智能車教學模型的開發與應用

石建國，周艷明，張志斌，何惠龍，劉根據（電子科技大學中山學院，中山　528402）

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智能車教學模型的開發與應用

石建國，周艷明，張志斌，何惠龍，劉根據
（電子科技大學中山學院，中山528402）

摘要：

關鍵詞：

單片機；教學改革；實踐教學；智能車

0　引言

《單片機原理與接口技術》是高校電子信息類專業的一門重要專業基礎課，同時也是一門實踐性很強的課程[1-2］。由于單片機具有種類繁多、配置多樣、編程靈活的特點，想要達到熟練應用的水平，僅靠有限學時的課內實驗與課程設計是不夠的，還必須經過多個實際項目的設計訓練[3-4］。適合學生特點的教學模型和教學策略是保證訓練效果的關鍵。目前多數單片機教學實驗箱雖然資源較為豐富，但普遍存在硬件復雜、結構陳舊、體積大、成本高等問題[5-6］。

針對上述問題，我們在省質量工程項目的支持下，設計了多款各具特色的實驗箱、開發板，還有一款采用雙控制器的智能小車教學模型，將其用于課內實驗、課程設計、競賽訓練等多個環節，取得了滿意的效果。本文主要介紹上述智能小車的硬件結構及其在教學中的具體應用。

1　設計思想

智能車也稱“輪式移動機器人”，是典型的機電一體化系統，其技術綜合性強，演示效果好，是適合青少年心理特點、培養應用設計能力和開展素質教育的理想平臺[7-9］。為了將其更好地應用于教學，在設計智能車模型時主要遵循以下原則：

（1）采用雙控制器結構，以拓展應用空間，提高編程的靈活性。

（2）兼顧基礎教學實驗和應用開發，為此，兩個控制器中應該有一個是80C51內核的。

（3）硬件模塊化，接口標準化，提高系統的可擴展性。

（4）智能車內部連接與通信以串行為主，對外除串行方式外，還提供至少兩種無線通信方式。

2　硬件結構

智能小車采用帶變速機構和測速碼盤的履帶式底盤，并由2個280直流電機驅動?？刂葡到y包括主控、協控兩個單片機控制單元，通過串行總線進行通信。主控單元負責總體控制、無線通信和人機交互，協控單元負責電機驅動以及小車狀態相關的多種傳感器信號的處理。圖1為控制系統的總體結構，其中主控單元單片機MCU1采用STC12C5A60S2，協控單元單片機MCU2采用ATmega8。

圖1　智能車總體結構示意圖

主控單元具體電路如圖2所示。主控單元配置了兩種無線通信模塊：一種是普通的nRF24L01，另一種是藍牙串口模塊HC-06。人機交互方面，配置了串行LCD、發光管、蜂鳴器和4個按鍵。STC12C5A60S2單片機有兩個硬件串口，串口1用于兩個單元之間的通信以及智能車對外通信（包括MCU1程序下載），串口2連接藍牙模塊。

協控單元具體電路如圖3所示。循跡傳感器OP21～OP25采用TCRT5000紅外對管，為節省電能，只有在循跡模式下，才由MCU2控制場效應管Q21導通，為5個紅外發射管供電。超聲測距采用HC-SR04模塊，單片機通過PB5發一個幾十微妙的觸發脈沖，之后通過定時器測量ICP1端出現的正脈沖寬度，就可獲知超聲波從發射到返回的時間，結合聲音傳播速度便可計算出與前方障礙物的距離。電機驅動部分采用MOS管組成的H橋，單片機通過兩組各3根口線獨立控制兩個電機的左轉、右轉、制動與惰行，其中OC1A、OC1B可用于PWM調速。電機工作電流通過0.2Ω精密電阻轉換為電壓，經由LM358運放放大、濾波后送入單片機進行A/D轉換，轉換結果反映電機是否正常運轉。減速齒輪內表面貼有黑白碼盤，可通過紅外對管OP26A、OP26B實現小車速度與行程的檢測。運動傳感器采用MPU6050陀螺儀，單片機利用軟件模擬I2C協議與其進行通信，實時讀取當前的加速度和角速度值。AT-mega8的硬件串口用于兩個單元之間的通信以及MCU2程序下載（需預先寫入BootLoader）。

