工科电子专业实验研制

本文作者：张进宏 刘依真 单位：北京交通大学 理学院

高校非电子类工科专业都开设有包括模拟电路和数字电路的电子类基础课程，并配有相应的实验教学内容，为后续理论和实践教学建立基础［1］。实验教学是学习主动性和综合能力培养的最重要手段，针对非电子类专业的学生开展电子系统综合实验内容，提高学生在电子系统方面的理论水平和实践能力，是改善这种状况的有效途径［2－3］。现有电子综合实验系统大多面向电子类专业，偏重于数字部分，模拟部分被弱化，没有突出通用电子系统的结构，缺乏包括简单设计和调试的综合内容［4］。基于此，我们研制了面向非电子类工科学生的电子综合实验系统用于实验教学，增强学生对电子系统结构和原理的理解，提高学生使用、维护和调试电子系统的能力。

1系统概述与结构

电子综合实验系统采用功能模块化设计，学生可以综合多个模块进行实验，利用工具和支撑软件设计和调试，完成具有特定功能的电子系统［5］。系统电路原理以学生容易接受的温度控制为设计目标，分别用模拟和数字2种方式实现温度测量、加热和冷却控制。系统主要由电源模块、传感器及放大模块、加热功率驱动模块、风扇PWM调速驱动模块，MCU控制模块和配套设备（示波器、数字万用表和信号发生／计数器）等组成，见图1。40mm×40mm铝制散热片下方贴功率约15W的发热膜构成加热模块，中心区域嵌入多种温度传感器，上方安装冷却风扇，控制加热电流和风扇转速可使温度稳定在室温到85℃范围内的任意值。模拟部分：传感器的信号经运算放大器处理后用于加热功率控制或风扇控制，加热功率控制采用电流调节方式，风扇驱动采用PWM方式。数字部分：运算放大器处理过的传感器信号经A／D转换后传给MCU，MCU模块可以实现数据转换、数据传输、控制和显示等功能。另外，通过串口或USB口连接PC机，可以开展基于Labview的实验内容。

2硬件设计

2．1电源部分系统设计有2路电源，一路为AC220V经开关电源模块输出DC18V，用于加热模块驱动；另一路为线性电源设计，AC220V经变压器降压，然后整流、滤波，再经电压调整器LM317稳压后获得DC5V，用于加热模块之外的所有电路。实验中可以介绍常用线性电源和开关电源各自的结构和特点。

2．2温度传感器应用系统采用热敏电阻、铂电阻、AD590和DS18B20等温度传感器，根据它们的特性（见表1）设计应用电路，通过多路选择开关实现每种传感器对加热功率或风扇转速的单独控制［6］。实验中学生可以了解各种传感器的特点及应用电路，利用Multisim仿真分析不同温度下实验系统电路的输出特性，并与实际测量值比较，也可以指定输出参数，学生设计并修改电路元件参数。

2．3加热驱动和风扇PWM驱动加热模块驱动采用晶体管功率放大电路进行设计，运放反馈控制电流调节，晶体管自身的功率耗散随电变化较大，须考虑器件的散热。冷却风扇使用霍尔传感器换向无刷直流电机，具有转速测量输出功能。利用电压比较器LM393和R、C的充放电特性设计PWM发生电路，来驱动风扇，频率约200Hz，调节PWM占空比可实现风扇在较大范围调速［7］。实验中，学生通过仿真和实际调试，学习运放反馈控制、比较器和R、C电路的知识，比较2种驱动方式的特点及适用场合。

2．4数字部分数字部分即MCU控制模块，基于51系列MCUC8051F320设计，它是完全集成的混合信号片上系统，集成有可编程振荡器、ADC、电压比较器、电压基准、温度传感器和USB功能控制器。片内二线C2开发接口允许进行非侵入式、全速在系统调试，支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令［8］。MCU在系统中的主要应用包括：（1）温度传感器信号的A／D转换；（2）数字电位器调节加热电流；（3）数字方式PWM发生；（4）控制按键扫描；（5）数字温度传感器数据接收；（6）LCD显示；（7）数据通信。通过实验，学生可以理解MCU系统的硬件结构及应用接口，熟悉系统硬件设计的基础知识。

3教学内容与支撑软件

3．1教学内容该系统在实验教学中使用时具有一定的灵活性，可根据需要选择模块和知识点开展分项实验或综合实验。硬件和支撑软件的结合更能锻炼学生的综合能力。该系统各模块的教学内容及相关支撑软件见表2。

3．2电路仿真软件MultisimMultisim是NI公司推出的全功能电子电路仿真软件，它可以对模拟、数字、射频及混合电路进行仿真，能克服实验条件下对电子设计工作的限制，为用户提供一个集成化的虚拟设计实验环境。建立电路、仿真分析和结果输出都在集成环境中完成，电路元器件、测量仪器和仿真结果与实际情况非常接近，满足使用者从参数到产品的设计要求。实验中，模拟电路部分需要学生分析参考电路或自行设计电路，包括传感器应用、PWM波形发生、加热和冷却驱动等电路，通过Multisim仿真，了解电路的各项参数和元件选择变化时对电路的影响，进而确定最佳设计。通过分析和仿真，提高学生的理论水平，使设计与实验同步［9－10］。

3．3MCU软件开发环境uVision4uVision4是Keil公司推出的一款可用于多种51系列MCU的集成开发环境，内置的仿真器可模拟目标MCU各项功能，包括指令集、片上设备及外部信号等，逻辑分析器可监控基于I／O引脚和外设状态变化的程序变量［11－12］。uVision4是单片机入门的最佳切入点，学生可通过开发环境，理解单片机原理及部件接口原理，了解单片机的开发流程，实践软硬件联调的过程。

4结束语

本电子综合实验系统主要面向工科非电子类专业学生的电子实验教学，具有一定的针对性和实用性，经初步使用，能满足教学实验需要，样机见图2。通过本实验系统的实验，学生能领悟模拟电路和数字电路特点以及相互之间的互补关系，掌握简单电路的设计和调试方法，了解单片机软硬件开发流程，学习和使用各类开发支撑软件，增强了主动学习意识和综合能力。