实验题目：炫彩闪光棒

1. 课程简要信息

课程名称：创新实践导论课程学时：32适用专业：理工科院校所有专业学生年级：大学一年级、二年级

2. 实验内容与任务（限500字）

1）认识电子元器件、学习焊接技术，尤其是贴片元件的焊接；
2） 学习 AVR 单片机，以及集成开发环境 Arduino IDE，熟悉单片机开发；
3） 学习升压电路的基本原理，完成 1.5V 到 5V的升压；
4） 熟悉全彩色 LED的工作原理，能编程控制 SK6812 全彩色 LED；
5） 完成炫彩闪光棒的焊接，并编程控制闪光棒，实现各种炫酷效果。

3. 实验过程及要求（限300字）

1） 查阅资料，熟悉炫彩闪光棒的工作原理，熟悉所需的电子元器件的型号和作用；
2） 学习基础的焊接知识，掌握一定的焊接技术，包括直插型和贴片元器件的焊接；
3） 学习 DC-DC 升压的工作原理，了解升压芯片 E50D的原理及参数，，实现 1.5V至 5V 升压；
4） 焊接电路板，学习如何调试和查错；
5） 安装集成开发环境 Arduino IDE，学习一些简单的示例教程，熟悉其开发过程；
6） 查找单片机 ATTiny85的技术资料，理解其工作原理；
7） 学习 SK6812 全彩色 LED 的工作原理，使用 Arduino 开发环境编程控制全彩 LED；
8） 了解人眼视觉暂留原理，结合震动传感器，编写程序控制 16 颗全彩色 LED，实现当晃动闪
光棒时能显示文字和图案；
9）撰写实验报告，总结实验过程中遇到的问题及解决办法。

4. 相关知识及背景（限150字）

这是一个基于 AVR单片机类似 LED流水灯的实验案例，使用 16 个全彩色 LED，以菊花链方式连接，每个 LED用 24位控制颜色显示，采用 Arduino开发环境。涉及单片机知识、传感器及检测技术、DC-DC 升压、全彩色 LED 控制，以及数字电路的基础知识与技术方法，并涉及贴片元件的焊接、时序控制、电源控制、功耗控制以及抗干扰等工程概念与方法。

5. 教学目标与目的（限100字）

通过直观、有趣的实验案例，激发学生的创新意识和学习热情，引导学生熟悉现代控制技术、传感器技术，初步了解项目开发流程；引导学生根据需要设计电路、选择元件、焊接电路、并通过测试与分析对项目作出技术评价。

6. 教学设计与引导

本实验是一个硬件开发工程，需要具备基础的硬件知识和焊接技术。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）认识常见的电子元器件，对元器件的型号、封装加以区分。
2）学习焊接技术，能够独自完成电路的焊接。
3） 对电路分模块进行焊接测试：首先焊接主控芯片 ATTiny85，并进行烧写，检查芯片是否能正常工作；其次焊接电源部分，检测其是否能实现 $1 . 5 \mathrm { V } ^ { \sim } 5 \mathrm { V }$ 的升压；最后焊接完成，进行整体电路的调试，遇到问题学会分析解决，使用万用表等器进行检测。
4） 电路调试成功后，编写程序控制 SK6812 全彩色 LED 来显示不同的文字和图案。
5）试验完成后，可以组织学生进行答辩，交流实验心得，对实验过程中遇到的问题加以分析，并提出改进的意见和建议。

7. 实验原理及方案

1. 硬件框图

首先，选择合适主控芯片，设计出合适的电路。合适的主控芯片是做好闪光棒的第一步，高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位,一直是衡量单片机性能的重要指标，AVR单片机硬件结构采取 8位机与 16 位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆和单体高速输入/输出的方案。提高了指令执行速度，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。

