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学生电子设计创新社团实践研究

人工智能发展的大环境下,企业用人单位对毕业生的实践创新能力、自主学习能力、团队协作能力都提出了新的要求。重视对高职院校学生实践创新能力的培养,提高他们的就业竞争力,培养高技术技能型人才,既是时代发展的需要,又是高职教育恒久不变化的话题。把培养学生的实践创新能力作为教育教学的主要方向,改变原有的教学观念[1],充分调动学生学习的积极性和主动性,鼓励学生开动脑筋去探索、去研究,激发他们的创造性和创新精神,培养团队协作和实践动手能力,让课堂教学在创新社团延续下去,鼓励和支持大学生尽早参与科学研究、技术开发和社会实践等创新活动,为学生今后的成长成才做好引导和铺垫作用。

1创新社团简介

大学生电子设计创新社团的建立以锻炼和提升学生的综合能力为出发点,是以学生开展专业技能活动、开启头脑风暴、碰撞思维火花、锻炼自身研究探索能力、沟通协调能力和人际交往能力为主要宗旨,立足于提升学生的专业技能和自我管理、自主学习的能力,以项目任务为载体,按照项目要求教师进行有针对性的知识点分解讲授,充分发挥老生带新生、小组讨论学习的模式方法,让学生直接参与到每个项目的设计、选型、制作、调试中。教师最终根据电路功能状态以及其他标准来进行评定。一个学期完成一定数量的设计项目,期末时候进行综合考察评定,选出优秀学员进行鼓励鞭策。每个项目以一定的周期为限,学生在有关知识点内容的基础上,自主的查找资料、分头研究仿真模拟测试结果、讨论涉及项目的方案、器件材料的选择,查找项目的最新资料信息,查阅项目已有的传统方案,加以推敲研究改进创新,设计出更为优异的东西,为各类电子设计大赛、今后的毕业设计、进入更高一个层次学校的学习或者踏入工作岗位以后从事开发设计提供锻炼培养的机会,这是建立学生创新社团的主要目标,也同时解决了学院各级各类技能竞赛的参赛组队、参赛成绩等的实际问题。大学生电子设计创新社团最为注重的是学生实践创新研究的过程。不断提高学生的自我学习能力、团结协作能力和组织实施能力。鼓励学生在专业课程的学习过程中,从自身所长与兴趣出发,积极参与实验实践活动,引导学生探索、研究和创新[2],提出自己的创新观点与见解。同时为了加强学生对社团的主人翁意识,在项目经费的使用问题上让学生也参与进来。对自己做的每个项目做费用预算,严格规划社团经费的开支,公开账目明细,对社团每年的开支做相应的预算,学会在自由支配的基础上统筹规划,老师既能够起到统筹管控的作用又能够给学生一定程度的自由发挥空间,让学生自己做社团的主人,不仅锻炼学生金钱管理能力和资金规划能力,更激发了他们的积极主动性[3],充分发挥他们的聪明才智,为今后学生踏入工作岗位或自主创业、自我生活规划奠定基础。

