應用型高校特色實踐教學改革研究

曲娜，宋毅，崔海鑫，李雅

（吉林建筑科技學院，長春 130114）

0 引言

電子信息工程專業實踐教學的研究非常多，既有宏觀視角人才培養模式的研究，也有微觀具體課程設置內容的研究，但是基于本科專業特色視角的電子信息工程專業的實踐教學相關研究的趨同性較大，沒有較好地與市場需求聯系到一起，結合當前的實際情況及應用型高校的自身特點，進行專業的實踐教學改革，構建市場需求引導、校企合作推動、科技創新驅動下的電子信息工程專業實踐教學的改革模式，培養學生實踐能力與創新能力一體化的綜合素質。

1 大學生“雙創”項目電供暖控制平臺設計

在經濟與科技飛速發展的今天，冬季供暖方式被人們越來越重視，電采暖作為一種清潔綠色供暖方式是社會發展的必然趨勢，本學校率先在全國整體校園應用無水電采暖技術，依托學校電采暖控制平臺，大學生“雙創”項目主要完成電采暖控制系統管理層總控制設計，擬采用單片機為控制核心，通過管理層總控制設計，實現現場層所有教室的多節點控制。

整體系統總共分為5個模塊，分別是微控制器最小系統模塊、TFT觸摸屏顯示模塊、TTL-RS485模塊、電源模塊、警報電路。其中的微處理器模塊采用ST公司生產的STM32F103RCT6型微控制器作為核心外接外圍電路的模塊。TFT觸摸屏采用的淘晶馳公司的7寸的USART串口屏，利用微控制器與TFT串口屏進行數據交流，得到觸摸屏上的反饋，并將信息通過TTLRS485模塊控制下面的溫控器。最終設計完成基于電供暖控制的小型集控系統，達到精準供熱的目的。

在STM32單片機上為其搭建UCOS-III系統（系統移植），并為TTL-RS485模塊與TFT觸摸屏編寫驅動程序。然后上電啟動后，UCOS-III系統初始化后，系統將會檢測溫控器的信息，并進行解碼顯示在TFT觸摸屏上，通過TFT觸摸屏設置參數從串口發送給STM32單片機上，單片機再進行解析，通過RS-485電路發送給溫控器，當溫控器設置成功后，會回傳數據進行響應，當單片機接收到數據后，判斷參數設置成功后，報警電路將會滴一聲表示設置成功，原理框圖如圖1所示。

圖1 原理組成框圖

2 系統硬件設計

2.1 主控電路

本設計采用STM32F103RCT6型單片機對溫控器集中控制系統進行調控，STM32F103RCT6采用了ARM Cortex-M3核心，采用了哈弗結構，程序存儲器和程序存儲器都是獨立的，具有較高的執行效率。STM32F103RCT6的最小系統由時鐘電路、復位電路，BOOT選擇電路、電源電路、濾波電路構成。

ARM Cortex-M3是一個32位的核，在傳統的單片機領域中，有一些不同于通用32位CPU應用的要求。在工業控制中，用戶希望擁有更快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術，完全基于硬件進行中斷處理，最多可減少12個時鐘周期，TM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體（ST）公司出品。其最小系統如圖2所示。

圖2 STM32F103RCT6最小系統圖

2.2 RS-485通訊電路

在本次設計中，由于單片機要跟溫控器通信，溫控器支持的通信方式為Modbus協議，這個協議利用了RS-485總線。所以需要設計一個485通訊電路。

本次設計采用了支持RS-485總線的SP3485芯片。這個芯片支持3.3V供電，正好符合系統的電源。由此可以應用碼分多址技術，也就是說單片機在定義一串報文的時候，在某個位設置地址，底層只對一個地址進行應答。可以提前對底層設定好地址，這樣一個地址只對一個底層有效，其余的位寫其他的控制命令。這個通訊協議可以最高控制128個底層。如果控制的多的話需要用帶有屏蔽的雙絞線。輸入端用串口1進行連接。圖3是本次設計的RS-485通信電路。把RE與DE接在一起，為一個與門，一個引腳就可以同時作為發送和接收的使能端口。R/D為低時，禁止發送，接收有效；R/D為高時，傳輸有效，接收關閉。通過單片機引腳控SP3485發送和接收模式。在主從模式下，主機發出命令后，應立即在接收模式下拉動R/D，同時機器上的設備處于接收狀態。反之向上拉動，使機器上的設備處于發送狀態。

圖3 RS-485通訊電路

上拉電阻R14和下拉電阻R13，用于保證無連接的SP3485芯片處于空閑狀態，提供網絡失效保護，提高RS-485節點與網絡的可靠性，R13、R14、R15這三個電阻，需要根據實際應用改變大小。一般AB之間的電阻取值為120歐姆。上拉和下拉電阻取值為1K。本次設計采用了經驗值。