圖2　主控單元電路原理圖

圖3　協控單元電路原理圖

圖4為裝配好的智能小車實物圖。

圖4　智能小車實物圖

3　教學應用

我們將基于智能小車的實踐教學劃分為基礎實驗、綜合實驗、應用設計訓練三個層次。基礎實驗包括航標燈、音樂門鈴、電子鐘、電機控制、雙機通信、A/D轉換等項目，旨在加深學生對單片機并口、串口、定時/計數器、中斷控制系統、A/D轉換器工作原理的認識，具備使用匯編語言和C語言設計基本單片機控制程序的能力。

綜合實驗包括無線遙控器、無線報警器、無線門鈴、頻率計、倒車雷達等項目，這些項目都比較實用，但實現起來有一定難度，一般安排在課外進行，兩周完成一個。要求學生對軟件進行模塊化分解，畫出主要模塊的流程圖。引導學生將通用性較強的外設控制操作（如I2C讀寫、射頻收發、液晶顯示等）設計成庫函數，測試無誤后可多次調用，后面再遇到功能較為復雜的項目時，只要集中精力設計主函數和中斷服務函數就行了，程序不但結構清晰，而且生成的代碼文件也更緊湊。

應用設計訓練采用競賽方式進行，由學生科技社團來組織，定期開展遙控車、平衡蹺蹺板、循跡避障車等專題競賽，并對成績好的小組進行表彰。為提高競賽的公平性和吸引力，即使同一專題，每次競賽的規則都有所不同，評分也基本上采用電子方式。這些舉措極大地調動了學生的參與熱情，很多大一的學生也被吸引進來。競賽中表現突出的學生，大部分被選入“飛思卡爾（恩智浦）”競賽隊，代表學校參加全國智能車大賽。

4　結語

以智能車為模型的實驗實踐教學自實施以來，取得了較好的成效：（1）激發了學生學習單片機的熱情和主動性，課程考核成績逐年提高；（2）提高了應用設計水平，有更多的學生在省級以上電子設計競賽中獲獎；（3）申報創新基金項目的人數增多，項目質量明顯提高；（4）學生的團隊意識和協作能力得到鍛煉和提高。

教學中也有一些不足，部分學生動手積極性不高，學習方法不當，理解能力偏弱，導致學習效果不佳。今后除了繼續優化教學內容、教學方法，也要加強對學習困難學生的督促和輔導，使更多的學生達到應用能力培養要求。

參考文獻：

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石建國（1968-），男，副教授，研究方向為無線傳感器網絡及智能測控系統

周艷明（1971-），男，博士，教授，研究方向為計算機軟件與理論、制漿造紙過程控制與能量優化

張志斌（1976-），男，助理實驗師，研究方向為實驗實踐教學管理

何惠龍（1987-），男，助理工程師，研究方向為開關電源及功率電路設計

劉根據（1957-），男，高級工程師，研究方向為無線通信及智能測控系統

Designs an intelligent car model to meet the needs of microcontroller practical teaching.Its control system is equipped with two microcontrollers，a variety of sensors，human machine interfaces and communication interfaces，which makes it an ideal platform for basic experiments and also complex application designs.Practice shows that the use of the intelligent car model and appropriate teaching strategies has effectively improved the students’enthusiasm，learning performance and application development ability.

Keywords：

Microcontroller；Teaching Innovation；Practice Instruction；Intelligent Car

Development and Application of an Intelligent Car Teaching Model

SHI Jian-guo，ZHOU Yan-ming，ZHANG Zhi-bin，HE Hui-long，LIU Gen-ju
（Zhongshan Institute，University of Electronic Science and Technology of China，Zhongshan 528402）

Abstract：

為滿足單片機實驗實踐教學需要，設計一款智能車教學模型。其控制板采用雙控制器結構，并配置多種傳感器、人機交互設備和通信接口，支持開展多項基礎實驗和應用設計。實踐表明，采用智能車模型以及相適應的教學策略，能夠有效調動學生學習的積極性，改善學習效果，提高單片機應用設計水平。

基金項目：

廣東省高等教育教學改革項目、廣東省教育教學成果培育項目

文章編號：1007-1423（2016）15-0065-04

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.15.016

作者簡介：

收稿日期：2016-05-02修稿日期：2016-05-12