單片機理論論文

前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇單片機理論論文范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發現更多的寫作思路和靈感。

單片機理論論文范文第1篇

關鍵詞：單片機RS—485總線數碼管顯示數據轉換鍵盤處理

一、前言

目前檢測溫度一般采用熱電偶或熱敏電阻作為傳感器，這種傳感器至儀表之間一般都要用專用的溫度補償導線，而溫度補償導線價格很貴，并且線路太長也會影響測量精度。在實際應用中往往需要對較遠處（1KM左右）的溫度信號進行監視?，F有的解決方案有很多，例如：

1、在現場用智能儀表對溫度信號進行測量，用計算機作上位機與智能儀表進行通訊來實現遠程溫度監測（采用這種方案要增加計算機設備及相關計算機軟件）。

2、NCU+DDC實現遠程溫度監測。用兩個DDC，一個安裝在現場測量溫度，另一個安裝在監視地，兩個DDC通過NCU進行通訊從而實現遠程溫度監測。

但以上方案都存在成本高的問題，有沒有低成本的解決方案呢？其實，在單片機應用日益廣泛的今天，完全可以用單片機以極低的成本來實現遠程溫度監測。

二、問題的提出

我單位管理的鍋爐房同時給兩棟建筑物內的兩家酒店供應蒸汽，由安裝在兩棟建筑物地下室的熱交換器進行熱交換后產生熱水送給客房。從鍋爐房至兩個熱交換站的距離分別約600米，值班人員要不停地奔波于兩個熱交換站與鍋爐房之間進行設備巡視，檢查熱水溫度是否控制在規定的范圍，這樣不僅增加了值班人員的勞動強度，同時也使鍋爐房經常無人(因每班1人值班)。如果能在鍋爐房顯示兩個熱交換站內各熱交換器的熱水溫度，則值班人員僅在熱水溫度異常時才需到各熱交換站檢查設備，這樣便可解決上述問題。我公司曾就此問題找專業公司作過方案，其報價在人民幣10萬元左右，后因種種原因該項目未實施。經過分析，本人發現可以用單片機+智能儀表以低成本實現溫度遠程顯示，并且經過實驗取得了成功，現將設計方案簡述如下：

三、控制要求及解決方案選擇

1、兩個熱交換站分高低區共安裝有8個熱交換器，正常水溫在45oC至65oC之間；兩個熱交換站與鍋爐房的距離分別為500米和600米左右。

單片機理論論文范文第2篇

關鍵詞： 單片機； MSP430F149； 模糊PID控制； 電阻爐

中圖分類號： TP273.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1009-8631（2011）05-0056-02

電阻爐是一種具有純滯后的大慣性系統，開關爐門、加熱材料、環境溫度以及電網電壓等都影響控制過程，傳統的加熱爐控制系統大多建立在一定的模型基礎上，難以保證加熱工藝要求。故引入模糊控制，采用模糊PID算法，運用MSP430F149單片機對電阻爐實現智能的溫度控制，可以解決上述種種不足，從而實現可靠的控制，達到生產實際的需要。

一、智能溫度控制的硬件系統

智能溫度控制系統利用MSP430F149單片機及其接口電路實現對電爐所加熱的水或空氣等介質溫度進行控制，可以方便快捷地調節和控制所要設定的溫度。此系統由電源、控制算法、溫度檢測、鍵盤輸入、溫度顯示等幾大部分組成，如圖1。

用MSP430F149作為控制芯片，熱電偶采集溫度數據，由于控制芯片集成有外部8路A/D轉換器，再者對溫度信號又沒有很高的要求，可以達到預期的效果。采用1602顯示，顯示兩行，每行顯示16個字符，上面一行顯示設定值，下面一行顯示當前值。4X4鍵盤用來輸入0~9數字、“*”、“確定”和“小數點”。熱電偶采集溫度范圍選擇在400℃～1000℃范圍。留些余量，實際采集范圍500-900℃。如果溫度范圍不滿足采集需要，可以用合適范圍的熱電偶替換，再對A/D轉換部分程序做小的改動就可以了。報警模塊：對超出設定值±10℃進行報警。

二、模糊PID控制算法設計

1.模糊控制原理

s：系統的設定值。

x1、x2：模糊控制的輸入（精確量）。

X1、X2：模糊量化處理后的模糊量。

U:經過模糊控制規則和近似推理后得出的模糊控制量。

u：經模糊判決后得到的ΔKp、Δki、ΔKd

v：經PID算法計算的PWM波占空比。

Y：對象的輸出。

常規PID參數自調整的模糊控制器采用二輸入三輸出的形式，該控制器是以e和Δe即上圖的x1、x2，以ΔKp、Δki、ΔKd作為輸出。

2.模糊化設計

電阻爐溫度控制系統將采樣得到的溫度信號與系統溫度設定值進行比較，得到系統的輸入語言變量溫度誤差e、溫度誤差變化Δe，輸出語言變量為PID的調節系統的變化ΔKp、Δki、ΔKd。將溫度誤差e、溫度誤差變化Δe定義為模糊集上的論域：E，ΔE={-10，-5，0，5，10}。

其模糊子集為：E，ΔE={NB，NS，ZO，PS，PB}，子集中的元素風別為負大、負小、零、正小、正大。

3.模糊推理及模糊決策

（1）根據控制規則表編寫對應的模糊推理語句，例如：

If e is NB and Δe is NB then ΔK is PB[0]

If e is NS and Δe is NS then ΔK is PS[0]

……….