2实例说明

根据所在高职院校创新社团的实际实施过程,选择以《太阳能热水器温控系统》项目设计为例,简单阐述学习教学流程。太阳能热水器温控制系统是一个比较典型的检测控制应用电路,能够实现对水温的检测、信号处理、以及实现水温加热的控制系统。教师评分标准就以整体功能实现状况、精准度和误差率如何以及是否满足检测、控制的要求来判定。课前,学生自主选题或教师指定项目内容,选择了应用较为广泛的太阳能热水器中温控系统为本次项目的课题,该项目涉及知识点包括:《模拟电子技术与应用》中要讲授的电源电路、报警指示电路;《单片机技术与应用》中涉及的主控电路;《数字电子技术与应用》中的数码显示电路制试点内容;以及其他包括传感器等可以让学生自我搜集材料、自主学习、自我拓展的相关知识点内容。课中,不同课程的专任教师将相关知识点给学生进行讲授提点。如《单片机技术与应用》任课教师将书本材料中的传统芯片8051及构成的主控电路相关内容进行介绍,并留一定拓展内容和思路给学生进行自主学习,引导学生查找相关资料和手册对比传统的80C51、80S52芯片,选用较为先进、编程灵活、控制简单的新型主控芯片,让学生在掌握基础知识的前提下更重要的是根据自身的不同学习能力和理解能力选择最合适的进行学习;《模拟电子技术与应用》老师将常见的电源电路结构原理和报警指示电路进行总结概括分享,引导学生根据实际项目的要求进行适当的改进和修正;每个教师的课时根据内容量有所不用,《数字电子技术与应用》老师也根据项目内容将课本材料中的LED、LCD的构造和原理进行讲授指导,让学生学会选择适当的显示设备。课外,学生在对该项目有一定程度的了解和掌握基础上,查找相关文献网络资料,消化老师所讲授的每个环节的知识点内容,同时进行拓展创新,并且根据项目需要自主学习选择市面上比较成熟的温度传感器DS18B20采集温度变化信号,之后进行电路图的设计及仿真,利用仿真软件调整电路的设计中可能出现的线路故障、电容电阻等元器件参数选择不合适等状况;在此基础上学生采购元器件或在已有的元器件仓库中寻找自己需要的合适元件进行实物制作安装;实物制作完成之后通过烧录编译控制算法观察最终调试结果;对控制精度要求较高的同学则会不断地对算法进行研究和改进,在这过程中,学生提升了自己的设计和逻辑能力。个别同学制作的太阳能热水器温度控制系统的实物电路板,还紧密联系社会实际,创新地提出了多机通信接口,为完善的人机交互界面提供了可能。也有的同学在对主控芯片的选择上进行了一番调研,选用的核心主控芯片STC12C5410ADSOP28价格合适,功能完善。综合学生的设计电路,在太阳能热水器温控系统这个项目中有显著的三个设计的优异之处,分别体现在:一、主控芯片的选择。常见的温度控制电路大多采用AT89系列作为控制芯片,社团的章同学和其他两名同学选用了STC12C5410ADSOP28单片机,该单片机对传统8051系列的功能具有良好的兼容性,同时还有具有诸如功耗低、价格低廉、抗干扰能力强、易于开发、实现在线编程容易等的优点。二、电源电路的设计。在我们常见的电路中电源电路常采用交直流转换的整流稳压电路,但是这种结构要求固定安装,并且占空间而且笨重,不利于电路系统的整体安装和调试。在陆同学和其他几名同学的控制电路电路中,他们选用了已广泛应用于手机、便携式电脑等的USB接口供电,USB供电体积小、重量轻、便于携带,调试和操作起来也很方便便捷,并且接口及数据线的通用性好,是一个供电电路的不错选择。三、数码显示电路及按键电路的设计。传统的电路中常常采用矩阵键盘方式设计键盘控制电路部分,通过软件编程实现数码显示。而键盘往往数量多、所占面积较大。创新社团的孙同学和其他几位同学设计的控制系统则完全不同,他们通过将单片机上的数模转换I/O端口直接连接数码显示,同时设定了两个按键控制温度调节,大大缩小了电路板的面积,简化了电路结构,使电路的集成度得到了较大地提高[4]。可以发现,在这些细小的改进上学生们动了脑筋,也花了心思,只有通过大量的资料查找阅读和理解才能够有这么出彩的设计创新,这样的举动就已经达到了创新社团建设的根本目的。

