基于工程能力培养的机电产品旋转LED字幕的设计与实现

高英，王蓓蓓，韦思健，杨德元，陈开峰，李屹

（清华大学基础工业训练中心，北京 100084）

0 引言

制造工程体验课程、课程以综合价值塑造、能力培养和知识传授“三位一体”为教学理念[1]，依靠先进的教学理念，基于训练中心实践教学基地的一门实践教学课程。课程注重培养工程素养、工程制造知识和能力，以及工程文化的基本概念及其内在关系，通过基础制造工程体验工程制造的基本方法和文化内涵，通过系统制造工程深入体验工程制造过程[2]。

课程教学目标为，重视从注重技能的培养到重视动手解决问题的能力提升以及工匠精神的养成，坚持“行胜于言、真刀真枪”优秀传统；通过设定问题的分析与解决，训练学生的创新思维能力和习惯，注重创新教育与专业教育紧密结合。

课程随着文科生选课人数的比例增多，为了提高课程及产品质量，增加课程趣味性，本单元课程设计中包含设计思维、电子和机械设计、电子制作和机械加工。首先安排设计思维课程，让同学在整个设计中能更好完成系统思考，快速原型迭代以多方反馈的方法引导同学完成设计的持续流程。其次电路设计制作部分利用单片机控制，电子电路焊接实现旋转LED显示字幕、红外遥控控制字幕、时间等切换，实现显示屏多样化的方式显示各种信息。机械设计与加工使用CAD外壳设计及激光加工完成外壳制作。最后将电路部分及外壳进行装配调试。

1 设计思维与产品方案设计

设计思维就是学习如何思考问题，提出有意义的创意和想法以同理心的角度对目标群体进行深入观察并整合跨领域分析工具从而获得洞见，还原事物本质最终设计出令特定人群感动或愉悦的产品/服务的方法[3]。通过案例分析学习设计思维课程之后，安排电子电路设计与制作、机械设计与激光加工、产品组装与字幕内容编写。最终形成一个完整的有“情感”产品。

2 电子电路部分设计与产品制作方案

2.1 电子电路总设计

旋转字幕部分是本次课程产品的核心。此部分以单片机为核心实现顶面及侧面柱式立体旋转LED显示字幕，主要由电源模块、红外传感遥控字幕切换模块、单片机控制模块、传感器定位模块、时钟模块、LED显示模块。整个系统以单片机为核心，电源供给点击正常运转带动LED字幕旋转，用电感线圈无限发电的方式为主板提供稳定的电源；红外传感器通过接收信号将信号传给单片机，单片机完成控制实现字幕切换功能；940红外接收和发射传感器决定屏幕显示信息起始的定位；时钟模块控制显示日期和时间。本次使用的主控芯片为STC12C5A32S2。在总的电子电路功能实现要求下，根据学科背景不同要求学生必须了解每个功能环节和理论知识。[4]设计总框图如图1。

图1 设计总框图

2.2 电源模块和时钟模块设计

电源模块主要给显示板及LED字幕供电、采用电感线圈无线供电。电机接直流电后带动显示主板旋转，电流经过自激振荡电路将直流改成交流电，电机旋转时利用电磁感应原理整流滤波形成稳定直流电给单片机及LED显示主板供电，让系统保持正常运行。时钟模块采用采用CS1302时钟芯片来实现时钟功能，它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路。采用双电源引脚，因此在停止运行状态后备电源可以使时钟保持持续运行的，当再次重启系统的时候不必进行校时操作具体电路略。电源电路如图2。

图2 电源电路

2.3 字幕控制模块和LED显示模块

采用红外遥控的方法来控制字幕显示的内容切换等，主要由遥控器和红外传感器组成。遥控器发出红外信号，传感器接收到信号后将信号发送给单片机。单片机接到信号后激发外部中断由外部中断控制功能切换。字幕始末定位采用红外对管来控制，940L红外发射传感器通过测定电机的转速向940L红外接收管发送信号，单片机通过接收红外接收传感器的信号开始逐列扫描。LED字幕是电路设计制作部分的显示终端。主板显示字幕部分由20颗LED灯和限流电阻焊接而成，侧板由16课LED和限流电阻焊接而成，主板和侧板通过焊接组合。电路中的每个灯都是由单片机独立控制的，D8为电源指示不可控。单片机控制显示屏亮灭，电机保持稳定旋转时带动显示板旋转，形成连贯图像[5]。红外控制及LED显示电路如下图3。

图3 红外模块和平面主控LED 显示字幕电路图

2.4 电路焊接功能实现

为实现上述功能将电路板分为三个板块制作。分别为主控板、侧板及电源板，装接图如图4。

电子元器件包含插接元件、贴片元件两类。实现正常字幕功能要保证100%的焊接正确率。涉及元件识别、元件测量、焊接相关知识。

3 外壳设计与制作

LED旋转字幕显示运用了视觉暂留的原理，字幕显示时电路板处于高速旋转状态。所以整个产品需要外壳保护以及美学处理。外壳的设计需要根据电路板原型让同学进行这是必要条件。课程中机械设计图纸使用计算机辅助设计（Computer Aided Design）简称CAD软件。激光加工制作外壳。外壳包括底面、顶面、侧面以及电机固定板。本次提供材料为厚度为2.7mm的木板，形状不固定，开放性设计，但需要满足固定和加工要求。基本要求如下表1。

图4 电路板装接图

表1 加工需求表

外壳制作采用激光加工技术，是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光。激光切割具有高的切割质量、高切割速度、材料适用性广等优点[6]。因为机床加工的特点。首先课程加工要求图纸需为二维图，然后将CAD软件画出的图纸导入激光加工的RD Works，最后根据设计图形设置切割参数进行加工。

图5 将零件图导入RD Works 设置参数进行加工图

根据不同的外壳设计，为同学提供多样的组装工具材料。如速干胶水、乳胶、各种尺寸螺钉螺母、螺丝刀等。将电路部分和外壳组装在一起实现完整的产品。字幕内容可以进行编程调整使用遥控器实现字幕切换。课程中学生学科的差异性未选择较复杂的编程方式，最终选择的是的是基础的图形化编程。界面如下图6。

图6 字幕编写界面

4 总结

本文在基础工业训练中心课程《制造工程体验》的课程目标下，在实践课程中，对课堂教学内容与方式进行变革探索[7]，满足不同学科同学对课堂的需求。将真实的产品设计生产等工程问题与实验教学课堂结合起来。通过一个具体任务产品LED旋转字幕案例让同学学习了解到，设计思维、单片机、机电设计与加工、字幕编辑等工程知识。找到解决问题的办法及措施。提升课堂教学的趣味性，明显提高了学生解决复杂工程与创新能力的效果[8]。