（2）模糊推理

模糊推理是不確定性推理方法的一種，其基礎是模糊邏輯。這里為了程序的簡單，給這二十五條規則分別對應一組ΔKp、Δki、ΔKd值，計算輸出時加在系統的基礎PID值上，作為修正。

3.精確化計算

由于模糊推理機得出的控制量是一個經過修正的PID量，經過計算也不能對系統進行控制。因此，接了常規的PID控制器，讓其控制輸出有一定占空比的PWM波，來控制電阻爐的加熱功率，從而控制溫度。

三、系統軟件設計

為便于程序的使用和維護，系統全部程序采用模塊化結構，由一個主程序和若干中斷響應子程序組成，這里給出主程序流程圖如圖4所示。

增量型PID控制器計算程序流程圖如圖5所示

采用模糊PID控制，系統響應速度加快，調節精度提高，穩態性能變好；無超調和振蕩，具有較強的魯棒性；在同樣的精度要求下，系統過渡時間變短。在電阻爐的溫度控制中，避開了對電阻爐建立精確的數學模型這一難題，取得了較好的控制效果。

參考文獻：

[1] 潘笑，高玉玲等.基于模糊PID的AT89C2051單片機智能溫度控制系統[EB/OLD].兵工自動化網，2006.

[2] 劉金錕.智能控制[M].北京：電子工業出版社，2008.

單片機理論論文范文第3篇

【關鍵詞】Proteus 電子 虛擬實驗 EDA

一、引言

在電子技術理論和實驗教學中，經常需要設計出電路，并連接實物進行原理分析和驗證，在電子線路設計過程中，不僅需要考慮各種元器件的參數、性能、功耗、封裝等多種因素，而且在電路的實現過程中還需要經過大量多次的電路焊接、調試和實驗，費時費力，這種傳統的設計方法很難適應現代電子電路設計的規模化、低成本、短周期的設計要求，當然，也不能很好的適應現代化電子技術的教學。隨著EDA（電子設計自動化）技術的發展，電子線路設計過程可以通過計算機軟件，搭建仿真實驗電路，靈活調整元件參數進行動態仿真，進而能顯著提高設計效率，降低成本，縮短設計周期。

Proteus是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及器件。可以從原理圖布圖、代碼調試到單片機與電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。不僅對科研開發，而且對于電子技術課程教學、學生實驗、課程設計、畢業論文設計、電子技能競賽等都提供便捷的輔助功能，對培養電子技術創新型復合人才提供了最便捷的實驗條件。

二、Proteus在電子技術虛擬實驗教學中的優勢

（一）Proteus軟件的資源豐富

1.Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件，有30多個元件庫。

2.Proteus可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器、信號發生器、模式發生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調用。

3.除了現實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結果的影響。

4.Proteus可提供的調試手段 Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。

（二）Proteus支持電路仿真

1.Proteus不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程通過多媒體展示，這在相當程度上替代了傳統的單片機實驗教學的功能。

2.Proteus提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設計的靈活性、提供了實驗室在數量、質量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養學生實踐精神、創造精神的平臺。

（三）Proteus應用領域廣泛

Proteus軟件是一個巨大的教學、仿真、開發資源庫，不僅可以用于：模擬電路與數字電路、單片機、嵌入系統、微控制器系統的教學、實驗與考評，也可以用于真實的項目設計與產品開發過程。

三、Proteus在電子技術虛擬實驗教學中的應用案例分析

（一）Proteus在電路分析課程中應用案例

應用Proteus進行電路分析時，通過如下設置：點擊system――set Animation options――在對話框的Animation options 區域選擇show wire current with Arrows，即可以箭頭的方向表示電流的流向，幫助學生理解。同時，可以將電流表、電壓表、功率表等連接到電路中，對電路參數進行測試，快速得到仿真結果。

（二）Proteus在數字、模擬電子技術課程中應用案例

應用Proteus還可以進行數字、模擬電路的仿真分析，例如用譯碼器74LS138搭建的仿真電路，當控制信號E1接電源，E2、E3接地時，通過單刀雙擲開關選擇ABC三個輸入端子的不同組合，即可在八路輸出端子產生相對應的譯碼輸出，控制相應的發光二極管點亮。將抽象的高低電平用發光二極管和單刀雙擲開關形象的表示出來，從而更好地幫助學生理解數字邏輯器件74LS138的譯碼功能，同時也使枯燥的理論內容變得生動形象。

（三）Proteus在單片機技術課程中應用案例

單片機技術作為電子專業課程，一直以來都是學生們反映較難理解的課程，因為其內容綜合性強、實踐性強、且比較抽象。單片機課程的實踐教學以往多采用驗證性實驗，學生按照實驗指導書，將所需的器件在單片機實驗箱上進行連線，下載程序并調試。但是這種方法必須在實驗室內依托硬件完成，對實驗室的設備數量要求較高，且對于一些綜合性實驗，需要較多的元器件支撐。為了提高實踐教學效率、改善教學效果、降低教學成本，在單片機理論、實踐教學過程中引入Proteus軟件。例如在矩陣按鍵控制實驗中，就只需將元器件從元器件庫中拖放到圖紙上，按照電路圖將元件連接，再將keil編譯好的程序下載到單片機中，按下play鍵即可進行仿真。需要修改電路只需在圖紙上進行，快捷方便。

四、結語

在電子技術課程教學中，利用仿真軟件將理論教學、實驗和課程設計有機結合，提高了電子技術課程的教學效果，開發了學生自主學習的潛在能力，激發了學生的學習興趣和創新意識，開拓了學生的視野，增強了學生綜合運用知識的能力和實際動手能力，為后續高頻電路、單片機等專業課程的學習以及參加電子設計競賽等奠定了夯實的基礎。

參考文獻：

[1]朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，等.proteus教程――電子線路設計、制版與仿真（第2版）[m].北京：清華大學出版社，2011.

