基于电子3D打印技术的智能语音交互系统电路设计

实验题目：基于电子3D打印技术的智能语音交互系统电路设计

课程简要信息

课程名称：电子实习

项目名称：基于电子3D打印技术的智能语音交互系统电路设计

课程学时：40学时（本项目12学时）

项目学时：课内10学时、课外2学时

适用专业：通信工程、自动化、电子信息工程、电子信息科学与技术

学生年级：本科三年级上学期

实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）

实验内容：

要求学基于学习的数模电及微处理器知识，以ESP32单片机为核心，使用开源的“小智AI大模型”方案，软硬结合，设计并实现一款智能语音交互系统，其主要功能是：智能语音助手具备语音交互系统，即支持中文、粤语、英语多多语言语音识别、高质量语音合成输出，支持多种音色、声纹识别功能，可识别不同说话者；**智能对话能力：**集成 Qwen2.5大语言模型，支持上下文理解和对话记忆，可自定义对话风格和人设；**硬件功能方面：**支持 Wi-Fi 和 4G 双网络接入、支持LCD 屏幕显示交互内容；支持按键唤醒和打断功能。项目全面整合如信号采集与放大、信号滤波算法、单片机应用、电路原理图设计、电子3D打印技术、电路焊接与调试等专业知识，并以产品设计开发全流程为基础，有利于增强学生对电子工程项目的开发设计与生产制作等内容的深度理解。该项目主要分为基本任务及拓展任务。

基本任务：需在面包板或教员提供的PCB上实现以下系统软硬件功能。

(1) 硬件功能：

• 支持 Wi-Fi网络接入；

• 支持OLED屏幕显示交互内容；

• 支持按键唤醒和打断功能；

• 支持麦克风输入、扬声器输出功能。

(2) 软件功能：

• 具备完整的语音交互能力，即多语言识别、多音色输出、声纹识别功能；

• 具备完整的智能语音对话能力，即支持上下文理解和对话记忆、自定义风格和人设；

  拓展任务：需自主设计、制作PCB，在实现基本任务要求功能基础上并实现以下部分创新拓展功能。

硬件功能：

• 支持 Wi-Fi和4G双网络接入；

• 支持自主充放电功能；

• 支持多外设拓展功能；

• 具备更有趣的外形、结构设计。

软件功能：

• 接入Depseek、OpenAI、通义千问等开源AI大模型；

• 具备语音控制外设工作（如LED、舵机等）功能；

实验过程及要求（限 300 字）

面向新一代信息技术的电子信息专业人才培养，以大数据、人工智能、虚拟仿真等最新技术为背景，以工程教育认证评估所倡导的“以学生为中心”、“产出导向”、“持续改进”等三大理念为指导，本案例提出了一套围绕数字化、智能化的“数智赋能+线上线下混合式”实验教学新模式，如图1所示。将该方法各环节介绍如下：

**1、线上学情调查分析环节。**教师通过AI学情分析助手，快速构建学生综合素质画像，全面精准了解学生知识技能、综合素质及学习特点等方面情况；

2、线上资源自主学习环节。学生通过课程专业知识图谱（知识图谱包含指导书、课件、线上优质慕课微课等资源）完成对实验案例自主学习，教师通过预习测试题方式进行考核。

**3、线上虚拟仿真实验环节。**理论知识考核通过后，学生即可进入虚拟仿真实验平台进行模拟实验。学生在预习中遇到任何问题，可在虚拟仿真实验平台上与教师沟通。预习成绩包括理论知识考核及虚拟仿真实验成绩，计入课程总成绩。

**4、线下课堂实验操作环节。**教师根据学生预习反馈情况及共性问题，有针对性地对实验原理、设备操作关键步骤进行补充介绍。学生自主完成设备操作、数据记录等实验流程。

**5、线上提交实验报告环节。**学生线上撰写、提交实验报告，教师线上批阅实验报告。系统基于大数据对学生实验报告内容及成绩进行多维度精准分析，并将部分结果及时反馈给学生。

**6、线下课程结题答辩环节。**课程以产出为导向，通过“赛课一体”的方式，进一步提高学生的创新能力。

图1“数智赋能+线上线下混合式”实验教学模式示意图

相关知识及背景

《电子实习》课程是我校电子技术系列课程的主干必修课程，其教学内容是对“模拟电子线路”、“数字电路与 EDA 技术”、“高频电子线路”等电子类课程的补充和提升，通过该课程的学习，使学生能识别与检测常用电子元器件，能理解各类传感器的原理并熟练应用，能熟练运用计算机辅助设计软件进行电路分析、仿真与设计，能运用相关仪器设备制作印刷电路板，能使用常用电子仪器调试电子电路。该课程采用开放性项目制，对学生的实习作品题材不作硬性规定。从而培养学生的电子电路创新设计能力、电子装备维修能力、电子项目管理能力、理技融合能力和团队协作能力。

