基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的電工電子綜合性實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與探索

孫樹祥 黨藝博 文樺 張亞軍

摘 要 為了提高學(xué)生的創(chuàng)新能力及提高電工電子課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，課程設(shè)計(jì)了以Arduino開(kāi)發(fā)板為控制核心的智能助老機(jī)器人的電工電子課程綜合實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，利用傳感器、揚(yáng)聲器、攝像頭等多種硬件集成，結(jié)合ESP32 OV2460平臺(tái)和語(yǔ)音配置工具，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和語(yǔ)音播報(bào)功能。再將這兩種功能貫穿于自動(dòng)跟隨、自動(dòng)循跡、語(yǔ)音交互這三種行為方式中。該項(xiàng)目將多知識(shí)點(diǎn)結(jié)合，內(nèi)容相互交叉滲透，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造性實(shí)現(xiàn)多功能的組合，提高了學(xué)生的創(chuàng)新和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；智能機(jī)器人；實(shí)踐創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G712?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.9.021

Design and Exploration of Electrical and Electronic Comprehensive

Experimental Course Based on Innovation Ability Training

SUN Shuxiang1， DANG Yibo1， WEN Hua1， ZHANG Yajun2

（1. Huanghuai University， Zhumadian， Henan 463000;

2. Zhumadian Vocational and Technical College， Zhumadian， Henan 463000）

Abstract In order to improve the innovation ability of students and improve the experimental teaching quality of electrical and electronic courses， a comprehensive experiment of electrical and electronic courses with an intelligent aid robot based on Arduino development board as the control core is designed. The experiment adopts a modular design scheme， using sensors， speakers， cameras and other hardware integration， combined with ESP32 OV2460 platform and voice configuration tools， to achieve real-time monitoring and voice broadcast functions. Then these two functions run through the three behavior modes of automatic following， automatic tracking and voice interaction. This project combines multiple knowledge points and cross-permeates each other. In the process of experiment， students can give full play to their creativity to realize the combination of multiple functions， which improves their ability to innovate and solve practical problems.

Keywords comprehensive design experiment; intelligent robot; practical innovation ability

電工電子綜合性實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)本科電子類專業(yè)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的實(shí)踐性環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的重要綜合課程[1-4]。由于受教材的限制，教師在電工電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)際教學(xué)中僅注重原理、定理等系統(tǒng)知識(shí)的傳授，忽視了學(xué)生的實(shí)際接受能力[5]。電工電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)“授課方式單一、缺乏實(shí)踐練習(xí)”的情況在相當(dāng)大的范圍內(nèi)存在[6]。為改變此現(xiàn)狀，課程組引入一個(gè)綜合性電子實(shí)驗(yàn)——智能助老機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)案例，從而體現(xiàn)電工電子綜合性課程實(shí)踐教學(xué)大多數(shù)知識(shí)點(diǎn)，并通過(guò)一個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目的開(kāi)展來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本案例可使學(xué)生掌握常用電工電子儀器儀表的使用方法和常用電路的調(diào)試測(cè)量方法，加深對(duì)基礎(chǔ)電路工作原理的理解，提高學(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生查閱電子器件手冊(cè)并選用合適的元器件的能力，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)、調(diào)試電路和分析、排查故障的能力。

1? 電工電子綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.1? 綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路

在“大眾創(chuàng)新，萬(wàn)眾創(chuàng)業(yè)”的大背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要更好地服務(wù)于學(xué)生，就需要緊密聯(lián)系當(dāng)前的應(yīng)用熱點(diǎn)，不斷將工程實(shí)踐項(xiàng)目引入實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)[7]。為了緊密聯(lián)系工程實(shí)際，提高教學(xué)質(zhì)量，將老人智能陪護(hù)機(jī)器人實(shí)踐項(xiàng)目引入電工電子綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)生活中的具體應(yīng)用案例，學(xué)以致用，在提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣的同時(shí)，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力[8]。

1.2? 綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)