[2]周潤景，張麗娜.基于proteus的電路及單片機系統設計與仿真[m].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3]周靈彬.單片機系統的proteus設計與仿真[m].北京：電子工業出版社，2007.

單片機理論論文范文第4篇

關鍵詞： 雙作用式變量葉片泵；數字式；工作原理；數學模型；調節參數

中圖分類號：TH31 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）01-0064-03

0 引言

隨著我國工業現代化建設的快速發展，能源短缺日益嚴重，合理的利用能源變得更加重要。在流體傳動及控制技術領域，節能技術同樣必不可少。開展流體傳動節能技術的研究不僅可從現有液壓設備的節能技術改造中獲得巨大經濟效益，而且也是我國在先進制造業上趕超國際先進水平的需要[1]。在工業生產中變量泵是實現液壓系統高效、節能的基礎，因此研發性能優良的變量泵是流體傳動節能技術研究的重要課題之一。

目前液壓系統中的液壓泵主要有齒輪泵、柱塞泵、葉片泵、螺桿泵等，其中的葉片泵是廣泛被使用的一種液壓泵。葉片泵按其結構來分有單作用式葉片泵和雙作用式葉片泵。單作用式葉片泵主要用作變量泵，由于單作用葉片泵轉子、主軸和軸承所承受的徑向力較大，影響了泵的使用壽命和壓力的提高。而雙作用葉片泵的突出優點在于徑向作用力平衡，但是由于結構上很難實現排量的變化，使用上也受到了限制[2]。因此，若能開發出可實現變量的雙作用葉片泵，就可以將這兩種泵的優點結合起來，既能克服徑向不平衡力的缺點，又能實現排量的變化。針對這一技術問題，國內外很多學者都在進行研究探討，研究的核心就是雙作用葉片泵如何實現變量。目前比較成熟的變量方法是通過驅動泵的定子圈偏轉，改變泵的定子和配油盤的位置關系，來實現排量的變化。

本文所要介紹的數字式雙作用變量葉片泵是在這種變量方法的基礎上，提出了以步進電機作為機電轉換裝置，以單片機作為控制器的數字式雙作用變量泵。這樣不但解決了雙作用葉片泵的變量問題，同時實現了泵的數字化調節與控制，對于合理利用能源，提高液壓傳動工作效率具有重要的意義。

1 雙作用變量葉片泵的工作原理

圖1（a）、（b）分別是泵全排量時定子圈的位置和零排量時定子圈的位置示意圖。通過轉動定子圈，使其與配油盤之間的相對位置關系發生改變，也就是在需要泵輸出流量時，調節定子使其過度曲線對應于配油盤吸、壓油窗。而在不需要輸出流量時，使定子的長半徑和短半徑圓弧段與配油盤的吸、壓油窗相對應。因為這時工作容積不變，所以不吸、壓油，即為零排量輸出[4]。

但是，在定子圈偏轉的時候，勢必會產生比較大困油現象，影響泵的正常工作。為了解決這一問題，我們將定子圈做成兩片疊加起來使用，同時把葉片等分成兩個，并排地插在轉子葉片槽中。當一個定子環長半徑圓弧與吸油窗相對時，使另一個定子長半徑圓弧與壓油窗相對。因此當每個工作空間在經過定子過度曲線段時，正好在一個定子圈內是由大到小變化，而在另一個定子圈內是由小到大的變化。這樣，由大到小的壓縮容積就被另一個由小到大的容積所吸收，總容積并沒有變化。這時，泵將零排量輸出。如圖2所示。

當需要從零排量到全排量變化時，必須同時使兩定子圈反向偏轉。使yy1y2重合，xx1x2重合，如圖3所示。這時兩片定子圈的過度曲線段都正好與吸、壓油窗相對，泵將全排量輸出。

綜上所述，調整定子圈y1-x1，y2-x2與配油盤y-x的偏轉角度α便可以調整其輸出流量的大小。其中αmax=π/4，0≤α≤π/4，（度）。這樣雙作用變量葉片泵的理論流量公式就可以寫成

式中：qtp為變量葉片泵的理論流量（m3/s）；B=b1+b2，b1，b2為單個葉片寬度（m）；R為定子內圓弧大半徑（m）；r為定子內圓弧小半徑（m）；δ為葉片厚度（m）；z為葉片數；θ為葉片傾角（°）；n為轉子轉速（r/s）；α為定子圈偏轉角，αmax=π/4，0≤α≤π/4（°）。

2 變量機構控制方法

如何實現定子圈的偏轉是雙作用變量葉片泵最關鍵的問題。從全排量變到零排量或從零排量變到全排量時，要求兩定子的偏轉角同時作反向變化。驅動定子圈同時反向變化的機構即為變量機構[4]。本文采用51單片機作為數字化控制器，步進電機作為動力源，螺母絲杠作為傳動副，數字閥控缸驅動齒條式柱塞與定子外圓柱面上加工出的齒相互嚙合的方式進行工作。如圖4為驅動一片定子圈偏轉的變量機構工作原理圖。

閥芯通過一個螺母絲杠副和步進電機相連，閥芯插入到活塞上端部配合的閥套中。并在活塞上開了三個閥口。a口和壓力腔A相連，壓力腔A在底部和排油口相連通。通過b口把控制腔和活塞內腔連在一起。c口與回油腔相連。當需要變量時，根據泵輸出流量的要求，通過事先編輯好的程序，單片機發出相應的脈沖信號，經功率放大器放大后驅動步進電機，步進電機以相應的頻率和轉向轉過一定的角位移θ，從而帶動螺母轉動并由絲杠提動伺服閥芯作向上或向下的運動，產生位移xv，使伺服閥口開啟，這時泵靠自身油液驅動變量柱塞隨閥芯的位移而運動，產生位移xp，進而驅動一片定子圈偏轉角度α。另一片定子圈和變量機構原理相同。所以，通過這兩個變量機構就可以使兩片定子圈同時反向偏轉，使泵實現全排量—零排量—全排量的變化，達到變量的需求。變量機構的控制框圖如圖5所示。

