基于arudino平台的电子课堂模拟实验系统

朱琳

摘 要：高等职业教育中，电工基础和模数电子等课程实践条件相对紧张，开放式实验室等举措不能完全满足培养对象的实训实践需要，大量验证性实践只能由计算机仿真实验实现，采用以简arudino单片机与开源库为基础，设计一个以电池供电的可移动电子实践平台，能满足电工基础与模数电课程基本实践需要，还可以在后续课程中提高学生实践动手能力，推进课堂教学改革。

关键词：Arduino；开放实验；电工基础；模拟电子技术；实践教学

中图分类号：G4文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.080

1 需要解决的问题

由于电子信息产业是国民经济重要组成部分，高职院校中大量开设了弱电类专业，但高职电工和模拟教学中往往存在实践条件受限的矛盾。由于历史发展的限制，目前高等职业教育中专业课实践条件改善明显，但相对于学生规模，专业基础课程的实践条件仍然有限，台位仍显不足。尤其是在电工基础，模拟电子技术等电类专业的基础性课程中，由于实践训练量大，在日常教学计划的执行当中往往是进实验室难，实践培养效果难以满足人才培养方案的要求。

另一方面，目前广泛投入电工试验箱以电工基础的安装训练为主要实践内容，这样的配置便于学生完成电工职业资格证书所要求的训练。但无法实施基本理论中的验证性实验，如果学生需要实践，只能通过仿真或是课外自行实验来完成。目前现有的计算机仿真需要从计算机抽象图像数字转移到现场实物的思维能力，适合抽象思维能力强，综合素质较高的学生。对于高职层次学生，其教学效果差异性很大。模数电课程也有类似的问题，基础部分实验时间比较少，不利于学生进行多次尝试。教学实践中，采用一体化教学可以解决上述问题，但对实验台位数提出了极高的要求。

如果有一种不依托统一供電的实践设备，就可以保证电工基础甚至部分模数电教学中的实践环节可以放在普通课堂完成，学生在课下也可以方便的同时学生可以完成相应的实践任务。如果实验模块和后续课程统一起来，也便于学生学习理解后续专业课程。

在此指导思想下，以arduino平台为基础设计一个可以电池供电的简易的实验系统，用简易显示测量模块加上信号源配合自由插孔电路板就能完成大多数基本电路验证实验。同时系统电路和源程序均为公开资源，学生可以进一步对程序电路调整实验。当学生后续学到单片机等课程以后，这套系统可以让学生在后续专业课程学习与实践中，提供一个实践对象，理解与实践电子产品软硬件结合项目。

2 实践系统组成

本系统主要组成部分测量显示模块，1KHz交流发生模块，具体电路由学生自行用面包板或者万用板实现。

显示测量模块采用arduino平台构成核心检测显示模块，采用Arduino平台是因为Arduino 封装了atmega 128单片机ATmega128。该单片机是ATMEL公司的 8位系列单片机的最高配置的一款单片机，稳定性极高，被广泛的应用在了汽车电车管理、门禁系统、遥控器、智能家居以及计量电表等领域。相比51等传统单片机该CPU采用AVR内核，拥有16MHz工作频率，工作电压为2.7-5.5V。工作于16 MHz、拥有4K字节的EEPROM与128K 字节的系统内可编程Flash，运算速度快，存储容量大适应简易示波器的开发需求。

同时arduion平台的开发环境Arduino IDE基于processing IDE开发。对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。Arduino语言基于wiring语言开发，是对 avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，学生也可以快速的进行二次开发。由于arduino平台可以使用4节1.5V供电，同时能对外提供3.3V和5V稳压输出，所以可以将交流信号发生模块与学生自主电路接入arduino平台。整个系统结构精简，移动性好，可以由学生上课自主携带。

测量显示模块的测量平台为ARUDINO UNO系统板，被测电压通过引脚引入arduino实验板并通过内置的10位AD模数转换器转换成数字信号。由于整个实验班由实验板供电，被测电压控制在5V以下，所以一般不存在电压超范围问题。测量信号经过模数转换后，以串行模式输入一块基于ST7920驱动的 12864单色液晶显示屏，进行动态显示。动态图每秒刷新屏幕25次，信号扫描周期可由外置按键可调，由于信号发生模块产生信号固定为IKHz左右，扫描周期调整范围不大，可以由软件调整实现。

IkHz信号发生电路采用自激振荡器实现，由arduion实验平台供电，频率范围1-3kHz，振幅范围在200-400mV，用滑动变阻器调整频率与幅值输出范围。

3 系统成本与扩展性

本设计总体成本不高，搭建简便便于学生自学研究。ARUDINO UNO的成品板价格在20元左右，基于液晶屏的模块成本为70元左右，1kHz信号发生模块电路成本在20元左右，所以此基于arduino的自主试验平台仅为120元。无论是学生自行采购还是学院统一购买，成本压力并不大。实际实验中只要加入部分电阻电容与二极管三极管就能构成实验电路进行相关实验。

而采用 Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件均为开源，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。GITHUB网站也有详尽的开放式例子与源程序。学生通过简单学习后，可以在本基本实验电路上进行修改，加入其它功能。

arduino平台提供两路8 位PWM输出，一个10 位ADC数模转换器。 两个可编程的串行USART，以及同时可工作于主机/从机模式的SPI串行接口。平台提供丰富的接口与控制功能，如果有需要系统可以很方便的连接发光二极管，各种传感模块。学生能按照自己意愿搭建各种应用系统。避免了传统实验单调枯燥测电压看波形的缺点，鼓励学生培养创新能力。

如果学生需要连接计算机或手机等外设显示可以采用串口线直连计算机USB口，由串口显示工具显示数据。如果想连接手机，可以使用wifi ESP8266WIFI模块，成本在20元左右，连接arduino实验平台后，可通过wifi与手机调试APP连接，显示数据，更加符合当今学生学习习惯。

4 结论

由于为了实现系统便携性，电源系统比较简单，采用电池供电并由实验板提供5V稳压电源。这一设计可以保证学生在课堂、寝室、图书馆随时使用实验平台完成相关实验，而且也具备良好安全性。但是由于系统功率有限，不能支持大功率器件实验，实验电路设备过多时也会产生不稳定，今后的改进方向将设置独立电源模块，提高模块供电质量。另外，目前的设计的成本仍有进一步压缩的空间，测量通道数也可以改进提高，随着性能完善，系统将更加适合实践教学需要，拓展学生的学习渠道.

参考文献

[1]陈海，贺辉. 物联网体系建设中的Arduino应用教学研究[J]. 高教学刊，2017，（05）.

[2]单旭晨，唐廷翱，谢庆志，刘书钢. Arduino在物理实验中的应用[J]. 物理实验，2014，34（10）.

[3]徐峰，王天庆，陈炳吉，白天为，王亚文. 基于Arduino的单片机实验MOOC平台设计[J]. 中国教育信息化，2016，（10）.

[4]杨中兴. Arduino在高职单片机教学中的应用探索[J]. 电子世界，2016，（18）.endprint