电工电子实践教学中的实作作品设计

王成刚， 应朝龙， 王 文， 李建海， 张晨亮

(海军航空工程学院 基础实验部， 山东 烟台， 264001)

电工电子实践教学中的实作作品设计

王成刚， 应朝龙， 王 文， 李建海， 张晨亮

(海军航空工程学院 基础实验部， 山东 烟台， 264001)

结合部队院校对学员电工电子实践技能的具体要求，本文分析了实作作品应具备的特点，并结合多年的教学实践，以数显双点温度计、简易电能质量分析仪、数字信号源和频率计等实作作品为对象，阐述了软硬件设计方案。依托这些作品，系统地培养了学员的电工电子实践技能，在教学中取得了良好的效果。

电工电子；实践技能；实践教学

0 引言

电工电子技术是我军武器装备的核心基础技术之一，随着装备现代化程度的日益提升，部队大多数专业技术岗位都需要较强的电工电子实践技能，因而对部队院校电工电子实践技能培养提出了更高的要求。如何以部队需求为牵引，建立起科学合理、面向岗位需求的各层次学员电工电子实践技能培养的教学体系，具有重要意义[1，2]。

在电工电子实践课程教学中，通过实作作品的设计、制作、编程和调试来提高学员的设计能力和实践技能是一个很好的途径。

1 实作作品需求分析

结合部队实际需求和电工电子技术的发展情况，我们认为电工电子实践技能能力主要体现在7个方面[3]，如图1所示。

图1 电工电子实践技能能力要素构成框图

这7个方面的能力要素中，前两个方面是对事物的认知与使用，中间两个方面是硬件上的设计与实现，最后三个方面则是软件、调试及提炼总结方面的。具备了这7个方面的能力，一般就可以完成实作作品的设计，也为熟练掌握武器装备的使用打下了良好基础。

电工电子实作作品作为实践课程的主线，起着培养上述7个方面能力的重要作用。在给定作品设计任务要求的情况下，学员从资料收集、方案论证、总体设计、系统调试、故障分析到项目总结全面自主完成[4]。但是，由于作品种类繁多，难易程度相差很大。在起步阶段，应选择一些难度相对较低、实现比较容易的作品作为设计对象，以此循序渐进，既有利于对设计和制作过程的快速入门与掌握，又会因成功率较高而有利于学员自信心的建立。千万不能选择一些技术含量特别高、电路原理复杂、设计不确定因素多、调试困难的作品为初始对象，否则会因遇到困难过多而打击自信心，进而会影响对电子设计的兴趣和学习积极性。

综合以上分析，实作作品应具有以下特点：

(1)技术覆盖面较宽—因为学时限制，课程中一般仅能完成一件作品设计。因此，该作品既要尽可能多地包含硬件方面的理论知识和实践技能，又要包含软件方面的设计技巧。

(2)难易程度适中—为便于全体学员参与设计制作，作品既不能太难，也不能太简单，最好能体现出一定的难易层次性。

(3)实用性较强—作品完成后应该能够应用到学员的学习生活中去，这样既避免浪费，也便于学员理解。

(4)成本尽量低—因学员人数众多，受经费保障所限。所以作品的软硬件成本尽量低。

(5)重复利用率高—作品所用元器件尽量可重复使用。

2 典型实作作品设计

经过多年的教学实践，我们选择了数显双点温度计、简易电能质量分析仪、数字信号源和频率计等作为典型的实作作品。这三种作品既有一定的实用价值，又包含了较多的技术点。在技术层面上，这三种作品都包含了电源、人机界面、传感器、数据采集处理、多机通讯和单片机编程等，因此可以说涉及的知识面较广，而且这些作品的实现难度可灵活调整。简单来说，只要按照给定的电路原理图设计制作硬件，然后直接利用已有的程序，就可以实现作品的基本功能。但要想深入学习，则需要自行编写传感器处理程序和个性化的显示程序，因此简繁可选。通过对这三个作品其中一个或多个的实践，学员就可以提高对电子作品设计和制作过程的了解和掌握程度。

2.1 数显双点温度计

1)设计的技术指标

(1)用3位LED数码管显示室内和室外温度；

(2)温度测量范围：-20 °C～+50 °C。

(3)温度测量精度：±0.5 °C

(4)温度显示分辨率：0.1 °C，(当-10 °C<显示温度<+10 °C时)；1 °C，(当显示温度≥+10 °C 或 显示温度≤-10 °C时)。

(5)工作电源：～220 V (1±10%)，50 Hz，功耗：≤2 W。

2)总体框图和硬件设计

数显双点温度计的主要应用场合是面向室内应用的。因此，减小作品体积、降低作品硬件成本、提高作品使用的便捷性应是作品总体设计中必须要考虑的重要因素。根据技术指标要求，确定数显双点温度计的总体框图如图2所示。

图2 数显双点温度计总体框图

图2中，单片机采用AT89C2051或AT89C52，它是整个电路的测量和控制核心；直流稳压电源采用串联稳压电源，这样可以简化电路设计，提高直流电源品质；温度传感器采用DS18B20芯片；驱动电路采用9012小功率三极管；限流电阻采用300 Ω /0.25 W的金属膜电阻。

在确定了总体框图后，就需要详细设计各个功能模块的硬件电路。在硬件电路设计时，既要考虑电路功能和性能指标的可靠实现，又要考虑作品的体积和硬件成本。该作品硬件设计有关的关键技术有单片机的选型与I/O资源分配、LED数码管驱动与限流电路设计、温度传感器输入电路设计、供电电路设计等，涉及的知识点比较丰富。

