智能车教学模型的开发与应用

石建国，周艳明，张志斌，何惠龙，刘根据（电子科技大学中山学院，中山　528402）



智能车教学模型的开发与应用

石建国，周艳明，张志斌，何惠龙，刘根据
（电子科技大学中山学院，中山528402）

摘要：

关键词：

单片机；教学改革；实践教学；智能车

0　引言

《单片机原理与接口技术》是高校电子信息类专业的一门重要专业基础课，同时也是一门实践性很强的课程[1-2］。由于单片机具有种类繁多、配置多样、编程灵活的特点，想要达到熟练应用的水平，仅靠有限学时的课内实验与课程设计是不够的，还必须经过多个实际项目的设计训练[3-4］。适合学生特点的教学模型和教学策略是保证训练效果的关键。目前多数单片机教学实验箱虽然资源较为丰富，但普遍存在硬件复杂、结构陈旧、体积大、成本高等问题[5-6］。

针对上述问题，我们在省质量工程项目的支持下，设计了多款各具特色的实验箱、开发板，还有一款采用双控制器的智能小车教学模型，将其用于课内实验、课程设计、竞赛训练等多个环节，取得了满意的效果。本文主要介绍上述智能小车的硬件结构及其在教学中的具体应用。

1　设计思想

智能车也称“轮式移动机器人”，是典型的机电一体化系统，其技术综合性强，演示效果好，是适合青少年心理特点、培养应用设计能力和开展素质教育的理想平台[7-9］。为了将其更好地应用于教学，在设计智能车模型时主要遵循以下原则：

（1）采用双控制器结构，以拓展应用空间，提高编程的灵活性。

（2）兼顾基础教学实验和应用开发，为此，两个控制器中应该有一个是80C51内核的。

（3）硬件模块化，接口标准化，提高系统的可扩展性。

（4）智能车内部连接与通信以串行为主，对外除串行方式外，还提供至少两种无线通信方式。

2　硬件结构

智能小车采用带变速机构和测速码盘的履带式底盘，并由2个280直流电机驱动。控制系统包括主控、协控两个单片机控制单元，通过串行总线进行通信。主控单元负责总体控制、无线通信和人机交互，协控单元负责电机驱动以及小车状态相关的多种传感器信号的处理。图1为控制系统的总体结构，其中主控单元单片机MCU1采用STC12C5A60S2，协控单元单片机MCU2采用ATmega8。

图1　智能车总体结构示意图

主控单元具体电路如图2所示。主控单元配置了两种无线通信模块：一种是普通的nRF24L01，另一种是蓝牙串口模块HC-06。人机交互方面，配置了串行LCD、发光管、蜂鸣器和4个按键。STC12C5A60S2单片机有两个硬件串口，串口1用于两个单元之间的通信以及智能车对外通信（包括MCU1程序下载），串口2连接蓝牙模块。

协控单元具体电路如图3所示。循迹传感器OP21～OP25采用TCRT5000红外对管，为节省电能，只有在循迹模式下，才由MCU2控制场效应管Q21导通，为5个红外发射管供电。超声测距采用HC-SR04模块，单片机通过PB5发一个几十微妙的触发脉冲，之后通过定时器测量ICP1端出现的正脉冲宽度，就可获知超声波从发射到返回的时间，结合声音传播速度便可计算出与前方障碍物的距离。电机驱动部分采用MOS管组成的H桥，单片机通过两组各3根口线独立控制两个电机的左转、右转、制动与惰行，其中OC1A、OC1B可用于PWM调速。电机工作电流通过0.2Ω精密电阻转换为电压，经由LM358运放放大、滤波后送入单片机进行A/D转换，转换结果反映电机是否正常运转。减速齿轮内表面贴有黑白码盘，可通过红外对管OP26A、OP26B实现小车速度与行程的检测。运动传感器采用MPU6050陀螺仪，单片机利用软件模拟I2C协议与其进行通信，实时读取当前的加速度和角速度值。AT-mega8的硬件串口用于两个单元之间的通信以及MCU2程序下载（需预先写入BootLoader）。

图2　主控单元电路原理图

图3　协控单元电路原理图

图4为装配好的智能小车实物图。

图4　智能小车实物图

3　教学应用

我们将基于智能小车的实践教学划分为基础实验、综合实验、应用设计训练三个层次。基础实验包括航标灯、音乐门铃、电子钟、电机控制、双机通信、A/D转换等项目，旨在加深学生对单片机并口、串口、定时/计数器、中断控制系统、A/D转换器工作原理的认识，具备使用汇编语言和C语言设计基本单片机控制程序的能力。