老人智能陪護(hù)機(jī)器人是利用單片機(jī)技術(shù)、電路原理、電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)，將各種元器件接入主控板。采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，利用多種傳感器采集各種數(shù)據(jù)并將收集到的數(shù)據(jù)送至控制電路進(jìn)行處理，由控制電路根據(jù)傳感器所檢測(cè)反饋的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在行駛過(guò)程中的具體動(dòng)作行為。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)不同生活場(chǎng)景的三種行為方式，并在機(jī)器人行駛的過(guò)程中始終伴隨有實(shí)時(shí)監(jiān)控和語(yǔ)音播報(bào)的功能。

2? 電工電子綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

教學(xué)方法是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵，電工電子綜合性實(shí)驗(yàn)課程具有周期長(zhǎng)、工作量大的特點(diǎn)，且學(xué)生需要自主設(shè)計(jì)，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。所以電工電子綜合性實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)要從封閉管理轉(zhuǎn)為開(kāi)放式管理，不僅是針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容而言，更多的是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的場(chǎng)所與實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備方面，逐步讓學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間與學(xué)習(xí)程度進(jìn)行自主性實(shí)驗(yàn)，這種教學(xué)方法可以最大化地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手與創(chuàng)新能力。

2.1? 從理論到實(shí)踐

電子電工綜合性實(shí)驗(yàn)是電類本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要包括電路分析實(shí)驗(yàn)和模擬電路實(shí)驗(yàn)兩部分內(nèi)容。課程精選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，由易到難，引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能，具備良好的工程素養(yǎng)，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了方便電子電工綜合性實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)展，課程組結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)課程推出一個(gè)老人智能陪護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同工程實(shí)踐系統(tǒng)與創(chuàng)新實(shí)踐案例，通過(guò)對(duì)該實(shí)踐案例的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和學(xué)習(xí)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，鍛煉學(xué)生獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力，以及創(chuàng)新思維能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

2.2? 結(jié)合實(shí)踐的知識(shí)點(diǎn)規(guī)劃

實(shí)踐教學(xué)是各專業(yè)教學(xué)中非常重要的環(huán)節(jié)，要將老人智能陪護(hù)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)與理論中各個(gè)知識(shí)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，便于學(xué)生對(duì)知識(shí)有著更加深刻的理解，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用知識(shí)、動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。

2.3? 典型設(shè)計(jì)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中

本課程的目標(biāo)在于將電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)課程的理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，不僅能促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還能使學(xué)生對(duì)電子技術(shù)的工程性、技術(shù)性有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和理解。通過(guò)老人智能陪護(hù)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由基礎(chǔ)到綜合，循序漸進(jìn)地使學(xué)生掌握電子技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基本方法和實(shí)驗(yàn)技能。通過(guò)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，培養(yǎng)學(xué)生在電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。綜合運(yùn)用相關(guān)課程的理論知識(shí)，觀察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，排查實(shí)驗(yàn)故障。提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、勇于克服困難和開(kāi)拓創(chuàng)新的科技素質(zhì)。

通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟練掌握電工電子儀器儀表的使用方法、掌握基本電路參數(shù)的測(cè)量方法、模擬電路器件使用和電氣制圖等實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的知識(shí)；掌握電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)，能夠運(yùn)用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行仿真分析，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，提高硬件實(shí)驗(yàn)的效率與效果；能夠掌握模擬單元電路工程設(shè)計(jì)的基本方法，具備根據(jù)電路理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，擬訂實(shí)驗(yàn)方案及電路裝配、調(diào)測(cè)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面的能力。

3? 綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體案例

指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出基于Arduino的老人智能陪護(hù)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)不同生活場(chǎng)景的三種行為方式，并在機(jī)器人行駛的過(guò)程中始終伴隨有實(shí)時(shí)監(jiān)控和語(yǔ)音播報(bào)的功能。

3.1? 實(shí)驗(yàn)總體硬件設(shè)計(jì)和搭建

3.1.1? 總體設(shè)計(jì)方案

該機(jī)器人設(shè)計(jì)硬件選用探索者零件搭建而成的四輪式小車；控制系統(tǒng)選用Basra主控板和BigFish擴(kuò)展板為核心，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，利用多種傳感器采集各種數(shù)據(jù)并將收集到的數(shù)據(jù)送至控制電路進(jìn)行處理，由控制電路根據(jù)傳感器所檢測(cè)反饋的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在行駛過(guò)程中的具體動(dòng)作行為。機(jī)器人硬件視圖如圖1，系統(tǒng)總體框圖如圖2（p11）。