2.3 TFT觸摸屏電路

此次設計選用的TFT觸摸屏為淘晶馳公司生產的USART串口觸摸屏，這款觸摸屏具有豐富的控件，并且使用簡便，具有文本控件、滾動文字控件、二維碼控件、曲線波形控件、定時器控件、圖片控件、切圖控件、熱觸區控件、數字控件、雙態按鈕控件、復選框控件、進度條控件、按鈕控件、指針控件、滑塊控件、變量控件、單選框控件。利用這些功能可以很快地開發出圖形界面，可以避免復雜的函數來編寫。這款屏幕的顯示與輸入可以通過編程從串口與主控芯片進行通信，還可以支持特有的“自定義協議通訊功能”接任何具有串口通訊的產品，例如 TTL、RS-232、RS-485、CAN。這樣可以很快地達到自己想要的目的，圖3-7為串口觸摸屏實物圖。可以通過串口連接在單片機上獲取輸入也可以顯示。于是將串口2連接至串口屏上。如圖4。

圖4 串口觸摸屏接口電路

通過官方提供的上位機軟件，可以實現十分鐘就可以做出一個好看的界面，同時這個界面支持實時變換，并且速度較快。在輸入時可以利用虛擬按鍵給單片機發送數據，然后單片機進行處理。利用串口發送指令還可以讓屏幕上顯示各種字符。利用這款屏可以將開發界面編的很容易。本設計通過虛擬輸入來控制底層的溫控器。

2.4 報警電路

對于報警電路的設計，本設計采用了NPN型三極管S8050和3V有源蜂鳴器，通過單片機控制S8050導通，當BE高電平時CE間導通，這樣蜂鳴器就會工作，本設計利用PWM波，可以讓蜂鳴器響滴滴的聲音，R5的作用是考慮到阻抗問題。R10的作用是加快BE間導通速度，第一點PN結有結電容，加一個電阻可以使結電容充電快放電快，第二點由于NPN型三極管是由高電平觸發，這個電阻同時也是一個下拉電阻，可以防止干擾產生的信號讓蜂鳴器響，所以此電路這樣設計。與單片機管腳連接之中加了個1K電阻，這樣的作用是為了阻抗匹配，防止不過電流。這個報警電路的主要作用是在按觸摸屏時候，滴的一聲，就可以知道是否按下去了，主要作用是作為一個反饋。

2.5 開關電源電路

在實際的生活中，最常用的就是220V的市電。而本系統的供電電壓為5V，那么就需要一套電路將220V的市電轉換為5V的直流電。那么從市電轉化開始設計，逐漸滿足要求。市電為工頻50Hz的交流電，并且電壓在220-240之間，需要一個線性元件將高額的交流電變為小額的交流電。那么就需要一個變壓器來實現這個功能。變壓器是利用電磁感應的原理來降低電壓的裝置，主要結構是初級線圈、次級線圈和磁芯。通過初級與次級的匝數比，可以按照比例對交流電壓進行降壓。只有電流方向不斷變換才能有感應電壓，所以變壓器只能應用于交流電壓中。變壓器實物如圖6所示。

圖5 報警電路

圖6 開關電源電路

2.6 溫控器電路

在溫控器的選擇上，本設計選擇了億科成公司的E52型號的溫控器。這款溫控器采用了三星溫控器專用溫控器芯片，具有485通信功能，支持Modbus協議。能夠獨立設置地址，傳感器大面積都暴露在空氣中，還可以自己加傳感器，切換為外部傳感器。測量溫度更精確，還具有雙溫雙顯功能、可編程和不可編程功能、低溫保護功能、控制溫度開放，上下可調、開關機斷電記憶功能、按鍵鎖功能。比起其他的溫控器功能多，而且更加穩定。并且體積小，能耗低，圖7為溫控器的實物圖。

3 系統軟件設計

在STM32中，如果要使用串口必須經過初始化才能使用，然后需要對緩沖數據進行初始化，也就是從串口回來的數據需要寫入緩沖數組進行解碼。等待串口屏傳回來的數據，進行編碼對溫控器發送。在對溫控器傳回的數據進行數據解析，CRC校驗碼驗證成功后，然后編碼發給串口屏。

圖7 溫控器實物圖

圖8 主程序流程圖

在調試之前把所有溫控器的地址都設置好，接下來需要點擊溫度設置，把設備ID調到01，溫度設成22度。點擊設置后，會發現溫控器的設置溫度由最高15度變為了22度。溫度設置如圖9所示。

圖9 溫度設置界面

4 結語

特色鮮明的工程系統化應用型人才培養體系，打破原來以學科理論系統化的培養體系，轉而以一個個典型控制系統為對象，遵循由淺入深、由小到大的知識認知規律，圍繞電子技術應用工程過程來組織教學，輔之以必要的現場實習、實驗實測等實踐性教學環節，從而實現與企業需求緊密對接的技術復合應用型人才培養目標。構建全新的實踐創新教育教學體系和考核標準，借助科技平臺將科技成果迅速轉化為教學內容。使得學生眼界寬、知識全、能力強、適應快，從而很好地滿足企業對應用型人才的需求。