不但簡化現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)，改進(jìn)A/D轉(zhuǎn)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(wěn)定度、靈敏反應(yīng)度等方面通過試驗進(jìn)行驗證［5］。通過對此次項目任務(wù)中若干個較為優(yōu)秀的電路板進(jìn)行測試對比，發(fā)現(xiàn)學(xué)生能夠突破傳統(tǒng)的溫控電路設(shè)計的局限，總結(jié)其中典型的應(yīng)用設(shè)計，電路組成結(jié)構(gòu)包括有:選用較為合適的傳感器DS8B20和主控芯片STC12C5410ADSOP28，結(jié)合USB轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)通信，使用繼電器控制加熱電路，通過單片機(jī)中的ADC通道連接并實現(xiàn)顯示功能，最后通過蜂鳴器報警電路實現(xiàn)超溫報警功能。選用的數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20能夠?qū)崿F(xiàn)從－55℃到+125℃的溫度測量，并且較傳統(tǒng)的AD590、PT100耐磨耐碰、體積小、使用方便，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域，現(xiàn)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(xiàn)微處理器與傳感器的雙向通訊，可在ls(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。STC12C5410AD系列SOP28單片機(jī)是我國本土知識品牌宏晶科技生產(chǎn)的新一代8051單片機(jī)，兼容性好，抗干擾能力強(qiáng)，同時內(nèi)部還包含有4路PWM和8路高速10位ADC轉(zhuǎn)換，可以直接實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計控制電熱絲的加熱時間，當(dāng)溫度達(dá)到規(guī)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(qiáng)電流。同時動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小，在實際的安裝過程中，學(xué)生考慮到方便與兼容，直接采用普通的繼電器。數(shù)碼顯示電路采用4個LED共陰數(shù)碼管顯示溫度數(shù)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(jī)中的ADC通道連接即可達(dá)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(shù)碼管的公共端。同時電路裝有紅、綠兩個指示功能的發(fā)光二極管，當(dāng)測量顯示的溫度值在正常范圍內(nèi)時，綠燈亮同時數(shù)值顯示;當(dāng)測量到的溫度超出了設(shè)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(jìn)行設(shè)置，其中兩個按鍵分別對應(yīng)為設(shè)置溫度“+”、“–”。同時電路中選用三極管起開關(guān)作用，與單片機(jī)的I/O口連接用于通過三極管來驅(qū)動蜂鳴器，當(dāng)三極管基極為高電平時三極管飽和導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲;而正常時刻基極為低電平使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。此外，系統(tǒng)電路板上還帶有USB—UART轉(zhuǎn)換接口，可以實現(xiàn)PC機(jī)到控制板之間的數(shù)據(jù)通信。同時，利用FT232BM進(jìn)行USB接口的開發(fā)優(yōu)點較多，在很多電路系統(tǒng)的設(shè)計場合被廣泛采用。控制器軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主程序內(nèi)包括DS18B20溫度檢測程序、按鍵控制子程序、加熱時間設(shè)定計算子程序等。系統(tǒng)主程序主要完成溫度的檢測以及進(jìn)行加熱時間預(yù)算和一些初始化功能。程序開始的時候先設(shè)置初始化［7］，然后控制數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度.接著判定兩個按鍵是否被按下;程序控制設(shè)置溫度的三個數(shù)碼管的點亮與否;當(dāng)有按鍵按下的時候進(jìn)入按鍵處理程序，按下“確定”按鍵以后，程序進(jìn)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(dāng)前程序，并開始循環(huán)。在系統(tǒng)的程序過程中，由于存在有溫度傳感器對溫度進(jìn)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(jī)存儲器內(nèi)字節(jié)進(jìn)行讀取，經(jīng)過循環(huán)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(jìn)行加熱和降溫，溫度控制子程序的設(shè)計主要是以傳感器感測到的當(dāng)前實時溫度是否超過設(shè)定的溫度上限值來進(jìn)行編譯的，溫度過高時指令發(fā)出，驅(qū)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(dǎo)通，加熱片正常工作。按鍵程序的設(shè)計中，還需要考慮按鍵的抖動時間和機(jī)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(wěn)定閉合時間超過20毫秒。因此，單片機(jī)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(shù)據(jù)分析

溫度控制系統(tǒng)能夠敏捷感知并顯示實時溫度，可對最上限溫度進(jìn)行實時調(diào)整(0.1℃為調(diào)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(jìn)行調(diào)整顯示，同時綠燈顯示表示正常溫度內(nèi)安全工作狀態(tài)。當(dāng)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(jìn)行調(diào)整確保安全。研究電路的測試數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，設(shè)計系統(tǒng)的靈敏度好，選用合適的控制算法，能夠較好地達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計要求，且精確度較高［8］。由檢測數(shù)據(jù)可以看到，在設(shè)定溫度波動的前提下能夠很好地檢測出系統(tǒng)的誤差基本穩(wěn)定在正負(fù)0.17℃。設(shè)定溫度為50℃，每隔5s記錄實測溫度如表2。從表2中的數(shù)據(jù)可知，該控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，從初始狀態(tài)到數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)運行只需要15秒的時間。對比系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量誤差可以看到，能夠很好地達(dá)到一定的設(shè)計指標(biāo)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(yīng)用價值。5結(jié)論注重培養(yǎng)學(xué)習(xí)過程的優(yōu)化，創(chuàng)新社團(tuán)為學(xué)生創(chuàng)造有利于個性發(fā)展與提高實踐創(chuàng)新能力的良好學(xué)習(xí)環(huán)境。在這種新的教學(xué)模式和教學(xué)理念的基礎(chǔ)上，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性被充分地調(diào)動起來，學(xué)生的實踐動手能力和團(tuán)隊協(xié)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(yōu)異的成績，累計獲獎達(dá)20余人次。其中榮獲江蘇省高等職業(yè)院校技能大賽二等獎3項，TI杯江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計競賽二等獎1項、三等獎2項，無錫職業(yè)教育創(chuàng)新大賽高職院校學(xué)生組創(chuàng)造發(fā)明一等獎1項、二等獎3項。近年來，專業(yè)學(xué)生的就業(yè)率、就業(yè)質(zhì)量以及專業(yè)對口率不斷提升，受到了企業(yè)和用人單位的歡迎;扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識也使得社團(tuán)中學(xué)生轉(zhuǎn)本的比例逐年提升，對學(xué)生的進(jìn)一步深造提供了保障。高等職業(yè)院校的教學(xué)之根本除了傳授理論知識、強(qiáng)化動手能力以外，更應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，讓他們學(xué)會主動研究問題和探索創(chuàng)新能力。電子設(shè)計創(chuàng)新社團(tuán)建立的主要目的就是讓學(xué)生在一定基礎(chǔ)上學(xué)會拓展和創(chuàng)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(yè)企業(yè)中的新技術(shù)、新知識、新技能融入課程教學(xué)及項目設(shè)計的學(xué)習(xí)中去，改變原有的灌輸式教學(xué)模式，開拓翻轉(zhuǎn)課堂、啟發(fā)式教學(xué)等新教學(xué)方式，深層次挖掘?qū)W生的潛能，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新力和思考力［9］。大學(xué)生電子設(shè)計創(chuàng)新社團(tuán)的實踐證明創(chuàng)新的教學(xué)模式是學(xué)生能力提升和綜合素質(zhì)拓展的引導(dǎo)力量，為學(xué)生今后的就業(yè)和深造，為培養(yǎng)企業(yè)需要的肯學(xué)習(xí)、能動手、會思考的人才需求打好堅實的基礎(chǔ)。

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作者:張墅 陸淵章 單位:江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院