基于Arduino的电气工程口袋实验室研究

刘晋+牛印锁+韩民晓+吴迪

摘 要 针对华北电力大学电气与电子工程学院学生多、实验条件有限等客观条件，开展基于开源的Arduino平台口袋实验室在电气工程实验教学中应用的研究工作。同普通的单片机比较，Arduino平台具有操作简单、易学易懂、二次开发性强等特点。通过学生实现的三个实验案例，从该平台的三个不同方面描述其在电气工程实验中的应用，为基于该平台的电气工程口袋实验室的研制提供实验案例。

关键词 Arduino；单片机；口袋实验室；电气工程

中图分类号：G482 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）22-0026-03

Research on Electrical Engineering Pocket Laboratory based on Arduino//LIU Jin， NIU Yinsuo， HAN Minxiao， WU Di

Abstract In view of the objective factors such as the large number of

students and the limitation of experimental conditions， the research on the application of pocket laboratory based on open-source Arduino

platform in electrical engineering experiment teaching has been launched. Compared with the ordinary single-chip microcomputer， Arduino platform is simple to operate， understand and further develop.

This paper describes three different aspects of Arduinos application in electrical engineering experiment， using three cases of students experiments. It provides experimental cases for electrical enginee-ring pocket laboratorys construction.

Key words Arduino； single-chip； pocket laboratory； electrical engi-neering

1 引言

Arduino平臺是一种以单片机为核心，可以外扩各种电路的平台。该平台诞生于2005年的意大利，由两位工程师开发，起初是为学生的课外实践提供一种简单易用的物理运算平台[1]。Arduino最小系统如图1所示。

Arduino平台能够在应用中完胜普通单片机，主要体现在两个大的方面：一为其实用的丰富硬件端口设计，一为其通俗易懂的C语言编程特色及用户终端IDE[2]。其开源的电路板设计图如图2所示。

Arduino平台提供了14个数字端口和六个模拟端口，仅需通过杜邦线连接即可实现多组信号的同时传输。除去普通的输入输出端口，平台还与自身的IDE相配合，规定了一系列的特定功能端口，譬如定值电压输出端口、串行通信端口、PWM信号端口等。正是这些方便连接的端口和已经经过规定的特殊端口，使得人们在使用中挣脱了在使用普通单片机芯片时搭建电路烦琐、引脚规定复杂等问题的束缚，使得Arduino平台受到广泛欢迎，并赢得实用的“电子积木”这一称号[3]。

拥有自身独特的IDE是Arduino平台区别于普通单片机芯片的最大优势。首先，Arduino平台的编程语言采用一种接近C语言和Java的高级语言，这样一来，接触过C语言和Java的使用者几乎不用学习，而无编程经验者也可基于其强大的逻辑性和简洁的规定很快上手。正是鉴于Arduino平台展现的优秀性能，其在生产生活领域的应用日趋广泛。

电气工程专业学生实验动手能力的培养是实验教学的重要目标，针对华北电力大学电气与电子工程学院学生多、实验条件有限等客观条件，开展基于开源的Arduino平台口袋实验室在电气工程实验教学中应用的研究工作。在电气工程教学实践中应用Arduino平台作为口袋实验室的实验平台，其主要的教学思想和出发点是为学生提供一个通用、廉价、统一、简单易学和便于携带的口袋实验平台，并且将在大学四年中始终使用该平台完成相关工程实验。学生从大学一年级开始，熟悉并开始使用该实验平台，完成相关课程的实验设计；随着年级的变化和专业课程的学习，学生可以在该平台上进行相关专业课程的实验设计，并完成相应的实验，从而实现由简单到复杂的过渡。这样可以让学生在统一的实验平台上进行各种难度的工程实验，避免不同年级更换不同实验平台带来的学习平台使用方法的重复工作，有利于学生更加高效地专注于实验的设计与实现。

如何提高通用Arduino平台与电气工程专业教学实验的契合度，是实验教学亟待解决的问题之一。本文通过学生实现的三个实验案例，从该平台的三个不同方面描述其在电气工程实验中的应用，为基于该平台的电气工程口袋实验室的研制提供实验案例。

2 口袋实验室电气工程实验案例

Arduino平台在电气工程实验中可以完成各种不同难度、不同内容的实验项目。首先，在电气工程实验中凡是涉及信号控制、接收的，Arduino平台均可轻松实现，并将自身的简单易用、精确处理特性发挥得淋漓尽致。一方面使得实验本身变得简单，另一方面让实验思路的拓展和实验器材的二次开发变得更加容易。其次，在使用该平台进行程序编写时，实验者必定将实验的电路逻辑和实验原理分析得相当清晰，这使得实验者不再是简单地按部就班进行实验，而是透过现象把握本质，真正“吃透”每一个实验。endprint