3 變量機構數學模型分析

3.1 變量機構基本方程

式中：xv為閥芯的位移量（m）；β為步進電機步距角（°）；t為螺距（m）；j為螺紋頭數；Ni為單片機發出的脈沖數。

②變量柱塞的位移量

齒條柱塞與外圓加工齒的定子是齒輪齒條嚙合，所以變量柱塞的位移量與定子偏轉的角度的關系為

式中：xp為變量柱塞位移量（m）；α為定子圈偏轉角（°）；Df為定子圈與變量柱塞組成齒輪齒條嚙合分度圓直徑（m）。

3.2 泵靜態調節流量公式

由于伺服閥和變量缸是隨動關系，因此，xv=xp，即

式（6）即為數字化雙作用變量葉片泵的靜態調節流量公式。由（7）、（8）可知該式中，Kq和Kβ均為常數。

3.3 變量機構參數化分析

本文是以YB1-25型葉片泵作為研究基礎，結合該泵的部分結構參數，設計定子內圓弧大半徑長度R為32.5mm，定子內圓弧小半徑r為28.5mm，定子分度圓直徑Df為75.5mm，葉片寬度B為20mm，葉片厚度δ為1.8mm，葉片傾角θ為13°，葉片數z為12。泵的轉子轉速n為1000r/min。本文采用了歩距角為1.5°的36BF003型步進電機；采用d=20mm，t=4mm，j=1的絲杠螺母副。根據泵的結構參數，設計變量柱塞由全排量到零排量行程為xp=29.6mm。這樣全行程29.6mm所需要的脈沖數Ni=360°xp/βtj=1776個。據此，我們可以計算得到當定子偏轉一定角度時，單片機需要發送的脈沖個數。如表1所示為定子偏轉角以5度為間隔時，對應的單片機需要發送的脈沖數以及此時泵的理論流量。

由此，可以繪制此變量泵由全排量到零排量靜態調節qtp-Ni特性圖，如圖6所示。

由此圖可以看出，泵流量qtp的變化只取決于單片機發出的脈沖數Ni。因此，我們可以編寫相應的單片機程序，來控制發送脈沖的個數，從而使泵的排量發生改變。

4 結論

本文針對雙作用葉片泵實現變量的理論做了簡單了陳述，在此基礎上針對雙作用葉片泵實現變量又做了數字化的改進。通過對泵變量機構數學模型的分析，得到了泵靜態調節流量公式，繪制出qtp-Ni特性圖，并對變量機構進行了參數化析。由此得出，通過控制信號輸出量的變化就可以使泵排量發生相應的改變。因此基于單片機控制，步進電機驅動的數字式雙作用變量泵是成立的。但是必須要進行參數優化以及動態實驗研究，使其得到進一步的改善。

參考文獻：

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[2]李義，袁圓，陳超.雙作用式變量葉片泵理論研究[J].煤礦機械，2011（2）：42-43.

[3]趙亮，陳艷芳，任喜巖.雙作用變量葉片泵探討[J].大連鐵道學院學報，1990（3）：67-71.

[4]雷秀.YB型雙作用葉片泵變量研究[A].中國力學學會流體控制工程專業委員會流體控制工程與機器人學術會議論文集[C].內蒙古：內蒙古大學出版社，1992：134-139.

[5]雷秀，張治務，李軍.數控軸向柱塞變量泵的開發及靜特性實驗研究[J].內蒙古工業大學學報，2000（2）：119-121.

[6]雷秀，張治務.63CCCY14-1B泵數字化靜態調節及實驗研究[J].機床與液壓，1999（1）：16-17.

[7]王慶瑋.單片機控制數字變量柱塞泵的研究[D].沈陽：沈陽理工大學機械電子工程學科碩士學位論文，2005：12-31.

[8]李嵐，張桂華，陳艾華.雙作用變量葉片泵自動控制系統的機理分析[J].組合機床與自動化加工技術，2004（5）：83-84.

單片機理論論文范文第5篇

【關鍵詞】構建主義學習理論；機器人；嵌入式系統；學習情境設計

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009―8097（2011）02―0144―05

引言

長期以來，我國大學教學一直以知識為本位，在知識傳授過程中，教師起主體作用，學生則被動接受知識，大學教學重知識輕能力、重共性輕個性、重灌輸輕引導。在這種師生授受教學模式中，學生的學習主動性和獨立性不強，沒有探索知識提高創新能力的意識，容易造成學習目的性不明確，知識掌握片面，面對具體問題時無法靈活運用所學知識給予解決。對此，很多研究者提出以學生為主體的教學觀，將學生從被動接受知識的容器變為主動學習的探索者，積極運用主體教學原則，通過創設問題情境，以問題驅動式引導學生運用所學知識嘗試性解決所面對的問題，通過學生自身的主動學習和探索進行知識的內化。

在以學生為主體的教學思潮中，構建主義學習理論最有影響力。該理論最早由心理學家皮亞杰（J. Piaget）在研究兒童認知發展的基礎上提出來的，其核心內容強調以學生為中心，強調學生對知識的主動探索、主動發現和對所學知識意義的主動建構。隨著現代教育技術和信息技術的發展，建構主義所要求各要素可得到滿足，這促使建構主義理論日益與廣大教師的教學實踐結合起來，成為國內外學校深化教學改革的指導思想。

