延安大學(xué)　張　雄　楊延寧　曹新亮　劉　斌　王簫揚(yáng)

0　引言

電類專業(yè)以工程實訓(xùn)為為主，對學(xué)生實踐動手能力要求更高。要求學(xué)生主要學(xué)習(xí)信號的獲取與處理，具備設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用集成電子設(shè)備和信息系統(tǒng)的基本能力。實驗教學(xué)是促進(jìn)知識結(jié)構(gòu)，能力結(jié)構(gòu)和科學(xué)思維產(chǎn)生交叉符合作用的環(huán)節(jié)，在學(xué)生素質(zhì)教育中有著特殊的地位[1]，是培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)應(yīng)用能力的基礎(chǔ)，是新知識、新技術(shù)、新方法、新產(chǎn)品誕生的搖籃[2]。為了適應(yīng)創(chuàng)新教育的需要，設(shè)計具有較強(qiáng)綜合性和系統(tǒng)性的學(xué)科專業(yè)實驗項目，對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的建立和工程實踐的基本訓(xùn)練是非常有必要的。

1　智能充電器設(shè)計

1.1　實驗教學(xué)目的

實驗工程項目實現(xiàn)過程中引導(dǎo)學(xué)生了解電源電路、測量技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論，根據(jù)選取方法的多樣化確定合適的技術(shù)方案。在整個實現(xiàn)過程需要建立學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作和工程項目理念，從方案的確定、器件的選取、單元模塊的實現(xiàn)、系統(tǒng)拼裝、測試環(huán)境的搭建過程要求學(xué)生合理分工、明確目標(biāo)，提高學(xué)生專業(yè)技能和協(xié)作意識[3]。

圖1　系統(tǒng)參考方案

1.2　實驗內(nèi)容

設(shè)計一個帶有自動過流、過壓保護(hù)功能的智能充電器，充電器輸入AC220V，最大充電電流2.0A（精度±0.1A），最大充電電壓DC6.0V。保持鋰電池放電電壓不低于2.8V，充電鋰電池電壓不超4.2V（控制精度不低于±0.1V），并以數(shù)字方式顯示的鋰電池當(dāng)前電壓；充電器能夠恒定輸出DC5.0V，充電電流不限制，請自行設(shè)計切斷充電電源方法；充電器的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到85%以上（見圖1）。

2　教學(xué)設(shè)計與引導(dǎo)

本實驗的過程是一個比較完整的工程實踐工程，需要經(jīng)歷學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)調(diào)試、測試標(biāo)定、設(shè)計總結(jié)等過程。在實驗教學(xué)中，應(yīng)在以下幾個方面加強(qiáng)對學(xué)生的引導(dǎo)[4]：

（1）學(xué)習(xí)掌握電源設(shè)計制作的基本方法，根據(jù)不同參數(shù)要求完成目標(biāo)電源，注意在設(shè)計時元器件參數(shù)要求、電路的布局布線都會影響電路的功能和效率。

（2）學(xué)習(xí)電壓、電流檢測方法，與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)合使用，在過程中可能需要有調(diào)理或放大電路來保障精度和滿足二者匹配。在選擇傳感器、MCU、A/D時需要了解他們的功能參數(shù)，盡量簡化電路。

（3）在通斷控制電路中可選擇三極管驅(qū)動繼電器實現(xiàn)。

（4）在電流、電壓程控實現(xiàn)穩(wěn)定的過程可采用由MCU輸出PWM波控制的方式，具體算法可參考PID算法。掌握一種簡單的反饋控制原理，在具體實現(xiàn)過程中學(xué)生自己確定參數(shù)。

（5）顯示、鍵盤、狀態(tài)指示燈及應(yīng)急開關(guān)的設(shè)計中可自行選擇設(shè)計，在保障功能完整性前提下發(fā)揮、創(chuàng)新。

（6）在方案確定、電路設(shè)計、搭建組裝、調(diào)試中必須用標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備進(jìn)行實際測量，標(biāo)定記錄各個環(huán)節(jié)的誤差；為了確保調(diào)試的安全、合理，在調(diào)試過程中可設(shè)計調(diào)試方案輔助完成。

（7）在完成每個單元模塊組內(nèi)同學(xué)需要及時交流溝通，說明進(jìn)度、討論解決存在問題；在實驗完成后，可以組織學(xué)生以項目演講、答辯、評講的形式進(jìn)行交流，了解不同解決方案及其特點(diǎn)，拓寬知識面。

在設(shè)計中，要注意學(xué)生設(shè)計的規(guī)范性；如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊構(gòu)成，模塊間的接口方式與參數(shù)要求；在調(diào)試中，要注意工作電源、參考電源品質(zhì)對系統(tǒng)指標(biāo)的影響，電路工作的穩(wěn)定性與可靠性；在