3.1.2? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊：ESP32-CAM是一個(gè)帶有攝像頭的單片機(jī)，采用DIP封裝，配有ESP32 OV 2460平臺(tái)可觀察到監(jiān)控畫面，直接接入U(xiǎn)SB TO TTL即可使用。通信協(xié)議是ieee802.11協(xié)議的一個(gè)組成部分WiFi協(xié)議，用于無(wú)線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，工作頻段分為2.4Ghz和5Ghz。可作為最小系統(tǒng)獨(dú)立工作，可以在上面運(yùn)行C語(yǔ)音程序。

該模塊位于機(jī)器人車身正前方靠中，在機(jī)器人行駛過(guò)程中會(huì)監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)畫面，監(jiān)護(hù)人可在PC端或手機(jī)上通過(guò)ESP32 OV 2460平臺(tái)觀察到此畫面。實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊電路如圖3所示。

語(yǔ)音播報(bào)模塊：HBR640語(yǔ)音識(shí)別模塊采用了基于heilos-adsp的新一代中大詞匯語(yǔ)音識(shí)別協(xié)同處理方案，支持中文音素識(shí)別，可任意指定中文識(shí)別詞條（小于8個(gè)漢字），識(shí)別率大于95%，可自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境噪聲，噪聲環(huán)境下也能保證較好的識(shí)別率。

內(nèi)置16位高精度DAC及喇叭驅(qū)動(dòng)電路，用于語(yǔ)音播報(bào)；前端帶有麥克風(fēng)放大器的16位ADC，用于語(yǔ)音錄制。可通過(guò)SPI接口讀取Flash中的語(yǔ)音指令，采用標(biāo)準(zhǔn)UART接口與主機(jī)進(jìn)行通訊。HBR640系統(tǒng)架構(gòu)如圖4。

該模塊工作流程為：先通過(guò)改變跳線帽位置將其改變?yōu)榕渲媚Ｊ剑ㄟ^(guò)語(yǔ)音配置工具配置出所要播報(bào)的語(yǔ)音。然后將其改變?yōu)檫\(yùn)行模式插入主板。熱釋電紅外傳感器位于車頭正前方，對(duì)前方是否有人進(jìn)行監(jiān)測(cè)并為主控芯片提供數(shù)據(jù)判斷是否播報(bào)語(yǔ)音，其與主控芯片PA2相連。語(yǔ)音播報(bào)模塊連接框圖如圖5。

①行為方式1：自動(dòng)跟隨模塊。

超聲波測(cè)距原理[4]：聲音在空?qǐng)?bào)中的傳播速度約為340m/s，時(shí)間 t為發(fā)射器發(fā)射超聲波的瞬間到接收器接收到超聲波的時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)式（1）就能測(cè)出機(jī)器人到障礙物的距離S。本文選用的是HC-SR04超聲波模塊，其測(cè)距范圍為2cm―400cm。

模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40Khz的方波，超聲波模塊固定在機(jī)器人的正前方，用來(lái)檢測(cè)正前方的障礙物，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。與主控芯片P13、P12相連。自動(dòng)跟隨模塊電路圖如圖6所示。

灰度傳感器自動(dòng)循跡模塊利用不同顏色的檢測(cè)面對(duì)光的反射程度不同，當(dāng)傳感器檢測(cè)到有深色標(biāo)記時(shí)會(huì)觸發(fā)傳感器來(lái)進(jìn)行循跡。該模塊共3個(gè)，位于車頭下方，從左至右在同一水平面上。檢測(cè)的有效距離為0.7―3cm。3個(gè)傳感器從左至右分別與主控板中的PA0、PA2、PA1相連接。自動(dòng)循跡模塊電路圖如圖7所示。