针对不同年级可以设计不同难度和内容的工程项目实验（如表1所示）。本文从学生在毕业设计中完成的系列实验内容之中选取三个实验案例进行展示。

电位器读数实验 本实验的目的是熟悉使用Arduino平台的模拟输入输出端口应用。该平台共提供了六个模拟端口用于输入和输出，模拟输出端口提供正电平（5 V）和接地电位，而输入端口则能够读取一定范围的模拟量。因此，输入输出模拟端口的应用重点在如何读取传感器的模拟量。电位器读数实验是在对电位器加电压后，可从其信号端读取信号输入平台的模拟端口。本实验的模拟图如图3所示。图3中（左边三根线，从左至右依次为红、黑、蓝；右边三根线，从左至右依次为黑、蓝、红），红色线提供5 V电位，黑色线是接地线，而蓝色线是信号线，连接电位器信号端与Arduino平台的A0号模拟输入端。当拧动电位器时，A0号端口将收到变化的电压模拟信号。

该实验可以扩展为其他实验，可以将电位器替换为电压互感器、电流互感器、温度传感器、光敏电阻、压力传感器等各种提供模拟信号的器件，帮助学生理解从测量信号到电压信号的转换过程，以及如何将其还原为原始信号的实现过程，为后续实验提供基础。

步进电机控制实验 本实验的目的是熟悉Arduino平台的数字端口应用。步进电机是一种数字电机，控制步进电机运行的关键在于对其控制信号的输入。在这次步进电机控制实验中，考虑到主要目的是理解数字端口的应用，就略去驱动板（电机功率小），只需按图4接线，然后编写程序即可实现电机的控制运行。图4中，步进电机的四根线通过面包板分别连接于Arduino平台的四个数字端口A2、A3、A4、A5，实现控制信号的传输。

本实验的关键在于通过编程控制数字端口输出所需的信号。当外接类似于步进电机等设备无法使用现有的应用库函数时，难点就在于通过编写程序实现电机控制信号的计算；当外接其他开关设备时，只需在特定时间实现所需电平的输出；其他诸如LCD等则只需按时传输信号即可。

直流电机控制实验 本实验的目的是熟悉Arduino平台具有特定功能的端口，以PWM功能端口为例。实际上，Arduino平台为了方便使用，设计了不少具有特定功能的端口，如ICSP端口、串行通信端口、3.3 V电压输出端口、PWM输出端口等。当然，功能的实现也要用到特定的库函数。特定功能端口的预留不仅使得硬件的连接变得简化，也使得程序的编写变得简洁，从而从整体上降低了Arduino平台的操作难度。直流电机控制实验是利用平台预留的PWM端口（本实验使用數字端口6）给直流电机供电，从而实现对电机转速控制的效果[4]。实验图如图5所示。

该实验首先接收来自电位器的输入信号，对该信号进行处理后，决定PWM端口输出的占空比，这样就实现了电位器阻值与直流电机转速的对应。实验编程中要注意根据所需占空比来决定高低电平的延时时间。

口袋实验室总结 在实验中应用Arduino平台进行实验设计，既可以让学生直接使用控制板进行实验，也可以为学生提供控制板的PCB板和元器件，由学生自己焊接制作控制板并进行调试，具有较强的灵活性。

此外，由于使用Arduino平台的入门条件和使用条件简单，学生只要有笔记本电脑，就可以找地方开展自己感兴趣的实验，成为真正意义上的“电气工程口袋实验室”。

3 总结

本文提出电气工程实验教学体系中采用统一实验平台的思想，提出基于Arduino的电气工程口袋实验平台，通过学生在该平台上设计和实现的各类不同专业课的实验案例，给出基于工程项目的电气工程实验教学体系和教学思路。通过统一实验平台和工程实验内容的结合，将大大提高学生实验与相关专业课程的结合程度，节省学生学习和熟悉平台的时间，避免多个平台的重复学习，将有限的时间和精力集中在如何实现工程项目上，大大提高学生的工程实践能力，增强工程化概念的训练效果。

参考文献

[1]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程，2012，20（16）：155-157.

[2]鲍若凡.Arduino单片机在信息技术教育中的应用研究[J].软件导刊，2015，14（6）：224-225.

[3]冯琪智.浅析Arduino内部技术及合理运用开发[J].电子世界，2014（18）：201.

[4]蓝厚荣.单片机的PWM控制技术[J].工业控制计算机，2010，23（3）：97-98.endprint