建構主義學習理論雖然在中小學教育中得到廣泛接納，然而，在高校實際教學中，受教學大綱、教學計劃（課時）和教材所限制，理論課程在授課方式上主要以“教”為主，教學模式依然以教師為中心，與建構主義思想有一定出入。并且在很多情況下是大班教學，若完全采用以學生為中心，強調學生的自主學習過程，一則由于學生學習差異性超出預期，在教學時間上把握難度大，無法控制教學進度；二則在大班教學下，學生數量多，無法在兩節課的時間里良好把握個體的學習情況。對此，理論教學以教師“教”為主，實驗教學以學生“學”為主，是當前高校中普遍采用的教學方式。因此，可在實驗教學環節中，采用建構主義教學理論，積極把握“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”四大學習要素，以取得良好教學效果。

雖然在實驗教學環節能較好地發揮學生自主學習能動性，但對于具體一門實驗課，其實驗目的及實驗內容安排上是圍繞對應課程設計的，往往缺乏課程之間的聯系性，在教學效果上，學生對知識的把握仍然具有很大的狹隘性，無法將以前所學的相關課程聯系起來，當面對實際問題時，依然無法運用所學知識靈活解決，導致人才創新能力培養仍然達不到預期目標。對此，開展大學生課外科技活動，是加強學生自主學習，提高創新能力的有效途徑之一，如“挑戰杯”競賽、大學生電子設計競賽、ACM大學生程序設計競賽、大學生數學建模競賽、全國大學生機器人比賽等進一步推動學生課外科技活動的開展，并在相關領域培養了大批高層次人才。在這些課外科技活動中，凡面向競賽的，其參與者是選的，這些學生在相應學科都是拔尖者，且只占了在校生中一小部分，導致人才培養理念和培養模式仍然停留在精英教育階段0。而我國高等教育已經進入大眾化階段，在培養精英的同時，亦須考慮開設面向大眾的綜合性實踐課，以提升教學效果。

本文針對電氣專業，研究“機器人實踐課”的教學設計方法，根據前導課程特點，提出若干綜合性的“情境設計”方案，在保證情境的生動性和豐富性的同時，也加強了電氣專業相關課程之間的聯系性，有利于學生通過主動學習和獨立探索完成意義構建和知識體系的重構升華。

一 “機器人實踐課”與其它課程的關聯性

“機器人實踐課”面向電氣信息類專業開設，與其它課程的關聯性如圖1所示，通過運動控制，可關聯到《大學物理》、《高等代數》和《自動控制原理》等課程；通過系統功能實現，可關聯到《數字電路》、《模擬電路》、《傳感器與檢測技術》、《信號與系統》、《嵌入式系統》和《程序設計》等課程。在學習過程中，“同化”是認知結構的量變，“順應”是認知結構的質變。學習不是簡單的信息積累，而是包含新舊知識經驗的沖突和雙向的相互作用過程，以及由此引發的認知結構的重組。學生在接觸機器人之前，學過圖1所關聯的課程，然而他們對課程中的大部分知識停留在模糊的認知階段，無法將其內化為自己的知識，并且可能隨著時間的遷移逐漸遺忘。在“機器人實踐課”上，通過合理的內容編排，可引導學生運用所學的相關課程知識解決所遇問題，加深學生對相應課程的理解和相關知識的應用，使學生在自主學習過程中完成認知結構的“同化”―“順應”―“同化”―“順應”的循環往復過程，最終達到知識的構建。

二 課程“情境設計”

在建構主義學習理論中，“情境”、“協作”、“會話”和“意義構建”是學習環境的四大要素。建構主義提倡在教師的指導下，以學習者為中心的學習，在整個學習過程中，既強調學習者的認知主體作用，又不能忽視教師的指導作用，教師是意義構建的幫助者和促進者。從教師的角度看，“情境創設”是最重要的內容之一，只有創設了有利于學生建構意義的情境，學生才能圍繞該情境，通過獨立研究和“協作”、“會話”的合作方式進行學習活動，最終經過內化完成知識的“意義構建”。針對教學機器人，其情境創設可通過設定相應的實踐任務，以任務驅動式方式完成學習內容。

教師在情境創設過程中，要成為學生構建知識的幫助者和引導者，在具體問題上，可向學生提供新舊知識之間聯系的線索，并組織協助學習，展開討論和交流，使之朝有利于意義構建的方向發展。

針對教學機器人，可做以下情境構建：紅外尋跡測量；超聲測距；磁導尋軌設計；電機驅動、測速與控制；尋軌運動控制。

1 紅外尋跡測量情境設計

實驗原理：根據不同顏色對光反射性能差異原理，采用TCRT5000反射式紅外對管對黑色電工膠布粘成的尋跡線進行測量，由于黑色物相比其他顏色對光的反射性要差，接收管在黑色尋跡線上接收的紅外光比其它背景區要弱，導致其感應的電流減小，在接收管上串聯適當阻值電阻，可將感應電流轉換成電壓，進而根據電壓的不同可將尋跡線與背景區分出來。

問題設計：1）紅外發射管的供電電流會影響檢測距離、接收管的感應電流，如何串聯合適的限流電阻取得良好的測量效果；2）接收管的感應電流通過串聯接收電阻實現電流向電壓的轉換，如何選取恰當的接收電阻；3）紅外尋跡測量信號最后可處理成“0”-“1”的邏輯信號（可通過調節恰當的發射管串聯電阻、接收管電阻或采用電壓比較器實現）表示探頭是否在尋跡線上，也可直接用AD（模擬數字轉換）方式將感應電流信號作為模擬信號進行處理，并通過軟件設置閥值來判斷探頭是否在尋跡線上，通過實踐比較數字處理方式和模擬處理方式的優劣勢。