語(yǔ)音交互模塊選用HBR640語(yǔ)音識(shí)別模塊如前文圖4。在使用前先使用語(yǔ)音合成工具合成機(jī)器人所要交互的語(yǔ)音，再使用語(yǔ)音配置工具將其配置成功，與使用者所發(fā)出的指令相對(duì)應(yīng)，達(dá)到人機(jī)交互的效果。用語(yǔ)音配置工具來(lái)配置交互語(yǔ)音，結(jié)果如圖8。

3.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.2.1? 自動(dòng)循跡

循跡時(shí)，將灰度傳感器與主控板對(duì)應(yīng)IO引腳相連，當(dāng)機(jī)器人位于規(guī)定的場(chǎng)景中，在有效的檢測(cè)距離內(nèi)，發(fā)光二極管發(fā)出白光，照射在檢測(cè)面上，檢測(cè)面反射部分光線，光敏電阻檢測(cè)此光線并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可以識(shí)別的信號(hào)。基于此信號(hào)并結(jié)3個(gè)傳感器的狀態(tài)真值表，機(jī)器人完成自動(dòng)循跡。循跡場(chǎng)景圖如圖9，狀態(tài)真值表如表1。

3.2.2? 實(shí)時(shí)監(jiān)控

設(shè)計(jì)時(shí)，利用安信可程序案例，將其中通訊部分程序改為自己的手機(jī)熱點(diǎn)，即可使用。核心程序如下：

#define CAMERA_MODEL_AI_THINKER

#include "camera_pins.h"

const char* ssid = "nova 7 5G";

const char* password = "dyb123456";

void startCameraServer（）;

3.2.3? 語(yǔ)音播報(bào)

設(shè)計(jì)時(shí)，將紅外熱釋電傳感器與主控板對(duì)應(yīng)IO口連接，當(dāng)傳感器檢測(cè)到人體輻射時(shí)將其轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出，再經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡將信號(hào)放大送至控制電路進(jìn)行處理，語(yǔ)音模塊開(kāi)始播報(bào)相應(yīng)的語(yǔ)音。核心程序如下：

void loop（） {

if（ReadSensor（Near_Infrared_Sensor）

{

Get_Mode（ a+2，b ，c ，1）；//如果紅外傳感器觸發(fā)，語(yǔ)音模塊執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音；

}

else? ?delay（2）；//如果紅外傳感器沒(méi)有觸發(fā)，不動(dòng)作；

}

3.3? 調(diào)試

實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)試：配置ESP32-CAM時(shí)，會(huì)因?yàn)橥ㄐ判盘?hào)不好導(dǎo)致監(jiān)控畫面不清晰。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試后，需將PC端與手機(jī)熱點(diǎn)置于同一WiFi協(xié)議下，并將AP頻段調(diào)至5.0GHz頻段，監(jiān)控畫面才可流暢清晰。

語(yǔ)音交互調(diào)試：使用者發(fā)出命令須與機(jī)器人回答的指令相對(duì)應(yīng)，使人機(jī)交互性能達(dá)到高效的設(shè)計(jì)需求。初次測(cè)試使用者發(fā)出命令與機(jī)器人回答指令數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)過(guò)連續(xù)測(cè)試改進(jìn)，在語(yǔ)音配置工具中多次調(diào)整使用者發(fā)出的指令及機(jī)器人回答的指令位置，再將程序進(jìn)行優(yōu)化，所獲得數(shù)據(jù)如表3所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)老人智能陪護(hù)機(jī)器人綜合性實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新和工程意識(shí)。同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)的動(dòng)手能力。綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還激發(fā)了學(xué)生對(duì)新事物探索的興趣，其將來(lái)的學(xué)習(xí)和工作奠定科技創(chuàng)新意識(shí)。

基金項(xiàng)目：2021年度河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“應(yīng)用型本科高校電子信息類專業(yè)‘三育融合課程建設(shè)研究與實(shí)踐”（2021SJGLX533）；2022年度黃淮學(xué)院校級(jí)研究性教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“泛在學(xué)習(xí)下研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐——以《微電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》課程為例”（2022XJGYLX03）。

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