3)软件总体方案设计

对于大部分单片机应用系统，软件设计工作量比硬件设计要大得多，所需的时间也要多，一般可占整个设计时间的70%以上。软件设计成功与否，直接关系到作品功能和性能是否能可靠实现，因此在教学中要高度重视软件的设计和调试。

本温度计的软件主要涉及温度传感器数据读取、数据处理和温度显示等部分，其总体组成框图如图3所示。

图3 温度计软件总体框图

2.2 简易电能质量分析仪

1)作品需求和设计任务分析

简易电能质量分析仪实现对交流电的电压、电流、相位、频率等多个指标的测量和电能、功率等参数计算等功能，同时尽可能满足低功耗设计。

2)总体框图

电压电流信号经A/D采样，由单片机计算市电电压、电流、频率、通电时间和电能消耗、有用功率和功率因数，并由LCD显示结果，其总体框图如图4所示。

图4 简易电能质量分析仪总体框图

3)软件总体方案设计

软件设计包括各种测量算法及其误差修正和断电模式、键盘扫描、信号输出控制及显示控制模块等，软件总体设计如图5所示。

图5 简易电能质量分析仪软件总体框图

2.3 数字信号源和频率计

1)作品需求和设计任务分析

在数字电路实验中，很多情况下需要提供频率可调的TTL电平的方波或脉冲信号，有时还要测量这些信号的频率。要产生这些方波或脉冲信号，可以有很多方法，比如采用MAX8038或ICL8038等专用信号产生芯片来产生，也可以采用AD9850等DDS(直接数字合成)电路来产生。采用不同的器件和方法来产生信号，都有其各自的特点。本实作作品要求用单片机来产生上述频率可调的TTL电平方波信号，其主要指标如下：

(1)输出通道数：固定频率信号6路，可调频率信号1路。

(2)输出信号频率：固定：1 Hz、10 Hz、100 Hz、1 kHz、10 kHz、100 kHz，可调：1 Hz～100 kHz。

(3)幅度：TTL电平。高电平≥3.5 V，低电平≤0.8 V。

(4)频率可以设定和显示，采用LCD1602进行频率显示，显示分辨率1 Hz。

(5)可将4路输入的按键信号去抖动后输出干净的单脉冲信号。

(6)可以测量外部输入方波信号频率，测频范围：1 Hz～100 kHz。

2)硬件总体方案设计

根据设计任务和技术指标要求，确定数字信号源的总体框图如图6所示。

图6 数字信号源总体框图

图6中，采用了两个单片机，其中单片机1采用AT89C52，单片机2采用AT89C2051；显示器采用LCD1602型液晶显示器。

本信号源要求既能产生固定频率的6路信号，又能产生可变频率的1路信号，其中固定频率的最高频率为100 kHz，可变频率的最高频率也要达到100 kHz。如果采用1个单片机，在软件中对于这两路信号的产生会产生时间上的冲突，很难在短时间内完成计算和输出。因此，用两个单片机来分别产生固定频率和可变频率的信号输出。考虑到单片机的价格普遍比较低，因此当单个单片机不能完成任务时，可考虑用多个单片机利用通信接口来协调实现。

3)软件设计

数字信号源和频率计的软件总体框图如图7所示。

图7 数字信号源和频率计软件总体框图

对于固定频率信号的产生，只要按照最高频率来计时并输出信号，然后按照确定的10倍分频关系产生其他频率的信号即可。它既没有涉及显示问题，也没有涉及测量问题，因此程序比较简单。

3 结语

电工电子实践课程教学中，通过实际作品的设计、制作、编程和调试来提高学员的设计能力和实践技能是一个很好的途径。本文分析了实作作品特点，并结合多年的教学实践，以数显双点温度计、简易电能质量分析仪和数字信号源和频率计等实际作品为设计和学习对象，阐述了设计制作过程。依托这些作品，学员进行总体方案设计、硬件电路设计、软件编程、作品制作与调试、技术文档撰写，系统地培养了电工电子实践技能，在教学中取得了良好的效果。

[1] 刘军山, 应朝龙, 王成刚. 电工电子实验教学改革探索[J]. 武汉:海军院校教育, 2011, (3): 69-70.

[2] 王成刚, 应朝龙, 李建海. 贴近岗位任职的电工电子实验教学体系建设与实践[J]. 天津:实验室科学, 2011,(4): 32-34.

[3] 应朝龙, 张晨亮, 孙艳丽, 等.电工电子实践技能培养教学体系建设研究[R]. 烟台:海军航空工程学院, 2014.

[4] 张国云, 彭仕玉, 湛腾西. 电工电子实践教学模式的构建与探索[J]. 南京:电气电子教学学报, 2008, 30(12): 66-67.

Design of Practical Works for Electrical and Electronic Practice Skills Teaching

WANG Cheng-gang，YING Chao-long，WANG Wen，LI Jian-hai，ZHANG Chen-liang

(DepartmentofBasicExperiment,NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,Yantai264001,China)

This paper reviews the specific electrical and electronic practice skills ability factors requirements for military academy. The necessary characteristics of practical works are analysized. Taking digital display double sites thermometer, simple power quality analyzer, digital signal source and frequency meter as the design and study objects, this paper expounds the hardware and software design solutions combined with the teaching practice of recent years. Based on these works, we train students' electrical and electronic practice skills systematically, and achieve good effect in teaching.

electrical and electronic; practical skills; practical teaching

2015-11-01;

2016-04-05 基金项目：军队院校电工电子基础课程教育教学课题(2014053)

王成刚(1976-)，男，博士，副教授，主要从事装备测试性设计与评价、电工电子教学，E-mail:topwcg@163.com

G642

A

1008-0686(2016)05-0116-04