“基于电子3D打印技术的智能语音交互系统电路设计”是《电子实习》课程中，学生独立构思、设计并实现的经典创新项目之一，能凸出体现课程对于创新性、应用性及挑战度的要求。本项目采用电子3D打印系统核心PCB的方式实现智能语音交互功能，是运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用传感器及检测技术、信号放大、模数信号转换、滤波算法等相关知识与技术方法。

实验环境条件

该实验项目需用到ESP32处理器，型号为ESP32-S3 WROOM ；电路设计软件使用的是嘉立创EDA或Altium Designer，用于系统核心PCB的设计；电子3D打印设备为北京梦之墨科技有限公司提供的Tseries高速PCB印刷系统；信号源、直流电源、示波器、万用表等设备用于电路的调试。

教学目标与目的

通过本次实验加深学生对传感器及检测技术、信号放大、模数信号转换、滤波算法等知识的理解；培养学生对电路设计、电子工艺制作等能力。提升学生的工程实践能力与创新思维，培养精益求精的工匠精神。

教学设计与实施进程

7.1 教学理念

本实验课程以布鲁姆认知理论与OBE成果导向教育理念为框架，通过模块化教学设计与动态化目标评估，系统构建了以能力达成为核心的教学体系。课程通过分层次设计的实践子项目，着重引导学生运用工程思维方法（分析、归纳、比较、提炼），将数字/模拟电路、传感器与单片机技术、电子工艺等跨学科知识进行系统性整合，并转化为解决工程实际问题的创新实践能力。教学过程中特别设置多维评价机制，实时监测知识迁移与应用目标的达成度。

在育人维度创新方面，课程深度嵌入了三重价值塑造：一是通过工程伦理案例分析强化职业责任感，二是以"科技发展与社会责任"主题研讨培育人文关怀，三是将思政元素有机渗透至实验选题（如国防电子系统设计）、技术原理解析（如芯片技术自主创新）等教学全链条，实现专业能力与思想素养的同步提升。

针对军事院校人才培养的特殊要求，本改革秉承"四性一度"育人方针，突破传统电子实践课程碎片化教学的局限。通过构建"虚实结合"的混合式教学场域（线上理论推演+线下工程实战），对课程内容实施"问题链牵引-知识网重构-能力树生长"的系统性重构，最终形成以高阶思维培养（系统设计、批判创新、伦理决策）为牵引，兼具学术严谨性与军事应用价值的教学新范式。

7.2 教学环节设计

围绕上述教学理念，课程组将虚拟仿真、智能助手、知识图谱等新一代信息化技术引入课程教学实践中。对实验过程具体环节设计如表1所示：

表1 教学设计

注：信息化工具参考图

图2知识图谱全功能展示

图3虚拟仿真实验教学平台全功能展示

图4 AI陪学助手功能展示

图5 在线系统教学评价展示

实验原理及方案

8.1系统结构

该实验项目的基本系统结构主要包括：系统供电模块（充放电及升压模块、电源总开关）、系统信号处理模块（ESP32-S3模块、音频放大器）、系统语音采集模块（数字麦克风）、系统语音播报模块（扬声器）、系统显示模块（OLED）等五大模块，系统原理图如图6所示：

图6项目系统原理图

8.2实现方案

本实验方案采取“先在面包板上实现功能，再在PCB上实现功能，最后再自行设计并制作PCB”的三阶梯教学。通过这样的实验方案设计，不仅可以有效降低实验难度，让学生得到即时的满足感，也能保证实验的挑战度和创新性。

**(1)面包板实现：**主要分为元件选型、硬件搭建、软件环境搭建、代码实现、系统配网与登记等五个步骤。硬件组学生需完成前两个步骤，软件组学生需完成后三个步骤。

1)元件选型

本实验除核心单片机ESP32-S3确定外，其他元器件都由学生自由选择。例如麦克风模块可以选择INMP441、ICS-43434等，显示模块可以选择I2C接口的单色 OLED（如0.96寸 128×64 OLED）或 SPI 接口的彩色 LCD（如1.3寸 240×240 TFT）。此外，学生还可以自由拓展外设模块，如充放电模块、大功率音响等。此过程，学生需要学习如何查看器件数据手册，了解各模块器件功能，并确保它们的兼容性和正确连接。