在教學目的上，該實踐課的目的是讓學生通過主動搜集并分析相關的資料，運用探索法，去了解紅外光的反射特性并掌握相關測量手段，進而在實踐過程中對二極管、三極管、電壓比較器、等效電阻、戴維寧等效電路等模擬電路以及單片機的數字輸入、模擬輸入等相關知識有重新的認識和提高。

2 超聲測距情境設計

在機器人實踐中，超聲測距主要用于移動機器人避障。超聲測距的實驗原理為：超聲發射器發射若干個40KHZ超聲波，接收器接收到回波經濾波、放大和比較器后將信號調理成“0”―“1”信號，單片機測量發送波與接收波之間的時間差，再根據超聲波在空氣中的傳播速度可計算出距離。在該情境設計中涉及的關聯課程有《傳感器與檢測技術》、《模擬電路》、《嵌入式系統》和《程序設計》。

問題設計：1）超聲波在空氣中的傳播特性；2）超聲傳感器的方向性；3）超聲測距的具體實現。

超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，并且具有較強的方向性，方位角大小由傳感器本身特性決定。由方位角特性引導學生對超聲傳感器安裝高度進行思考，通過兩種不同方位角的超聲傳感器的實際測量效果，讓學生明白大方位角的超聲傳感需要較高的安裝高度才能避免地面的反射影響，并結合方位角特性和避障距離，讓學生建立模型計算安裝高度。經過這兩個環節后，學生對超聲波的特性比較了解，尤其是對方位角概念會有比較具體的認識，此時可穿插市場價格信息，讓學生搜索不同方位角傳感器的價格，并從中把握性能和價格的平衡點，培養工程意識。在超聲測距技術實現上，主要測量超聲發送波與回波之間的時間差，再根據聲速即可求得距離。在程序編程環節，著重中斷程序處理及中斷延遲補償、結構體與聯合體配合使用對8位/16位/32位數據混合操作，PCA捕捉等，結合實際應用需求引入新技術，提高學生對其接受度。經過這個過程，學生經歷憑自己的知識體系提出問題的解決方案（較自信階段），解決方案缺陷逐個暴露并找不到合適的處理方法（陷入思考和迷茫階段），獲得新的線索和新的解決方案（重拾自信和成功喜悅階段）。在知識結構上，則整個學習過程經歷“平衡―不平衡―新的平衡”的循環，并在該循環中得到不斷的豐富、提高和發展。

3 磁導尋軌情境設計

實驗原理：在導線上一定頻率的交變電流會產生交變的磁場，通過電感感應這交變磁場，并通過帶通濾波器和放大器對該信號進行濾波放大處理，最后經過檢波器將交變信號轉成直流信號供單片機AD采樣。導線上的交變電流一般選取20KHZ，通過帶通濾波器測量該特定頻率的交變磁場，可克服地球的永恒磁場、周邊電器產生的50HZ磁場等干擾，并且感應的磁場強度和導線與傳感器的偏離距離呈單調關系，由此可測量移動機器人與尋軌導線的偏移信息。

問題設計：1）無限長直導線上通交變電流在空間中產生的磁場分布模型分析；2）如何測量磁場；3）檢測干擾分析；4）測量電路原理分析；5）有限長彎曲導線通電電流在空間中的磁場分布模型分析及測量改進措施。

維果斯基（Vygotsky）對知識層次進行研究，提出社會發展理論，認為個體的發展具有兩種水平：現實的發展水平和潛在的發展水平，現實的發展水平是個體獨立活動所能達到的水平，而潛在的發展水平是指個體在教師或其他個體的幫助下所能達到的水平，在這兩種水平之間的區域即為“最近發展區”（ZPD：Zone of Proximal Development）。在教學活動中，教師應把握學生的知識水平，合理設計問題，使得學生朝最近發展區提升知識，若問題過難，超越學生知識層次太多，可能會引起他們的知識混淆，降低學習興趣，或者死記硬背，生搬硬套，喪失創新性。

磁導尋軌測量具有一定的難度，在情境設計上，若一步到位直接給出最終的設計方案，與學生的知識體系有較大的距離，使得學生無法通過自主學習很好地進行內化。對此，磁導尋軌在問題設計上運用了維果斯基ZPD理論，從簡化模型入手，循序漸進，步步引導。對通電導線的空間磁場分布，可先假設導線為無限長，引導學生查閱《大學物理》中的安培環路定理，得出傳感器與軌跡導線偏移距離與磁場的關系，進而引導學生采用法拉第電磁感應定律，得到電感（傳感器）上感應電動勢與交變磁場的關系，經過這兩個環節，學生逐漸體會到《大學物理》與現實問題的聯系，并對傳感器與軌跡導線之間的距離與感應信號有一定的理性認識。若導線的通電電流是20KHZ的交變信號，則感應電動勢也是20KHZ的交變信號，但該信號很微弱，且夾雜著50HZ的工頻干擾。對該信號測量，可在電感檢測單元上串聯電容，形成諧振電路，再在后繼電路中通過三極管進行放大處理，進而經過檢波二極管和電容將交變信號變成直流信號。在該環節中涉及《模擬電路》、《傳感器與檢測技術》、《信號與系統》等相關知識，著重引導學生對頻域分析、三極管穩態電路與小信號模型的分析、信號檢波等知識的深入理解，并讓學生通過Multisim等仿真軟件進行電路仿真后再進行實物制作，使學生養成通過原理分析―>仿真驗證―>解決問題的工程思維習慣。學生做出原型后，指導教師引導學生往提高精度方向提升，原來的無限長導線假設，針對實際中有限長且可能彎曲的導線，引導學生運用畢奧-薩伐爾定律及有限元進行分析，并在測量環節進行改進，減少非線性放大失真度。經過這些環節后，學生將以前所學的課程知識與當前問題充分聯系起來，把抽象的知識的具體化，并且在處理問題的過程中，會出現多次從不同角度涉及相同的知識，使學生對該知識形成比較全面、正確的理解，知識層次上由現有模糊生硬的理解向潛在層次提升，通過量能的積累進而實現質的突破。

