基于Arduino的電氣工程口袋實驗室研究

劉晉+牛印鎖+韓民曉+吳迪

摘 要 針對華北電力大學電氣與電子工程學院學生多、實驗條件有限等客觀條件，開展基于開源的Arduino平臺口袋實驗室在電氣工程實驗教學中應用的研究工作。同普通的單片機比較，Arduino平臺具有操作簡單、易學易懂、二次開發性強等特點。通過學生實現的三個實驗案例，從該平臺的三個不同方面描述其在電氣工程實驗中的應用，為基于該平臺的電氣工程口袋實驗室的研制提供實驗案例。

關鍵詞 Arduino；單片機；口袋實驗室；電氣工程

中圖分類號：G482 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）22-0026-03

Research on Electrical Engineering Pocket Laboratory based on Arduino//LIU Jin， NIU Yinsuo， HAN Minxiao， WU Di

Abstract In view of the objective factors such as the large number of

students and the limitation of experimental conditions， the research on the application of pocket laboratory based on open-source Arduino

platform in electrical engineering experiment teaching has been launched. Compared with the ordinary single-chip microcomputer， Arduino platform is simple to operate， understand and further develop.

This paper describes three different aspects of Arduinos application in electrical engineering experiment， using three cases of students experiments. It provides experimental cases for electrical enginee-ring pocket laboratorys construction.

Key words Arduino； single-chip； pocket laboratory； electrical engi-neering

1 引言

Arduino平臺是一種以單片機為核心，可以外擴各種電路的平臺。該平臺誕生于2005年的意大利，由兩位工程師開發，起初是為學生的課外實踐提供一種簡單易用的物理運算平臺[1]。Arduino最小系統如圖1所示。

Arduino平臺能夠在應用中完勝普通單片機，主要體現在兩個大的方面：一為其實用的豐富硬件端口設計，一為其通俗易懂的C語言編程特色及用戶終端IDE[2]。其開源的電路板設計圖如圖2所示。

Arduino平臺提供了14個數字端口和六個模擬端口，僅需通過杜邦線連接即可實現多組信號的同時傳輸。除去普通的輸入輸出端口，平臺還與自身的IDE相配合，規定了一系列的特定功能端口，譬如定值電壓輸出端口、串行通信端口、PWM信號端口等。正是這些方便連接的端口和已經經過規定的特殊端口，使得人們在使用中掙脫了在使用普通單片機芯片時搭建電路煩瑣、引腳規定復雜等問題的束縛，使得Arduino平臺受到廣泛歡迎，并贏得實用的“電子積木”這一稱號[3]。

擁有自身獨特的IDE是Arduino平臺區別于普通單片機芯片的最大優勢。首先，Arduino平臺的編程語言采用一種接近C語言和Java的高級語言，這樣一來，接觸過C語言和Java的使用者幾乎不用學習，而無編程經驗者也可基于其強大的邏輯性和簡潔的規定很快上手。正是鑒于Arduino平臺展現的優秀性能，其在生產生活領域的應用日趨廣泛。

電氣工程專業學生實驗動手能力的培養是實驗教學的重要目標，針對華北電力大學電氣與電子工程學院學生多、實驗條件有限等客觀條件，開展基于開源的Arduino平臺口袋實驗室在電氣工程實驗教學中應用的研究工作。在電氣工程教學實踐中應用Arduino平臺作為口袋實驗室的實驗平臺，其主要的教學思想和出發點是為學生提供一個通用、廉價、統一、簡單易學和便于攜帶的口袋實驗平臺，并且將在大學四年中始終使用該平臺完成相關工程實驗。學生從大學一年級開始，熟悉并開始使用該實驗平臺，完成相關課程的實驗設計；隨著年級的變化和專業課程的學習，學生可以在該平臺上進行相關專業課程的實驗設計，并完成相應的實驗，從而實現由簡單到復雜的過渡。這樣可以讓學生在統一的實驗平臺上進行各種難度的工程實驗，避免不同年級更換不同實驗平臺帶來的學習平臺使用方法的重復工作，有利于學生更加高效地專注于實驗的設計與實現。

如何提高通用Arduino平臺與電氣工程專業教學實驗的契合度，是實驗教學亟待解決的問題之一。本文通過學生實現的三個實驗案例，從該平臺的三個不同方面描述其在電氣工程實驗中的應用，為基于該平臺的電氣工程口袋實驗室的研制提供實驗案例。

2 口袋實驗室電氣工程實驗案例

Arduino平臺在電氣工程實驗中可以完成各種不同難度、不同內容的實驗項目。首先，在電氣工程實驗中凡是涉及信號控制、接收的，Arduino平臺均可輕松實現，并將自身的簡單易用、精確處理特性發揮得淋漓盡致。一方面使得實驗本身變得簡單，另一方面讓實驗思路的拓展和實驗器材的二次開發變得更加容易。其次，在使用該平臺進行程序編寫時，實驗者必定將實驗的電路邏輯和實驗原理分析得相當清晰，這使得實驗者不再是簡單地按部就班進行實驗，而是透過現象把握本質，真正“吃透”每一個實驗。endprint