其次，LED灯是实现能否成功的关键，LED闪光棒利用的是人眼的视觉暂留特性制作而成，LED发光管作为画面每一列的显示，左右摇晃起到了扫描的作用，人眼的视觉暂留现象使得看到的是一幅完整的画面。在 LED 显示模块中，如果 LED 灯的数量过少，在显示时就会导致最终在显示文字时分辨率降低，从而显示的图像等不够细腻；SK6812 是一个集控制电路与发光电路于一体的智能LED 光源，每个元件为一个像素点。像素点内部包含了数据锁存和整形驱动电路，还包含有高精度的内部振荡器和 5V 高压可编程定电流控制部分，保证像素点发光颜色高度一致。

8. 教学实施进程

1. 任务安排阶段：引导学生根据需选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试与分析对项目作出技术评价。教师需要依据学生和教学进度等实际情况，合理安排教学任务，设计教学实验步骤，由浅入深，循序渐进，引导学生自主独立完成实验。
2. 预习自学阶段：为了使学生在进行实验之前就对该实验有一定的了解与认识，以免在实验进行过程中出现完全不知道如何进行操作而耽误实验进行的状况，需要教师在实验进行前

布置预习作业。依据实验原理及方案，设计几道课前作业题让学生独立自学完成，并且在实验开始之前进行作业题的验收。学生需要自主查找资料，灵活结合所学知识，进行实验前预习，并完成预习作业。

3. 现场教学阶段：对实验进行实际演示，将实验原理、核心及重点部分更加立体的呈现在学生面前，更易让学生理解实验及实验原理，也可以让学生更加高效的完成实验。教师需要依据实际情况（学生的学习进度、学生的知识储备等）选取需要现场教学的实验部分。学生需要认真学习老师的演示过程与实验原理的讲解，做好笔记，以助于之后自主实验的顺利进行。

4. 分组研讨阶段：将学生分为几个小组，进行组间的合作交流。让小组成员之间互相弥补知识欠缺的部分，交流思想，开拓思维，查缺补漏。真正让学生由旁观者变为参与者，让学生有更多机会可以阐述自己的观点想法。学生需要定期向老师汇报实验进程。教师需要通过小组长了解小组进度，并且及时回答学生提出的问题。

5. 实际操作阶段：保证学生安全高效的实验。教师需在学生实际操作前告知学生每个器件的安全使用方法，避免发生安全事故或者破坏器件的事件。学生需要结合课前预习、课上老师讲解和小组讨论，灵活运用到实验中。如果遇到问题，先自己独立思考，想办法解决，实在解决不了可以求助同学或老师。教师需要掌握大部分学生的实验进度，并且及时回答学生的问题，引导其进行操作。

6. 结果验收阶段：目的是检查学生是否学以致用，真正了解实验原理，是否独立完成实验，实验成果是否正确。在完成实验之后，学生需要带着实验成果进行统一时间的验收。教师需要依据学生情况和实验难易程度提前确定好验收的日期，并且准备好验收时需要提问的问题（全面且细致）。教师将依据验收结果进行打分。

7. 总结演讲阶段：为了让各组之间进行交流，了解不同的解决方案，拓宽知识面，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行展示。学生需要准备资料，详细的对自己的产品进行讲解介绍（包括实验原理，思路，优缺点，创新点等），可以借助 PPT等工具辅助演示。教师进行组织，并且在每组演示完成后，提问打分。

8. 报告批改阶段：在演讲结束后，每组需要提交一份实验报告（其要求，见 9）。教师需要仔细批改评分，并且完成教师指导实验总结报告。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验目的说明
2） 实验任务和内容
3） 实验需求分析
4） 电路焊接及测试
5） 实验结果总结
6） 问题及解决办法汇总

10.考核要求与方法（限300字）

1） 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如温度测量精度、控制精度），完成时间。
2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
3） 自主创新：自主思考与独立实践能力。
4） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。
5） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11. 项目特色或创新（可空缺，限 150字）

如果你想造船,先不要去雇人收集木头,也不要给他们分配任何任务,而是去激发他们对海洋的渴望。

项目的特色在于：项目成果为完整的产品，采用 Arduino 开发环境，降低入门门槛。

创新点：一种低成本的全彩色 LED 闪光棒，利用视觉暂留原理显示文字和图片。

实验案例信息表