4 電機測速、驅動與控制情境設計

電機測速、驅動與控制包含了傳感器、執行器和控制器，是閉環控制系統的必要組成部分，該情境對自動化、電氣類專業學生加深《自動控制原理》課程理解和實踐具有非常大的作用，而測速、驅動和控制的具體實現又與《數字電路》、《電機與拖動》、《嵌入式系統》和《程序設計》等課程具有很強的聯系性。

電機測速視傳感器而定，目前本教學實踐中采用兩種傳感器：1）單路光電碼盤；2）雙路正交光電碼盤。前者成本低廉，并且可自制反射式光電碼盤；后者具有一定加工精度要求。對于多數單片機，沒有雙路正交碼盤接口，需采用數字電路設計思想進行倍頻和方向判斷，而該環節正好可用到《數字電路》相關知識。以往，學生學完《數字電路》往往只停留在意識層次，并無法與現實問題結合起來并靈活運用該課程思想進行邏輯設計。雙路碼盤的倍頻和測向提供了很好的應用情境，使學生對《數字電路》有重新的認識，并在該解決過程中通過獨立思考去發現雙路碼盤相比單路碼盤的優勢。

電機驅動采用PWM方式驅動，電流放大芯片有達林頓三極管、MOS管等。在該環節主要設計3個問題：1）PWM的頻率與驅動噪聲；2）PWM的占空比與電機轉速關系；3）驅動能效和驅動芯片的散熱控制。PWM驅動頻率在音頻范圍內，尤其是在1KHZ至8KHZ之間會使電機發出音頻噪音，指導學生利用PCA時鐘或系統時鐘改變PWM頻率，通過實際驅動現象探討噪音的產生機理和消除方法。PWM占空比與電機轉速需從S域變換和瞬態響應去分析，將電機等效為電感與電阻的串聯模型，通過瞬態響應曲線，使學生明白占空比與電機平均電流的關系，另一方面電機電流與電動力矩及轉速構成微分方程關系，與《高等代數》、《大學物理》具有聯系，可用這些課程的相關內容作為鋪墊，逐步加深引入正題。驅動能效和驅動芯片散熱問題從《模擬電路》對三極管和MOS管的介紹知識出發，抓住三極管VCE壓降及MOS管內阻對驅動管能效及發熱的影響，通過開關管換流時的瞬態特性進一步讓學生討論提高PWM頻率對能效降低及增加驅動芯片發熱量的影響，使其靈活掌握PWM頻率平衡設計的機理。整個內容在設計上遵循維果斯基的ZPD學習理論，循序漸進的問題設計可防止由于問題突然加難，打破學生個體的知識結構，有利于學生對知識的內化和創新性培養。

電機控制采用PID控制，通過該環節使學生對經典控制回路的反饋、執行和控制三個環節有更具體的理解。《自動控制原理》用數學語言描述，比較抽象，以往大多學生由于沒有經歷實際應用，對該課程理解較差，無法活用相關知識。在電機控制中，首先遇到的是建模，本實踐課向學生介紹基于信號激勵的黑箱建模和基于機理的白箱建模。黑箱建模的激勵信號采用階越響應信號，電機的響應速度經碼盤測量后由UART傳送到PC端，由Matlab繪制響應曲線，并引導學生用《自動控制原理》中的經典控制理論知識獲取動態系統的關鍵參數，進而以該黑箱模型為對象，讓學生設計P（比例）控制器，運用勞斯判據分析系統的穩定性，進而用PID的經驗公式進行控制參數設計，并將連續模型轉成離散模型在單片機上實現PID控制算法。白箱建模則利用電機的電感-電阻等效模型以及力學分析，建立系統的動態模型，此時對電機的關鍵參數再通過辨識的方法進行估計，在辨識環節又可引入最小二乘法、隨機信號激勵等知識，加強了學生的工程意識。在電機驅動芯片上，我們采用帶電流反饋的MC33887，使控制系統能獲得電機轉速和驅動電流，進而可用狀態空間方法進行描述，在此環節可讓學生用能控性判斷―極點配置等環節進行控制設計，之后再將電流測量環節去掉，讓學生用能觀性判斷―觀測器設計進行狀態估計，并將估計結果與電流真實測量值進行比較。這些環節能貫穿《自動控制原理》的核心知識點，經過這些實踐之后，學生對經典控制、PID控制、系統辨識、能控性、能觀性、極點配置、觀測器設計等環節有比較感性的認識，將抽象的知識具體化。

5 尋軌運動控制情境設計

尋軌運動控制是機器人實踐課的綜合實踐環節。在該環節中，我們增加了無線傳感器網絡相關技術，把機器人的尋軌傳感器、電機轉速等信息通過無線傳感節點傳至PC端，并在PC端采用Labview進行圖形化編程，實現尋軌運動控制。在本實踐中，受學生所學知識限制，無線傳感器節點的編程由指導教師完成，并提供UART通訊接口，學生只需按規定的協議讀寫UART信息即可實現機器人與PC機的信息交互。Labview提供串口的Visa以及一系列的控制與仿真圖形模塊，學生在Labview下完成機器人檢測與運動狀態的圖形化顯示以及控制指令的發送。