3　實驗過程及要求

實驗過程從三個層次來逐步遞進(jìn)，與實驗?zāi)繕?biāo)一致，有基礎(chǔ)、進(jìn)階、最終要求[6]，實驗三個階段要求如圖3所示。

圖2　實驗三個階段要求

具體實驗過程如下：

（1）了解AC/DC電路、鋰電池特性，學(xué)習(xí)如何控制恒流、恒壓方法和電壓、電流測量方法。

（2）選取合適的控制芯片、AC/DC電路、電流電壓測量方法。盡可能的滿足實驗設(shè)計要求，注意控制芯片的I/O口數(shù)量、復(fù)用功能，降壓電路元器件的參數(shù)要求，電壓電流測量精度。

（3）首先完成系統(tǒng)整體規(guī)劃，設(shè)計系統(tǒng)框圖，明確各個單元的連接關(guān)系。

（4）在完成AC/DC電路時需注意與控制芯片的配合實現(xiàn)電壓、電流可控。注意強(qiáng)電危險，實驗過程確保自身安全，電路沒有明顯錯誤方可通電。

（5）選擇電壓、電流測量傳感器時根據(jù)傳感器輸出信號類型、大小，設(shè)計合適的調(diào)理電路以滿足控制芯片對信號的采集，有需要的話可以增加ADC。

（6）設(shè)計反饋控制電路，選擇合適控制方法或算法，盡量滿足設(shè)計要求。注意在測試過程可選擇不同功率電阻代替鋰電池，以免損壞電池。

（7）考察恒流、恒壓充電速度與二者的波動范圍，如何達(dá)到響應(yīng)速度快、波動范圍小的目標(biāo)。

（8）構(gòu)建一個簡易的測試環(huán)境，利用萬用表實時測試各個環(huán)節(jié)的電壓電流值與顯示值進(jìn)行對比，并利用秒表記錄響應(yīng)時間。此外，需要注意轉(zhuǎn)換電路的效率。

（9）撰寫設(shè)計總結(jié)報告，并通過分組演講，學(xué)習(xí)交流不同解決方案的特點(diǎn)。

4　考核方法與要求

實驗考核方式主要有“討論交流式”過程考核和“學(xué)生+教師”的結(jié)果考核相結(jié)合，而過程考核占總評的60%，結(jié)果考核占總評的40%，其中結(jié)果考核中學(xué)生評價與教師評價各占50%。如表1所示。

表1　考核方法

考核依據(jù)：

（1）理論知識考察：涉及到的理論知識掌握程度，通過交流和提問方式評價。

（2）實物驗收：功能與性能指標(biāo)的完成程度（電源轉(zhuǎn)化效率、測量精度、相應(yīng)時間等），完成時間。

（3）實驗質(zhì)量：方案的合理性，焊接質(zhì)量、組裝工藝。

（4）自主創(chuàng)新：功能構(gòu)思、電路設(shè)計的創(chuàng)新性，自主思考與獨(dú)立實踐能力。

（5）工程素養(yǎng)：是否掌握到一定的工程實踐能力、具有工程系統(tǒng)概念和團(tuán)隊協(xié)作能力。

（6）實驗成本：是否充分利用實驗室已有條件，材料與元器件選擇合理性，成本核算與損耗。

（7）實驗數(shù)據(jù)：測試數(shù)據(jù)和測量誤差。

（8）實驗報告：實驗報告的規(guī)范性與完整性。

5　總結(jié)

以“智能充電器設(shè)計”作為電類專業(yè)的一個實驗項目，可以很好的鞏固理論知識，培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐能力，在實際教學(xué)過程中有很好的體現(xiàn)。

[1]黃揚(yáng)帆,甘平.電子類基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革的探索[J].實驗室科學(xué),2009(03).

[2]謝志江,孫紅巖,蔣和生,等.案例教學(xué)法在工科教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等工程教育研究,2003(05).

[3]石會,鄧元慶,關(guān)宇,等.“問題—探究式”教學(xué)模式在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[A].中國電子教育學(xué)會高教分會2012年論文集[C].2012.

[4]張慶生.電子技術(shù)教學(xué)改革與實踐[A].2011年全國高等學(xué)校電子技術(shù)研究會論文集[C].2011.

[5]王新文.電子技術(shù)教學(xué)中調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性[A].2015年5月現(xiàn)代教育教學(xué)探索學(xué)術(shù)交流會論文集[C].2015.

[6]王立峰,劉大力,范長勝.深化高校電子技術(shù)實驗教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[A].傳承與創(chuàng)新——提升高等教育質(zhì)量[C].2014.?