基于创新能力培养的电工电子综合性实验课程设计与探索

孙树祥 党艺博 文桦 张亚军

摘 要 为了提高学生的创新能力及提高电工电子课程的实验教学质量，课程设计了以Arduino开发板为控制核心的智能助老机器人的电工电子课程综合实验。该实验采用模块化的设计方案，利用传感器、扬声器、摄像头等多种硬件集成，结合ESP32 OV2460平台和语音配置工具，实现实时监控和语音播报功能。再将这两种功能贯穿于自动跟随、自动循迹、语音交互这三种行为方式中。该项目将多知识点结合，内容相互交叉渗透，并且在实验过程中，学生可以充分发挥自己的创造性实现多功能的组合，提高了学生的创新和解决实际问题的能力。

关键词 综合设计实验；智能机器人；实践创新能力

中图分类号：G712                           文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.9.021

Design and Exploration of Electrical and Electronic Comprehensive

Experimental Course Based on Innovation Ability Training

SUN Shuxiang1， DANG Yibo1， WEN Hua1， ZHANG Yajun2

（1. Huanghuai University， Zhumadian， Henan 463000;

2. Zhumadian Vocational and Technical College， Zhumadian， Henan 463000）

Abstract In order to improve the innovation ability of students and improve the experimental teaching quality of electrical and electronic courses， a comprehensive experiment of electrical and electronic courses with an intelligent aid robot based on Arduino development board as the control core is designed. The experiment adopts a modular design scheme， using sensors， speakers， cameras and other hardware integration， combined with ESP32 OV2460 platform and voice configuration tools， to achieve real-time monitoring and voice broadcast functions. Then these two functions run through the three behavior modes of automatic following， automatic tracking and voice interaction. This project combines multiple knowledge points and cross-permeates each other. In the process of experiment， students can give full play to their creativity to realize the combination of multiple functions， which improves their ability to innovate and solve practical problems.

Keywords comprehensive design experiment; intelligent robot; practical innovation ability

電工电子综合性实验课程是培养本科电子类专业学生理论联系实际能力的实践性环节，是培养学生动手能力、综合设计能力和创新能力的重要综合课程[1-4]。由于受教材的限制，教师在电工电子技术基础实际教学中仅注重原理、定理等系统知识的传授，忽视了学生的实际接受能力[5]。电工电子技术基础教学“授课方式单一、缺乏实践练习”的情况在相当大的范围内存在[6]。为改变此现状，课程组引入一个综合性电子实验——智能助老机器人作为实验案例，从而体现电工电子综合性课程实践教学大多数知识点，并通过一个实践项目的开展来激发学生的学习兴趣。本案例可使学生掌握常用电工电子仪器仪表的使用方法和常用电路的调试测量方法，加深对基础电路工作原理的理解，提高学生的分析设计能力，培养学生查阅电子器件手册并选用合适的元器件的能力，培养学生根据技术要求，设计、调试电路和分析、排查故障的能力。

1  电工电子综合性实验项目设计

1.1  综合性实验项目的设计思路

在“大众创新，万众创业”的大背景下，实验教学要更好地服务于学生，就需要紧密联系当前的应用热点，不断将工程实践项目引入实践教学，培养学生的工程实践能力和创新意识[7]。为了紧密联系工程实际，提高教学质量，将老人智能陪护机器人实践项目引入电工电子综合性设计实验教学，让学生在实验中设计生活中的具体应用案例，学以致用，在提高学生实验兴趣的同时，发挥学生的主动性，锻炼学生的动手实践能力[8]。

1.2  综合性实验项目的结构

老人智能陪护机器人是利用单片机技术、电路原理、电机与拖动技术、模拟电子技术和数字电路技术，将各种元器件接入主控板。采用模块化的设计方案，利用多种传感器采集各种数据并将收集到的数据送至控制电路进行处理，由控制电路根据传感器所检测反馈的数据实现机器人在行驶过程中的具体动作行为。该机器人可实现不同生活场景的三种行为方式，并在机器人行驶的过程中始终伴随有实时监控和语音播报的功能。

2  电工电子综合性实验教学方法研究

教学方法是实现教学目标的关键，电工电子综合性实验课程具有周期长、工作量大的特点，且学生需要自主设计，独立完成实验。所以电工电子综合性实验课程的教学要从封闭管理转为开放式管理，不仅是针对实验教学内容而言，更多的是在实验教学的场所与实验教学设备方面，逐步让学生可以根据自己的时间与学习程度进行自主性实验，这种教学方法可以最大化地培养学生的动手与创新能力。