综合实验包括无线遥控器、无线报警器、无线门铃、频率计、倒车雷达等项目，这些项目都比较实用，但实现起来有一定难度，一般安排在课外进行，两周完成一个。要求学生对软件进行模块化分解，画出主要模块的流程图。引导学生将通用性较强的外设控制操作（如I2C读写、射频收发、液晶显示等）设计成库函数，测试无误后可多次调用，后面再遇到功能较为复杂的项目时，只要集中精力设计主函数和中断服务函数就行了，程序不但结构清晰，而且生成的代码文件也更紧凑。

应用设计训练采用竞赛方式进行，由学生科技社团来组织，定期开展遥控车、平衡跷跷板、循迹避障车等专题竞赛，并对成绩好的小组进行表彰。为提高竞赛的公平性和吸引力，即使同一专题，每次竞赛的规则都有所不同，评分也基本上采用电子方式。这些举措极大地调动了学生的参与热情，很多大一的学生也被吸引进来。竞赛中表现突出的学生，大部分被选入“飞思卡尔（恩智浦）”竞赛队，代表学校参加全国智能车大赛。

4　结语

以智能车为模型的实验实践教学自实施以来，取得了较好的成效：（1）激发了学生学习单片机的热情和主动性，课程考核成绩逐年提高；（2）提高了应用设计水平，有更多的学生在省级以上电子设计竞赛中获奖；（3）申报创新基金项目的人数增多，项目质量明显提高；（4）学生的团队意识和协作能力得到锻炼和提高。

教学中也有一些不足，部分学生动手积极性不高，学习方法不当，理解能力偏弱，导致学习效果不佳。今后除了继续优化教学内容、教学方法，也要加强对学习困难学生的督促和辅导，使更多的学生达到应用能力培养要求。

参考文献：

[1］丁保华，张有忠，陈军，等.单片机原理与接口技术实验教学改革与实践[J］.实验技术与管理，2010，27（1）：117-119.

[2］廖平.单片机实验教学的改革[J］.实验室研究与探索，2004，23（7）：36-38.

[3］贡雪梅.项目教学法在单片机原理课程设计中的应用[J］.实验技术与管理，2009，26（7）：115-116，144.

[4］彭远芳，陆勤，胡宁，等.基于“项目驱动法”的单片机课程一体化教学的探索与实践[J］.计算机教育，2016（6）：78-82.

[5］惠煌，赖晓晨，迟宗正，等.高校单片机教学实验设备自制模式探索[J］.实验技术与管理，2012，29（5）：229-232.

[6］宋蕴璞，周文泳，徐鸣谦.高校单片机教学实验设备与方式探讨[J］.实验室研究与探索，2009，28（11）：6-9.

[7］卓晴，黄开胜，邵贝贝，等.学做智能车-挑战“飞思卡尔”杯[M］.北京航空航天大学出版社，2007.

[8］高凤水，靳涛，赵书朵.基于飞思卡尔单片机的智能车设计[J］.电子设计应用，2008（5）：104-106.

[9］王咏梅，王印松.单片机实验教学改革的探索与实践[J］.实验室科学，2012，15（4）：25-26，30.

石建国（1968-），男，副教授，研究方向为无线传感器网络及智能测控系统

周艳明（1971-），男，博士，教授，研究方向为计算机软件与理论、制浆造纸过程控制与能量优化

张志斌（1976-），男，助理实验师，研究方向为实验实践教学管理

何惠龙（1987-），男，助理工程师，研究方向为开关电源及功率电路设计

刘根据（1957-），男，高级工程师，研究方向为无线通信及智能测控系统

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：

为满足单片机实验实践教学需要，设计一款智能车教学模型。其控制板采用双控制器结构，并配置多种传感器、人机交互设备和通信接口，支持开展多项基础实验和应用设计。实践表明，采用智能车模型以及相适应的教学策略，能够有效调动学生学习的积极性，改善学习效果，提高单片机应用设计水平。

基金项目：

广东省高等教育教学改革项目、广东省教育教学成果培育项目

文章编号：1007-1423（2016）15-0065-04

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.15.016

作者简介：

收稿日期：2016-05-02修稿日期：2016-05-12