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实验题目：基于仿生鱼特征的水下监测电路设计

课程简要信息

课程名称：电子电路综合设计

课程学时：8学时

项目学时：20学时

适用专业：物联网工程、智能科学与技术

学生年级：大二春季学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

以各种传感器等元器件搭载主控芯片，实现一个采集环境数据并实现控制反馈的水下简易电路监测系统；（项目目标）
根据功能模块分析完成元器件对比选型，并设计原理图、绘制打板PCB后进行元件焊接；（基础任务）
系统能够实现采集压强、温度等基础数据并搭载无线传输模块实现数据传输；（中度任务）
能够开发简易的app终端进行各项监测数据显示以及通过反馈控制模拟游动。（扩展任务）

实验过程及要求（限300字）

**本实验的过程是一个比较完整的电子电路的项目综合设计，需要在前序课程电子电路基础、数字逻辑电路、传感器原理等学习基础之上，进行元器件选型、方案论证、系统电路原理图与PCB设计、实现调试、设计总结等过程。**实验过程及要求如下：

根据设计需求，明确项目功能模块以及简单的元件调研协调；
组织学生讨论提交的方案，沟通提交方案的可行性，难易度。对方案中的知识点进行分类介绍与讨论（使学生了解知识点的难度，掌握知识点需要学习哪些课程）；
至少选择2-3种采集的数据，选择扩展功能模块并查找资料确定其对应的工艺、电气基本的知识；
可以利用人工智能工具进行各元器件的型号等基础数据调研做针对应用场景的方案对比；
对需要进行模拟、数字仿真的电路进行仿真测试功能；
利用嘉立创EDA进行电路封装、排针布置等原理图制作，并制作PCB布局布线打板；
电路板制作完成后进行元件焊接并连接电脑测试逻辑功能；
制作简单的页面（串口/PC/APP）进行监测数据的简单展示；
制作PPT通过分组演讲项目验收，学习交流大家不同的项目特点以及分享开发一个综合电路时可能会遇到的问题与解决手段；

10）以个人为单位撰写设计报告，记录本次电路开发过程，总结得失。

实验环境条件

硬件资源：各种传感器以及基本元件、扩展功能模块以及主控芯片、电焊板等

软件资源：Multisim、嘉立创EDA、Keil 、VScode等

教学目标与目的（限150字）

本实验旨在通过基于仿生鱼特征的水下监测电路系统的设计与实现，帮助学生掌握从需求分析到电路设计实现一套较完整系统的软硬件开发过程，培养其综合运用机械结构设计、电子电路、传感器技术和控制算法的能力。引导学生从项目需求分析出发，进行元器件选择、电子电路仿真、PCB布局布线调测，最后进行元件模块焊接与软件编译进行系统电路逻辑功能调试。

通过项目实践，学生将提升工程问题的分析能力、团队协作能力以及创新设计思维，同时加强课程之间培养方案的链接，形成一条完整的开发流程。

教学设计与实施进程

**本实验是一个完整的仿生鱼水下电路监测电路实践，涵盖学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定和设计总结等环节。**在教学中需重点引导学生掌握以下内容：

开展仿生鱼水下监测的需求分析，明确功能指标和技术参数要求，引导学生根据应用场景（如实验室水池测试环境）确定系统的运动性能、控制精度和续航时间等关键指标；
指导学生利用AI（如豆包、kimi）辅助设计工具进行电子元器件选型，比较不同驱动电机（如舵机、直流电机）、传感器（如超声波、红外）的性能参数和接口特性，结合成本因素选择最适合的器件方案；
基于电路分析与数字电路等前置课程知识，指导学生使用仿真软件（如Proteus、Multisim）验证电路设计，并完成PCB布局布线，重点考虑信号完整性、电源完整性和电磁兼容性等工程问题；
进行软件调试时，要求学生掌握串口通信协议基础，实现下位机与上位机（APP/PC端）的数据交互，通过调试工具（如串口助手、逻辑分析仪）分析通信质量，优化数据传输可靠性；
在项目实施过程中强调团队协作，合理分配机械结构、电路设计、软件开发等任务，最后组织学生制作规范的PPT进行实验项目答辩，重点展示设计方案、测试数据和创新点；
总结开发过程中遇到的工艺问题（如防水处理、机械装配公差、电路焊接质量等），分析问题成因，讨论改进方案，培养学生发现和解决工程实际问题的能力。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

实验原理及方案

首先整体硬件架构以主控板芯片为核心，通过集成多种传感器模块和执行机构形成整体的框架。需要在做好功能需求分析的基础上，进行系统设计。

针对传感器，可以选择2-3种采集种类，元件型号可通过AI人工智能（科大讯飞、文心一言、豆包等）进行推荐选择，更加全面认识传感器种类以及型号方案对比。

在电子仿真测试上，可沿用数字逻辑电路课程平台Multisim，把模块的电路设计进行功能仿真测试。

在PCB绘制部分，可采用嘉立创EDA，涉及电气性能、机械结构、生产工艺等多方面需要考虑，制作时需要明确设计需求、元件选型需要与封装方式匹配、布局布线原则、DRC检查等。

在软件部分功能开发部分可采用嵌入式开发中的Keil软件，需要注意接口协议等等，可利用AI工具辅助撰写代码，最后串口进行数据的简单观测。

在数据传输方面，可以选择Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、NB-IoT等等，取决于应用场景与传输需求。基于仿生鱼特征的水下监测电路整体结构图如下：

图8.1 整体系统结构图

系统电路包含传感器、主控芯片、集成功能模块、协议控制接口、无线传输、控制反馈等等。数据从传感器进行采集通过接口协议到主控板芯片进行数据处理，再通过无线传输模块WiFi到终端，同时终端可对功能模块进行反馈控制。

实验报告要求

实验报告需要反应以下工作：

1）实验需求分析；

2）实现方案验证；

3）小组分工；

4）电路设计与元件型号选择；

5）必要功能电路仿真；

6）电路原理图与PCB；

7）数据展示与核心代码模块；

8）基础要求上的扩展功能；

9）实验结果总结。

考核要求与方法（限300字）

1）分组验收：验收过程以4-5人为小组单位，通过功能演示与答辩的形式开展，重点考察团队分工协作能力，并引入组间互评机制以确保考核的全面性。

2）考核标准：采用多维度综合评价体系进行考核，其中基础任务（包括电路设计与PCB打板、基本数据采集和串口数据展示）占比60%，扩展功能（如AI选型或APP/PC联动展示等创新设计）占比25%，实验报告（从格式规范、内容完整度和数据分析深度三个维度评价）占比10%，高阶性功能设计（学生自主选题的创新实践）占比5%。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

**1）工程性：**应用场景具有一定工程性以及趣味性，拉动学生兴趣导向；

**2）综合性：**知识应用综合性，连接前置课程以及学期课程，训练学生的综合动手能力；

**3）AI智能：**引导学生利用人工智能工具进行辅助开发，增加学生智能工具使用与开发效率；

**4）高阶性：**项目通过模块化设计降低门槛，同时保持系统可扩展性，使学生在掌握基础工程能力的同时，能够开展创新性探索。

12.课程相关照片


图12.1 小组分组方案讨论	图12.2 小组实验仿真测试

图12.3 电路原理图	图12.4 电路3D PCB

图12.5 电路板测试	图12.6 学生部分功能代码
	图12.8 扩展功能PC端
图12.7 扩展功能APP端	图12.9 一组学生完成实物图1

图12.10 一组学生完成实物图2

基于仿生鱼特征的水下监测电路设计