2.1  从理论到实践

电子电工综合性实验是电类本科专业的专业基础课程，主要包括电路分析实验和模拟电路实验两部分内容。课程精选实验项目，从基础验证性实验到综合设计性实验，由易到难，引导学生逐步掌握基本的实验方法和实验技能，具备良好的工程素养，为后续专业课的学习奠定坚实的基础。

为了方便电子电工综合性实验课程的开展，课程组结合具体实验课程推出一个老人智能陪护机器人系统的软硬件协同工程实践系统与创新实践案例，通过对该实践案例的设计、开发和学习，发挥学生的主观能动性，锻炼学生独立分析和解决问题的能力，以及创新思维能力和理论联系实际的能力。

2.2  结合实践的知识点规划

实践教学是各专业教学中非常重要的环节，要将老人智能陪护机器人的开发与设计与理论中各个知识点一一对应起来，便于学生对知识有着更加深刻的理解，培养学生的综合运用知识、动手能力和创新精神。

2.3  典型设计融入实验教学中

本课程的目标在于将电路分析基础、模拟电子技术课程的理论知识与工程实践相结合，不仅能促进学生对理论知识的理解，还能使学生对电子技术的工程性、技术性有更进一步的认识和理解。通过老人智能陪护机器人的系统设计，由简单到复杂，由基础到综合，循序渐进地使学生掌握电子技术相关基础实验的基本方法和实验技能。通过课内实验和课外开放实验相结合的方式，培养学生在电子技术应用领域的实验和实践能力，激发学生的创新意识。综合运用相关课程的理论知识，观察分析实验现象，排查实验故障。提高学生运用理论知识和实践经验分析、解决实际问题的能力，培养其严谨细致、勇于克服困难和开拓创新的科技素质。

通过本课程的学习，学生能够熟练掌握电工电子仪器仪表的使用方法、掌握基本电路参数的测量方法、模拟电路器件使用和电气制图等实验技术方面的知识；掌握电子设计自动化（EDA）技术，能够运用软件对实验电路进行仿真分析，加深对实验原理的理解，提高硬件实验的效率与效果；能够掌握模拟单元电路工程设计的基本方法，具备根据电路理论设计实验电路，拟订实验方案及电路装配、调测，实验数据处理和撰写实验报告等方面的能力。

3  综合创新性实验项目具体案例

指导学生设计和开发出基于Arduino的老人智能陪护机器人，实现不同生活场景的三种行为方式，并在机器人行驶的过程中始终伴随有实时监控和语音播报的功能。

3.1  实验总体硬件设计和搭建

3.1.1  总体设计方案

该机器人设计硬件选用探索者零件搭建而成的四轮式小车；控制系统选用Basra主控板和BigFish扩展板为核心，采用模块化的设计方案，利用多种传感器采集各种数据并将收集到的数据送至控制电路进行处理，由控制电路根据传感器所检测反馈的數据实现机器人在行驶过程中的具体动作行为。机器人硬件视图如图1，系统总体框图如图2（p11）。

3.1.2  系统硬件电路设计

实时监控模块：ESP32-CAM是一个带有摄像头的单片机，采用DIP封装，配有ESP32 OV 2460平台可观察到监控画面，直接接入USB TO TTL即可使用。通信协议是ieee802.11协议的一个组成部分WiFi协议，用于无线局域网的数据传输，工作频段分为2.4Ghz和5Ghz。可作为最小系统独立工作，可以在上面运行C语音程序。

该模块位于机器人车身正前方靠中，在机器人行驶过程中会监测到实时画面，监护人可在PC端或手机上通过ESP32 OV 2460平台观察到此画面。实时监控模块电路如图3所示。

语音播报模块：HBR640语音识别模块采用了基于heilos-adsp的新一代中大词汇语音识别协同处理方案，支持中文音素识别，可任意指定中文识别词条（小于8个汉字），识别率大于95%，可自动检测环境噪声，噪声环境下也能保证较好的识别率。

内置16位高精度DAC及喇叭驱动电路，用于语音播报；前端带有麦克风放大器的16位ADC，用于语音录制。可通过SPI接口读取Flash中的语音指令，采用标准UART接口与主机进行通讯。HBR640系统架构如图4。

该模块工作流程为：先通过改变跳线帽位置将其改变为配置模式，通过语音配置工具配置出所要播报的语音。然后将其改变为运行模式插入主板。热释电红外传感器位于车头正前方，对前方是否有人进行监测并为主控芯片提供数据判断是否播报语音，其与主控芯片PA2相连。语音播报模块连接框图如图5。

①行为方式1：自动跟随模块。

超声波测距原理[4]：声音在空报中的传播速度约为340m/s，时间 t为发射器发射超声波的瞬间到接收器接收到超声波的时长。

根据式（1）就能测出机器人到障碍物的距离S。本文选用的是HC-SR04超声波模块，其测距范围为2cm―400cm。

模块自动发送8个40Khz的方波，超声波模块固定在机器人的正前方，用来检测正前方的障碍物，自动检测是否有信号返回。有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。与主控芯片P13、P12相连。自动跟随模块电路图如图6所示。

