基于工程能力培養的機電產品旋轉LED字幕的設計與實現

高英，王蓓蓓，韋思健，楊德元，陳開峰，李屹

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

0 引言

制造工程體驗課程、課程以綜合價值塑造、能力培養和知識傳授“三位一體”為教學理念[1]，依靠先進的教學理念，基于訓練中心實踐教學基地的一門實踐教學課程。課程注重培養工程素養、工程制造知識和能力，以及工程文化的基本概念及其內在關系，通過基礎制造工程體驗工程制造的基本方法和文化內涵，通過系統制造工程深入體驗工程制造過程[2]。

課程教學目標為，重視從注重技能的培養到重視動手解決問題的能力提升以及工匠精神的養成，堅持“行勝于言、真刀真槍”優秀傳統；通過設定問題的分析與解決，訓練學生的創新思維能力和習慣，注重創新教育與專業教育緊密結合。

課程隨著文科生選課人數的比例增多，為了提高課程及產品質量，增加課程趣味性，本單元課程設計中包含設計思維、電子和機械設計、電子制作和機械加工。首先安排設計思維課程，讓同學在整個設計中能更好完成系統思考，快速原型迭代以多方反饋的方法引導同學完成設計的持續流程。其次電路設計制作部分利用單片機控制，電子電路焊接實現旋轉LED顯示字幕、紅外遙控控制字幕、時間等切換，實現顯示屏多樣化的方式顯示各種信息。機械設計與加工使用CAD外殼設計及激光加工完成外殼制作。最后將電路部分及外殼進行裝配調試。

1 設計思維與產品方案設計

設計思維就是學習如何思考問題，提出有意義的創意和想法以同理心的角度對目標群體進行深入觀察并整合跨領域分析工具從而獲得洞見，還原事物本質最終設計出令特定人群感動或愉悅的產品/服務的方法[3]。通過案例分析學習設計思維課程之后，安排電子電路設計與制作、機械設計與激光加工、產品組裝與字幕內容編寫。最終形成一個完整的有“情感”產品。

2 電子電路部分設計與產品制作方案

2.1 電子電路總設計

旋轉字幕部分是本次課程產品的核心。此部分以單片機為核心實現頂面及側面柱式立體旋轉LED顯示字幕，主要由電源模塊、紅外傳感遙控字幕切換模塊、單片機控制模塊、傳感器定位模塊、時鐘模塊、LED顯示模塊。整個系統以單片機為核心，電源供給點擊正常運轉帶動LED字幕旋轉，用電感線圈無限發電的方式為主板提供穩定的電源；紅外傳感器通過接收信號將信號傳給單片機，單片機完成控制實現字幕切換功能；940紅外接收和發射傳感器決定屏幕顯示信息起始的定位；時鐘模塊控制顯示日期和時間。本次使用的主控芯片為STC12C5A32S2。在總的電子電路功能實現要求下，根據學科背景不同要求學生必須了解每個功能環節和理論知識。[4]設計總框圖如圖1。

圖1 設計總框圖

2.2 電源模塊和時鐘模塊設計

電源模塊主要給顯示板及LED字幕供電、采用電感線圈無線供電。電機接直流電后帶動顯示主板旋轉，電流經過自激振蕩電路將直流改成交流電，電機旋轉時利用電磁感應原理整流濾波形成穩定直流電給單片機及LED顯示主板供電，讓系統保持正常運行。時鐘模塊采用采用CS1302時鐘芯片來實現時鐘功能，它是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路。采用雙電源引腳，因此在停止運行狀態后備電源可以使時鐘保持持續運行的，當再次重啟系統的時候不必進行校時操作具體電路略。電源電路如圖2。

圖2 電源電路

2.3 字幕控制模塊和LED顯示模塊

采用紅外遙控的方法來控制字幕顯示的內容切換等，主要由遙控器和紅外傳感器組成。遙控器發出紅外信號，傳感器接收到信號后將信號發送給單片機。單片機接到信號后激發外部中斷由外部中斷控制功能切換。字幕始末定位采用紅外對管來控制，940L紅外發射傳感器通過測定電機的轉速向940L紅外接收管發送信號，單片機通過接收紅外接收傳感器的信號開始逐列掃描。LED字幕是電路設計制作部分的顯示終端。主板顯示字幕部分由20顆LED燈和限流電阻焊接而成，側板由16課LED和限流電阻焊接而成，主板和側板通過焊接組合。電路中的每個燈都是由單片機獨立控制的，D8為電源指示不可控。單片機控制顯示屏亮滅，電機保持穩定旋轉時帶動顯示板旋轉，形成連貫圖像[5]。紅外控制及LED顯示電路如下圖3。

圖3 紅外模塊和平面主控LED 顯示字幕電路圖

2.4 電路焊接功能實現

為實現上述功能將電路板分為三個板塊制作。分別為主控板、側板及電源板，裝接圖如圖4。

電子元器件包含插接元件、貼片元件兩類。實現正常字幕功能要保證100%的焊接正確率。涉及元件識別、元件測量、焊接相關知識。

3 外殼設計與制作

LED旋轉字幕顯示運用了視覺暫留的原理，字幕顯示時電路板處于高速旋轉狀態。所以整個產品需要外殼保護以及美學處理。外殼的設計需要根據電路板原型讓同學進行這是必要條件。課程中機械設計圖紙使用計算機輔助設計（Computer Aided Design）簡稱CAD軟件。激光加工制作外殼。外殼包括底面、頂面、側面以及電機固定板。本次提供材料為厚度為2.7mm的木板，形狀不固定，開放性設計，但需要滿足固定和加工要求。基本要求如下表1。

圖4 電路板裝接圖

表1 加工需求表

外殼制作采用激光加工技術，是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。在計算機控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復高頻率的脈沖激光。激光切割具有高的切割質量、高切割速度、材料適用性廣等優點[6]。因為機床加工的特點。首先課程加工要求圖紙需為二維圖，然后將CAD軟件畫出的圖紙導入激光加工的RD Works，最后根據設計圖形設置切割參數進行加工。

圖5 將零件圖導入RD Works 設置參數進行加工圖

根據不同的外殼設計，為同學提供多樣的組裝工具材料。如速干膠水、乳膠、各種尺寸螺釘螺母、螺絲刀等。將電路部分和外殼組裝在一起實現完整的產品。字幕內容可以進行編程調整使用遙控器實現字幕切換。課程中學生學科的差異性未選擇較復雜的編程方式，最終選擇的是的是基礎的圖形化編程。界面如下圖6。

圖6 字幕編寫界面

4 總結

本文在基礎工業訓練中心課程《制造工程體驗》的課程目標下，在實踐課程中，對課堂教學內容與方式進行變革探索[7]，滿足不同學科同學對課堂的需求。將真實的產品設計生產等工程問題與實驗教學課堂結合起來。通過一個具體任務產品LED旋轉字幕案例讓同學學習了解到，設計思維、單片機、機電設計與加工、字幕編輯等工程知識。找到解決問題的辦法及措施。提升課堂教學的趣味性，明顯提高了學生解決復雜工程與創新能力的效果[8]。