智能化背景下機械專業(yè)遞階式實驗教學探究

摘" 要：為了提升非電專業(yè)電子技術應用實踐，確保在智能化背景下機械專業(yè)學生能夠完整掌握電子技術課程內容，加強學生動手實踐能力，設計了能夠實現(xiàn)循跡路線和避障的智能小車，滿足不同學習階段同學們的實驗設計需求。該小車主控制單元為STM32，避障模塊為HC-SR04超聲波傳感器、道路循跡為TCRT5000紅外傳感器、RC522射頻識別輔助停車功能，OLED屏顯示障礙距離和小車狀況，有源蜂鳴器進行提醒，通過電路設計來實現(xiàn)各項功能，學生可自主規(guī)劃和擺放障礙，并進行試驗，有助于激發(fā)學生融入智能制造行業(yè)的興趣。

關鍵詞：機械工程；電子技術；教學實驗；智能小車

中圖分類號：TP39；G434 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）04-0179-06

Exploration of Progressive Experimental Teaching for Mechanical Majors in the Context of Intelligence

—Taking the Design and Implementation of Intelligent Trolley as an Example

LUO Shuli， GUO Zhanhong， WANG Hongbiao， FU Jingru

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Tarim University， Aral" 843300， China）

Abstract： In order to enhance the electronics application practice of non-electronics majors， ensure that mechanical major students can completely master the electronics course content in the context of intelligence， and strengthen the handson practical ability of students， this paper designs an intelligent trolley which realizes the route tracking and obstacle avoidance， to meet the experimental design needs of students at different learning stages. The main control unit of the trolley is STM32， the obstacle avoidance module is HC-SR04 ultrasonic sensor， the road tracking module is TCRT5000 infrared sensor， and the assisted parking function relies on RC522 RFID. The OLED screen displays the obstacle distance and the trolley status， the active buzzer is used as a reminder， and the various functions are realized through the design of circuits. Students can plan and place the obstacles independently and carry out the experiments， which is conductive to stimulate students' interest in integrating into the intelligent manufacturing industry.

Keywords： mechanical engineering; electronics; teaching experiment; intelligent trolley

0" 引" 言

當今大部分的傳統(tǒng)理工類的機械類學科，在培養(yǎng)學生時依舊以機械結構的學習和優(yōu)化為主，但隨著科技的發(fā)展，智能化的領域越來越廣泛，尤其是在汽車電子技術領域，傳統(tǒng)電路分析的局限性開始逐漸顯露，而智能化的發(fā)展是引起汽車及其相關產業(yè)鏈發(fā)生顛覆性變革的重要因素[1-2]，所以汽車專業(yè)的學習轉型是必要的。

針對這一背景，本教學實驗設計緊跟汽車電子技術行業(yè)發(fā)展趨勢，彌補了傳統(tǒng)電子技術實驗教學中偏重經(jīng)典簡單電路設計的問題。通過上位機系統(tǒng)和軟硬件的研究，結合本科電子競賽智能車設計賽道，設計操作可行、與實際生活緊密結合、難度適中的實驗，從而滿足不同學習階段同學們的實驗設計需求，加深學生對所學內容的理解和掌握，有效激發(fā)學生的學習興趣和參與熱情[3]。

1" 實驗整體設計思路

實驗通過對不同傳感器進行模塊化的處理，只需將自己想用的功能外的程序進行注釋，就可以單獨實現(xiàn)功能，增強了程序的簡便性和可操控性，整體設計架構如圖1所示。該系統(tǒng)簡單、直觀且具有一定的趣味性，彌補了汽車專業(yè)在控制實踐方面的不足，豐富了仿真實驗的教學案例庫，使得實驗系統(tǒng)更加完善，可以有效地提高學生參與實驗的積極性。

為了加強學生對單片機和傳感器知識的了解，該智能小車采用STM32F103C8T6為中央控制單元，L298N驅動模塊和直流電機為小車的執(zhí)行機構，HC-SR04為避障模塊，兩個TCRT5000紅外傳感器實現(xiàn)道路循跡功能，RC522射頻識別技術為輔助小車定位，OLED屏顯示超聲波讀取的距離和RC522讀取卡片，有源蜂鳴器進行避障和讀卡提醒，電源由12 V外接電源，智能車功能包括自主避障、紅外循跡、RFID定位。該智能小車結構簡單，組裝靈活，各模塊開發(fā)成熟，價格便宜，能夠實現(xiàn)所設定的功能。

2" 硬件設計

教學實踐中，為學生準備STM32、HC-SR04、TCRT5000等傳感器模塊，小車底盤、熱熔槍、錫焊等工具，學生分組合作來完成整個小車的組裝、代碼的編寫等內容，并且自由發(fā)揮來規(guī)劃小車循跡路線和障礙擺設，這樣不僅可以培養(yǎng)學生的動手能力和合作能力，還可以不斷激發(fā)學生的學習熱情。

