“智能充电器设计”实验教学案例

延安大学　张　雄　杨延宁　曹新亮　刘　斌　王箫扬

0　引言

电类专业以工程实训为为主，对学生实践动手能力要求更高。要求学生主要学习信号的获取与处理，具备设计、开发、应用集成电子设备和信息系统的基本能力。实验教学是促进知识结构，能力结构和科学思维产生交叉符合作用的环节，在学生素质教育中有着特殊的地位[1]，是培养学生工程技术应用能力的基础，是新知识、新技术、新方法、新产品诞生的摇篮[2]。为了适应创新教育的需要，设计具有较强综合性和系统性的学科专业实验项目，对学生知识结构的建立和工程实践的基本训练是非常有必要的。

1　智能充电器设计

1.1　实验教学目的

实验工程项目实现过程中引导学生了解电源电路、测量技术、传感器技术、控制理论，根据选取方法的多样化确定合适的技术方案。在整个实现过程需要建立学生团结协作和工程项目理念，从方案的确定、器件的选取、单元模块的实现、系统拼装、测试环境的搭建过程要求学生合理分工、明确目标，提高学生专业技能和协作意识[3]。

图1　系统参考方案

1.2　实验内容

设计一个带有自动过流、过压保护功能的智能充电器，充电器输入AC220V，最大充电电流2.0A（精度±0.1A），最大充电电压DC6.0V。保持锂电池放电电压不低于2.8V，充电锂电池电压不超4.2V（控制精度不低于±0.1V），并以数字方式显示的锂电池当前电压；充电器能够恒定输出DC5.0V，充电电流不限制，请自行设计切断充电电源方法；充电器的转换效率达到85%以上（见图1）。

2　教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导[4]：

（1）学习掌握电源设计制作的基本方法，根据不同参数要求完成目标电源，注意在设计时元器件参数要求、电路的布局布线都会影响电路的功能和效率。

（2）学习电压、电流检测方法，与A/D转换结合使用，在过程中可能需要有调理或放大电路来保障精度和满足二者匹配。在选择传感器、MCU、A/D时需要了解他们的功能参数，尽量简化电路。

（3）在通断控制电路中可选择三极管驱动继电器实现。

（4）在电流、电压程控实现稳定的过程可采用由MCU输出PWM波控制的方式，具体算法可参考PID算法。掌握一种简单的反馈控制原理，在具体实现过程中学生自己确定参数。

（5）显示、键盘、状态指示灯及应急开关的设计中可自行选择设计，在保障功能完整性前提下发挥、创新。

（6）在方案确定、电路设计、搭建组装、调试中必须用标准仪器设备进行实际测量，标定记录各个环节的误差；为了确保调试的安全、合理，在调试过程中可设计调试方案辅助完成。

（7）在完成每个单元模块组内同学需要及时交流沟通，说明进度、讨论解决存在问题；在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在

3　实验过程及要求

实验过程从三个层次来逐步递进，与实验目标一致，有基础、进阶、最终要求[6]，实验三个阶段要求如图3所示。

图2　实验三个阶段要求

具体实验过程如下：

（1）了解AC/DC电路、锂电池特性，学习如何控制恒流、恒压方法和电压、电流测量方法。

（2）选取合适的控制芯片、AC/DC电路、电流电压测量方法。尽可能的满足实验设计要求，注意控制芯片的I/O口数量、复用功能，降压电路元器件的参数要求，电压电流测量精度。

（3）首先完成系统整体规划，设计系统框图，明确各个单元的连接关系。

（4）在完成AC/DC电路时需注意与控制芯片的配合实现电压、电流可控。注意强电危险，实验过程确保自身安全，电路没有明显错误方可通电。

（5）选择电压、电流测量传感器时根据传感器输出信号类型、大小，设计合适的调理电路以满足控制芯片对信号的采集，有需要的话可以增加ADC。

（6）设计反馈控制电路，选择合适控制方法或算法，尽量满足设计要求。注意在测试过程可选择不同功率电阻代替锂电池，以免损坏电池。

（7）考察恒流、恒压充电速度与二者的波动范围，如何达到响应速度快、波动范围小的目标。

（8）构建一个简易的测试环境，利用万用表实时测试各个环节的电压电流值与显示值进行对比，并利用秒表记录响应时间。此外，需要注意转换电路的效率。

（9）撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4　考核方法与要求

实验考核方式主要有“讨论交流式”过程考核和“学生+教师”的结果考核相结合，而过程考核占总评的60%，结果考核占总评的40%，其中结果考核中学生评价与教师评价各占50%。如表1所示。

表1　考核方法

考核依据：

（1）理论知识考察：涉及到的理论知识掌握程度，通过交流和提问方式评价。

（2）实物验收：功能与性能指标的完成程度（电源转化效率、测量精度、相应时间等），完成时间。

（3）实验质量：方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

（4）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

（5）工程素养：是否掌握到一定的工程实践能力、具有工程系统概念和团队协作能力。

（6）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

（7）实验数据：测试数据和测量误差。

（8）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

5　总结

以“智能充电器设计”作为电类专业的一个实验项目，可以很好的巩固理论知识，培养了学生工程实践能力，在实际教学过程中有很好的体现。

[1]黄扬帆,甘平.电子类基础实验教学改革的探索[J].实验室科学,2009(03).

[2]谢志江,孙红岩,蒋和生,等.案例教学法在工科教学中的应用[J].高等工程教育研究,2003(05).

[3]石会,邓元庆,关宇,等.“问题—探究式”教学模式在电子技术教学中的应用[A].中国电子教育学会高教分会2012年论文集[C].2012.

[4]张庆生.电子技术教学改革与实践[A].2011年全国高等学校电子技术研究会论文集[C].2011.

[5]王新文.电子技术教学中调动学生学习积极性[A].2015年5月现代教育教学探索学术交流会论文集[C].2015.

[6]王立峰,刘大力,范长胜.深化高校电子技术实验教学改革全面提高人才培养质量[A].传承与创新——提升高等教育质量[C].2014.?