灰度传感器自动循迹模块利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，当传感器检测到有深色标记时会触发传感器来进行循迹。该模块共3个，位于车头下方，从左至右在同一水平面上。检测的有效距离为0.7―3cm。3个传感器从左至右分别与主控板中的PA0、PA2、PA1相连接。自动循迹模块电路图如图7所示。

语音交互模块选用HBR640语音识别模块如前文图4。在使用前先使用语音合成工具合成机器人所要交互的语音，再使用语音配置工具将其配置成功，与使用者所发出的指令相对应，达到人机交互的效果。用语音配置工具来配置交互语音，结果如图8。

3.2  系统软件设计和实现

3.2.1  自动循迹

循迹时，将灰度传感器与主控板对应IO引脚相连，当机器人位于规定的场景中，在有效的检测距离内，发光二极管发出白光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，光敏电阻检测此光线并将其转换为机器人可以识别的信号。基于此信号并结3个传感器的状态真值表，机器人完成自动循迹。循迹场景图如图9，状态真值表如表1。

3.2.2  实时监控

设计时，利用安信可程序案例，将其中通讯部分程序改为自己的手机热点，即可使用。核心程序如下：

#define CAMERA_MODEL_AI_THINKER

#include "camera_pins.h"

const char* ssid = "nova 7 5G";

const char* password = "dyb123456";

void startCameraServer（）;

3.2.3  語音播报

设计时，将红外热释电传感器与主控板对应IO口连接，当传感器检测到人体辐射时将其转换成微弱的电压信号经场效应管放大后向外输出，再经过菲涅尔透镜将信号放大送至控制电路进行处理，语音模块开始播报相应的语音。核心程序如下：

void loop（） {

if（ReadSensor（Near_Infrared_Sensor）

{

Get_Mode（ a+2，b ，c ，1）；//如果红外传感器触发，语音模块执行相对应的语音；

}

else   delay（2）；//如果红外传感器没有触发，不动作；

}

3.3  调试

实时监控调试：配置ESP32-CAM时，会因为通信信号不好导致监控画面不清晰。经过多次测试后，需将PC端与手机热点置于同一WiFi协议下，并将AP频段调至5.0GHz频段，监控画面才可流畅清晰。

语音交互调试：使用者发出命令须与机器人回答的指令相对应，使人机交互性能达到高效的设计需求。初次测试使用者发出命令与机器人回答指令数据如表2所示。

经过连续测试改进，在语音配置工具中多次调整使用者发出的指令及机器人回答的指令位置，再将程序进行优化，所获得数据如表3所示。

4  结语

通过设计老人智能陪护机器人综合性实验，增强了理论知识与实际应用的联系，在设计和实现相关功能的过程中培养了学生的创新和工程意识。同时增强了学生解决实际问题时的动手能力。综合实验的设计还激发了学生对新事物探索的兴趣，其将来的学习和工作奠定科技创新意识。

基金项目：2021年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目“应用型本科高校电子信息类专业‘三育融合课程建设研究与实践”（2021SJGLX533）；2022年度黄淮学院校级研究性教学改革研究与实践项目“泛在学习下研究性实验教学模式探索与实践——以《微电子技术实验》课程为例”（2022XJGYLX03）。

参考文献

[1] 毕亚军，焦智，智凌云，等.基于SPOC+翻转课堂的模拟电子技术混合式教学研究与实践[J].北华航天工业学院学报，2021，31（6）：29-41.

[2] 付扬.基于Multisim技术的电子电路综合设计改革[J].实验技术与管理，2017，34（4）：112-113，198.

[3] 廖美英，邓若宇，禹铭典，等.基于工程师思维的开放性电子技术综合实验装置研究[J].绵阳师范学院学报，2020，39（8）：45-50.

[4] 冼进，毕盛.基于创新性综合实验的嵌入式教学研究[J].实验科学与技术，2022，20（4）：82-85.

[5] 李冰，张妍，苑朝，等.单片机综合实践中的可燃气体报警系统设计[J].实验科学与技术，2022，20（5）：7-11.

[6] 杨风健，霍旭阳，李洪亮，等.医学院校单片机综合实验教学研究与实践[J].吉林医药学院学报，2023，44：71-72.

[7] 王娟娟.Multisim与《电子技术综合实验》课程的深度融合[J].西安交通工程学院学术研究，2021，6（2）：109-112.

[8] 董玉冰，李明晶.新工科背景下混合式创新教学在数字电子课程中的应用探索[J].长春大学学报，2017，27（10）：117-120.