針對不同年級可以設計不同難度和內容的工程項目實驗（如表1所示）。本文從學生在畢業設計中完成的系列實驗內容之中選取三個實驗案例進行展示。

電位器讀數實驗 本實驗的目的是熟悉使用Arduino平臺的模擬輸入輸出端口應用。該平臺共提供了六個模擬端口用于輸入和輸出，模擬輸出端口提供正電平（5 V）和接地電位，而輸入端口則能夠讀取一定范圍的模擬量。因此，輸入輸出模擬端口的應用重點在如何讀取傳感器的模擬量。電位器讀數實驗是在對電位器加電壓后，可從其信號端讀取信號輸入平臺的模擬端口。本實驗的模擬圖如圖3所示。圖3中（左邊三根線，從左至右依次為紅、黑、藍；右邊三根線，從左至右依次為黑、藍、紅），紅色線提供5 V電位，黑色線是接地線，而藍色線是信號線，連接電位器信號端與Arduino平臺的A0號模擬輸入端。當擰動電位器時，A0號端口將收到變化的電壓模擬信號。

該實驗可以擴展為其他實驗，可以將電位器替換為電壓互感器、電流互感器、溫度傳感器、光敏電阻、壓力傳感器等各種提供模擬信號的器件，幫助學生理解從測量信號到電壓信號的轉換過程，以及如何將其還原為原始信號的實現過程，為后續實驗提供基礎。

步進電機控制實驗 本實驗的目的是熟悉Arduino平臺的數字端口應用。步進電機是一種數字電機，控制步進電機運行的關鍵在于對其控制信號的輸入。在這次步進電機控制實驗中，考慮到主要目的是理解數字端口的應用，就略去驅動板（電機功率小），只需按圖4接線，然后編寫程序即可實現電機的控制運行。圖4中，步進電機的四根線通過面包板分別連接于Arduino平臺的四個數字端口A2、A3、A4、A5，實現控制信號的傳輸。

本實驗的關鍵在于通過編程控制數字端口輸出所需的信號。當外接類似于步進電機等設備無法使用現有的應用庫函數時，難點就在于通過編寫程序實現電機控制信號的計算；當外接其他開關設備時，只需在特定時間實現所需電平的輸出；其他諸如LCD等則只需按時傳輸信號即可。

直流電機控制實驗 本實驗的目的是熟悉Arduino平臺具有特定功能的端口，以PWM功能端口為例。實際上，Arduino平臺為了方便使用，設計了不少具有特定功能的端口，如ICSP端口、串行通信端口、3.3 V電壓輸出端口、PWM輸出端口等。當然，功能的實現也要用到特定的庫函數。特定功能端口的預留不僅使得硬件的連接變得簡化，也使得程序的編寫變得簡潔，從而從整體上降低了Arduino平臺的操作難度。直流電機控制實驗是利用平臺預留的PWM端口（本實驗使用數字端口6）給直流電機供電，從而實現對電機轉速控制的效果[4]。實驗圖如圖5所示。

該實驗首先接收來自電位器的輸入信號，對該信號進行處理后，決定PWM端口輸出的占空比，這樣就實現了電位器阻值與直流電機轉速的對應。實驗編程中要注意根據所需占空比來決定高低電平的延時時間。

口袋實驗室總結 在實驗中應用Arduino平臺進行實驗設計，既可以讓學生直接使用控制板進行實驗，也可以為學生提供控制板的PCB板和元器件，由學生自己焊接制作控制板并進行調試，具有較強的靈活性。

此外，由于使用Arduino平臺的入門條件和使用條件簡單，學生只要有筆記本電腦，就可以找地方開展自己感興趣的實驗，成為真正意義上的“電氣工程口袋實驗室”。

3 總結

本文提出電氣工程實驗教學體系中采用統一實驗平臺的思想，提出基于Arduino的電氣工程口袋實驗平臺，通過學生在該平臺上設計和實現的各類不同專業課的實驗案例，給出基于工程項目的電氣工程實驗教學體系和教學思路。通過統一實驗平臺和工程實驗內容的結合，將大大提高學生實驗與相關專業課程的結合程度，節省學生學習和熟悉平臺的時間，避免多個平臺的重復學習，將有限的時間和精力集中在如何實現工程項目上，大大提高學生的工程實踐能力，增強工程化概念的訓練效果。

參考文獻

[1]蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012，20（16）：155-157.

[2]鮑若凡.Arduino單片機在信息技術教育中的應用研究[J].軟件導刊，2015，14（6）：224-225.

[3]馮琪智.淺析Arduino內部技術及合理運用開發[J].電子世界，2014（18）：201.

[4]藍厚榮.單片機的PWM控制技術[J].工業控制計算機，2010，23（3）：97-98.endprint