2)硬件搭建

在硬件搭建阶段，需要学生按照各模块的规格说明正确连接电路，并确保供电稳定。此过程，学生需要进一步掌握器件的典型连接方式，并初步学习掌握元件的布局布线能力。

3)软件环境搭建

在开始编程之前，需要搭建好 ESP32 的开发环境，以及准备云端大模型所需的工具库。学生将使用 ESP-IDF 来编写 C/C++ 代码控制 ESP32。 为了提高开发效率，学生将使用 VSCode 作为主要的代码编辑器，并安装乐鑫官方的 ESP-IDF VSCode 插件。该插件可以方便地菜单配置项目信息、一键编译烧录、监视串口输出等。此外，学生还可根据高阶目标需求，自行配置如SenseVoice 语音识别模型及 API、DeepSeek / Qwen 大语言模型等工具。

4)代码实现

由于实现整体系统语音代码难度及工作量较大，本实验只要求学生掌握编写 ESP32 端的主要代码，实现以下功能：**唤醒词检测、音频采集并上传、接收并处理云端返回的文本。**其他代码部分移植并理解即可。ESP32 端的主要代码逻辑为：等待唤醒→录音上传→接收回复→输出结果→循环等待下一次唤醒。此过程，学生需要学习掌握嵌入式代码编写、调试能力。

5)系统配网与登记

ESP32S3开发板默认支持WIFI网络，请配置所在场所的WIFI或手机热点即可。配置完成后，再到网站后台控制面板登记设备，添加设备验证码。唤醒"你好小智"即可使用。

至此，面包板搭建智能语音交互系统已完成，典型学生作品如图7所示。

图7面包板实现作品图

(2)PCB的设计

在完成面包板后，学生需使用嘉立创EDA或Altium Designer软件进行PCB设计。本案例采用嘉立创EDA软件进行设计，典型作品原理图如图6所示，设计PCB图如图8所示。其中，**图8(a)**为铺铜版本，是不需要自行制作PCB的学生设计版本，用于嘉立创生产。**图8(b)**为不铺铜版本，因为电子3D打印无法进行铺铜，是需要自行制作PCB的学生设计版本，用于电子3D打印制作。此过程，学生主要学习掌握原理图的绘制、封装的绘制与添加、PCB的布局与布线等设计能力。

图8 PCB设计图。(a)铺铜版本；(b)不铺铜版本

(3)PCB的制作

1)嘉立创制作PCB

学生完成PCB设计后，可交付嘉立创生产。此过程，学生需要学习掌握PCB生产工艺的关键参数，如板材类别、阻焊层、SMT贴片等知识。制作的典型学生作品如**图9(a)**所示。

2)电子3D打印制作PCB

待PCB设计完成后，部分学生可将生产文件导入Tseries高速PCB印刷系统开始制作。制作流程如下：第一步：导入文件，生成工程。打开设备自带软件，点击“导入文件”，导入在Altium Designer软件或嘉立创软件中设计好的电路图，文件通常为Gerber格式，再点击“生成工程”。**第二步：放入垫板和基材。**依次放入垫板和基材，注意，垫板在下，基材在上。通过旁边的六个定位螺母加以固定。**第三步：安装PCB钻孔头。第四步：打Mark点。**打Mark点的作用是为了辅助定位。点击软件的“打Mark点”选项，设备将自动完成该步骤。**第五步：打孔。**先确定打孔尺寸和相应的数量，安装上对应尺寸钻头，点击软件的“钻孔”选项，开始打孔。等待第一种尺寸大小的孔洞完成后，更换钻头，完成剩余打孔。待打孔全部完成后，取出钻头，及时清扫碎屑。**第六步：孔金属化。**因为智能语音系统PCB是双面板，为了上下两面导通，因此需要孔金属化处理。点击软件的“孔金属化”选项，开始进行孔金属化处理。首先需要确定待孔金属化孔的数量，再安装孔金属化专用的挤出头。安装完成后，需要对该挤出头进行调试。此时，设备会提醒“预出墨”操作，若不确定当前设备的墨管状态是否可直接用于孔金属化，则需要“预出墨”操作。在“预出墨”操作中，挤出头会慢慢挤出浆料，观察是否出墨，若出墨，点击右侧的“已出墨”选项。挤出头即调试完成。随后设备开始自动进行孔金属化操作。**第七步：吸孔。**孔金属化完成后，设备将跳出弹窗，询问“请选择进行吹孔还是吸孔操作”。选择吸孔。此时取出挤出头及电路板，安装吸孔头，进行吸孔操作。吸孔的目的是去除电路板表面残留的多余浆料，完成双面吸孔。**第八步：顶层打印。撕去电路板双面保护膜，开始顶层打印。首先，去除垫板，放入基材，这一步需要注意方向要与之前放置一致。随后安装探针，完成校准操作。再更换打印头，并完成墨管调试，墨管调试的步骤和孔金属化挤出头的调试步骤相同。随后，点击“顶层打印”选项，开始顶层打印。待顶层打印完成后，取出电路板。第九步：加热烘干。**将电路板放入烘箱，将烘箱设为160℃，烘烤10分钟。**第十步：底层打印。**底层打印的步骤和顶层打印完全相同，不再赘述，打印完成后，进行烘烤。**第十一步：裁切。放入垫板及电路板，固定好。安装裁切头，点击软件“裁切”选项，开始裁切。制作过程及PCB成果如图9(b)**所示。

