單片機(jī)與電力電子技術(shù)課程教學(xué)模式探索

劉曉紅 趙麗清 于艷

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266109)

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》和《電力電子技術(shù)》是青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院電類專業(yè)的兩門比較重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，新版教學(xué)大綱改革后，兩門課時(shí)均為56 學(xué)時(shí)（理論40、實(shí)驗(yàn)16），都在大三上半年開設(shè)。單片機(jī)原理與應(yīng)用課程涉及單片機(jī)基本理論、接口技術(shù)、指令體系等多方面的知識(shí)，包括51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、特殊功能寄存器、指令系統(tǒng)及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)方法等相關(guān)內(nèi)容。通過(guò)對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)及其設(shè)計(jì)方法，為從事單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)[1-2]。電力電子技術(shù)是一門橫跨電力、電子、自動(dòng)控制這3門課程的交叉綜合學(xué)科，是利用大功率半導(dǎo)體器件對(duì)電能進(jìn)行變化與控制的專業(yè)基礎(chǔ)課程。涉及電力變換的4 種形態(tài)（AC/DC、AC/AC、DC/DC、DC/AC）、軟開關(guān)和PWM 兩大控制技術(shù)、電力電子器件的原理、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等多方面的知識(shí)，高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等相關(guān)內(nèi)容[3]。該課程是在學(xué)習(xí)《電路》和《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)和分析、構(gòu)建電力電子系統(tǒng)的基本能力，為從事電力電子技術(shù)相關(guān)工作和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)[4]。二者都有較強(qiáng)的應(yīng)用屬性，無(wú)論是教師的教授過(guò)程還是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程都不滿足于理論，更愿意嘗試實(shí)踐，嘗試解決生活中的問(wèn)題。兩門課程教學(xué)內(nèi)容看似彼此獨(dú)立，但在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)作為一個(gè)工具、手段可以對(duì)電力電子電路進(jìn)行數(shù)字化控制，提升控制精度和靈活性。兩者的有機(jī)結(jié)合，可以提升學(xué)生的邏輯思維能力和對(duì)學(xué)科認(rèn)識(shí)的深度和廣度。課題組教師在此方向進(jìn)行了實(shí)踐探索，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，在學(xué)中做，做中學(xué)，從生活中細(xì)節(jié)入手，發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，提升生活品質(zhì)和學(xué)習(xí)的成就感。

1 單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)模式

新版教學(xué)大綱改革后，理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)均有縮減（原理論課時(shí)48 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)24 學(xué)時(shí)），如何利用有限的時(shí)間讓學(xué)生全局掌握單片機(jī)原理與應(yīng)用課程精髓并能熟練應(yīng)用是教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)代教學(xué)手段，基于OBE教育理念，將課程教學(xué)分為線上線下混合式教學(xué)及編程與仿真結(jié)合的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的進(jìn)階學(xué)習(xí)的兩個(gè)階段。

1.1 線上線下混合式教學(xué)

得益于學(xué)校的教務(wù)系統(tǒng)與學(xué)習(xí)通平臺(tái)的對(duì)接，構(gòu)建了單片機(jī)原理與應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂知識(shí)體系，采用線上線下混合式教學(xué)，線下課堂教學(xué)精講，線上知識(shí)點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)訓(xùn)作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，根據(jù)知識(shí)脈絡(luò)，查缺補(bǔ)漏，精準(zhǔn)定位，提高學(xué)生對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用能力。第一階段為基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，線上教學(xué)平臺(tái)為學(xué)生預(yù)習(xí)和鞏固學(xué)習(xí)提供知識(shí)點(diǎn)的詳細(xì)講解，線下教學(xué)重點(diǎn)是構(gòu)建知識(shí)基礎(chǔ)框架，并根據(jù)具體應(yīng)用案例講授學(xué)習(xí)方法和培養(yǎng)根據(jù)特定要求獲取相關(guān)信息并完整完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。因?qū)W生已有C語(yǔ)言基礎(chǔ)，同時(shí)也為編制復(fù)雜程序做準(zhǔn)備，教學(xué)過(guò)程以匯編為主，C語(yǔ)言輔助，PRETUES仿真驗(yàn)證，如圖1所示，內(nèi)容為定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷方式實(shí)現(xiàn)。