尋軌運動控制可用競賽的形式組織，我們受Freescale賽車競賽啟發，擬定以下兩種形式：1）機器人的自主尋軌競賽，給定地形，由出發地到目的地，時間最少者勝出；2）手動操縱賽，隊員只能看PC端機器人回傳數據（不能看機器人實際運動狀況），控制機器人從出發地到目的地，時間最少者勝出。兩種比賽中，機器人完全偏離軌跡線則直接被淘汰，尋軌技術則分成光電尋軌和磁導尋軌，并分開比賽。目的地前方設一障礙物，要求在距障礙物50cm以內有報警信息（通過超聲避障傳感器檢測避障信息）。

通過該情境設計，學生能將前四個情境的內容貫穿起來，進行二次消化吸收。前四次的情境，指導教師根據學生情況會給予較大的幫助，但在綜合實踐環節則需要學生自主完成，有利于學生完成整個知識體系的構建。

三 具體教學環節的實現

在教學過程中，可按如下環節展開：1）搜索資料；2）分組討論及方案設計；3）方案實現；4）交流與方案改進；5）總結與歸納。教學環節中包含了建構主義學習理論的“協作”、“會話”和“意義構建”，通過學生的自主探索與發現，以及協作交流完成特定知識的意義構建。

1 搜索資料

指導教師向學生介紹相關的常用資源網站和搜索資料手段，并讓學生自行搜索相關資料。尤其是廠商提供的英文數據手冊資料，鼓勵學生閱并找出關鍵信息。在工程應用中，相關的芯片及傳感器往往只能找到廠商提供的英文資料，學生往往對這些資料具有較大的畏懼心理，不知如何從中尋找與項目相關的關鍵信息資料。經過該環節后，能培養學生搜索資料和查閱關鍵信息的能力，為自主學習創造條件。

2 分組討論及方案設計

根據學生的自主組隊原則，將學生分成若干組，各組成員針對設計目標，結合所搜索的資料，進行方案設計。通過成員間的討論，有利于培養團隊協作精神。在分組討論之后，可適時開展方案設計交流，指導老師對學生的方案宜持多鼓勵少打擊的態度，以保持學生的自信心和學習興趣。對不可行的方案，給予詳細的論證，適時地給予否定，但對固執的學生，可讓他們先堅持自己的方案，在遇到瓶頸時再給予詳細解說其不可行性。

3 方案實現

方案實現是自主學習的重要過程。在機器人實踐中涉及電路仿真、電路焊接、電路調試、單片機程序開發、Matlab仿真等內容，在這些實踐環節，有利于學生將其他相關課程知識與當前問題聯系起來，在方案實現過程中構建知識體系。

4 交流與方案改進

若各組是通過獨立探索進行方案設計及實現，則各組在方案實現上必然存在一定的差異性。指導教師應鼓勵學生對方案實現的多樣性，這是提高人才創新能力的重要環節。由于各組的方案實施進度不一致，在方案提出與方案實現之間可根據具體任務設置一個期限時間（往往是三天至一周的時間），讓學生充分利用課外時間進行方案實施。各組方案實現后的討論是借助集體力量實現知識飛躍的重要環節，討論的結果可使原本復雜的問題明朗一致起來，并且各組通過對方案實施過程中所遇的問題以及解決方式進行充分交流，能在共享集體思維成果的基礎上逐漸形成全面、正確的意義構建。各組通過交流，能發現自身方案的缺陷，并做進一步的改進。

5 總結與歸納

該環節是意義構建的升華環節，但也是容易被學生忽視的環節?？偨Y與歸納要求學生從問題描述、方案比較、方案實施、改進措施、自我體驗總結等環節對所涉及的任務以文檔形式進行重新組織，學生在文檔編寫的過程中完成所學知識的最終構建?？偨Y與歸納要輕形式，偏重內容的真實性和原創性。

四 結語

通過“機器人實踐課”的開展，不僅落實了高校的“大眾教育”精神，使得電氣專業多數學生受益，加強了各課程的聯系性，使學生在實踐過程中提高了認知水平，完善了知識體系，并且對“精英教育”也起到相輔相成作用，使學生在課外科技活動上獲得更好成績。僅2010年，溫州大學本學院電氣類專業學生獲得省級以上相關學科競賽有：第七屆“挑戰杯”大學生創業計劃競賽國家金獎1項、省級獲獎3項，全國嵌入式設計與開發總決賽二等獎3項，大學生程序設計國家級獲獎3項，浙江省大學生電子競賽一等獎2項、二等獎1項、三等獎1項。在今后的教學和培養計劃中，應注重綜合性和實踐性強的課程設置和教學設計，通過此類課程加強專業中各課程的聯系性，通過學生的自主學習和獨立探索，進行知識內化，完成知識的構建，使得學生的實踐能力和創新能力得以進一步提高。

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Teaching Design of Courses in Comprehensive Experiment Oriented to Electronic Majors

――Case Study of Practice Course of Robot

TONG Chang-FeiXU Yu

(College of Physics & Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou,Zhejiang 325035,China)

Abstract: Practice Course of Robot is introduced as a comprehensive experimental course oriented to electronic majors, which with the objective to enhance the connections in other courses, and result in development of the ability of practice and creativity for students. The concrete contents of learning situation are designed based on Constructivism to guide students to complete their own knowledge construction by self-study and independent exploration. The proposed teaching design achieves satisfactory effectiveness.

Keywords: constructivism; robot; embedded systems; learning situation design