基于智能小車的模塊化教學系統設計

崔承毅, 王開宇, 高慶華, 李 贊, 王 林

(大連理工大學 電工電子實驗中心, 遼寧 大連 116023)

隨著科技的日益進步,社會對高校的素質教育提出了越來越高的要求,而實踐教學是提高學生綜合素質的重要環節[1-6]。智能小車是智能機器人的一種,可以輔助汽車自動駕駛的設計,完成危險環境的數據采集、圖像傳送,實施防爆、滅火等功能,涉及交通運輸、軍事、生活服務等眾多領域,在現實生活中發揮著越來越重要的作用[7-8]。為了提高單片機綜合設計課程的教學質量,針對電類高年級學生,設計了智能小車綜合設計實驗項目。智能小車具有藍牙無線通信控制功能,可以通過手機APP發送無線控制命令,實現對小車的啟動、停止、轉彎、調速等控制，并設計了顯示、循跡、語音等功能。

1 系統總體設計

基于單片機的智能小車框圖如圖1所示。上位機軟件使用“藍牙串口調試助手”等手機APP,通過藍牙無線通信與下位機通信,下位機單片機采用STC公司生產的單時鐘/機器周期(1T)的新一代8051單片機IAP15W4K58S4,該單片機片內集成8路PWM(Pulse Width Modulation,PWM),可以很方便地應用于小車調速控制[9-11]。

圖1 智能小車系統框圖

電機驅動采用電機驅動芯片L298N,驅動小車的左右2個直流電機；利用LCD來顯示小車的運行狀態信息；擴展部分可實現循跡、避障、語音等功能。

2 系統的硬件功能設計

2.1 電機驅動

電機驅動使用專用電機驅動芯片L298N,其典型電路如圖2所示。L298N內部設有2路驅動電路,可以分別驅動小車的左、右2個輪子。單片機通過IN1、IN2控制小車的左輪電機,通過IN3、IN4控制右輪電機。前進時,單片機發送PWM波控制2路電機以相同速度向前運行；改變2路電機的轉向實現小車的后退；當2路PWM波頻率不同時,可以實現小車的轉彎；同時改變2路PWM波的占空比可以控制小車的速度[12]。

圖2 L298N電機驅動電路圖

2.2 藍牙無線通信

智能小車與手機APP進行藍牙無線通信,采用HC-05藍牙串口通信模塊來實現。其工作模式有命令響應模式和自動連接模式。模塊工作于命令響應模式時,用戶可以向模塊發送AT指令為模塊設置名稱、密碼、波特率、工作模式等參數。模塊在自動連接工作模式下又可分為主(master)、從(slave)和回環(loopback)3種工作方式。在本系統中,藍牙模塊工作在從模式,當手機藍牙與HC05模塊配對成功以后,HC05模塊當全雙工串口使用,單片機通過串口接收手機發送的命令來實現對小車的控制,藍牙模塊與單片機串口2的連接如圖3所示。

圖3 藍牙模塊與單片機連接示意圖

2.3 顯示功能

顯示功能是電子系統的重要組成部分,用戶可以根據當前的顯示內容,得到設備的運行狀態。學生在設計過程中,顯示模塊可以選擇LCD1602或LCD12864,顯示內容可以是學生的班級、姓名及小車運行狀態、參數等信息,由學生自主設計。學生設計的LCD12864顯示內容如圖4所示。

圖4 LCD12864狀態信息顯示

2.4 語音功能

語音功能使得電子產品更加人性化、便捷化,在許多應用領域都有著不可替代的作用。學生在設計語音功能時,可在小車運行過程中增加各種音效,如在倒車的時候發出:“倒車請注意”或者“滴！滴！滴！”等。

語音功能使用基于ISD1820的語音模塊來實現,其典型應用電路如圖5所示。ISD1820芯片具有錄音、播放功能,語音播放可使用邊沿或電平觸發方式,可通過改變ROSC采樣電阻的阻值調整錄音時間,采樣時間為8～20 s,時間越短音質越好[13]。