圖1 單片機(jī)原理與應(yīng)用教學(xué)過(guò)程

圖1 為定時(shí)/計(jì)數(shù)器知識(shí)點(diǎn)的作業(yè)內(nèi)容之一，要求學(xué)生分別用中斷和查詢方式實(shí)現(xiàn)規(guī)定的定時(shí)控制P1.2口LED閃亮，以C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程，Protues仿真視頻上傳，學(xué)生互評(píng)，相互學(xué)習(xí)編程思路，教師根據(jù)作業(yè)的具體情況，針對(duì)存在問(wèn)題線下重點(diǎn)講解。根據(jù)學(xué)生理解程度，增加課下作業(yè)訓(xùn)練（秒級(jí)定時(shí)加8位LED的多種控制方式、計(jì)數(shù)和定時(shí)結(jié)合等）。整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，講授留白，引導(dǎo)學(xué)生探索實(shí)現(xiàn)特定功能，由簡(jiǎn)入繁，學(xué)生獲得成就感，學(xué)習(xí)積極性高。Keil 編程與Protues 仿真的引入如圖1（c）所示，學(xué)生可更方便驗(yàn)證編程，更好地向單片機(jī)實(shí)踐和應(yīng)用過(guò)渡[5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)

在掌握了單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)和框架后就是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的不斷練習(xí)，提升學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。該環(huán)節(jié)共設(shè)8 個(gè)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目中都對(duì)應(yīng)著相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)源有3個(gè)，分別為自行購(gòu)買、繪制積木式單片機(jī)PCB并焊接完成相應(yīng)模塊、實(shí)驗(yàn)室提供。實(shí)踐過(guò)程，根據(jù)學(xué)生自身情況，漸進(jìn)式輔助，鼓勵(lì)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，結(jié)成興趣小組，增加學(xué)生討論和相互學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，在完成基本實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容后，引導(dǎo)學(xué)生深入挖掘，并廣泛應(yīng)用于生活實(shí)際[6]。

2 電力電子技術(shù)課程教學(xué)模式

電力電子技術(shù)涉及強(qiáng)、弱電，應(yīng)用極其廣泛，傳統(tǒng)的課堂講授偏重理論，學(xué)生很少有實(shí)踐機(jī)會(huì)，比較枯燥。這兩門課程結(jié)合，彼此滲透，可以促進(jìn)學(xué)生通過(guò)知識(shí)積累，解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

2.1 線上線下混合式教學(xué)

為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，僅在課上講解關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)、作業(yè)解析及導(dǎo)向?qū)W習(xí)。全面了解學(xué)生課前、課中、課后的具體學(xué)習(xí)情況，采用線上線下混合式教學(xué)，構(gòu)建了電力電子技術(shù)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。

2.2 仿真軟件的引入

電力電子技術(shù)電路應(yīng)用于電力領(lǐng)域、高壓環(huán)境、實(shí)踐環(huán)節(jié)之前一定給學(xué)生建立一個(gè)完整的強(qiáng)弱電、主觸發(fā)電路概念，引入Matlab 仿真軟件，軟件不做講解，參考資料上傳學(xué)習(xí)通，要求學(xué)生實(shí)踐課程前預(yù)習(xí)，帶仿真結(jié)果做實(shí)驗(yàn)；單相交流調(diào)壓電路為電力電子四大變換電路之一，應(yīng)用較為廣泛，主要用于異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、調(diào)速、燈光調(diào)節(jié)等，以此電路為例，說(shuō)明教學(xué)過(guò)程。要求學(xué)生掌握單相交流調(diào)壓電路，相控和斬控調(diào)壓工作原理、控制方式、移相范圍、功率因數(shù)及電路設(shè)計(jì)等基本概念。

相控式單相交流調(diào)壓電路電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但諧波含量較高，相控式單相交流調(diào)壓電路需要全控器件，控制較復(fù)雜，但其電阻負(fù)載的電壓和電流基波同相位，即位移因數(shù)為1。此外，通過(guò)傅里葉分析可以看出，電源電流不含低次諧波，僅含與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波，通過(guò)小體積的濾波器即可濾除。圖2是基于Matlab仿真的相控式單相交流調(diào)壓電路[7]。

圖2 基于Matlab仿真的斬控式單相交流調(diào)壓電路圖

2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)

整個(gè)教學(xué)過(guò)程，以學(xué)生為主導(dǎo)，課前教學(xué)平臺(tái)預(yù)習(xí)，課上知識(shí)點(diǎn)重點(diǎn)講解，課下消化加Matlab仿真驗(yàn)證并進(jìn)行深入應(yīng)用設(shè)計(jì)，實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)果分析、驗(yàn)證，提升理論實(shí)踐水平。由圖3 可知，圖3（a）為單相交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)的主電路圖，圖3（b）為單相交流調(diào)壓電路觸發(fā)電路圖，圖3（c）為單相交流調(diào)壓電路PCB 圖。此環(huán)節(jié)重點(diǎn)要求學(xué)生從理論、仿真到實(shí)踐，注重細(xì)節(jié)，尤其是散熱、驅(qū)動(dòng)、隔離、保護(hù)、同步、PCB 走線布局等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)[8]。