硬件驅動方面選用了L298N驅動電機模塊和直流電機，小車的行走、轉向就是通過STM32中央控制系統(tǒng)對電機驅動模塊的控制，通過對模塊引腳的高低電壓改變，來顯示電機的轉速和轉向，兩個L298N模塊對四個電機進行控制，并通過PWM進行調速，實現(xiàn)小車的前進、后退、轉向；避障方面選用了HC-SR04超聲波和舵機的配合，反應靈敏，測量范圍廣，價格便宜；循跡方面選用了TCRT5000紅外傳感器，操作簡單，靈敏；定點停車選用了RC522，通過利用RFID射頻識別技術，應用新穎，并且是無線識別技術以及一對一識別卡片，實驗更加靈活，減少出錯。外接12 V電源，通過L298N中的降壓模塊以及外接穩(wěn)壓模塊來實現(xiàn)對單片機的供電，通過不同的程序應用來實現(xiàn)各項功能。智能車最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

3" 程序軟件設計

3.1" 開發(fā)程序環(huán)境和開發(fā)流程

程序的編寫開發(fā)采用Keil uVision5軟件，擁有包括功能強大的仿真模擬器在內的一套完整的開發(fā)系統(tǒng)[4-5]。新建工程，選用“STM32F103C8”單片機，并建立“User”“Hardware”等文件夾來存放代碼，這樣操作邏輯合理，尋找方便。根據(jù)傳感器進行代碼編寫，在各個文件夾下面添加.c文件和.h文件。

由于STM32內部擁有幾百個寄存器，想要使用這些寄存器的功能，僅憑自己來進行編寫無非是十分困難的。ST公司考慮到這一點，為STM32F103C8T6微處理器準備了STM32專屬的固件庫。所以通過上面的過程建立好文件后，就可以將常用的固件庫里的.c文件復制到各個文件夾下面即可。STM32軟件設計的基本步驟如下：

1）初始化硬件和外設。當選擇好外設引腳與STM32F103C8T6的GPIO端口的接線后，就要程序編寫的第一步，對硬件和外設進行初始化，這包括配置GPIO引腳、設置時鐘、初始化串口通信、配置中斷等過程。初始化后的硬件和外設才可以對其進行程序功能編寫。

2）編寫功能代碼。在硬件和外設初始化完成后，就可以開始編寫實現(xiàn)外設所需功能的代碼。

3）調試和優(yōu)化代碼。在代碼編寫完成后，需要進行調試和優(yōu)化。使用開發(fā)環(huán)境提供的調試工具，對代碼進行優(yōu)化，確保程序的執(zhí)行效率以及穩(wěn)定性。

4）仿真和驗證。對軟件設計的程序進行最后的仿真和驗證，通過Keil5的仿真功能，可以確保軟件設計程序能夠正常運行。開發(fā)流程圖如圖3所示。

3.2" 程序燒錄環(huán)境

完成編程后，就可以將程序燒錄到單片機中，進行測試，這里采DAP進行燒錄，DAP軟件提供了一種方便、高效的方式來將程序燒錄到目標設備中，它可以與Keil5軟件無縫集成，簡化了程序下載的過程。通過DAP軟件，我們可以將程序直接燒錄到處理器的內存中，使其能夠在實際硬件環(huán)境中運行。圖4為DAP實物圖。

3.3" 驅動模塊的軟件設計與實現(xiàn)

驅動模塊利用STM32的定時器生成PWM，對L298N輸出的電壓進行脈沖調節(jié)來實現(xiàn)對速度的控制，通過改變PWM波的占空比調節(jié)直流電機速度，相比較于交流電機，通過調節(jié)PWM占空比可以實現(xiàn)直流電機速度可控精度高，速度調節(jié)范圍廣等優(yōu)點[6]。通過這項技術，可以對小車實現(xiàn)較大范圍的調速，以及實現(xiàn)小車的轉向功能，表1為電壓和運動關系表。

3.4" 避障模塊的軟件設計與實現(xiàn)

HC-SR04超聲波測距模塊是一種先進的無接觸式測距器件，提供了2～400 cm的非接觸式距離[7]，可以適應各種環(huán)境，應用十分廣泛，特別是在機器人避障、物體測距、液位檢測、公共安防以及停車場檢測等領域。在編寫程序代碼以驅動HC-SR04超聲波測距模塊時，確實需要考慮到發(fā)射信號與回向信號之間的時序關系，以確保測量結果的準確性。為了防止發(fā)射信號對回向信號的影響，測量周期應當設定得足夠長，以允許超聲波信號完全傳播、反射并返回到接收器。

