以智能小車為載體的嵌入式課程體系設計

章飛 吳年祥 錢禮閏

摘要：本文主要探討了以智能小車為載體的嵌入式項目化課程教學體系的設計構想與實踐效果。本文通過大學生智能汽車競賽項目為基礎，分析了其與嵌入式課程需要掌握的知識點的關系，分解出一系列的教學項目模塊。然后再將這些分解出的簡單模塊組合成一個完整的智能小車。這樣做不但可以讓學生熟悉各知識點的應用方法，還可以提高學生的動手設計能力，從而達到較好的教學效果。

關鍵詞：嵌入式智能小車;STM32微控制器;課程體系設計

中圖分類號：G420? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）23-0183-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of Embedded Course Based on Intelligent Car

ZHANG Fei， WU Nian-xiang， QIAN Li-run

（Anhui Vocational College of Defense Technology，Luan 237011， China）

Abstract：this paper mainly discusses the design conception and practical effect of the embedded project course teaching system based on the intelligent vehicle.Based on the intelligent automobile competition project of college students， this paper analyzes the relationship between it and the knowledge points to be mastered in the embedded course， and decompositions a series of teaching project modules.Then these simple modules are combined into a complete intelligent car.Do so not only can let the student be familiar with the application method of each knowledge point， still can improve the student's begin to design ability， achieve better teaching effect thereby.

Key words：embedded intelligent car; STM32 microcontroller;curriculum system design

1 引言

1.1 嵌入式技術和課程概述

嵌入式技術是現代電子信息技術發展的重點，和人工智能一起作為智能機器人領域的核心技術。嵌入式系統開發人才已經成為智能型社會人才需求的熱點。嵌入式技術近年來發展迅速，嵌入式芯片被大量應用在物聯網、智能機器人等領域。目前，嵌入式技術課程已在部分院校作為電類專業核心課程開設。本文所指的嵌入式技術課程指的是以32位微控制器為主的包括硬件設計、軟件開發和操作系統相關內容的課程。由于本課程實踐性較強的特點，教學中應該強調實踐動手能力。

1.2 課程教學中面臨的問題和改革探討

由于嵌入式系統結構復雜，芯片中寄存器太多，學生很難在較短的時間內熟悉，學生普遍感到難以掌握。本課程體系的設計，借助中國大學生智能汽車競賽的內容，結合當今先進的軟硬件技術來設計教學體系和課程內容，能較好地提高學生的學習興趣。也能較好的推動對學生實踐能力的培養。本課程改革的主要目的一是解決學生學習嵌入式技術課程中遇到的困難。在課程改革體系建立后，將會使學生能更好地掌握嵌入式技術各模塊的技術應用。

嵌入式技術是競賽用智能小車設計與開發的核心，在這門課程的教學體系中，將智能小車控制系統分解成模塊，設計以這些模塊功能作為小項目的課程體系設計，力求使每位學生能在原有的基礎上得到提高和發展。

2 課程體系設計

研究嵌入式技術課程項目教學方案，以全國大學生智能車競賽為藍本，結合教學中的微控制器芯片和公司實際的案例，建立適合教學的嵌入式技術項目化課程教學體系。

2.1 硬件系統

本課程教學形式采用的是項目一體化教學方式，使用的智能車硬件結構如圖1所示：

其中紅外傳感模塊主要用于道路的循跡，藍牙模塊用于和上位機通信，通過上位機來控制小車轉向及運行。

1） 矩陣鍵盤

矩陣鍵盤使用的地方比較多，像銀行取款機等地方使用的都是矩陣鍵盤，采用4X4的矩陣式鍵盤，不但可以節約GPIO口，而且可以訓練學生具備驅動矩陣鍵盤的實踐能力。

2） 液晶顯示模塊

本課題的顯示模塊采用2.8英寸的TFT液晶顯示器。在這個模塊中，可以教會學生編寫液晶顯示器的驅動程序，鍛煉學生在嵌入式開發中使用液晶顯示器的能力。

3） 直流電機驅動

在直流電機驅動模塊中，此模塊工作電壓5V，電機驅動電壓范圍為4.5V-36V，接線柱輸出，方便連接電機，由STM32的GPIO控制電機正轉、反轉，從而實現前進、后退、左轉、右轉和停止。

4） 藍牙模塊

藍牙模塊主要用于數據的無線傳輸。通過藍牙模塊可以實現上位機與下位機的通訊。

5） 紅外傳感模塊

紅外傳感器利用物體對紅外線的反射性質來進行避障和循跡。如果沒有障礙物，發射的紅外線會隨傳播距離衰減，直到消失。如果有障礙物，紅外線會被反射回傳感器接收頭。傳感器檢測到此信號，就可以確認有障礙物，并傳送信號給MCU，MCU處理后，發出躲避障礙物的指令來實現避障功能。

6） 超聲波傳感器模塊

超聲波傳感器主要鍛煉學生使用此模塊實現發送、接收和控制功能。讓學生了解超聲波傳感器的原理和編程實現控制的方法。

2.2 總體架構

大學生智能汽車競賽用小車控制系統的基本架構如圖2所示：

2.3 嵌入式課程體系設計方案

根據智能小車的硬件結構和實現的功能，對它的各模塊進行分解并對應嵌入式課程需要學習的知識點，設計出了圖3所示的課程教學體系。

2.4 嵌入式技術課程實施方案

在課程的初始階段，需要在教師的指導下學習各模塊的工作原理和驅動程序的編寫方法，這一階段跟通常項目化教學實施的方法一致。在本校的教學過程中，項目化教學的方式已經發揮了積極的作用。

在課程進行綜合性的開發階段，讓學生分組完成設計。在這種模式下，學生可以對智能車的設計分任務實施，可以這樣劃分任務：擅長電路分析和設計的同學完成電路原理圖的設計與繪制，擅長編程的同學編寫MCU驅動程序、動手能力強的同學可以完成硬件電路的焊接、調試與小車的組裝。這種分工可以發揮學生的特長，小組成員間也形成了互動，可以培養學生分工合作的能力，提高學生學習積極性。

3 總結

本文首先討論了嵌入式技術目前的情況和課程在教學中出現的一些問題;其次設想將嵌入式技術課程以智能小車為載體來進行教學體系的設計;然后具體講解智能小車的硬件結構和軟件框架。分解出一系列的項目模塊。然后再將這些模塊組合成一個完整的智能小車，不但可以讓學生熟悉各知識點的應用方法，還可以提高學生的動手設計能力，從而達到較好的教學效果。通過長期的教學發現，如果案例過于簡潔并脫離實際，學生將無法體會如何將知識應用于現實中;如果案例過于接近真實產品，學生就會把大量的時間關注在與課程無關的細節中。最好先通過簡單案例讓學生把概念搞清楚，再逐步完成較真實的項目，以智能小車車為案例的項目化教學體系可以滿足這些要求。希望通過此文與更多教學專家進行探討與交流，提高應用技術教育的教學質量。

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【通聯編輯：唐一東】