圖3 單相交流調(diào)壓電路系統(tǒng)框圖

3 基于模塊化設(shè)計(jì)思維的教學(xué)模式

經(jīng)過(guò)兩門課程的理論、仿真加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)單片機(jī)框架和基本功能以及電力電子電路、器件和功能都有了比較全面的認(rèn)識(shí)，有一定的設(shè)計(jì)能力，學(xué)生迫切希望能夠組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)具體應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室給學(xué)生提供了實(shí)踐平臺(tái)，為學(xué)生設(shè)計(jì)參考提供了一套三個(gè)雙控晶閘管構(gòu)成的三組單相風(fēng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。該項(xiàng)目電路共分為基于單片機(jī)的控制電路模塊、電源驅(qū)動(dòng)隔離主電路模塊以及晶閘管加散熱模塊這3個(gè)部分。此系統(tǒng)可以同時(shí)帶動(dòng)3臺(tái)5～10 kW的單相調(diào)速電機(jī)無(wú)極調(diào)速，系統(tǒng)的3 個(gè)部分通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口連接。單片機(jī)控制電路有兩種交互方式提供，一為L(zhǎng)CD加按鍵，二為觸摸屏，除了實(shí)現(xiàn)基本的交換互功能，最重要是交流電源的同步和根據(jù)設(shè)定電壓的觸發(fā)脈沖的給定，編程涉及外部中斷、定時(shí)等知識(shí)點(diǎn)，屬于單片機(jī)的典型應(yīng)用。由于采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，可做不同搭配實(shí)現(xiàn)多種功能，基于此系統(tǒng)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了斬控式交流調(diào)壓系統(tǒng)，兩者共用單片機(jī)控制模塊。

首次課程通過(guò)案例項(xiàng)目應(yīng)用展示，將單片機(jī)原理與應(yīng)用和電力電子技術(shù)課程融為一體，學(xué)生對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有概念性認(rèn)識(shí)，了解仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)系、強(qiáng)電與弱電概念及隔離措施、模塊化設(shè)計(jì)思路，基于模塊化設(shè)計(jì)思維的教學(xué)框圖如圖4所示。模塊化設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，知識(shí)點(diǎn)模塊化，將復(fù)雜的知識(shí)條理化，理論講授、仿真設(shè)計(jì)及實(shí)踐交叉進(jìn)行，從簡(jiǎn)單模塊開始，快樂(lè)入門，并不斷激發(fā)興趣探索，到復(fù)雜模塊學(xué)習(xí)，不斷提升學(xué)生的學(xué)習(xí)及分析能力。在單個(gè)功能模塊熟化后，引導(dǎo)學(xué)生開始系統(tǒng)分析，電氣工程應(yīng)用分析過(guò)程同樣采用模塊化設(shè)計(jì)思維，首先熟悉應(yīng)用流程，并把流程轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的功能模塊，模塊間逐級(jí)互調(diào)，最后完成系統(tǒng)功能測(cè)試。以展示的案例項(xiàng)目為例，項(xiàng)目要求：實(shí)時(shí)檢測(cè)某場(chǎng)所溫度、濕度、CO2，并能根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行3臺(tái)單相轉(zhuǎn)速電機(jī)和1 臺(tái)變頻電機(jī)控制，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上傳網(wǎng)站。該系統(tǒng)包含電源模塊（電源功率、路數(shù)）、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊（型號(hào)、IO口、存儲(chǔ)器大小）、人機(jī)交互模塊、時(shí)鐘模塊、通信模塊、AD 模塊（模擬量輸入檢測(cè)）、DA模塊（模擬量輸出）、AC-AC交流調(diào)壓模塊，強(qiáng)弱電環(huán)節(jié)分開調(diào)試，弱電部分調(diào)通后再經(jīng)示波器波形驗(yàn)證，強(qiáng)電部分的晶閘管觸發(fā)可先由模擬電路代替，分調(diào)成功后系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。設(shè)計(jì)思路、方式方法不唯一，適時(shí)提醒學(xué)生腳踏實(shí)地，多看多練，開拓思維，要模塊內(nèi)系統(tǒng)化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化設(shè)計(jì)、電路模塊化設(shè)計(jì)、成熟模塊標(biāo)準(zhǔn)化，固化后可應(yīng)用到不同實(shí)踐中。

圖4 基于模塊化設(shè)計(jì)思維的教學(xué)框圖

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾輪的教學(xué)改革，教學(xué)形式和內(nèi)容不斷趨于完善，基于OBE設(shè)計(jì)的教學(xué)理念極大提高了學(xué)生積極性，并取得了很好的教學(xué)效果。課題組成員根據(jù)教學(xué)需求，結(jié)合科研，開發(fā)了多個(gè)相關(guān)教學(xué)套件，并不斷吸收學(xué)生優(yōu)秀案例，擴(kuò)充教學(xué)案例并推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化，形成了積極、正向、動(dòng)態(tài)的教學(xué)過(guò)程。