3总体设计构造举例

温度控制系统是一种性能显著、使用广泛的电路装置,在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域得到大量研究和应用,具有良好的应用前景。早期的温度控制电路有通过薄膜铂电阻作为传感器将温度转换成电压值,经温度采集、电路放大以及滤波之后,送入A/D转换器采样和量化,量化后的数据送单片机做进一步处理;当前温度数据和设定温度数据经PID算法得到温度控制数据;控制数据经D/A转换器得到控制电压,经功率放大后供半导体制冷器加热或制冷,从而实现温度的闭环控制。实际上,现在使用较多的是以AT8951、AT89S52系列单片机为核心,采用温度传感器AD590或其他传感器感测温度,通过A/D采样芯片ADC0804、可控硅MOC3041及PID算法对温度进行控制。本课题将在现有的基础上进行改进,不但简化现有电路结构,改进A/D转换方式和显示译码方式,同时还针对提高温度的测量精确度、稳定度、灵敏反应度等方面通过试验进行验证[5]。通过对此次项目任务中若干个较为优秀的电路板进行测试对比,发现学生能够突破传统的温控电路设计的局限,总结其中典型的应用设计,电路组成结构包括有:选用较为合适的传感器DS8B20和主控芯片STC12C5410ADSOP28,结合USB转换电路实现供电和数据通信,使用继电器控制加热电路,通过单片机中的ADC通道连接并实现显示功能,最后通过蜂鸣器报警电路实现超温报警功能。选用的数字温度传感器芯片DS18B20能够实现从-55℃到+125℃的温度测量,并且较传统的AD590、PT100耐磨耐碰、体积小、使用方便,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域,现在在温度传感装置中得到广泛的采用,同时具有独特的单线接口方式,与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与传感器的双向通讯,可在ls(典型值)内把温度变换成数字。STC12C5410AD系列SOP28单片机是我国本土知识品牌宏晶科技生产的新一代8051单片机,兼容性好,抗干扰能力强,同时内部还包含有4路PWM和8路高速10位ADC转换,可以直接实现模数转换,为电路的功能拓展提供了便利。加热部分采用三极管控制继电器,通过继电器控制电热丝加热。这种加热方式可以通过软件设计控制电热丝的加热时间,当温度达到规定值时,使被控制的电加热丝断开。继电器控制信号所需的功率极低,即通过弱信号控制强电流。同时动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小,在实际的安装过程中,学生考虑到方便与兼容,直接采用普通的继电器。数码显示电路采用4个LED共阴数码管显示温度数值大小,精度精确到0.1℃,实际日常测量中基本上只用到三个LED。电路无须译码部分,直接通过STC12C5410AD单片机中的ADC通道连接即可达到译码功能[6],这也是本电路较市场上普遍温控电路更为简单、便捷、实用之处。电路中所有三极管都选用NPN三极管9013,限流电阻阻值大小为220欧姆,三极管的集电极端口用于连接并控制数码管的公共端。同时电路装有红、绿两个指示功能的发光二极管,当测量显示的温度值在正常范围内时,绿灯亮同时数值显示;当测量到的温度超出了设定范围以外的时候,红灯亮以示报警,同时蜂鸣器响起,提醒用户注意安全。报警电路采用有源蜂鸣器,使用方便。采用两个按键易于用户对温度进行设置,其中两个按键分别对应为设置温度“+”、“–”。同时电路中选用三极管起开关作用,与单片机的I/O口连接用于通过三极管来驱动蜂鸣器,当三极管基极为高电平时三极管饱和导通,蜂鸣器发声;而正常时刻基极为低电平使三极管关闭,蜂鸣器停止发声。此外,系统电路板上还带有USB—UART转换接口,可以实现PC机到控制板之间的数据通信。同时,利用FT232BM进行USB接口的开发优点较多,在很多电路系统的设计场合被广泛采用。控制器软件设计采用模块化结构,主程序内包括DS18B20温度检测程序、按键控制子程序、加热时间设定计算子程序等。系统主程序主要完成温度的检测以及进行加热时间预算和一些初始化功能。程序开始的时候先设置初始化[7],然后控制数码管显示当前温度.接着判定两个按键是否被按下;程序控制设置温度的三个数码管的点亮与否;当有按键按下的时候进入按键处理程序,按下“确定”按键以后,程序进入判断程序和继电器控制程序。继电器动作后,程序回到显示当前程序,并开始循环。在系统的程序过程中,由于存在有温度传感器对温度进行感测,温度读取的子程序不可或缺。温度读取的子程序主要是针对DS18B20中随机存储器内字节进行读取,经过循环冗余码校验,就可以将温度值读取出来。温度的控制是采用两个继电器对温度进行加热和降温,温度控制子程序的设计主要是以传感器感测到的当前实时温度是否超过设定的温度上限值来进行编译的,温度过高时指令发出,驱动控制加热片的继电器断开,停止加热;温度不过高时,继电器导通,加热片正常工作。按键程序的设计中,还需要考虑按键的抖动时间和机械特性的长短,一般为5-10毫秒。通常手动按下按键,然后立即释放这个过程稳定闭合时间超过20毫秒。因此,单片机检测按键是否按下必须要加上去抖动操作,在程序中就必须要将这部分检测扫描并且消去。

