工程训练模式下的火灾自动报警控制系统设计实践与探索①

张存宏, 丁 然, 邱舒霞

(池州职业技术学院,安徽 池州 247000)

0 引 言

新修订的《中华人民共和国职业教育法》强调,要深化产教融合,推动全面融合,促进行业企业深度参与职业院校建设的全过程。作为技能型人才培养的主阵地,职业院校应以服务地方为己任,培育产业生根的“沃土”,深化校企联动发展,在工程训练中以基础型实训项目为模型,配合设置具有市场化应用前景和功能导向价值的实训项目,进一步强化对学生实用型技能的培养,即学校所教耦合人才培养,学生所学结合专业实践,企业所用融合岗位需求,继而推动职业院校和行业企业培养人才同频共振。面对电子实训类课程改革,张书源[1]等人提出了基于CDIO理念的电子技能实训教学改革,王亚林[2]等人提出了工程认证下电子实践课的创新架构,取得了一定的教学实战效果。现以电子类专业的OBE(产出导向教育) 模式为研究对象,提出工程训练中心模式下电子技术实训课程的实施方法,如图1所示。

1 电子技术实训建设现状和体系构建

当前,电子技术实训课程主要内容包括手工焊接、仪器仪表、元件识别与检测、电路设计安装与调试、电子CAD、单片机基础训练、整机电路安装调试等相关实训模块[1]。学生实训时通常包含对作品的构思、设计、实施、运行四个环节,以作品的验收通过为评价结果。实际上,目前大部分实训教学的任务实施都是循序渐进、按部就班地开展,一是实训内容与岗位需求联系不缜密,结合前沿需求进行开放性、设计性、创新性的规划不足;二是实训条件滞后于新技术的发展,职业院校难以搭建较为先进、完整的实训工艺平台,为学生提供实践资源不够系统化;三是传统实训教学模式机械化、单一化,缺乏对学生作品的持续性研究和改进。

图1 工程实践流程图

对比传统教学模式存在的问题,工程认证要求的实践教学,核心是以学生为中心、成果为导向和持续性创新[2],需将基础性实训项目进行拓展,对项目进行深度挖掘,探索可行性研究方案。一是紧贴市场新技术、新工艺,对原先的实训教学内容进行“破旧立新”,课程教学团队立足于市场调研、问卷调查和专业论证等,逐步构建链条式、进阶式的课程知识体系;二是协调统一教材内容和实训仪器,逐步将陈旧设备过渡到工程实用型,课程教学团队立足于现有实训设备、借助于企业设备,将教材内容进行有的放矢地取舍,整合优质教学资源,将行业最新动态纳入校本教材;三是探索实施OBE(产出导向教育) 模式,课程教学团队搭建具备可操作性和市场应用价值的实践项目,培养学生解决工程实践问题的综合能力。

根据电子类专业职业岗位能力要求,毕业生就业方向主要是从事电子信息产品的生产、检验、安装、调试、维护等就业岗位[3],专业知识储备包括电子识图与分析、电子产品装配与调试、制造设备操作与工艺、维修和质量检测、生产管理、PCB板设计等,因此对学生实训过程和专业技能素养提出了更高要求,一般开设的主干课程包括电工学、电子技术、微机原理及应用、单片机原理及应用、家用电器维修、电子电路制作与调试、传感器与PLC应用技术等。通过对企业进行走访和问卷调查发现,企业所需的毕业生应具备相匹配的“理论+实践”能力,以实践需求为例进行分析,要求学生掌握的内容总体包括电工基础、电子线路、电气测量、电机及电力拖动控制、传感器等。因此,结合现有实训条件和学生综合素养,校内实训课程可相应设置6个子项目,分别为电路实验、电子元件及电子仪器测试实验、模拟电子基础实验、电子线路CAD实验、数字电路与逻辑电路实验、传感器实验。

2 具体实践

秉承于改革思路,随着工业化进程的加快和电子信息产业的连续增长,市场对传感器的需求呈现快速增长曲线,其中温度传感器作为其中重要一类,约占传感器总需求量的40%,因此设计一个基于市场需求且符合专业实践的项目,即现用LM35温度传感器设计一个温控LED电路,由环境温度来控制LED。若温度高于设定值时(以30℃为例,该值可由调整电位器的阻值来改变),红色LED灯亮起;若温度低于30℃则黄色LED灯亮起。

2.1 元器件

主要包括直流电源、三端稳压器、温度传感器LM35、运算放大器LM358、电阻(10kΩ、1kΩ)、可变电阻器、LED(黄和红)、NPN三极管等。其中,温度传感器LM35有Vcc,Gnd和Out三个引脚,可基于温度变化输出可变电压,温度范围在2-150℃之间,温度每升高1℃,输出引脚的电压升高10mV。当温度为0℃时传感器输出为0V;当温度为30℃时,输出为0.03V,如图2所示。运算放大器LM358又称电压比较器,当非反相输入(+)端的电压高于反相输入端(-)的电压时,输出为高。如果反相输入端(-)的电压高于非反相输入(+)端的电压时,则输出为低[4],如图3所示。

图2 温度传感器

图3 运算放大器

2.2 原理图

根据功能要求,绘制原理图如图4 所示。9V电池用于给整个电路供电,IC7805用于提供5V的稳压。当温度低于30℃时,黄灯亮红灯灭,LM358的输出为低,Q1关断,而Q2处于导通。