图9 PCB的制作。(a)嘉立创制作PCB；(b)电子3D打印制作PCB

(4)系统安装与调试

PCB制作完成后，学生需完成电子元器件的安装与焊接。由于部分学生进行元件选型时可能会涉及到贴片元件，因此本步骤需要学习回流焊方法。此过程，学生将进一步巩固焊接技巧。最终完成典型作品如图10所示。其中，**图10(a)**为嘉立创PCB作品，**图10(b)**为电子3D打印PCB作品。

此外，部分学员还对智能语音交互系统的外观进行了设计，或实现了控制外设工作的拓展任务，部分典型作品如图11所示。

图10 典型作品展示。(a)嘉立创制作PCB作品；(b)电子3D打印制作PCB作品

图11 典型创新作品展示

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）。实验报告应反映以下工作：

(1) 实验报告封面，包含：个人、团队成员、课程、专业等基本信息；

(2) 实现基本信息，包含：实验名称、使用设备及仪器、团队分工、实验成绩评定等基本信息；

(3) 实验内容，主要包含：实验目的、自主学习、电路设计与制作、信号采集与放大、实验结果与总结、个人心得等信息。

考核要求与方法

1）实验过程考核

在实验过程中，考核主要分为课前学习、基本任务和拓展创新三个部分。课前学习主要考查学生实验前的预习情况,对实验背景、目的和基本理论的了解。基本任务考查实验过程中的操作技能、实验规范以及最终成果的展示。拓展创新考查学生创新实践等高阶能力。此外，对于团队协作能力也将进行评估，包括沟通、分工和协调等方面。

2）实验结果考核

实验结果考核根据学生提交的实验报告和组内互评结果进行评分，重点关注实验报告中对于过程记录的情况，考查结论的合理性，对实验结果分析的深度以及报告的规范性等。

3） 综合成绩评定

总成绩为百分制，实验过程考核占比 60%，实验结果考核占比 40% （总分100分=实验过程得分*60%+实验结果得分*40%）。详细考核评价标准如表2所示。

表2 实验考核评价标准

项目特色或创新

(1) **内容创新：**本项目以当下热点“人工智能语音交互系统”为切入点，易激发学生的学习兴趣和创作热情，项目涉及人工智能、传感器及检测技术、信号放大、模数信号转换、滤波算法等相关知识与技术方法，兼具理论性、工程性和挑战性。

(2) **理念创新：**本次实验教学融入了布鲁姆认知理论、OBE成果教学导向教育理念等部分教学环节和步骤，围绕教学总目标的达成设计教学子项目的内容，重点关注和评价学生的学习、实践否达到教员预先设计的目标。

(3) **方法创新：**将传统的印刷电路板制造工艺转变为先进的电子3D打印模式，并能将项目主题与电子3D打印的优势巧妙结合，易激发学生的学习兴趣；

(4) **模式创新：**本项目为线上线下混合式实验，主要包括线上慕课、微课、知识图谱、虚拟仿真实验平台等信息化教学资源的建设、线下实验环节的实施以及实验报告智能互联信息系统的提交。该模式能加深学生与教员之间的沟通，提高学习效率，并能对加强教学监督和形成性评价。

附件1 学习过程作证图片

图S1 理论学习

图S2 电子3D打印机的学习及操作

图S3 学生编写程序