避障模塊流程如圖5所示，小車首先正常前進，超聲波模塊不斷發(fā)出超聲波來檢測前方的距離，當檢測到前方距離小于30 cm時，由中央控制單元處理信息，并發(fā)出指令讓小車停止，然后由舵機模塊首先帶動超聲波模塊向左側轉動，進行左測距，并將距離存入數(shù)組中，然后舵機帶動超聲波模塊向右側轉動，進行右測距，同時將距離存入數(shù)值，然后中央控制單元比較兩個數(shù)值的大小，然后下達向距離遠的那側進行轉彎，并不斷循環(huán)程序。

3.5" 循跡模塊的軟件設計與實現(xiàn)

為了完成小車沿黑帶運動的任務，需要設計一個精準的循跡模塊，使其能夠感知并定位黑帶的軌跡。這一過程中，小車通過傳感器捕捉黑帶的位置信息，隨后將這些數(shù)據(jù)傳輸給中央處理模塊。中央處理模塊對這些數(shù)據(jù)進行快速分析，并據(jù)此發(fā)出指令，驅動電機模塊作出相應的轉向或速度調整，使小車能夠緊密跟隨黑帶的走向。循跡檢測采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏光電晶體[8]。紅外發(fā)射器接收紅外信號，從而完成高低電平的輸出[9]。循跡邏輯是指紅外循跡傳感器在小車的兩側，起始狀態(tài)顯示為紅外傳感器接收到紅外線，輸出低電平，指示燈亮，小車前進；當小車左側的紅外傳感器檢測到黑線時，中央控制系統(tǒng)進行讀取數(shù)據(jù)并下達左轉的指令，另一側檢測則相反。圖6為循跡程序流程圖。

3.6" RFID模塊的軟件設計與實現(xiàn)

RFID模塊，即無線射頻識別模塊，是一種集成了RFID技術的硬件設備，主要用于讀取和處理RFID標簽的信息。它由RFID芯片和相應的電路組件組成，并能與其他硬件設備或系統(tǒng)進行通信，以實現(xiàn)RFID技術的應用。本實驗設計考慮所用的功能、方便性以及經(jīng)濟性，所采用的RFID射頻識別模塊為RC522模塊以及S50射頻卡，用來輔助自動行走小車實現(xiàn)定點停車的功能。MFRC522是一種應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡芯片[10]。在實際應用中，先將所設定的數(shù)據(jù)密碼通過RC522對空白S50射頻卡進行寫入，使RC522與S50形成一一對應的關系，當RC522識別到S50射頻卡時，S50會對RC522輸入數(shù)據(jù)信號，再由STM32中央控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理，進行下一步操作。

首先通過RC522射頻識別模塊對S50射頻卡進行寫入，使得STM32的Flash提前儲備了S50的數(shù)據(jù)，后續(xù)直接進行讀取就可以實現(xiàn)所需要的功能。圖7為RC522模塊以及S50射頻卡實物圖，圖8為定點停車流程圖。

4" 系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試是一個重要的步驟，確保電子設備的正確運行。檢查所有元器件是否完好無損，沒有損壞或缺陷，確保它們可以正常工作。檢查元器件之間的物理連接是否牢固，沒有松動或接觸不良的情況等。將之前所述的各模塊電路設計，進行詳細的軟件編程工作。為了確保程序的正確性和穩(wěn)定性，采用Keil5軟件作為主要的編程和仿真工具。圖9為Keil5界面。

4.1" 系統(tǒng)程序調試

通過使用Keil5的仿真功能，可以觀察程序的運行是否正常，來判斷程序編寫的正確性，圖10為PWM輸出波形。

4.2" 硬件測試

將元器件按照電氣原理圖進行組裝，實物如圖11所示，組裝完成后就可以運行小車來測試功能是否正常工作，并根據(jù)所反饋的現(xiàn)象來對程序進行更改和優(yōu)化。圖12和圖13為小車功能調試圖。

經(jīng)過調試測試，排除干擾因素，小車在運行中能夠實現(xiàn)代碼所設定的功能。

5" 結" 論

圍繞電子技術課程實踐當中同學們不同學習程度對電路設計、程序編寫等的要求，結合新形勢下機械專業(yè)智能化發(fā)展的社會需求，對汽車專業(yè)電子技術教學實驗進行了專業(yè)化遞階設計。該實驗案例使得同學們達到理實一體化教學的目標，枯燥的電路分析得到了有效利用，智能車組裝操作，鍛煉了同學們電路焊接的技能，程序編寫加強了學生對智能化車輛功能的應用，從而為我國智能汽車事業(yè)發(fā)展的不同需求提供高質量人才。

參考文獻：

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作者簡介：羅樹麗（1980—），女，漢族，新疆昌吉人，高級實驗師，碩士，研究方向：機械工程；通信作者：郭展宏（1993—），男，漢族，河南周口人，講師，碩士，研究方向：機械工程。

收稿日期：2024-07-21

基金項目：塔里木大學一流本科課程建設項目（TDYLKC202311）；塔里木大學高等教育教學改革研究項目（TDGJYB2406）；塔里木大學一流本科課程建設項目（TDYLKC202102）