基于圖形化編程的智能小車循跡控制教學(xué)案例設(shè)計(jì)

馬光軍

摘 要 基于Arduino（Atmega328）微處理控制器構(gòu)建的智能小車平臺，通過紅外循跡傳感器實(shí)現(xiàn)自動循跡功能。本文介紹了具體的循跡實(shí)施過程，并將其作為一個(gè)教學(xué)案例，豐富高職單片機(jī)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞 Arduino uno R3 紅外循跡 圖形化編程 教學(xué)過程

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

大多數(shù)高等職業(yè)院校工科相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了單片機(jī)課程，利用單片機(jī)體積小、成本低、易控制的優(yōu)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的軟硬件結(jié)合開發(fā)的技能。但筆者在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生只能按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行簡單的接線，然后將代碼輸入，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，幾乎沒有自由創(chuàng)新和開發(fā)的空間，深切體會到單一的教學(xué)內(nèi)容和落后的教學(xué)形式對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力非常不利，只有改變常規(guī)教學(xué)方法才能提高教學(xué)質(zhì)量。為此，筆者針對單片機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了一系列工程應(yīng)用性強(qiáng)的訓(xùn)練項(xiàng)目，以此拓展學(xué)生實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神。基于圖形化編程的智能小車循跡控制教學(xué)案例便是其中一項(xiàng)。

1案例內(nèi)容

基于圖形化編程的智能小車循跡控制教學(xué)案例涉及了較廣的知識面，整個(gè)項(xiàng)目內(nèi)容新穎，形式靈活，作為高職院校單片機(jī)項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容是很好的選擇。具體內(nèi)容包括：硬件電路部分包括Arduino單片機(jī)最小系統(tǒng)，L293D電機(jī)驅(qū)動芯片，5V電源穩(wěn)壓芯片，紅循跡模塊等。軟件部分包括單片機(jī)控制直流電機(jī)運(yùn)行、圖形化編程軟件環(huán)境mixly使用、小車循跡程序編寫等。

（1）Arduino單片機(jī)最小系統(tǒng)：Arduino是一個(gè)基于開放源碼的軟硬件平臺，它基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，使用類C語言的編程語言進(jìn)行程序編寫。Arduino能通過各種傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他裝置來反饋影響環(huán)境。同其他系統(tǒng)相比，Arduino提供了一套容易使用的工具包，簡化了單片機(jī)工作流程，開發(fā)者不需要關(guān)心單片機(jī)編程繁瑣的細(xì)節(jié)，因此同其他系統(tǒng)相比在很多地方更具有優(yōu)越性。

（2）L298N是德州儀器生產(chǎn)的一款電機(jī)控制器件，該器件具有4個(gè)大電流半H驅(qū)動結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以在4.5v-36v電壓下提供高達(dá)600mA的電流，可以驅(qū)動繼電器、直流或雙極性步進(jìn)電機(jī)等。其輸入端可以直接與單片機(jī)相連，通過改變邏輯電平，從而很方便的控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)及調(diào)速。具體控制情況如表1所示：

（3）紅外循跡模塊：該模塊可通過杜邦線直接連接到小車底板，相當(dāng)于一個(gè)紅外檢測開關(guān)，檢測到白色地面時(shí)輸出低電平，否則輸出高電平。探測距離大概為2～10厘米，工作電壓3～5v，工作電流20-40mA左右。

（4）Mixly： Mixly可以看作是介于普通用戶與Arduino IDE之間橋梁，通過這個(gè)橋梁，即使用戶不懂C語言的語法，也可以利用圖形化程序編寫Arduino程序。Mixly的基本原理是將圖形化程序轉(zhuǎn)化成C語言，再利用Arduino IDE上傳到硬件中。

（5）循跡原理：黑線（白底，黑色循跡線）會根據(jù)小車的運(yùn)行情況，被某一探頭所檢測到，則2個(gè)探頭分為2種情況對小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制；若沒有被任何一個(gè)探頭檢測到，則繼續(xù)直行；若黑色賽道被探頭1檢測到。則意味著小車已經(jīng)偏移到賽道右側(cè)，應(yīng)該左轉(zhuǎn)。若黑色賽道被探頭2檢測到。則意味著小車已經(jīng)偏移到賽道左側(cè)，應(yīng)該右轉(zhuǎn)。

（6）循跡流程：

2案例實(shí)施

案例教學(xué)過程包括如下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)線連接智能小車和電腦USB接口。

（2）基于圖形化編程軟件環(huán)境mixly編寫循跡程序如圖2所示：

（3）編譯程序。

（4）上傳可執(zhí)行文件到智能小車中。小車根據(jù)程序邏輯沿黑色循跡線前進(jìn)。

3結(jié)語

通過該案例的教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。另外，在今后的教學(xué)中，該案例還可以對小車增加多種傳感器，如溫度測量模塊、避障模塊等，從而豐富教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

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