圖5 ISD1820典型電路圖

2.5 循跡功能

紅外循跡模塊采用紅外對管方式,通過對循跡黑線進行探測,進而實現循跡功能[14-15]。紅外對管的典型應用電路如圖6所示。

圖6 紅外對管的典型電路圖

因為循跡黑線能有效吸收紅外光,當紅外發光二級管位于黑線上方時,其發出的光被黑色吸收,接收端光電三極管的基級無法接收到反射光,三極管不導通,因此比較器的反向輸入端為低電平,低于同相端電壓,比較器輸出高電平；反之,當紅外發光二級管沒有位于黑線上方時,發射光被反射回來,光電三級管導通,比較器反向端輸入的是高電平,高于同相端電壓,比較器輸出低電平。

單片機通過比較器的輸出,判斷紅外探測對管是否位于循跡線上。在設計循跡功能時,一般使用3路紅外對管,中間1路探測黑線,左右2路判斷是否在黑線之外,單片機通過綜合3路紅外對管的探測情況來控制小車的路線,從而實現循跡功能。

2.6 超聲波避障

利用超聲波測距功能,可以實現小車躲避障礙物的功能。超聲波模塊使用HC-SR04模塊,模塊包括超聲波發射器、接收器及控制電路,其接口包括VCC、GND、TRIG、ECHO 4個端口,與單片機連線如圖7所示。

圖7 超聲波模塊與單片機連接示意圖

當測距時,單片機通過P3.5發送至少10 uS的高電平信號到TRIG,觸發測距；超聲波模塊收到觸發信號后,自動發送8個40 kHz的方波,并檢測返回信號；當有信號返回時,通過端口ECHO返回P3.6引腳一個高電平,高電平的持續時間就是超聲波從發送到返回的時間。其工作過程如圖8所示。

圖8 超聲波模塊工作過程

通過測量發射信號到收到回響信號的時間間隔,可以得到測距公式為:

S測得距離=(T高電平持續時間*340 m/s)/2

(1)

為了防止發射信號對回響信號的影響,測量周期應為60 ms 以上。

3 智能小車在實踐教學中的應用

實驗要求學生一人一組,在48學時內設計藍牙智能小車系統。實驗教學過程中,硬件功能模塊化,實驗內容層次化。

3.1 模塊化的功能設計

實驗教學過程中,將系統中的各功能單元模塊化,讓學生自由組合,學生可以像搭積木一樣進行硬件電路的功能擴展,從而設計實現功能豐富、完善的電子應用系統。這種實踐教學方法脫離了傳統實驗箱的束縛,學生可以根據自己的能力、興趣等進行系統的功能設計和拓展,充分發揮學生自主性和能動性。實驗教學過程中,為學生提供的硬件模塊有電機驅動模塊、藍牙無線通信模塊,LCD模塊、語音模塊、超聲波模塊及紅外循跡模塊等。

3.2 層次化實驗教學

為了使不同能力的學生都得到很好的鍛煉,實驗將項目分為基本功能和拓展功能2部分。基本功能要求使用手機APP控制小車的前進、后退、轉彎、調速,具有LCD顯示功能,保證大多數學生都能夠完成,使學生動手能力得到有效的鍛煉；感興趣、有能力的學生可以在此基礎上,設計避障、循跡、語音等擴展功能,充分發揮學生的特長,鍛煉學生的創新實踐能力。為了滿足學生拓展功能設計需求,允許學生延長實驗時間來設計實現功能豐富的作品。

3.3 實驗教學效果

智能小車實驗項目趣味性強,可拓展功能多,特別適合鍛煉學生的動手能力和工程實踐能力。實驗中,學生實驗興趣較高,各盡所能,設計的作品多種多樣,取得了良好的實驗效果,部分學生作品如圖9所示。

圖9 部分學生作品

學生的拓展功能設計如圖10—12所示,包括超聲波避障、語音功能、自制PCB、自編APP程序、紅外循跡等拓展功能的設計。

圖10 增加了超聲波避障、語音功能的智能小車

圖11 自制PCB、自編APP的智能小車

圖12 循跡、超聲波避障、語音功能的小車

4 結語

智能小車在綜合實訓和創新實踐等教學環節中廣泛應用,該項目涵蓋的知識點多,軟硬件相結合,適合鍛煉學生對單片機、模電、數電、傳感器、無線通信等知識的綜合運用。在實踐教學中,智能小車采用模塊化的設計方式,為學生提供充分的自主發揮空間,較好地調動了學生實驗的主動性和積極性,并針對學生能力不同的特點,層次化實踐教學內容,使每位學生的鍛煉效果最大化。實驗中,學生的興趣較高、主動性強,實驗教學質量得到了一定的提升。