当环境温度超过30℃时,LM35的2号引脚电压高于0.3V。LM35的输出接到运放LM358的3号引脚。由于将参考电压(LM358的2号引脚电压)设为了0.3V,非反相输入(3号引脚)高于反相输入(2号引脚)电压,运放LM358的输出(1号引脚)为高。而LM358的输出接到NPN三极管Q1的基极,所以Q1导通,红灯亮。Q2关断,黄灯灭。

2.3 项目实践

温控LED电路项目制作涉及到基础电路知识(如分压电路)、电气电子元件(如三极管)、基本功能电路等,旨在培养学生在学习基本电路计算的过程中掌握测量、焊接等实操技能[5],学生在掌握基础理论和关键原理后,通过工程训练中心的实训开展项目工程实践,可邀请企业工程师对项目进行剖析,使学生掌握实践技能,加深对基本概念、基本原理和元器件运用的理解,为学生搭建了专业理论和工程实践相结合的知识体系[6],制作实物图如图5所示。具体操作步骤主要包括:

(1)根据图4依次准备好电子元器件,如三端稳压器、温度传感器LM35、运算放大器LM358、电阻(10kΩ、1kΩ)、可变电阻器、LED(黄和红)、NPN三极管等。9V电池直接采用实训室万用表电池代替。注意部分元器件由于长时间放置,引线表面会产生氧化膜需加工处理,比如校直、表面清洁及搪锡,要求引线在被处理后,不允许有伤痕,镀锡层要均匀,表面要光滑,无毛刺和焊剂残留物。

(2)按照原理图从左到右、从上到下的顺序,在面包板上进行插接。注意元件的引脚不要从根部开始弯曲,离元件端面的最小距离不小于2mm。

图4 原理图

(3)将正负极电源线接头按要求安装在面包板上的插孔上。注意LM358的方向不要接错。二极管应当发光,如果不发光,可能是二极管正负极接反,此时应断电并将极性对调后再进行调试。

图5 实物图

3 成效表征和持续性研究

成效表征注重“理实一体、产出导向”,一是学校所教耦合人才培养。在专业人才培养目标的架构下,职业院校不断优化人才培养方案,动态优化课程体系,合理取舍教学内容,确保所教即所需。二是学生所学结合专业实践。能够将理论知识学习与实践技能应用有效融合,侧重于对实践能力、理论知识储备、核心素养的培养等,确保所学即所需。三是企业所用融合岗位需求。构筑生产线实训教学模式,使教学内容、实践技能更加融合企业岗位,实现零距离对接,确保所用即所需。

此温控灯电路实用性较强,可用作温度指示器,或是在温度超过特定值时触发风扇或警报等。如果将阈值设为100℃时,可用作火警装置。选拔有潜力的学生利用工程训练中心平台,延伸研究新课题“一种基于单片机的火灾报警控制系统”,包括单片机主控制器、烟雾传感器、温度传感器、声光报警装置和辅助设备,可实时监测现场环境的温度和烟雾浓度参数,给工作人员提供火灾预警,思路框图如图 6 所示。

图6 火灾报警装置框图

图7 火灾报警系统仿真电路图

该新型火灾自动报警装置可实现声光自动报警、设备故障报警、异常事件报警和火灾检测报警等功能,主要组件包括MQ-2烟雾浓度传感器、DS18B20温度传感器、AT89C51微控制器,其中微控制器用于控制烟雾浓度传感器和温度传感器,可对检测地点的烟雾浓度、温度变化及时进行检测和分析处理[7],从而实现各种声光电一体化报警、浓度测量显示、温度测量显示等检测功能[8]。仿真采用 Proteus 软件,其中MQ-2 烟雾传感器模型用气敏电阻替代,其仿真电路如图7所示,主要包括传感器采集电路、A/D转换电路、按键控制电路等,验证了电路和相关软件设计的合理性。

(1)双击单片机进行仿真。其中LCD显示屏能分行实时显示烟雾等级、温度值和烟雾报警等级、温度上下限。系统处于正常状态时,绿色 LED 灯点亮,蜂鸣器和继电器处于停止状态。(2)烟雾报警等级和温度报警上下限可由“调整”“调大”和“调小”按键进行设置,第一次按下“调整”键,进入烟雾报警等级设置,第二次按下“调整”键,进入温度报警下限设置。第三次按下“调整”键,即为退出系统设置。(3)通过调整RV3 滑动变阻器与传感器,可改变温度大小和烟雾报警等级,使系统达到报警状态。即烟雾等级大于报警等级,温度值超出上下限设定范围时,红色 LED 灯点亮,蜂鸣器和继电器工作,实现声光电一体化报警[8]。(4)仿真设置了紧急情况下的人工手动报警按钮,当按下“呼叫”键,系统紧急进入报警状态:红色 LDE 灯点亮,蜂鸣器鸣叫,继电器动作。

4 结 语

通过工程训练中心模式下电子技术课程的实训锻炼,以OBE模式构建了“以学生为中心的理论知识版图”+“以项目为导向的工程实践能力”培养组成的闭环,让知识课堂向能力课堂进行转变,让实训内容向工程实践对标对表,学生在线消化理论知识的同时,快速转化为可视化的实践过程,让理论与实践来回穿插,让教学与实践交替应用[9][10],同时对实践项目进行拓展,研制一种基于单片机的新型火灾自动报警装置,通过Proteus 仿真实现了报警功能,进而鼓励创新创业并申请专利、成果转化等,真正做到产出式教学。