4数据分析

温度控制系统能够敏捷感知并显示实时温度,可对最上限温度进行实时调整(0.1℃为调整单位)并也予以显示。正常工作时,每一秒钟感测一次温度并进行调整显示,同时绿灯显示表示正常温度内安全工作状态。当外部温度由于加热或其他原因致使温度超出限定最上限时,蜂鸣器报警并红灯显示,以表明非安全模式,以提醒使用者进行调整确保安全。研究电路的测试数据结果可以看出,设计系统的灵敏度好,选用合适的控制算法,能够较好地达到系统的设计要求,且精确度较高[8]。由检测数据可以看到,在设定温度波动的前提下能够很好地检测出系统的误差基本稳定在正负0.17℃。设定温度为50℃,每隔5s记录实测温度如表2。从表2中的数据可知,该控制系统的反应速度快、稳定性好,从初始状态到数据显示系统运行只需要15秒的时间。对比系统的稳定性和测量误差可以看到,能够很好地达到一定的设计指标要求,精确地测量温度并且误差率低,具有一定的有实用性和应用价值。5结论注重培养学习过程的优化,创新社团为学生创造有利于个性发展与提高实践创新能力的良好学习环境。在这种新的教学模式和教学理念的基础上,学生学习的主动性和积极性被充分地调动起来,学生的实践动手能力和团队协作能力得到了极大的提升,参加各级各类技能竞赛中获得了较为优异的成绩,累计获奖达20余人次。其中荣获江苏省高等职业院校技能大赛二等奖3项,TI杯江苏省大学生电子设计竞赛二等奖1项、三等奖2项,无锡职业教育创新大赛高职院校学生组创造发明一等奖1项、二等奖3项。近年来,专业学生的就业率、就业质量以及专业对口率不断提升,受到了企业和用人单位的欢迎;扎实的专业基础知识也使得社团中学生转本的比例逐年提升,对学生的进一步深造提供了保障。高等职业院校的教学之根本除了传授理论知识、强化动手能力以外,更应该注重培养学生自主学习的能力,让他们学会主动研究问题和探索创新能力。电子设计创新社团建立的主要目的就是让学生在一定基础上学会拓展和创新,高职教育的目的也就是如此,紧跟社会时代发展的步伐,把行业企业中的新技术、新知识、新技能融入课程教学及项目设计的学习中去,改变原有的灌输式教学模式,开拓翻转课堂、启发式教学等新教学方式,深层次挖掘学生的潜能,激发学生的创新力和思考力[9]。大学生电子设计创新社团的实践证明创新的教学模式是学生能力提升和综合素质拓展的引导力量,为学生今后的就业和深造,为培养企业需要的肯学习、能动手、会思考的人才需求打好坚实的基础。

参考文献

[1]舒惠,张新平.优质均衡愿景下的学校内生发展之路[J].中国教育学刊,2017,(06).

[2]肖杰.高校学生综合素质评体系优化研究[J].江苏科技信息,2015,(08).

[3]肖海霞.基于应用技术型人才培养的地方本科高校学生考核评价机制探讨[J].经济研究导刊,2017,(28).

[4]张墅.基于高职院校大学生创新平台的实践研究———以一种新型的温控系统为例[J].现代职业教育,2016,(30).

[5]张凯.小球滚动控制系统[J].电子制作,2019,(17).

[6]邝允新.高职学生创新能力培养现状分析研究[J].教育教学论坛,2019,(09).

[7]谢国坤,贾亚娟,郑凯.智能温度控制系统研究[J].企业科技与发展,2018,(05).

[8]董立锋,党丽敏,陈少军.断路器二次接线正确性检测装置设计[J].电气技术,2019,(07).

[9]杨启尧,刘煜博,许鑫焱,吴众,胡曹娟,郭栋,潘鑫鑫.管道内钢珠运动测量装置的设计与实现[J].工业控制计算机,2019,(01).

作者:张墅 陆渊章 单位:江苏信息职业技术学院

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