“智能充電器設計”實驗教學案例

延安大學　張　雄　楊延寧　曹新亮　劉　斌　王簫揚

0　引言

電類專業以工程實訓為為主，對學生實踐動手能力要求更高。要求學生主要學習信號的獲取與處理，具備設計、開發、應用集成電子設備和信息系統的基本能力。實驗教學是促進知識結構，能力結構和科學思維產生交叉符合作用的環節，在學生素質教育中有著特殊的地位[1]，是培養學生工程技術應用能力的基礎，是新知識、新技術、新方法、新產品誕生的搖籃[2]。為了適應創新教育的需要，設計具有較強綜合性和系統性的學科專業實驗項目，對學生知識結構的建立和工程實踐的基本訓練是非常有必要的。

1　智能充電器設計

1.1　實驗教學目的

實驗工程項目實現過程中引導學生了解電源電路、測量技術、傳感器技術、控制理論，根據選取方法的多樣化確定合適的技術方案。在整個實現過程需要建立學生團結協作和工程項目理念，從方案的確定、器件的選取、單元模塊的實現、系統拼裝、測試環境的搭建過程要求學生合理分工、明確目標，提高學生專業技能和協作意識[3]。

圖1　系統參考方案

1.2　實驗內容

設計一個帶有自動過流、過壓保護功能的智能充電器，充電器輸入AC220V，最大充電電流2.0A（精度±0.1A），最大充電電壓DC6.0V。保持鋰電池放電電壓不低于2.8V，充電鋰電池電壓不超4.2V（控制精度不低于±0.1V），并以數字方式顯示的鋰電池當前電壓；充電器能夠恒定輸出DC5.0V，充電電流不限制，請自行設計切斷充電電源方法；充電器的轉換效率達到85%以上（見圖1）。

2　教學設計與引導

本實驗的過程是一個比較完整的工程實踐工程，需要經歷學習研究、方案論證、系統設計、實現調試、測試標定、設計總結等過程。在實驗教學中，應在以下幾個方面加強對學生的引導[4]：

（1）學習掌握電源設計制作的基本方法，根據不同參數要求完成目標電源，注意在設計時元器件參數要求、電路的布局布線都會影響電路的功能和效率。

（2）學習電壓、電流檢測方法，與A/D轉換結合使用，在過程中可能需要有調理或放大電路來保障精度和滿足二者匹配。在選擇傳感器、MCU、A/D時需要了解他們的功能參數，盡量簡化電路。

（3）在通斷控制電路中可選擇三極管驅動繼電器實現。

（4）在電流、電壓程控實現穩定的過程可采用由MCU輸出PWM波控制的方式，具體算法可參考PID算法。掌握一種簡單的反饋控制原理，在具體實現過程中學生自己確定參數。

（5）顯示、鍵盤、狀態指示燈及應急開關的設計中可自行選擇設計，在保障功能完整性前提下發揮、創新。

（6）在方案確定、電路設計、搭建組裝、調試中必須用標準儀器設備進行實際測量，標定記錄各個環節的誤差；為了確保調試的安全、合理，在調試過程中可設計調試方案輔助完成。

（7）在完成每個單元模塊組內同學需要及時交流溝通，說明進度、討論解決存在問題；在實驗完成后，可以組織學生以項目演講、答辯、評講的形式進行交流，了解不同解決方案及其特點，拓寬知識面。

在設計中，要注意學生設計的規范性；如系統結構與模塊構成，模塊間的接口方式與參數要求；在調試中，要注意工作電源、參考電源品質對系統指標的影響，電路工作的穩定性與可靠性；在

3　實驗過程及要求

實驗過程從三個層次來逐步遞進，與實驗目標一致，有基礎、進階、最終要求[6]，實驗三個階段要求如圖3所示。

圖2　實驗三個階段要求

具體實驗過程如下：

（1）了解AC/DC電路、鋰電池特性，學習如何控制恒流、恒壓方法和電壓、電流測量方法。

（2）選取合適的控制芯片、AC/DC電路、電流電壓測量方法。盡可能的滿足實驗設計要求，注意控制芯片的I/O口數量、復用功能，降壓電路元器件的參數要求，電壓電流測量精度。

（3）首先完成系統整體規劃，設計系統框圖，明確各個單元的連接關系。

（4）在完成AC/DC電路時需注意與控制芯片的配合實現電壓、電流可控。注意強電危險，實驗過程確保自身安全，電路沒有明顯錯誤方可通電。

（5）選擇電壓、電流測量傳感器時根據傳感器輸出信號類型、大小，設計合適的調理電路以滿足控制芯片對信號的采集，有需要的話可以增加ADC。

（6）設計反饋控制電路，選擇合適控制方法或算法，盡量滿足設計要求。注意在測試過程可選擇不同功率電阻代替鋰電池，以免損壞電池。

（7）考察恒流、恒壓充電速度與二者的波動范圍，如何達到響應速度快、波動范圍小的目標。

（8）構建一個簡易的測試環境，利用萬用表實時測試各個環節的電壓電流值與顯示值進行對比，并利用秒表記錄響應時間。此外，需要注意轉換電路的效率。

（9）撰寫設計總結報告，并通過分組演講，學習交流不同解決方案的特點。

4　考核方法與要求

實驗考核方式主要有“討論交流式”過程考核和“學生+教師”的結果考核相結合，而過程考核占總評的60%，結果考核占總評的40%，其中結果考核中學生評價與教師評價各占50%。如表1所示。

表1　考核方法

考核依據：

（1）理論知識考察：涉及到的理論知識掌握程度，通過交流和提問方式評價。

（2）實物驗收：功能與性能指標的完成程度（電源轉化效率、測量精度、相應時間等），完成時間。

（3）實驗質量：方案的合理性，焊接質量、組裝工藝。

（4）自主創新：功能構思、電路設計的創新性，自主思考與獨立實踐能力。

（5）工程素養：是否掌握到一定的工程實踐能力、具有工程系統概念和團隊協作能力。

（6）實驗成本：是否充分利用實驗室已有條件，材料與元器件選擇合理性，成本核算與損耗。

（7）實驗數據：測試數據和測量誤差。

（8）實驗報告：實驗報告的規范性與完整性。

5　總結

以“智能充電器設計”作為電類專業的一個實驗項目，可以很好的鞏固理論知識，培養了學生工程實踐能力，在實際教學過程中有很好的體現。

[1]黃揚帆,甘平.電子類基礎實驗教學改革的探索[J].實驗室科學,2009(03).

[2]謝志江,孫紅巖,蔣和生,等.案例教學法在工科教學中的應用[J].高等工程教育研究,2003(05).

[3]石會,鄧元慶,關宇,等.“問題—探究式”教學模式在電子技術教學中的應用[A].中國電子教育學會高教分會2012年論文集[C].2012.

[4]張慶生.電子技術教學改革與實踐[A].2011年全國高等學校電子技術研究會論文集[C].2011.

[5]王新文.電子技術教學中調動學生學習積極性[A].2015年5月現代教育教學探索學術交流會論文集[C].2015.

[6]王立峰,劉大力,范長勝.深化高校電子技術實驗教學改革全面提高人才培養質量[A].傳承與創新——提升高等教育質量[C].2014.?